POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
WYDZIAŁ BUDOWNICTWA
SAMODZIELNY ZAKŁAD
WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW
Laboratorium
Sprawozdanie Nr 3
Temat:
Statyczne próby twardości metali
Bartosz Zimierski
Rok II, Grupa dziekańska VI
Rok akademicki 2011/2012
Studia stacjonarne
Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z aparaturą do pomiaru twardości metodą Brinella i Rockwella. Wyznaczenie twardości badanych próbek w/w metodami zgodnie z normą PN-78/H-04350 oraz PN-78/H-04355.
Próby twardości
Polegają na wciskaniu statycznym lub dynamicznym w powierzchnię badanego materiału określonego wgłębnika poza granicę sprężystości, aż do spowodowania trwałych odkształceń. Twardość jest miarą oporu jaki wykazuję ciało w czasie wciskania weń wgłębnika.
Najbardziej rozpowszechniony próby statyczne to:
metoda Brinella- polegająca na wgłębianiu kulki
metoda Rockwella- wgłębianiu stożka diamentowego lub kulki
metoda Vickersa- wgłębianiu ostrosłupa diamentowego
We wszystkich tych metodach twardość materiału jest funkcją siły obciążającej i wielkości odkształcenia trwałego wywołanego działaniem tej siły
Metoda Brinella
Próba twardości metodą Brinella polega na wgniataniu pod obciążeniem statycznym, kalibrowanej kulki stalowej hartowanej w powierzchnię badanego materiału. Twardość Brinella nazywamy stosunek nacisku siły P do pola powierzchni A czaszy kulistej odcisku (Rys.1)
$HB = \frac{P}{A}\ \lbrack kG/\text{mm}^{2}\rbrack$ (1)
P- siła obciążająca kulę
A- πDh- powierzchnia czaszy kulistej
D – średnica kulki
h- wysokość czaszy
Rys. 1
Po podstawieniu zależności geometrycznych wzór na twardość Brinella ma postać (2)
$HB = \frac{0,102 \times 2P}{\pi D(D - \sqrt{D^{2} - d^{2}})}\ \lbrack kG/\text{mm}^{2}\rbrack$ (2)
P- siła obciążająca kulę
A- πDh- powierzchnia czaszy kulistej
D – średnica kulki
h- wysokość czaszy
Ze wzoru (2) widać, że twardość HB zależy od nacisku siły P i przyjętej do pomiaru średnicy kulki D oraz od średnicy otrzymanego odcisku. Tak więc otrzymamy różne twardości HB w zależności od wielkości obciążenia kulki o średnicy D różnymi siłami. Jak widać z rysunku 2 krzywa obrazująca zależność HB= f(P) dla metali i stopów posiada wyraźne maksimum.
Rys.2 Wykres zależności HB=f(P)
Twardościomierz Brinella
Twardościomierz ten (rysunek 3) składa się z trzech zasadniczych zespołów osadzonych w korpusie. W części górnej z przodu znajduje się zespół cylindra z tłokiem {5} służący do przekazywania wytworzonego nacisku poprzez wgłębnik na przedmiot badany. W górnej, tylnej części korpusu znajduje się zespół ustalacza ciśnienia którego zadaniem jest wytworzenie i utrzymanie stałego obciążenia w pewnym okresie czasu. W dolnej, przedniej części korpusu znajduje się śruba podnośna, na której osadzony jest stolik z podkładką kulistą. Cylinder {4} jest jednocześnie zbiornikiem oleju. Na górnej zwężonej części cylindra znajduje się siłomierz. Olej znajdujący się w zbiorniku w górnej części cylindra przetłaczany jest ręczną pompką do cylindra {10}. W czasie przepływania, gdy zamknięty jest zawór przepływowy {9}, olej wywiera nacisk na tłok oparty kulką na próbce oraz na zawór kulkowy {18} w ustalaczu ciśnienia.
W czasie dalszego pompowania oleju, wzrasta ciśnienie w cylindrze do chwili podniesienia się jarzma {19} z obciążnikami {21} zawieszonymi na trzpienu. Po zaprzestaniu pompowania opadające jarzmo ma na celu utrzymanie stałego ciśnienia wskazującego tendencję do zmniejszania się na wskutek ubytku oleju spowodowanego nieszczelnościami. Pożądane ciśnienie utrzymuje się przez zawieszenie odpowiednich obciążników. Zawór przepływowy {9} wbudowany jest zawór bezpieczeństwa {22} działający przy przekroczeniu obciążenia 3550 kg. Śruba podnośna uruchomiona kółkiem ręcznym {2} służy do podnoszenia i upuszczania stolika {3} wraz z przedmiotem.
Rys. 3 Twardościomierz Brinella 1-korpus 2-kółko ręczne 3-stolik przedmiotowy 4-zbiornik
oleju (cylinder) 5-tłok roboczy 6-trzpień mierniczy 7-kulka miernicza 8- sitaka filtracyjna
9- zawór przepływowy 10-cylinder 11-sprężyna 12-tłoczek zaworu bezp. 13-kulka 14-
rurka przelewowa 15-zbiornik przelewowy 16-rurka 17- cylinder mierzący 18- zawór
kulkowy 19- jarzmo 20- szalka 21- obciążniki 22- zawór bezp. 23- rurka przelewowa
Przebieg ćwiczenia metodą Brinella
dobrać odpowiednie parametry do wykonania próby (obciążenie, kulkę, czas)
przygotować aparat do próby nakładając na szalkę jarzma odpowiednie obciążniki i kulkę
założyć badany przedmiot na podkładkę kulistą tak, aby badana powierzchnia była pozioma
doprowadzić do zetknięcia kulki z powierzchnią badanego przedmiotu przez pokręcenie kółkiem
zamknąć zawór przepływowy i wywołać żądany nacisk (odczytany na siłomierzu) przez wytworzenie ciśnienia pompką ręczną
odczekać odpowiedni okres czasu określony normą
otworzyć zawór przepływowy
przez pokręcenie kółkiem doprowadzić do utraty kontaktu kulki z badanym przedmiotem
zdjąć obciążniki z jarzma
pomierzyć średnice odcisków za pomocą lupy, wyliczyć twardość materiału HB ze wzoru (lub odczytać z tablic ujętych w normie)
Zalety i wady metody Brinella
możliwość pomiaru twardości stopów niejednorodnych
jedna skala twardości wyrażona w [kg/mm2]
kłopotliwy pomiar średnicy odcisku i konieczność odczytywania z tablic
nie nadaje się do pomiaru twardości materiałów twardych, warstw utwardzonych i małych przedmiotów
Metoda Rockwella
Polega na wciskanie w powierzchnię badanego materiału stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym 120o, z wierzchołkiem zaokrąglonym promieniem r = 0.2 mm. Dla materiałów miękkich stosuje się zamiast stożka kulkę stalową o średnicy d= 1/16 ‘’ . Wartości mierzone są niezależne od siły obciążającej, a dzięki zachowaniu podobieństwa odcisków są porównywalne ze sobą. Twardość określa się z głębokości odcisku w badanym materiale, przy dwustopniowym wciskaniu wgłębnika. Dwustopniowe obciążenie wgłębnika wprowadzono w celu zmniejszenia błędów pomiarów wynikłych z nierówności powierzchni i luzów w aparacie. Schemat pomiaru twardości przedstawiony jest na rys. 4.
Rys.4 Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella. a) wgłębnik nie obciążony b) wgłębnik
obciążony wstępnie siłą Po = 10kg wgłębia się na głębokość ho- skala ustawiona na zero
c) wgłębnik obciążony obciążeniem głównym P1 i wstępnym Po wnika w głębokość hc w
badany materiał d) obciążenie wgłębnika do siły Po powoduje jego odkształcenie sprężyste
hs . W tym położeniu odczytujemy wartość odkształcenia trwałego htr wywołanego
działaniem siły P1, e) wgłębnik całkowicie obciążony
Podstawą obliczeń twardości jest wielkość odkształcenia trwałego htr . To odkształcenie mierzy się czujnikiem za pośrednictwem przekładni dźwigowej o położeniu 5:1, przy tym działka elementarna odpowiada 0,002 mm wgłębienia. Twardość przy metodzie Rockwella określa się ze wzoru (3).
$\text{HR} = k - \frac{h_{\text{tr}}}{0.002}\ $ (3)
htr- odkształcenie trwałe
k - stała umowna dobierana w zależności od rodzaju wgłębnika (dla stożka k= 100, dla kulki
k= 130)
Twardościomierz Rockwella
Schemat twardościomierza Rockwella typu łucznik przedstawia rys. 5. Badany przedmiot kładzie się na stoliku przedmiotowym {8} lub {9}. Kółko ręczne {10} służy do zbliżania przedmiotu {20} do wgłębnika {5}. Do wywołania obciążenia wstępnego Po służy dźwignia obciążnikowa {2} (w czasie obciążenia wstępnego należy podkręcić kółkiem ręcznym {10} tak długo, aż mała wskazówka czujnika {4} pokryje się z czerwoną kropką a duża z zerem. Do wywołania obciążenia głównego służą obciążniki {19}, który ciężar przenoszony jest na próbkę {20} przez dźwignię {2} po naciśnięciu zwalniacza {13}.
Rys. 5 Twardościomierz Rockwella. 1- regulator szybkości obciążenia 2- dźwignia
obciążnikowa 3- trzpień mierniczy 4- czujnik zegarowy 5- wgłębnik 6- korba ręczna 7-
śruba podnośna 8,9- stoliki przedmiotowe 10- kółko podnośne 11- krawędź korpusu 12-
śruba regulacyjna 13- zwalniacz 14- kółko zębate 15,16- segmenty kół zębatych 18-
wieszak 19- obciążnik 20- próbka 21- śruba regulacyjna 22- przeciwnakrętka
Przebieg ćwiczenia metodą Rockwella
dobrać odpowiednie parametry do wykonania próby (obciążenie, wgłębnik)
Sprawdzić, czy powierzchnia badanego przedmiotu jest przygotowana do badania zgodnie z normą
nałożyć na wieszak odpowiednie obciążenie (korbka powinna być w położeniu zerowym) i wgłębnik
położyć badany element na stolik, doprowadzić do zetknięcia się z wgłębnikiem, a następnie obciążyć obciążnikiem wstępnym przez pokręcenie kółkiem aż mała wskazówka czujnika pokryje się z czerwoną kropką, duża z zerem
obciążyć wgłębnik obciążeniem głównym przez naciśnięcie zwalniacza. Po 2-3 sek. Od ustalenia się całkowitego obciążenia odłączyć obciążenie główne i odczytać twardość na czujniku z dokładnością do ± 0,5 podziałki
pomiar powtórzyć 3-krotnie
zdjąć obciążenie główne przez pokręcenie korbką i ustawieniu jej w położeniu zerowym
przez pokręcenie kółkiem doprowadzić do utraty kontaktu wgłębnika z badanym elementem
zdjąć obciążniki z wieszaka
Zalety i wady metody Rockwella
Zalety:
możliwość pomiaru twardości materiałów miękkich i twardych
duża szybkość pomiaru
zachowanie podobieństwa (wg prawa Kicka) dla całego zakresu skali HR
Wady:
wiele źródeł powstawania błędów np. takich jak : odkształcenia korpusu twardościomierza, osiowe przesunięcie śruby podnośnej na wskutek luzów w gwincie, złe działanie tłumika, szybkie włączenie wstępnego obciążenia, wykonania odcisków w nieodpowiednim miejscu, niedokładnie wypolerowana powierzchnia
błędy powstające przez pomiar głębokości odcisku
duża ilość skal umownych, stąd konieczność korzystania z tablic porównawczych
Metoda Vickersa
Polega na wciskaniu w badany materiał regularnego czworokątnego ostrosłupa diamentowego o kącie dwuściennym między przeciwległymi ścianami wynoszącym 136o , pod obciążeniem P. Diamentowy wgłębnik pozwala na badanie materiałów wszelkich twardości. Kształt ostrosłupowy wgłębnika powoduje, że wszystkie odciski są do siebie geometrycznie podobne i że liczba twardości obliczona jak w metodzie Brinella nie zależy od wartości zastosowanego nacisku. Dobór siły nacisku uzależniony jest od rozmiarów (grubości) próbki. Czas działania siły wynosi 15 sek. Liczbę twardości według metody Vickersa wyraża się wzorem (4)
$HV = \frac{P}{A} = 1,8544 \times \frac{P}{d^{2}}\lbrack\frac{\text{kG}}{\text{mm}^{2}}\rbrack$ (4)
P- siła nacisku
A- pole powierzchni odcisku
d - średnia arytmetyczna obu przekątnych odcisku po odciążeniu
Twardościomierz Vickersa typu HPO-250
Twardościomierz HPO-250 rys.6, przeznaczony jest do prowadzenia pomiarów twardości
metali metodą Vickersa (piramidka diamentowa) lub metodą Brinella (kulka f5 i f2,5 mm).
Zbudowany jest ze sztywnego korpusu i umieszczonych w nim głównych mechanizmów:
- podnoszenia i opuszczania przedmiotu
- regulacji wielkości obciążenia wgłębnika
- oświetlenia powierzchni przedmiotu i pomiaru wielkości odcisku.
W dolnej części korpusu twardościomierza ułożyskowana jest śruba podnośna {5a} podtrzymująca stolik przedmiotowy {6}. Przesuwanie stolika w górę lub w dół realizowane jest
przez obrót kółka ręcznego {5}. Docisk przedmiotu do stolika i jednocześnie ustawienie ostrości widzenia powierzchni badanej próbki realizowane jest za pomocą osłony dociskowej {8} i nakrętki {9}. Osłona zabezpiecza przed uszkodzeniem układ optyczny i wgłębnik. Wewnątrz osłony dociskowej {8} znajduje się ułożyskowane wahliwe ramię, w którym zamocowany jest wymienny obiektyw {10} oraz stempel dociskowy z wgłębnikiem {11}. Wewnątrz korpusu twardościomierza umieszczona jest belka obciążnikowa z zespołem mechanizmów do wywierania obciążenia na wgłębnik {11}. Wielkość obciążenia belki, a tym samym i wgłębnika, realizuje się za pomocą odpowiednich obciążników przez wciśnięcie wybranego przycisku na tablicy {3}. Włączenie obciążenia belki obciążnikowej następuje po naciśnięciu przycisku {1a}. Dźwignia {12} służy do podnoszenia wieszaka z obciążnikami, tj. odciążania wgłębnika.
Lampa projekcyjna {2} rzuca koncentrycznie promienie światła na pryzmat, który kieruje
je na górną powierzchnię badanej próbki, a następnie na matówkę urządzenia pomiarowego
{7}. Dzięki temu, przy włączonym obiektywie rzutowana jest na matówkę górna powierzchnia badanej próbki, względnie wykonany odcisk pomiarowy. Pomiaru przekątnej odcisku dokonuje się mierząc powiększony obraz odcisku przy użyciu skali na ekranie matówki i śruby mikrometrycznej urządzenia pomiarowego {7}
Rys. 6 Twardościomierz HPO-250 1-włącznik sieciowy 2- lampa projekcyjna 3- tablica
przycisków obciążenia 4-pokrętło regulacji czasu działania obciążenia 5- kółko ręczne
6- stolik przedmiotowy 7- urządzenie pomiarowe 8- osłona dociskowa 9- nakrętka
ustawiania ostrości widzenia powierzchni badanej 10- obiektyw 11- oprawka wgłębnika
12- dźwignia odciążająca
Przebieg ćwiczenia:
Na stempel tłocznika nakręcić oprawkę z wgłębnikiem diamentowym (11).
Sprawdzić powiększenie obiektywu (10) umieszczonego na wahliwym ramieniu wewnątrz osłony dociskowej . W zależności od zastosowanego obiektywu uzyskany wynik pomiaru przekątnej odcisku mnoży się przez odpowiedni współczynnik. Dla powiększenia 35x (oznaczenie obiektywu 5) stosuje się współczynnik 2, dla powiększenia 70x (obiektyw 10) współczynnik 1 oraz dla powiększenia 140x (obiektyw 20) współczynnik 0,5.
W gniazdo śruby podnośnej włożyć stolik przedmiotowy odpowiedni do kształtu przedmiotu i jego wielkości Stolik winien zapewniać:
prostopadłość badanej powierzchni do kierunku działania obciążenia,
zamocowanie próbki bez odkształceń sprężystych i przesunięć pod wpływem działania obciążenia.
Sprawdzić jakość powierzchni badanych próbek w miejscu pomiaru twardości. Pomiar powinien być wykonany na gładkiej i równej powierzchni z usuniętą warstwą tlenków i zanieczyszczeń oraz dokładnie odtłuszczonej. W razie potrzeby szlifować ręcznie stosując papiery ścierne o ziarnistości 100÷800. Takie przygotowanie powierzchni powinno umożliwić dokładne wyznaczenie długości przekątnej odcisku. Zalecane jest stosowanie zabiegu polerowania lub elektro polerowania, aby zredukować do minimum ewentualne zmiany twardości warstwy powierzchniowej spowodowane np. nagrzaniem lub umocnieniem przez zgniot.
Za pomocą wtyczki podłączyć twardościomierz do sieci i nacisnąć włącznik sieciowy , wówczas zaświeci się lampa projekcyjna
Na tablicy wcisnąć przycisk odpowiedni dla wymaganego obciążenia. Dźwignia musi znajdować się w dolnym położeniu.
Ustawić badaną próbkę na stoliku przedmiotowym, zwracając uwagę na dobre przyleganie powierzchni oporowej stolika i próbki.
Kółkiem ręcznym powoli obracać w prawo, podnosząc przedmiot w pobliże powierzchni czołowej osłony dociskowej , jednocześnie obserwując obraz na matówce urządzenia pomiarowego . Po uzyskaniu dobrej ostrości widzenia powierzchni badanej próbki, przestajemy obracać kółkiem ręcznym. Przesuwając próbkę na powierzchni stolika przedmiotowego należy wybrać miejsce wykonania odcisku. Po ostatecznym ustawieniu próbki, dociska się osłonę do próbki przez ręczne obracanie nakrętki pierścieniowej . Obraz powierzchni próbki musi być ostry.
Nacisnąć przycisk , wówczas następuje automatycznie odchylenie w bok obiektywu (brak obrazu na matówce) i ustawienie wgłębnika w pozycji roboczej, a następnie stopniowe zwolnienie wybranego na tablicy obciążenia. Dźwignia podnosi się w górne położenie. Czas podnoszenia dźwigni winien wynosić 10÷15 s, lub dłużej zależnie od wymagań. Regulację prędkości obciążania wgłębnika realizuje się za pomocą pokrętła - obracając w prawo zmniejszamy czas działania obciążenia, a obracając w lewo zwiększamy.
Po upływie ustalonego czasu działania obciążenia, kiedy dźwignia odciążająca znajdzie się w górnym położeniu, zdjąć obciążenie wgłębnika przesuwając energicznie dźwignię w dolne położenie do oporu.
Zdjęcie obciążenia wgłębnika powoduje automatycznie obrócenie obiektywu w położenie pomiarowe (wgłębnik odchyla się na bok), a na ekranie pomiarowym ukazuje się obraz powierzchni z widocznym odciskiem.
Wykonać pomiar długości przekątnych odcisku piramidki diamentowej. Podstawą do określenia twardości Vickersa jest średnia arytmetyczna długości dwóch przekątnych jednego odcisku. Z tego powodu głowica z matówką jest obrotowa, co umożliwia pomiar w każdym kierunku. Dokładność wykonania pomiaru długości przekątnych odcisku za pomocą urządzenia pomiarowego wynosi 0,001 mm. Skala pomiarowa jest trzystopniowa: duże działki skali na matówce odpowiadają 0,1 mm, mniejsze działki odpowiadają 0,01 mm, a za pomocą śruby mikrometrycznej osiąga się dokładność pomiaru 0,001mm, Obliczyć twardość Vickersa materiału w HV ze wzoru lub odczytać z tablic .
Obracając kółkiem ręcznym w lewo, opuścić stolik z badanym przedmiotem.
Przesunąć próbkę w miejsce następnego odcisku. Odległość między środkami dwóch sąsiednich odcisków powinna być, co najmniej trzy razy większa od średniej długości przekątnej odcisku. Odległość między krawędzią próbki a środkiem odcisku powinna być, co najmniej 2,5 razy większa od średniej długości przekątnej odcisku.
Zalety i wady metody Vickersa
Zalety:
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 zarówno do materiałów miękkich, jak i bardzo twardych,
małe głębokości odcisków,
zmiana ustawienia nie wpływa na wynik pomiaru,
duża dokładność odczytu przekątnych,
wynik pomiaru twardości przy zastosowaniu większych obciążeń nie zależy od zastosowanego obciążenia.
Wady:
skomplikowana konstrukcja twardościomierza wymagającego bardzo fachowej obsługi,
mała wydajność pomiaru,
niemożność pomiaru niektórych materiałów niejednorodnych, np. żeliwa ze względu na jego porowatość, w związku z tym może nastąpić uszkodzenie ostrza wgłębnika,
dość znaczny wpływ chropowatości na wynik pomiaru,
większy koszt twardościomierza.
Literatura:
[1] Kazimierz Sobiesiak, Kazimierz Szablewski. ,,Laboratorium wytrzymałości materiałów”
Lublin 1984
[2] Sławomir Szewczyk, Aleksander Łapecki. „Badania twardości materiałów metodą Vickersa”
Wydział mechaniczny Katedry Inżynierii Materiałowej, Politechnika Lubelska
[3] www.wikipedia.pl
.