1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi metodami pomiaru twardości metali, urządzeniami służącymi do tego celu oraz praktycznym określeniem twardości różnych metali tymi metodami. Na podstawie 5 prób zmierzono twardości HB. Należało obliczyć średnią twardość HB.

1. Podstawy teoretyczne

Twardość - jest to odporność materiału na odkształcenia plastyczne (trwałe) podczas działania

skupionego nacisku na powierzchnię tego materiału. Twardość jest cechą umowną. Nie jest stałą materiałową, stąd porównywanie twardości jest możliwe zasadniczo w zakresie jednej metody i to z pewnymi zastrzeżeniami, z których najważniejsze jest zachowanie podobieństwa geometrycznego odcisków.

Klasyfikacja prób twardości w zależności od rodzaju oporu materiału stawianego podczas próby:

a) Próby statyczne -polegają na wciskaniu twardego elementu, zwanego wgłębnikiem – np.

kulka, stożek, ostrosłup - w badany materiał poza granicę sprężystości do spowodowania

odkształceń trwałych. Powszechnie stosowane metody tej grupy to:

• Metoda Brinella;

• Metoda Rockwella;

• Metoda Vickersa.

Do rzadziej spotykanych (nie znormalizowane w Polsce) należą :

• Metoda Knoopa;

• Metoda Chruszczowa-Bierkowicza;

• Metoda Grodzińskiego;

b) Próby dynamiczne - polegają na uderzeniowym oddziaływaniu twardego elementu na

powierzchnię badanego ciała, związane są z odkształceniem plastycznym lub sprężystym.

Stosowane metody tej grupy to:

• Metoda Młotek Poldi;

• Metoda Shore’a.

c) Próby zarysowania (opór materiału jest związany z jego zarysowaniem).

d) Próby twardości, o której decyduje ścieralność materiału.

Pomiar twardości metodą Brinella.

Metoda Brinella polega na wciskaniu określoną siłą wgłębnika w postaci hartowanej kulki

stalowej lub kulki z węglików spiekanych o średnicy D, w powierzchnię badanego materiału

w określonym czasie. Nazwa tej metody pochodzi od nazwiska jej twórcy Brinella, który

wprowadził ją w 1900 roku.

Według normy PN-EN ISO 6506-1;2002 jako wgłębniki używane są kulki stalowe hartowane o znormalizowanych średnicach 1,0; 2,5; 5; 10 mm.

Zalecana średnica kulki wynosi 10 mm.

Miarą twardości w tej metodzie jest średnica odcisku kulki mierzona na powierzchni przedmiotu, a twardość określa się z zależności:

gdzie:

F – siła obciążająca [N]

N, D – średnica kulki [mm]

d – średnia średnica odcisku [mm]

1. Opis metody badawczej

1. próbka,

2. stolik,

3. wgłębnik,

4. zawór cylindra,

5. pompka,

6. zbiornik oleju,

7. cylinder,

8. tłok,

9. manometr,

10. tłoczek podnoszący obciążenie

11. obciążniki

Pomiar twardości dokonuje się na urządzeniu pokazanym na rysunku powyżej. Na ruchomym stoliku układa się badany materiał. Do obudowy należy założyć kulkę o odpowiedniej średnicy. Należy dobrać odpowiedni zakres obciążenia na skali Brinella. Kolejny etap to dosunięcie próbki do obudowy wgłębnika, w celu oględzin powierzchni próbki poprzez głowicę optyczną. Po zamknięciu zaworu, za pomocą pompki przetłacza się olej ze zbiornika do cylindra. Tłok wciska wgłębnik w próbkę pod wpływem ciśnienia, a równocześnie manometr wskazuje ciśnienie, które odpowiada sile nacisku F. Wskazania manometru nie są dokładne. Jako dokładny wskaźnik służy tłoczek obciążony szalka i ciężarkami dobranymi odpowiednio do zamierzonego nacisku. Po osiągnięciu właściwej siły, tłoczek z szalką powinien się unieść około 10÷15mm. Po odpowiednim czasie otwiera się zawór, odciąża się próbkę, a następnie opuszcza się stolik i zdejmuje próbkę, w celu dokonania pomiaru średnicy odcisku. Wyniki pomiarów zestawia się w tabeli pomiarowej. Mając zmierzoną średnią średnicę odcisku, twardość oblicza się według wzoru  lub odczytuje się z tablic.

1. Wyniki pomiarów i obliczenia

Tabela pomiarowa:

	Pomiary
	1
Twardość HB	175,5

Obliczanie średniej twardości próbki:

$\text{HB}_{sr} = \frac{175,5 + 174,1 + 177,2 + 175,1 + 176,0}{5} = 175,58$ $\left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$

1. Analiza błędów

Obliczanie odchylenia standardowego średniej:

$${u\left( \text{HB}_{sr} \right) = S}_{\overset{\overline{}}{x}} = \sqrt{\frac{\sum_{i = 1}^{n}{(\overset{\overline{}}{x} - x_{i})}^{2}}{n(n - 1)}}$$

$$S_{\overset{\overline{}}{x}} = 0,5112$$

Współczynnik Studenta t_n,α dla 5 pomiarów i poziomu ufności α=0,7 wynosi t_n,α=1,19

$$u\left( \text{HB}_{sr} \right) = 1,19*0,5112 = 0,608\left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$$

1. Zestawienie wyników

Przed zaokrągleniem:

$$\text{HB}_{sr} = 175,58\ \left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$$

$$u\left( \text{HB}_{sr} \right) = 0,608\ \left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$$

Po zaokrągleniu:

$$\text{HB}_{sr} = 175,58(61)\ \left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack$$

1. Wnioski

Metoda Brinella jest prostym sposobem na wyznaczenie twardości materiału. Dokładność pomiaru twardości zależy od dokładności pomiaru średnicy odcisku. W metodzie Brinella wyniki obdarzone są pewnymi błędami, dlatego wykonanie kilku pomiarów i uśrednienie otrzymanych wyników jest konieczne. Pozwoliło to na otrzymanie wyniku najbardziej zbliżonego do rzeczywistego.