Politechnika Warszawska, Wydział Transportu

Zakład Podstaw Budowy Urządzeń Transportowych

Materiałoznawstwo

Rok akademicki 2011/2012

Imię i nazwisko	Grupa/podgrupa	Ocena
Olga Świderska	T9/B

Ćwiczenia nr.: 1,2

Temat: Badanie twardości metali

Data wykonania ćwiczenia:	Data oddania sprawozdania:
07.11.2011; 21.11.2011	19.12.2011r.

Badanie twardości materiałów

Twardość można zdefiniować jako miarę oporu materiału przeciw odkształceniom trwałym powstającym wskutek wciskania wgłębnika. Twardość nie jest stałą materiału, istnieje dosyć ścisła zależność między własnościami mechaniczny metali (wytrzymałością na rozciąganie, sprężystością, własnościami plastycznymi) a twardością, co spowodowało, że pomiary twardości znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle w celu kontroli jakości materiałów, skutków obróbki cieplnej itp. Poza tym pomiary twardości są nieniszczące i nie wymagają pracochłonnego wycinania próbek i odznaczają się dużą prostotą.

Większość metod badania twardości polega na powolnym wciskaniu wgłębnika w materiał przy stałej lub stopniowo wzrastającej siły do określonej wartości. Do najbardziej rozpowszechnionych należą metody Brinella, Vickersa i Rockwella.

Metoda Brinella

Próba pomiaru twardości Brinella polega na wciskaniu siłą F twardej stalowej kulki o średnicy D w wygładzoną powierzchnie badanego metalu w określonym czasie.

Zasada pomiaru twardości metodą Brinella.

Po obciążeniu mierzy się średnicę D odcisku powstałego na badanej próbce. Twardość Brinella HB jest ilorazem sił obciążającej przez powierzchnię kulistą odcisku:

HB = 0,102 x F / S_cz

gdzie:

HB - twardość według Brinella

S_cz - powierzchnia czaszy kulistej

F - siła nacisku

Obliczając S_cz otrzymamy:

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

Pomiar twardości metodą Brinella:

Urządzenie do przeprowadzenia pomiaru twardości metodą Brinella posiada stałą K=30. Próbkę ustawiłam pod wgłębnikiem i dokręciłam śrubą. Zamknęłam zawór wgłębnika hydraulicznego. Poczekałam 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. Próbka 1

1. Pręt o małej średnicy

2. Średnica kulki: 5 mm

3. Nacisk: 7,5 kN

4. Czas nacisku: 10s.

5. $\frac{2,5mm + 2,6mm}{2} = 2,55mm$

6. Twardość:

HBS	HV	HRA	HRB	HRF
137		46,8		99,6

1. Próbka 2

1. Pręt o średniej średnicy

2. Średnica kulki: 5 mm

3. Nacisk: 7,5 kN

4. Czas nacisku: 10s.

5. $\frac{2,9mm + 2,8mm}{2} = 2,85mm$

6. Twardość:

HBS	HV	HRA	HRB	HRF
107	113	39,5	63,5	91,1

1. Próbka 3

1. Pręt o dużej średnicy

2. Średnica kulki: 5 mm

3. Nacisk: 7,5 kN

4. Czas nacisku: 10s.

5. $\frac{2,6mm + 2,7mm}{2} = 2,65mm$

6. Twardość:

HBS	HV	HRA	HRB	HRF
126		44,3		96,8

1. Próbka 4

1. Szyna tramwajowa

2. Średnica kulki: 5 mm

3. Nacisk: 7,5 kN

4. Czas nacisku: 10s.

5. $\frac{2,5mm + 2,4mm}{2} = 2,45mm$

6. Twardość:

HBS	HV	HRA	HRB	HRF
149	156

1. Próbka 5

1. Element sześcienny wysoki

2. Średnica kulki: 5 mm

3. Nacisk: 7,5 kN

4. Czas nacisku: 10s.

5. $\frac{2,3mm + 2,4mm}{2} = 2,35mm$

6. Twardość:

HBS	HV	HRA	HRB	HRF
163	171

1. Próbka 6

1. Element o średnicy dużej

2. Średnica kulki: 10 mm

3. Nacisk: 30 kN

4. Czas nacisku: 10s.

5. $\frac{5,7mm + 5,8mm}{2} = 5,75mm$

6. Twardość:

HBS	HV	HRA	HRB	HRF
105	110	38,6	62,3	90,5

1. Próbka 7

1. Element o małej średnicy

2. Średnica kulki: 10 mm

3. Nacisk: 30 kN

4. Czas nacisku: 10s.

5. $\frac{4,5mm + 4,3mm}{2} = 4,4mm$

6. Twardość:

HBS	HV	HRA	HRB	HRF
187	197

1. Próbka 8

1. Element sześcienny średnio wysoki

2. Średnica kulki: 10 mm

3. Nacisk: 30 kN

4. Czas nacisku: 10s.

5. $\frac{4,2mm + 4,0mm}{2} = 4,1mm$

6. Twardość:

HBS	HV	HRA	HRB	HRF
217	230		96,7	113,4

1. Próbka 9

1. Element sześcienny wysoki

2. Średnica kulki: 10 mm

3. Nacisk: 30 kN

4. Czas nacisku: 10s.

5. $\frac{5,4mm + 5,3mm}{2} = 5,45mm$

6. Twardość:

HBS	HV	HRA	HRB	HRF
118	230		96,7	113,4

1. Próbka 10

1. Szyna s49

2. Średnica kulki: 5 mm

3. Nacisk: 7,5 kN

4. Czas nacisku: 10s.

5. $\frac{2,6mm + 2,5mm}{2} = 2,55mm$

6. Twardość:

HBS	HV	HRA	HRB	HRF
137		46,8		99,6

Metoda Rockwella

Próba twardości Rockwella polega na wciskaniu w płaską wygładzoną powierzchnię próbki, stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym 120^o albo kulki stalowej o średnicy 1/16”, pod stałym naciskiem. Głębokość odcisku jest odwrotnie proporcjonalna do twardości.

Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella stożkiem i kulą.

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

Pomiar twardości metodą Rockwella:

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.

Nr	próbka	HRB	HRC	HV	HBS
1	Pręt wysoki o bardzo małej średnicy	68		123	117
2	Pręt niski o dużej średnicy z otworem	67,5		121	115
3	Pręt wysoki o średniej średnicy	71,5		130	124
4	Pręt wyskoki o dużej średnicy	64,5		116	110
5	Średni pręt o średniej średnicy	70		126	120
6	Pręt o małej średnicy		57,2	640	601
7	Pręt o małej średnicy B		27	279	264
8	Pręt o dużej średnicy		44	434	412
9	Pręt S		28	286	271
10	Pręt o średniej średnicy		47	471	442

Metoda Vickersa

Pomiar twardości tą metodą polega na wciskaniu wgłębnika w kształcie ostrosłupa prawidłowego o kącie wierzchołkowym 136^o. Twardość w metodzie Vickersa określamy analogicznie jak w metodzie Brinella, obliczając stosunek siły wciskającej wgłębnik w badany materiał do pola powierzchni bocznej odcisku.

HV = ⋅sin(136° / 2) / d²

gdzie:

F – obciążenie (siła)

d – średnia arytmetyczna przekątnych (d = d1 + d2 / 2)

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

Pomiar twardości metodą Vickersa:

Po przygotowaniu urządzenia i próbki, zwolniłam obciążenie na próbkę, przez co został wykonany odcisk. Dźwignię wyłącznika ustawiłam ponownie w pozycji wyjściowej. Po ustawieniu w obiektywie ostrości, umieściłam go nad odciskiem i dokonałam pomiaru przekątnych przy pomocy urządzenia, po czym odczytałam wartość twardości w skali Vickersa.