Wydział: WBMiI: AiR Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej

Rodzaj studiów:  Dzienne

Rok Akad. 2 semestr 3

Puda Artur

Piotr Szczygieł

Nowak Adrian

Walusiak Krystian

Pisarek Przemysław

Gajewski Szymon

Sprawozdanie z ćwiczenia z laboratorium wytrzymałości materiałów

Ćwiczenia nr 6

Próba Twardości

Data wykonania 21.01.20

1. Wstęp teoretyczny

Twardość jest jedną z cech materiału równie ważną z konstrukcyjnego i technologicznego punktu widzenia, jak wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, przewężenie, udarność itp.. Przy konstruowaniu części maszyn i urządzeń należy zdawać sobie sprawę z charakteru ich pracy, współpracy z innymi elementami danej maszyny czy urządzenia po to, by należycie dobrać materiał i uzyskać optymalną dla danych warunków pracy twardość elementu, współpracujących powierzchni itp.

Przy badaniach twardości przedmiotów o bardzo małych wymiarach , cienkich lub wykonanych z materiałów miękkich stosuje się pomiary przy bardzo małych siłach obciążających wgłębnik lub metody specjalne.

Próba twardości metali metodą Brinella:

Twardość według Brinella jest to stosunek siły F, działającej prostopadle do badanej powierzchni i obciążającej stalową kulkę, do pola powierzchni odcisku S, jaki ta kulka zostawiła w badanym materiale. Pole powierzchni oblicza się, mierząc średnicę trwałego odcisku przy założeniu, że ma ona kształt czaszy kulistej.

Twardość oblicza się ze wzoru:

HB = 0,102 $\frac{F}{S}$

gdzie:

F- siła obciążająca kulkę

S- pole powierzchni czaszy kulistej

Próba twardości metali metodą Rockwella:

Próba twardości metali metodą Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał stożka diamentowego lub kuli stalowej o określonych wymiarach, a następnie na zmierzeniu trwałego przyrostu głębokości odcisku e , który podzielony przez 0,002 jest podstawą do określenia twardości. Wartość 0,002 jest podstawową działką czujnika używanego do mierzenia zagłębienia wgłębnika.

Twardość w skali Rockwella:

$$\left. \ \begin{matrix} \text{HRC} \\ \text{HRA} \\ \text{HRB} \\ \text{HRF} \\ \end{matrix} \right\} = K - e$$

gdzie:

K – stała wartość skali

e – trwały przyrost głębokości odcisku wyrażony w jednostkach odkształcenia trwałego wynoszącego 0,002 mm

Próba twardości metali metodą Vickersa:

Twardość Vickersa wyraża się stosunkiem siły F obciążającej wgłębnik do pola powierzchni S pobocznicy odcisku wgłębnika. Wgłębnikiem jest prawidłowy ostrosłup diamentowy o podstawie kwadratowej i kącie α= 136 stopni między przeciwległymi ścianami, natomiast wartość siły wciskającej wgłębnik, działającej prostopadle do powierzchni próbki przez określony czas t, wynosi od 9,8 do 980N. Po dokonaniu pomiaru mierzy się długości przekątnych d₁ i d₂ powstałego odcisku, przyjmując do dalszych obliczeń wartość średnią.

Wartość twardości Vickersa oblicza się ze wzoru:

HV = $\frac{F}{S}$

gdzie:

F – wartość siły obciążającej wgłębnik

S – pole powierzchni bocznej odcisku

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie metod badania twardości metali, nabycie umiejętności w określaniu twardości metali metodami Brinella, Rockwella i Vickersa oraz zapoznanie się z budową twardościomierzy używanych do pomiaru twardości wymienionymi metodami.

1. Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie zaczęliśmy od zmierzenia twardości próbą Brinella na próbce żeliwnej przy obciążeniu 29420 [N] przestrzegając odpowiednich norm, wyniki naszych pomiarów są przedstawione w części obliczeniowej.

Kolejną częścią ćwiczenia było zmierzenie twardości próbki za pomocą metody Vickersa przy obciążeniu 29420 [N] a następnie dzięki wbudowanemu mikroskopowi odczytaliśmy wymiar przekątnej, wyniki przestawiliśmy w części obliczeniowej.

Ostatni etapem naszego ćwiczenia był pomiar twardości metodą Rockwella.

1. Część Obliczeniowa

Próba twardości metali metodą Brinella (próbka z żeliwa):

HB = 212 $\frac{F}{S}$

F=29420 N - obciążenie

HB 10/3000

Kulka D=10 mm

K=30

$$S = \frac{1}{2} \times \pi \times D\left( D\sqrt{D^{2} - d^{2}} \right)$$

$$S = \frac{1}{2} \times \pi \times 10\left( 10\sqrt{10^{2} - 4^{2}} \right) = 1439,66\lbrack\text{mm}^{2}\rbrack$$

Gdzie:

D[mm]-średnica kulki

d[mm]-średnica odcisku

HB = 212 $\frac{29420}{1439,66}$ = 4332 HB

Próba twardości metali metodą Vickersa:

$$HV = \frac{F}{S} = \ 0.189\frac{F}{d^{2}}$$

Gdzie:

F = 294 [N] – siła docisku wgłębnika.

S = 0,189 [mm²] – pole powierzchni bocznej odcisku.

d = 0,242 [mm] – średnia arytmetyczna obu przekątnych odcisku.

Wartość obliczona ze wzoru:

$$HV\ 10 = 0.189\frac{294}{{0.242}^{2}} = 626,08\ \text{HV}$$

Wartość odczytana z tablic dla siły obciążającej F = 294N:

HV = 950

Twardość w skali Rockwella:

Z maszyny wytrzymałościowej odczytaliśmy ze twardość metodą Rockwella wynosi:

HRV = 105

1. Wnioski

• Metodę Brinella możemy stosować do badania próbek o dużej twardości powyżej 600 HB. Jednak te pomiary nie są dokładne ze względu na pomiar średnicy odcisku metalowej kulki. Pomiary te wykonuję się poprzez lupkę i mogą powstać błędy w odczycie tej średnicy. Dlatego też w celu uwiarygodnienia pomiaru średnicę mierzy się z dwóch stron, “po przekątnej” i bierze się średnią wartość, która następnie jest sprawdzana w tablicach.

• Metoda Rockwella jest dokładniejsza, gdyż twardość badanej próbki odczytujemy bezpośrednio ze wskazań czujnika zegarowego będącego częścią twardościomierza. Czujnik ten jest wyskalowany już w jednostkach Rockwella. I zarówno dla stalowej kulki jak i dla stożka diamentowego odczytujemy tę wartość bezpośrednio z przyrządu. Metoda ta jednak ma zasadniczą wadę. Jest nią ograniczenie twardości badanych na przyrządzie. Dla stalowej kulki można badać próbki w zakresie od 30-100 HRC zaś dla stożka diamentowego próbki w zakresie od 20-67 HRC. Po przeliczeniu Jest to znacznie mniej niż w metodzie Brinella.

• Metoda Vickersa może być stosowana do badania materiałów o bardzo małej grubości pod warunkiem, że grubość badanej próbki wynosi co najmniej 1.2 średnicy odcisku. Z tego względu metodą Vickersa możemy badać przedmioty utwardzane powierzchniowo o małej grubości. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu w tej metodzie bardzo małych obciążeń.

• Jak widać każda z metod ma wady i zalety. Dobór metody powinien więc zależeć od rodzaju próbki i jego grubości. Jest to bardzo istotne w celu uzyskania wiarygodnego pomiaru i nieuszkodzenia twardościomierza w przypadku doboru niewłaściwej metody do badanej próbki.