Inżynieria środowiska Stacjonarne III semestr	Temat: Badania twardości metali	24.11.2011r.
LPS 2

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z praktyczną metoda pomiaru twardości, obsługą i budową urządzeń służących do jej określania oraz wymogami stawianymi przez Polskie Normy w zakresie pomiaru twardości PN-91/H-04 350, Pn-91/H-04 355, Pn-91/H-04 360.

1. Definicja twardości według Brinella, Rockwella i Vickersa.

Twardość wg. Brinella:

Jest to iloraz nacisku siły F [N] na powierzchnie kulistego wgłębienia S [mm²]

HB=$\frac{F}{B}$ S=πDh

W pomiarze twardości metodą Brinella jako wgłębniki stosowane są stalowe kulki o twardości do 450HRB, oraz kulki z węglików spiekanych o twardości bliskiej 650HRB.

Twardość wg. Rockwella:

Jest to różnica między stałą materiałową S, a wielkością e wyrażoną w jednostkach odkształcenia trwałego 0,002mm. Przy pomiarze stożkiem diamentowym o kącie wierzchołkowym 120^o S=100. Stąd największa możliwa wnikania wgłębnika wynosi 0,2mm. W tej metodzie wykorzystane są własności sprężyste materiału. Do pomiaru twardości za pomocą tej metody jako wgłębnik wykorzystuje się stożek diamentowy lub kulkę stalową.

Twardość wg. Vickersa:

To stosunek siły F do powierzchni pobocznicy odcinka S, obliczonej ze średniej arytmetycznej wartości długości przekątnych. Powierzchnia boczna wgniecionego ostrosłupa czworokątnego jest wyrażona za pomocą wzoru:

S=$\frac{d^{2}}{1,8544}$[mm²]

A twardość:

HW=0,102$\frac{2Fsin\frac{136^{0}}{2}}{d^{2}}$=0,1891$\frac{F}{d^{2}}$

W tej metodzie diamentowy wgłębnik ma kształt foremnego ostrosłupa o kącie dwuściennym 136^o. Jest on wciskany prostopadle w próbkę z siłą obciążającą [N] w określonym czasie t.

1. Schemat twardościomierza Rockwella:

1. korpus

2.obciążniki

3.wyłącznik

4.amortyzator

5.dźwignia

6.miernik

7.sprężyna

8.wgłębnik

9.próbka

10.stolik

11.śruba

12.pokrętło

13.dźwignia

1. Opis działania aparatu podczas prób:

Próbkę należy położyć na stoliku śruby. Trzeba doprowadzić do zetknięcia się jej z wgłębnikiem pokręcając pokrętłem. Sprężyna powinna wówczas działać na wgłębnik z siłą 98,07N. Mała wskazówka przemieszcza się punktu czerwonego na czarny. Duża- ustawia się w pionie.

Przekręcając tarczą – ustawia się 0 na odpowiedniej skali przy dużej wskazówce. Należy przesunąć dźwignię w dół, nałożyć obciążenie główne. Odliczyć odpowiedni czas. Przesunąć dźwignię w górę. Wskazówka wówczas wskazuje twardość materiału.

Pomiar twardości metodą Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badany przedmiot prostopadle do jego powierzchni wgłębnika siła wstępna F₀, a następnie siłą główną F₁. Przy obciążeniu siłą F₀ wnika on na głębokość h₀. Jest to punkt odniesienia pomiaru – punkt „zerowy”. W tym położeniu następuje wyzerowanie czujnika wyposażonego w twardościomierz. Obciążenie wstępne pozwala zmniejszyć błąd pomiarowy spowodowany niejednorodnością powierzchni. Obciążenie wgłębnika siłą główną F₁ powoduje dalsze wnikanie wgłębnika w badany materiał przez czujnik twardościomierza. Na odkształcenie to składają się odkształcenie trwałe jak i odkształcenia sprężyste. W celu usunięcia odkształceń sprężystych obciążenie zostaje zredukowane do obciążenia wstępnego. W wyniku tego wgłębnik zostaje wypchnięty z materiału na głębokość h₂ pod wpływem odkształceń sprężystych. Głębokość na jakiej znajduje się wgłębnik jest miarą twardości. Wartość twardości w tej metodzie tworzona jest przez odjęcie wielkości trwałych odkształceń e od 100 w skali A C D T (w pozostałych 130). Wartość 100 jednostek odpowiada wniknięciu wgłębnika na głębokość 0,2mm. Dzięki wyskalowaniu czujnika w jednostkach twardości HR – możliwy jest bezpośredni odczyt mierzonej wartości.

1. Warunki wykonania pomiarów:

Skala twardości – HRC

Siła wstępna – 98,07N

Siła główna – 1373N

Siła całkowita – 1471N

W zależności od rodzaju badanego materiału, do próby stosuje się różne czasy obciążenia siły głównej F₁. Czas ten oblicza się w oparciu o zależności powstawania odkształceń trwałych od czasu działania obciążenia. Wykonując badanie został oszacowany czas 3-5s.

Próba została wykonana w trzech miejscach na próbce. Powierzchnia próbki powinna być gładka, płaska i równa. Wgłębnik należało opuścić bez wstrząsów i drgań. Odciski względem siebie powinny występować w odległości nie mniejszej niż 2mm.

Próbka posiadała bardzo wiele widocznych miejsc, na których wykonano wcześniej badanie twardości. Można było jednak znaleźć miejsca, które nadawały się do przeprowadzania próby(odległość między nimi była większa od 2mm).

Temperatura w jakiej wykonywano badanie powinna wynosić 20 ₋₁₀^{+15 o}C. Ten warunek był spełniony. Mogły jedynie występować bardzo małe rysy na próbce, co mogło mieć wpływ na rozbieżności w otrzymanych wartościach twardości.

1. Wyniki pomiarów:

Nr próbki	Rodzaj materiału	Skala twardości Rockwella	Obciążenie wgłębnika F [N]	Twardość HR
1	Aluminium	HRC	98,07	9
2	Aluminium	HRC	98,07	6
3	Aluminium	HRC	98,07	22

Obciążenie główne: 100

Siła wstępna: 98,07N

Zakres skali C-100, dokładność -1

Analiza błędu pomiarowego:

Odchylenie standardowe:

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

i	xi	xi - $\overset{\overline{}}{x}$	$$\left( x\text{i\ } - \ \overset{\overline{}}{x} \right)^{2}$$
1	9	-3,333	11,111
2	6	-6,333	40,111
3	22	9,667	93,444
		Średnia: $\overset{\overline{}}{x}$=12,333	Suma: 144,667

u($\overset{\overline{}}{x}$)=$\sqrt{\frac{\sum_{i = 1}^{n}\left( x\text{i\ } - \ \overset{\overline{}}{x} \right)^{2}}{n(n - 1)}}$=$\sqrt{\frac{144,667}{3*2}}$=4,91

$\overset{\overline{}}{x}$=12,333±4,91

1. Analiza wyników pomiarów i wnioski:

Średnia otrzymana wartość twardości mierzona za pomocą metody Rockwella wyniosła 12,333±4,91. Błędy pomiaru i duże rozbieżności w wynikach spowodowane są niedokładnością wykonania próbki.

Skala C przeznaczona jest dla materiałów twardszych od HRB – do stali węglowych i stopowych w stanie hartowanym lub ulepszonym cieplnie wyrobów stalowych głęboko utwardzonych przez nawęglanie. Twardość mieści się przeważnie w granicach. Próba Rockwella pozostawia na przedmiocie tylko słabo widoczną skazę, dlatego może być używana do kontroli gotowych wyrobów ze względu na znikome odkształcenia.

Metoda Rockwella:

ZALETY:

- szybkość i łatwość pomiaru, gdyż czujnik wyskalowany jest bezpośrednio w jednostkach twardości,

- bardzo prosta obsługa twardościomierza,

- małe odciski pozostawione przez ten pomiar.

WADY:

- Na wynik pomiaru ma wpływ niepoprawne ustawienie,

- Przedmioty bardzo cienkie nie mogą mieć określonej twardości za pomocą tej metody,

- metoda posiada wiele skal twardości i kłopotliwe jest ich porównanie ze sobą,

- małe odciski nie pozwalają na pomiary twardości materiałów niejednorodnych.

1. Literatura:

„Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów” – skrypt 168.