Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych

Laboratorium Materiałów Lotniczych

Pomiar twardość Materiału metodą Brinella

Przeprowadzający ćwiczenie:	Ocena:

1. TEMAT ĆWICZENIA

Pomiar twardości materiału metodą Brinella

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest określenie twardości materiału (stop aluminium PA 6) poddanego badaniu.

1. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA

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.

Twardość Brinella określa stosunek siły P wciskającej wgłębnik do pola A trwałego odcisku, który w postaci czaszy kulistej utworzy się na powierzchni materiału:

(1)

Jest to, więc średnia wartość ciśnienia obliczonego w sposób umowny, po osiągnięciu, którego kulka przestaje się zagłębiać w materiał. Uwzględniając zależności geometryczne, wzór można przedstawić w następującej postaci:

$HB = \frac{2*P}{\pi D(D - \sqrt{{D^{2} - d}^{2}})}$ (2)

gdzie: P – siła obciążająca [kgf] = 1 kp = 9,80665 N

D – średnica kulki [mm]

d – średnica odcisku [mm]

4. WŁAŚCIWOŚĆI BADANEGO STOPU ALUMINIUM (PA 6)

Stop aluminium 2017 charakteryzuje się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi oraz wysoką wytrzymałością na rozciąganie i zmęczenie. Twardość stopu wynosi 110 HB. Nadaje się do spawania, jest średnio odporny na korozję. Zastosowanie ma w produkcji elementów konstrukcyjnych samolotów, sprzętu wojskowego, części do budowy maszyn oraz podzespołów dla motoryzacji.

Tabela 1.

PA 6 SKŁAD CHEMICZNY [%]
Si
0,20
0,80

4. PRZEBIEG WYKONANYCH CZYNNOŚCI

Ćwiczenie przeprowadzono z zachowaniem ostrożności i przepisów BHP.

Do badania otrzymaliśmy stop aluminium PA 6. Stop ten umieściliśmy na ruchomym stoliku. Na panelu sterowania twardościomierza zaprogramowaliśmy średnicę kulki D=2,5mm, wielkość siły nacisku P=306,5 N oraz czas trwania nacisku t₁ = 10s. Za pomocą ruchomego stolika zmniejszyliśmy odległość badanej próbki do obudowy wgłębnika, w celu oględzin próbki przez matówkę. Po ustawieniu parametrów naciskaliśmy przycisk start – twardościomierz wykonywał test automatycznie. Po wykonaniu odcisku za pomocą suwmiarki znajdującej się na matówce odmierzaliśmy średnicę odcisku w pionie i poziomie. Po zatwierdzeniu naszych pomiarów twardościomierz przeprowadził analizę pomiarów i wyświetlał następujące wyniki.

Tabela 2.

Lp.	Średnica odcisku [µm]	Siła nacisku [N]	Czas trwania nacisku [s]	Twardość HB
1.	929,9	306,5	10	44,4
2.	1007,3	306,5	10	37,6
3.	1015,8	306,5	10	36,9
4.	1015	306,5	10	37
Średnia wartość twardości otrzymanej w wyniku badania próbki	39

Do wykonania kolejnych pomiarów użyliśmy następujących ustawień: średnica kulki
D=2,5mm, wielkość siły nacisku P=306,5 N, czas trwania nacisku t₁ = 30s. Test wykonaliśmy tak jak poprzednio, otrzymując następujące wyniki.

Tabela 3.

Lp.	Średnica odcisku [µm]	Siła nacisku [N]	Czas trwania nacisku [s]	Twardość HB
1.	958,3	306,5	30	41,7
2.	986,3	306,5	30	39,2
3.	949,5	306,5	30	42,5
4.	958	306,5	30	41,7
Średnia wartość twardości otrzymanej w wyniku badania próbki	41,3

Po zakończeniu doświadczenia stanowisko do badań zostało uporządkowane.

4. WNIOSKI

Z badań wynika, że badając ten sam materiał za pomocą takiej samej kulki, ale przy zastosowaniu dwóch różnych czasów obciążających otrzymuje sie różne średnice odcisków, a tym samym różne wartości twardości. Twardość obliczona różni się od twardości podanej we właściwościach stopu gdyż:

• Do wykonana próby mogły być użyte ustawienia, które w znaczny sposób wpłynęły na wynik twardości HB

• Twardość podana we właściwościach jest maksymalna i może się różnic od mierzonej

• Materiał mógł zawierać skład chemiczny, który różnił się stosunkiem poszczególnych pierwiastków w stopie

• Próbka użyta do pomiarów była poddawana wielokrotnie badaniu twardości

Wyniki Obliczone ręcznie również w nieznacznym stopniu różnią się od tych otrzymanych przez twardościomierz, a wynika to z tego, że w obliczeniach własnych przyjmowane były przybliżone wartości(do dwóch miejsc po przecinku), liczby π i wyrażenia znajdującego się zarówno w liczniku jak i mianowniku. Różnice w obliczeniach przedstawia tabela.

Tabela 4.

Lp.	Twardość HB (twardościomierz)	Twardość HB (własne obliczenia)	Różnica [%]
1.1	44,4	44,37	-0,07
2.1	37,6	37,56	-0,11
3.1	36,9	36,9	0
4.1	37	36,9	-0,38
$$\overset{\overline{}}{\text{HB}_{1}}$$	39	39,68	+1,7
1.2	41,7	41,68	-0,05
2.2	39,2	39,81	+1,55
3.2	42,5	41,68	-0,2
4.2	41,7	41,68	-0,05
$$\overset{\overline{}}{\text{HB}_{2}}$$	41,3	41,21	-0,3