LABORATORIUM MATERIAŁOZNAWSTWA
WYDZIAŁ TRANSPORTU POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
ROK AKADEMICKI 2012/2013
ĆWICZENIE NR 1 TEMAT: BADANIE TWARDOŚCI METALI
DATA WYKONANIA ĆWICZENIA 29.10.2012

1. Badanie twardości materiałów konstrukcyjnych metodą Brinella.

1. Opis metody.

Próba twardości wykonywana sposobem Brinella polega na statycznym wgniataniu twardej kulki, wykonanej ze stali lub węglików spiekanych, o średnicy D(1mm; 2mm; 2,5mm; 5mm; 10mm) w płaską i wygładzoną powierzchnię próbki. Twardość oblicza się jako stosunek siły obciążającej do powierzchni czaszy kulistej powstałej po zadziałaniu obciążenia siłą F.

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

Gdzie:

HB - twardość według Brinella,

S- powierzchnia czaszy kulistej,

F - siła nacisku.

Po podstawieniu wzoru na S, otrzymujemy:

$$HB = 0,102 \bullet \frac{2F}{\pi D(D - \sqrt{D^{2} - d^{2}})}$$

Gdzie:

D- średnica kulki

d- średnica odcisku

Z powyższego wzoru wynika, że twardość Brinella zależy od średnicy d otrzymanego odcisku, wielkości siły obciążającej kulkę oraz średnicy D użytej do pomiarów kulki. Wykonując pomiary przy różnych obciążeniach F kulką o tej samej średnicy otrzymamy różne wartości HB, gdyż pola odcisku nie będą do siebie geometrycznie podobne, ponieważ kąt wgłębnika kulki ϕ w materiał będzie różny. Stwierdzono, że w pewnym zakresie obciążeń dla danego materiału, wartość HB nie ulega większym zmianom. Siła F powinna być tak dobrana, aby dla danej średnicy kulki średnica odcisku d znajdowała się w granicach: < 0,24 ; 0,6 >D.

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

Do pomiaru twardości metodą Brinella do 400HB stosuje się kulki stalowe hartowane , natomiast powyżej twardości 400HB odkształcenie sprężyste kulki zakłóca pomiar twardości , gdyż powstaje płytszy odcisk o większej średnicy. Aby tego uniknąć przy pomiarze twardości powyżej 650HB stosuje się kulki z węglików spiekanych , które są bardziej sztywne i nie ulegają odkształceniom.

Zalety metody Brinella:

-możliwość wykonywania pomiarów twardości stopów niejednorodnych,

-uniwersalność metody, jedna skala twardości.

Wady metody Brinella:

-kłopotliwość pomiaru średnicy odcisku i konieczność odczytywania wyników pomiaru z tablic,

-nie nadaje się do pomiaru twardości małych przedmiotów i warstw utwardzonych (duże odciski i duża strefa zgniotu),

-wyniki pomiarów nie zawsze są porównywalne,

-możliwość stosowania tylko do materiałów o ograniczonej twardości (do 630HB),

-mierzona twardość jest zależna od siły nacisku.

1. Przebieg badania.

Urządzenie do przeprowadzenia pomiaru twardości metodą Brinella posiada stałą K=30. Próbkę ustawiłam pod wgłębnikiem i dokręciłam śrubą. Zamknęłam zawór wgłębnika hydraulicznego. Odczekałam ok. 15s. Zwolniłam zawór do zerowego ciśnienia i opuściłam próbkę za pomocą odkręcenia śruby do poziomu startowego. Wyciągnęłam próbkę i za pomocą soczewki z podziałką zmierzyłam średnicę wgłębienia w dwóch prostopadłych położeniach. Wynik odczytałam z tablic.

1. Wyniki.

d_1.1= 2,5; d_1.2 = 2, 4, d₁ = 2, 45mm

d_2.1 = 2, 5; d_2.2 = 2, 6; d₂ = 2, 55mm

d_3.1 = 2, 8; d_3.2 = 2, 9; d₃ = 2, 85mm

F=7500 N, t= 12s., D=5mm

	d	HBS	HRA	HRB	HRF
Próbka 1.	2,45 mm	149	-	-	-
Próbka 2.	2,55 mm	137	46,8	-	99,6
Próbka 3.		120	44,5	-	96,8

1. Badanie materiałów konstrukcyjnych metodą Rockvella.

1. Opis metody.

Próba twardości Rockwella polega na wciskaniu w płaską wygładzoną powierzchnię próbki, stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym 120^o (przy skalach A, C, D i N ) albo kulki stalowej o średnicy 1/16” ( o średnicy 1,5875 mm przy skalach B,F,G i T lub o średnicy 3,175 mm przy skalach E,H i K), pod stałym naciskiem. Głębokość odcisku jest odwrotnie proporcjonalna do twardości.

Rys. 2. Pomiar twardości metodą Rockwella przy pomocy kulki.

Rys. 3. Pomiar twardości metodą Rockwella przy pomocy stożka.

Twardość Rockwella jest to różnica głębokości trwałego odcisku po usunięciu obciążenia głównego F i głębokości odcisku przy obciążeniu wstępnym F₀, wyrażona w jednostkach równych 0,002mm.

HR = K – h,

Gdzie:

K – stała wartość w skali wyrażona w jednostkach równych , zależna od użytego parametru; K=130 jednostek dla kulki i K=100 jednostek dla stożka.

h – różnica głębokości.

Zalety metody Rockwella:

-możliwość pomiaru twardości metali i stopów twardych i miękkich,

-największa szybkość pomiarów – zastosowanie w pomiarach masowych.

Wady metody Rockwella:

-błędy związane z pomiarami głębokości odcisku,

-kilka skal pomiarowych i konieczność porównywania ich przy pomocy tablic

nierównomierność skal.

1. Przebieg badania.

Pomiaru dokonałam w skali B (wgłębnikiem jest kulka stalowa o średnicy 1/16’’). Przygotowaną próbkę położyłam na podnośniku i dokręciłam śrubę podnośnika, aż do wyzerowania się wskaźnika. Następnie obracałam tarczą, aż duża wskazówka wskazała 0 na czarnej skali. Zwolniłam obciążenie główne F_B=980N, odczekałam 15 sekund i dokonałam odczytu.

1. Wyniki.

	HRB	HBS	HV
Próbka 1.	63	114	115
Próbka 2.	60	110	110
Próbka 3.	58	105	105

1. Badanie materiałów konstrukcyjnych metodą Vickersa.

1. Opis metody

Metoda Vickersa pomiaru twardości polega na wciśnięciu w metal diamentowego ostrosłupa o podstawie kwadratu i kącie między przeciwległymi ścianami równym 136º przy danym obciążeniu.

Rys. 4. Pomiar twardości metodą Vickersa.

Twardość Vickersa jest proporcjonalna do stosunku obciążenia F do powierzchni bocznej trwałego odcisku S. Oblicza się następująco:

Gdzie:

N- siła nacisku [N]

d- średnia arytmetyczna przekątnych odcisku

Rys.5. Widok odcisku z góry

Zalety metody Vickersa:

-Jednoznaczność oznaczeń (w przybliżeniu) z metodą Brinella do twardości 300dN/mm²

-Jedna skala porównywalna w całym mierzonym zakresie makrotwardości bez względu na wielkość obciążenia,

-Nadaje się do pomiarów twardości bardzo małych przedmiotów, jak również cienkich warstw utwardzonych,

-Nadaje się do pomiarów metali i stopów miękkich i twardych,

-Nadaje się do zastosowania w zakresie makro- i mikrotwardości,

-Dokładność pomiarów.

Wady metody Vickersa:

-Konieczność starannego oczyszczenia badanej próbki,

-Nie nadaje się do pomiarów materiałów o strukturze gruboziarnistej i niejednorodnej.

1. Przebieg badania.

Po przygotowaniu urządzenia i próbki, należy zwolnić obciążenie na próbkę, przez co zostanie wykonany odcisk. Dźwignię wyłącznika ustawić ponownie w pozycji wyjściowej. Po ustawieniu w obiektywie ostrości, umieścić go nad odciskiem i dokonać pomiaru przekątnych przy pomocy urządzenia, po czym odczytać wartość twardości w skali Vickersa.