Badania twardości metali	L4
	08.12.2010

• Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest:

• Poznanie metod badania twardości metali

• Nabycie umiejętności w określaniu twardości metali metodami Brinella, Rockwella i Vickersa

• Zapoznanie się z budową twardościomierzy używanych do pomiaru twardości wymienionymi metodami

• Definicja twardości wg Brinella, Rockwella i Vickersa

• POMIAR TWARDOŚCI METALI SPOSOBEM BRINELLA WG PN-91/H-04350

Pomiar twardości metali sposobem Brinella polega na wciskaniu w określonym czasie w badaną próbkę pod działaniem siły obciążającej F, przyłożonej prostopadle do jej powierzchni , twardej kulki stalowej lub z węglików spiekanych o średnicy D (rys.1a). Średnica powstałego odcisku d służy do obliczenia twardości (rys.1b). Twardością Brinella HB nazywamy iloraz nacisku F wyrażoną w [N] przez powierzchnię kulistego wgłębienia(powierzchnia czaszy) S wyrażoną w [mm²].

Pomiar twardości sposobem Brinella stosuje się:

- przy użyciu kulki stalowej, do badania metali o twardości do 450 HB,

- przy użyciu kulki z węglików spiekanych, do badania metali o twardości do 650 HB.

rys. 1 a rys. 1 b

Rys. 1. Pomiar twardości sposobem Brinella

• POMIAR TWARDOŚCI METALI SPOSOBEM ROCKWELLA WG PN-91/H-04355

Pomiar twardości sposobem Rockwella polega na wciśnięciu wgłębnika diamentowego w postaci stożka w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami A,C,D lub wgłębnika stalowego w postaci kulki w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami B,E,F,G,H i K.

Podstawę określenia twardości Rockwella stanowi pomiar trwałego odkształcenia. Wynik odczytuje się w jednostkach twardości HR na odpowiednio wyskalowanym czujniku.

Metoda Rockwella oparta jest na wykorzystaniu własności sprężystych materiału. Miarą twardości jest różnica między tzw. stałą materiałową S(wielkość umowna),a wielkością e wyrażoną w jednostkach odkształcenia trwałego równego 0,002 [mm]. Zasada pomiaru twardości kulką stalową jest taka sama, jak stożkiem diamentowym, z tym, że wartości obciążenia głównego F₁ i stałej skali S są inne.

Twardość przy użyciu kulki stalowej określona jest zależnością HR=(skale: B,E,F,G,H,K)=130-e

Rys.2. Schemat pomiaru twardości stożkiem diamentowym metodą Rockwella

• POMIAR TWARDOŚCI METALI SPOSOBEM VICKERSA OD HV 0,2 DO HV 100 WG PN-91/H-04360

Pomiar twardości metali sposobem Vickersa w zakresie od HV0,2 do HV100, polega na wciśnięciu w określonym czasie diamentowego wgłębnika o kącie dwuściennym α=136° w badaną próbkę przy wybranym obciążeniu od 1,961 do 980,7 [N]. Wgłębnik diamentowy wciska się prostopadle w próbkę siłą obciążającą F wyrażoną w [N], przyłożoną przez określony czas t. Po odciążeniu mierzy się długości przekątnych d₁ i d₂ w [mm] odcisku powstałego na powierzchni próbki. Twardość Vickersa wyraża się stosunkiem siły F do powierzchni pobocznicy odcisku S, obliczonej z średniej arytmetycznej wartości długości przekątnych.

Powierzchnię boczną wgniecionego ostrosłupa czworokątnego obliczamy ze wzoru

gdzie d jest średnią arytmetyczną obu przekątnych odcisku wyrażoną w [mm].

Twardość Vickersa można obliczyć ze wzoru

Jednostką miary jest HV=9,807 [MPa].

Rys.3. Schemat pomiaru twardości metodą Vickersa

• Schematy aparatów Brinella, Rockwella i Vickersa

• Schemat aparatu Brinella typu B2

1.próbka, 2.stolik, 3. wgłębnik, 4. zawór cylindra, 5.pompka, 6.zbiornik oleju,7. cylinder, 8. tłok, 9. siłomierz, 10.włoczek podnoszący obciążenie, 11. ciężarki, 12. jarzmo, 13. trzpień, 14. śruba podnośna, 15. kółko ręcznego przesuwu śruby

• Schemat aparatu Rockwella

1.dźwignia, 2.obciązniki, 3. wgłębnik, 4. próbka, 5. stolik przedmiotowy, 6.rura podnośna, 7. zębatka, 8. kółko podnoszenia, 9. czujnik, 10. zwalniacz, 11. przegub, 12. tłumik olejowy

• Schemat aparatu Vickersa

1.stolik, 2.materiał badany, 3. wgłębnik, 4. Stożkowa tulejka oporowa, 5. tuleja, 6.trzpień,7. pokrętło aparatu, 8. dźwignia, 9.pierścienie regulacyjne, 10. zębatka, 11. mikrometr, 12. okular, 13. śruba, 14. mikroskop, 15. pokrętło lunety, 16. stożkowa tulejka lunety, 17. pokrętło blokujące, 18. głowica aparatu, 19. głowica mikroskopu

• Opis działania aparatu podczas prób

Twardościomierz Rockwella jest twardościomierzem o przekładni dźwigniowej. Dźwignia jednostronna, na której zawieszone są obciążniki naciska na wgłębnik. Pod wpływem obciążenia wgłębnik zagłębia się w materiał badany, umieszczony na stoliku przedmiotowym, wkładanym do śruby podnośnej. Do podnoszenia dźwigni przed pomiarem i po pomiarze służy zębatka. Po umieszczeniu na stoliku przedmiotu badanego doprowadza się go za pomocą kółka do zetknięcia z wgłębnikiem. Dalsze pokręcanie kółkiem i podnoszenie śruby ma na celu wstępne obciążenie wgłębnika. Po uzyskaniu pełnego obrotu wskazówki czujnika zegarowego ustawia się ją w położeniu zero. Naciskając zwalniacz powoduje się obrót dźwigni wokół przegubu, wywołany działaniem na dźwignię obciążnikiem. Powolny przyrost obciążenia uzyskuje się przez zastosowanie tłumika olejowego.

• Warunki wykonywania pomiarów

• Wykonanie próby metodą Brinella

Twardościomierz stosowany do prób odbiorczych powinien być zalegalizowany zgodnie z obowiązującymi przepisami. Norma zaleca stosowanie kulek stalowych obrobionych cieplnie, o minimalnej twardości 850 HV10, lub z węglików spiekanych. Zależnie od rodzaju materiału badanej próbki stosuje się kulki o średnicy D=10; 5; 2,5;2 i 1 [mm]. Powierzchnia kulki polerowana nie powinna wskazywać wad przy obserwacji za pomocą lupy o pięciokrotnych powiększeniu. Powierzchnia próbki w miejscu pomiaru powinna być płaska i gładka, oczyszczoną ze zgorzeliny itp. Grubość próbki powinna być co najmniej 8 razy większa niż głębokość odcisku

[mm]

Badanie przeprowadza się w temperaturze 20±15°C. Średnicę odcisku należy mierzyć w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Średnica arytmetyczna obu pomiarów stanowi podstawę do obliczenia twardości Brinella.

• Wykonanie próby metodą Rockwella

Kształt próbki może być dowolny, pod warunkiem zastosowania do pomiarów twardościomierza ze stolikiem zapewniającym prostopadłość powierzchni pomiarowej do kierunku działania obciążenia oraz ułożenie próbki bez odkształceń sprężystych pod wpływem działania obciążenia. Powierzchnia próbki w miejscu pomiaru powinna być równa, płaska i gładka o średnim arytmetycznym odchyleniu chropowatości nieprzekraczającym 2,5 . Stosowane wgłębniki to stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120°±0,35°, promieniu zaokrąglenia wierzchołka (0,2±0,015)mm, dokładnie wypolerowany, bez rys. Pomiar twardości przeprowadza się w temperaturze 20 ± °C. Grubość próbki, badanej części lub badanej warstwy metalu powinna wynosić co najmniej 10 e co opowiada grubościom 10(100-HR)*0,002[mm] oraz 10*(130-HR)*0,002 [mm]. Po każdorazowej zmianie wgłębnika lub położenia próbki należy wykonać co najmniej dwa próbne pomiary, których wyników nie należy brać pod uwagę. Należy wykonać co najmniej trzy odciski dla określenia średniej arytmetycznej wartości twardości.

• Wykonanie próby metodą Vickersa

Powierzchnie w miejscu pomiaru i styku próbki ze stolikiem twardościomierza powinny być wolne od zanieczyszczeń, warstwy tlenków i innych obcych ciał. W celu zapewnienia prawidłowości i dokładności pomiaru przekątnych odcisku powierzchnia próbki w miejscu pomiaru powinna być płaska, a jej chropowatość nie przekraczać 2,5 . Pomiar twardości przeprowadza się w temperaturze 20 ± °C. Czas działania obciążenia liczony od momentu osiągnięcia całkowitej siły F obciążającej wgłębnik powinien wynosić (10+15) s.

• Wyniki pomiarów

Średnica wgniotu Ø=1,588 [mm]

HRB₁=100

HRB₂=100

HRB_śr = = 100

Siła wstępna F, jakiemu poddaliśmy badany materiał wynosi 98,7 kg, natomiast obciążenie równe jest 100kg.

• Analiza wyników pomiarów i wnioski

Pomiar został przeprowadzony na twardościomierzu Rockwella. Jako wgłębnika użyto kulki stalowej o średnicy Ø=1,588 [mm]. Wykonano dwie serie pomiarowe, po jednym pomiarze każda. Powierzchnia próbki w miejscu pomiaru była płaska, równa i w miarę gładka, bez widocznych rys, oczyszczona ze zgorzeliny i pozbawiona innych obcych ciał. Z powtarzalności pomiarów można wywnioskować, że błędy pomiaru są obarczone pomijalnym błędem. Urządzenie pomiarowe posiada wystarczającą klasę dokładności. Materiał posiada wystarczającą jakość wykonania co może być wskaźnikiem mocno zbliżonych wyników. Na podstawie badania można stwierdzić jaka jest jakość materiału, a tym samym kontrolować czy poziom wykonania jest na wymaganym poziomie. Umożliwia to tym samym zapewnienie odbiorcy wyrobu niezawodności produktu oraz to, iż żądany mechanizm nie zawiedzie z powodu usterki pojedynczego elementu(np. wał korbowy) narażając na koszty naprawy i braku możliwości eksploatowania mechanizmu (np. środki lokomocji) lub w przypadku gdy mechanizm jest odpowiedzialny za bezpieczeństwo (np. pęknięta tarcza hamulcowa). Wymagania w zakresie dokładności twardościomierza Rockwella są wysokie. Pomiar twardości metodą Rockwella znalazł powszechne zastosowanie w przemyśle ze względu na swą prostotę, łatwość i szybkość pomiaru, dzięki czemu metoda nadaje się do pomiarów masowych. Do zalet tej metody pomiaru można zaliczyć prostą obsługa twardościomierza, odczytywanie twardości bezpośrednio na jego skali, co znacznie ułatwia pracę. Do tej metody możemy stosować materiały zarówno miękkie jak i twarde. Jednak należy uważać, aby poprawnie ustawić badaną próbkę, gdyż ma to znaczny wpływ na wynik pomiaru.