Popławski Krzysztyof

T1n-21

Wytrzymałość materiałów

Laboratorium nr 3

Pomiary twardości

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się i przeprowadzenie pomiarów twardości metodami Brinella, Rockwella, Vickersa, służącymi do tego celu narzędziami z godnie z obowiązującymi normami.

2. Definicja

Twardość jest miarą odporności materiału przeciw lokalnym odkształceniom trwałym, powstałym na powierzchni badanego przedmiotu, wskutek wciskania w nią drugiego twardszego ciała, zwanego wgłębnikiem. Wgłębnikiem jest zazwyczaj kulka stalowa, stożek lub ostrosłup diamentowy.

Twardość jest cechą umowną, umożliwiającą porównywanie odporności różnych materiałów na uszkodzenia powierzchni.

3. Opis metod

Metoda Vickersa.

Jest to ulepszona wersja metody Brinella.Metoda Vickersa polega na prostopadłym wciskaniu w badany materiał siłą obciążająca F, regularnego czworokątnego ostrosłupa diamentowego o kącie dwuściennym między przeciwległymi ścianami wynoszącym 136^o Czas nacisku wgłębnika liczony od momentu osiągnięcia całkowitej siły obciążającej zawierającej się w zakresie 50-100 N powinien wynosić ok.5s.Liczbę twardości według metody Vickersa wyraża się stosunkiem siły nacisku do powierzchni odcisku ostrosłupa.Do obliczenia twardości należy przyjąć średnią arytmetyczną wartości długości przekątnych jednego odcisku.

gdzie: P- siła nacisku [N]

A - pole powierzchni odcisku [m ]

Metoda Rockwella.

W metodzie tej określenie liczby twardości zostało oparte na pomiarach głębokości odcisków trwałych uzyskiwanych w różnych materiałach za pomocą ustalonego wgłębnika i ustalonego nacisku. W metodzie tej głębokości odcisków są mniejsze od 0,2mm. Mierzenie tak małych głębokości utrudnia chropowatość materiału, dlatego aby ominąć tą przeszkodę zostało wprowadzone obciążenie wstępne wynoszące F₀=98,07 N.

Do badania materiałów w metodzie Rockwella posługujemy się stożkiem diamentowym (o kącie rozwarcia 120 zaokrąglonym promieniem 0,2 mm) oraz stalową kulką ( o średnicy
)

gdzie:
jest głębokością odcisku wyrażoną w umownych jednostkach pomiarowych

k - wartością stałą przyjmowaną przy pomiarach stożkiem 100 , a kulką 130

Zostały również wprowadzone trzy różne naciski.

Wynik pomiaru odczytujemy bezpośrednio na odpowiednio wyskalowanym czujniku w jednostkach HR uzupełnionych literą określającą skalę według której wykonano pomiar.

Metoda Brinella.

Metoda ta polega na wciskaniu przez określony czas w badaną próbkę twardej kulki stalowej lub z węglików spiekanych.Kulka ta znajduje się pod działaniem siły obciążającej,przyłożonej prostopadle do powierzchni próbki.Twardość Brinella określa się jako stosunek siły P wciskającej wgłębnik do pola A trwałego odcisku, jest to średnia wartość ciśnienia obliczona w sposób umowny.

lub w innej postaci

P - siła obciążająca [N]

D - średnica kulki [mm]

d - średnica odcisku[mm]

Do pomiarów twardości użyliśmy następujących próbek:

Metodą Rockwella

1 próbka-stal w stanie dostawy- 5 HRC (twardość zbyt mała dla zastosowanej skali,dla której zakres pomiarowy wynosi 20-70 HRC),

2 próbka-stal ulepszona cieplnie(hartowana i odpuszczana) - 46 HRC,

3 próbka-stal po zahartowaniu- 53 HRC.

Metodą Brinella

Próbka -stop aluminium-śr. Odcisku 4 mm,twardość wg. tabel- 76,3 HB.

Metodą Vickersa

Próbka-stal N9E(narzędziowa,płytko hartowana)- dł.przekątnej d=1,184 mm,twardość wg. tabel- 548 HV

Wnioski

W wyniku przeprowadzonych próby twardości można pokusić się o ocenę zalet i wad poszczególnych sposobów pomiaru twardości.W przypadku metody Rockwella zaletą jest możliwość odczytu twardości badanego materiału bezpośrednio z twardościomierza. Kłopotliwe jest natomiast stosowanie różnych skal i wgłębników.

Metoda Brinella stosowana jest dla materiałów o niewielkiej twardości a wynik jej obarczony jest błędem ze względu na odkształcanie się wgłębnika

W metodzie Vickersa zaletą jest stosowanie tej samej skali dla materiałów miękkich i twardych, możliwość stosowania do pomiaru warstw utwardzonych, małych przedmiotów i powierzchni gotowych.Poza tym pomiar tą metodą nie powoduje znaczących zniszczeń badanego materiału. Wadą tej metody jest to że nie można jej stosować do materiałów niejednorodnych.

Na podstawie przeprowadzenia powyższych prób twardości oraz analizie otrzymanych wyników możemy określić wpływ obróbki cieplnej oraz składu chemicznego na twardość badanego materiału.

Za pomocą metody Rockwella i Vickersa mierzyliśmy twardość dwóch stali, z których dwie próbki stali 55 poddane zostały innej obróbce cieplnej . Na podstawie otrzymanych wyników możemy stwierdzić, że ulepszanie cieplne wpłynęło na twardość badanej stali 55. Twardość próbki stali 55 w stanie dostawy była zbyt mała aby mieściła ona się w zakresie pomiarowym.Po poddaniu jej obróbce

cieplnej twardość wzrosła dziewięciokrotnie przy ulepszaniu cieplnym(hartowanie +ulepszanie) do 46 HRC, gdzie stal zyskała wysoką twardość przy zachowaniu pewnej plastyczności.Po obróbce hartowania twardość wzrosła twardość stali wzrosła jeszcze bardziej do 53 HRC ale przy dużej kruchości.Dużą twardością spośród badanych materiałów wykazała się próbka ze stali N9E. Twardość tą tłumaczy największa zawartość węgla, która w tej próbce wynosi 0,9%, oraz zastosowana obróbka cieplna(płytkie hartowanie).

Próbka		Skala twardości
				HB	HRC	HV
stal55	1próbka	-	5	-
		2próbka	437	46	460
		3próbka	513	53	560
Stal N9E		500	52,5	548
Stop aluminium		76,3	-	80

---