POLITECHNIKA WARSZAWSKA, WYDZIAŁ TRANSPORTU

Zakład Podstaw Budowy Urządzeń Transportowych

Materiałoznawstwo

Rok akademicki 2012/2013

Nazwisko i Imię	Grupa/ podgrupa	Ocena
Sitkiewicz Marta	T8/C

Ćwiczenie nr 1

Temat: Badanie twardości metali.

Data wykonania ćwiczenia	Data oddania sprawozdania
22.10.2012	5.11.2012

SPRAWOZDANIE

1.TWARDOŚĆ I PRÓBA TWARDOŚCI

Próba twardości polega na wciskaniu w badany materiał obciążonego „zaostrzonego” stożka diamentowego lub hartowanej stalowej kulki. Im głębiej w materiał zagłębi się ten stożek lub kulka, zwane wgłębnikiem, tym bardziej miękki jest materiał i odznacza się niższą granicą plastyczności. Twardość jest miarą oporu materiału przeciw odkształceniom trwałym powstającym wskutek wciskania wgłębnika. Istnieje ścisła zależność między właściwościami mechanicznymi metali (wytrzymałością na rozciąganie, sprężystością, cechami plastycznymi) a twardością, co spowodowało, że pomiary twardości znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle m. in. w celu kontroli jakości materiałów. Poza tym pomiary twardości są nieniszczące, uszkodzenie materiału jest niewielkie ze względu na małe wymiary wgłębnika. Rzeczywista twardość to iloraz wartości obciążenia (F) i powierzchni rzutu śladu wgłębnika (A).

METODY POMIAROWE

Pomiar twardości w zależności od sposobu działania wgłębnika możemy przeprowadzić metodą:
o Zarysowania ( Martensa)
o Wgniatania ( Brinella, Rockwella, Vickersa )
o Odskoków (Shore’a)
o Wahadłowa (Herberta)
W każdej z tych metod można stosować wgłębniki różnego kształtu, przy różnych warunkach i sposobach ich działania na powierzchnię badanego materiału.
W zależności od sposobu działania obciążenia na wgłębnik metody pomiarowe twardości dzielimy na statyczne i na dynamiczne.

Do najbardziej powszechnych statycznych metod badania twardości należą metody Brinella, Rockwella i Vickersa.

Na ćwiczeniach laboratoryjnych wykonywaliśmy badanie twardości losowo wybranych przez nas próbek różnych metali.

2. Metoda Brinella

Polega ona na statycznym wgniataniu penetratora (kulki stalowej lub wykonanej z węglików spiekanych) w badany materiał. Brinell uznał, że należy zmieniać średnicę kulki i wymyślił znormalizowany ciąg D= [1;2;2,5;5;10] mm. Na twardościomierzu w sali laboratoryjnej mamy do czynienia z kulką o średnicy 5 mm, a stała obciążenia K uwzględniająca relacje między obciążeniem a średnicą kulki wynosi 30.

Najpierw umieszczamy badaną próbkę metalu na stoliku twardościomierza , a następnie podkręcamy śrubę podnośnika do chwili zetknięcia się wgłębnika z próbką (wgłębnik jest stalową, hartowaną kulką o średnicy 5 mm). Kiedy to nastąpi zakręcamy zawór i za pomocą dźwigni zaczynamy pompować – zwiększając przez to ciśnienie oleju, który powoduje wciskanie wgłębnika w materiał. Wskazówka manometru zaczyna się odchylać – należy kontrolować jej wskazania, aby nie przekroczyć danej wartości. W przypadku kulki o podanym wymiarze siłę nacisku twardościomierza doprowadzamy do 7,5 kN. Po uzyskaniu takiego obciążenia przestajemy pompować i odczekujemy 15s w celu ustabilizowania się siły. Powoli zaczynamy odkręcać zawór, robimy to stopniowo. Gdy wartość obciążenia osiągnie 0 możemy opuścić śrubę podnośnika a następnie wyjąć próbkę i dokonać pomiaru średnicy w dwóch prostopadłych położeniach powstałego odcisku. Aby uzyskać dokładny pomiar próbę należy przeprowadzić trzykrotnie i wyciągnąć średnią arytmetyczną z wyników.

Badany materiał

HB = P / S

gdzie: P – siła obciążająca

S – powierzchnia odcisku wyrażona w mm²

gdzie:

F = siła obciążająca (N)

D = średnica kulki (mm)

d = średnica odcisku (mm)

Oznaczenie twardości Brinella zmienia się wraz ze zmianą średnicy kulki, dlatego też dla jednoznacznego zapisu podajemy : HB D/P/czas.

gdzie:

D – średnica kulki

P – siłą obciążająca

czas – czas działania kulki na badany materiał pod wpływem siły P

Do pomiaru twardości metodą Brinella do 400HB stosuje się kulki stalowe hartowane , natomiast powyżej 650HB stosuje się kulki z węglików spiekanych.

POMIAR:

Numer pomiaru	Siła [kN]	Czas [s]	Średnica [mm]	Średnia [mm]	Twardość [HB]
1	30	15	2,4	2,4	156
	30	15	2,4
2	30	15	2,3	2,4	156
	30	15	2,5
3	30	15	1,6	1,4	363
	30	15	1,2

Średnice odcisku w dwóch prostopadłych kierunkach : d1=2,4 mm , d2=2,4 mm.
0,5 * (d1+d2) = 2,4 mm

156 HBS 5/7,5/15 – twardość Brinella 156 mierzona za pomocą kulki o średnicy 5 mm przy nacisku 7,5 kN w czasie 15 s.

Zalety metody Brinella:

• Możliwość pomiaru stopów niejednorodnych

• Jedna skala twardości

• Możliwość uzależnienia twardości Brinella dla materiałów ciągliwych od wytrzymałości na rozciąganie.

Wady metody Brinella:

• Pomiary nie zawsze są porównywalne

• Brak możliwości pomiaru twardości materiałów twardych

• Nie nadaje się do pomiaru twardości bardzo małych powierzchni i warstw utwardzanych

• Kłopotliwy pomiar twardości (mikroskopowy pomiar średnic odcisków).

2. Metoda Rockwella

Próba twardości Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w powierzchnię badanej próbki stożka diamentowego o kącie wierzchołka 120°

lub kulki stalowej ulepszonej cieplnie o średnicy 1/16 cala oraz zmierzeniu trwałego przyrostu głębokości pod zadanym obciążeniem.

W pracowni wykorzystujemy do wykonania pomiaru twardościomierza z penetratorem w postaci kulki stalowej.

W czasie przeprowadzania próby próbkę obciąża się przy pomocy ciężaru początkowego, a następnie za pomocą ciężaru głównego. Po upływie odpowiedniego czasu odciąża się próbkę z ciężaru głównego i odczytuje się wartość twardości badanej próbki.

Metoda ta pozwala na dokładniejsze pomiary a w przypadku tej metody zastosowano następujące skale:

B – kulka o średnicy 1/16 cala, obciążenie 980 N dla materiałów

35 – 100 HRB;

C – stożek , obciążenie 1471 N dla twardości 20 – 67 HRC

W przypadkach szczególnych stosuje się jeszcze skale A,F,D,E i V.

HR = K – $\frac{h}{0,002}$

gdzie:

K – stała umowna wyrażona w jednostkach podziałki (dla stożka i kulki w skalach T wartość K = 100, dla kulki w pozostałych skalach K = 130),

h – głębokość odcisku w mm.

Badanie:

Używamy tego samego elementu:

Próbkę umieszczamy na stoliku, po czym podkręcamy śrubę podnośnika tak aby wgłębnik zetknął się z badaną próbką. Dokręcamy, aż wskaźnik się wyzeruje, tj. gdy mała wskazówka pokaże czerwoną kreskę, natomiast duża, wartość 30 na skali czerwonej. Następnie zwalniamy ciężar główny za pomocą przycisku i rozpoczynamy odliczanie.

Po upływie 15 sekund zdejmujemy obciążenie główne i odczytujemy twardość. Po odczytaniu twardości należy opuścić śrubę podnośnika i wyjąć sprawdzaną próbkę.

Dla stalowej kulki przeprowadza się pomiary dla większych twardości niż dla diamentowego stożka. Jest to spowodowane kruchością stożka który po przekroczeniu granicy twardości

67 HRC kruszy się.

POMIAR:

Numer pomiaru	HRB	HRB - średnia	HBS	HV
1.	90,5	91,83	185	195
2.	93,5		200	210
3.	91,5		190	200

Zalety metody Rockwella:
- możność stosowania go do badania twardości materiałów twardych i miękkich
- szybkość i łatwość pomiaru,
- bardzo prosta obsługa twardościomierza,

- odczytywanie twardości bezpośrednio na twardościomierzu bez konieczności
stosowania tablic
- małe odciski, a co za tym idzie mniejsze uszkodzenie powierzchni materiału wywołane przez ten pomiar,
- duża szybkość pomiaru, dzięki czemu pomiary można wykonywać masowo.

Wady metody Rockwella:
- bardzo duży wpływ niepoprawnego ustawienia przedmiotu na wynik pomiarów,
- niemożliwość pomiaru twardości bardzo cienkich warstw materiałów

- duża ilość skal umownych – konieczność porównywania ich za pomocą tablic
- nierównomierność poszczególnych skal, np.: przy porównywaniu twardości stali
węglowej

3. Metoda Vickersa

Metoda Vickersa polega na wciskaniu w badany materiał regularnego, czworokątnego ostrosłupa diamentowego o kącie między przeciwległymi ścianami wynoszącym 136 °. Odcisk w materiale ma kształt kwadratu, którego obie przekątne mierzymy i wyliczmy ich średnią arytmetyczną.

d = (d₁ + d₂)*0,5

gdzie:

d₁ – pierwsza przekątna odcisku

d₂ – druga przekątna odcisku

gdzie:

d – średnia arytmetyczna przekątnych jednego odcisku w mm,

F – siła nacisku w N.

Diamentowy wgłębnik pozwala badać twardość wszelkich materiałów. Czas działania siły wynosi ok. 15 sekund. Kształt ostrosłupowy powoduje, że wszystkie odciski są do siebie geometrycznie podobne i że liczba twardości obliczona, jak u Brinella, nie zależy od wartości zastosowanego nacisku. Dobór siły nacisku uzależniony jest od rozmiarów (grubości) próbki.

POMIAR:

Próba ta nie została wykonana ze względu na problemy techniczne z twardościomierzem.

Jednak wyniki otrzymane w poprzedniej próbie można za pomocą tablic porównać i odczytać przybliżoną wartość twardości Vickersa.

Na podstawie otrzymanych wyników można zauważyć, że dla różnych metod badania twardości tego samego materiału otrzymujemy różne wartości. Jednak po przeliczeniu ich na skalę Vickersa otrzymujemy wyniki o mniejszej rozbieżności.

Otrzymane wartości przedstawia poniższa tabela

Skala twardości Rockwella [HRB]	Skala twardości Vickersa [HV]	Skala twardości Brinella [HB]	Skala twardości Vickersa [HV]
90,5	195	156	165

Zalety metody Vickersa:
- duża porównywalność tej metody z metodą Brinella ( aż do 300 jednostek
twardości HB są ze sobą zgodne; powyżej stosuje się zależność HB = 0,95 HV ),
- możność uzależnienia twardości HV od wytrzymałości na rozciąganie Rm,
- możność stosowania tej metody do wszystkich materiałów, miękkich, a także bardzo twardych
- niewielkie głębokości odcisków
- zmiana ustawienia nie wpływa na wynik pomiaru,
- duża dokładność odczytu przekątnych,
- nadaje się do zastosowania w zakresie makro- i mikrotwardości

Wady metody Vickersa:
- skomplikowana konstrukcja twardościomierza wymagającego bardzo fachowej
obsługi,
- mała wydajność pomiaru,
- niemożność pomiaru niektórych materiałów niejednorodnych,
- dość znaczny wpływ nierówności powierzchni na wynik pomiaru,
- konieczność dokładnego oczyszczenia badanej powierzchni

WNIOSKI

Przeprowadzone pomiary umożliwiły sprawdzenie wiedzy o pomiarach twardości w praktyce za pomocą różnych metod. Jak widać, każda kolejna metoda jest pewnym ulepszeniem poprzedniej. Jednak każda z nich ma swoje wady i zalety. W metodzie Brinella ważna jest średnica odcisku w powierzchni badanej próbki mierzona w dwóch prostopadłych kierunkach, dla uzyskania mniejszego błędu. Długość średnicy odczytuje się za pomocą lupy, co często wpływa na niedokładność odczytu. W czasie przeprowadzania próby Rockwella,

nie ma potrzeby dokonywania pomiaru zagłębienia. Określenie twardości sprowadza się do odczytania jej wartości ze wskaźnika. Daje to dokładniejszy pomiar twardości niż w metodzie Brinella. Ponadto metodą Rockwella szybciej dokonuje się pomiaru. W końcu w metodzie Vickersa bardzo ważna jest długość przekątnej odcisku powstałej w wyniku działania na badaną próbkę diamentowego ostrosłupa z określoną siłą. Metoda Vickersa może być zastosowana do badania materiałów o bardzo małej grubości. Metodą tą możemy badać przedmioty utwardzane w warstwie powierzchniowej o małej grubości. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu w niej bardzo małych obciążeń.