UNIWERSYTET WARMIŃSKO - MAZURSKI W OLSZTYNIE

Wydział Nauk Technicznych

SPRAWOZDANIE NR 3

„Pomiar twardości metali metodą Brinella i Rockwella”

Wykonali:
Adrian Mańka
Wojciech Stachowicz
Grupa 7, Mechatronika I rok

WSTĘP TEORYTYCZNY

Twardość - jedna z cech materiału, równie ważna z konstrukcyjnego i technologicznego punktu widzenia, jak wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, przewężenie, udarność itp. Twardość ciała określamy, jako miarę oporu, jaki stawia ono w czasie wciskania wgłębnika. Najbardziej rozpowszechnione metody statyczne pomiaru twardości to metody Brinella, Vickersa i Rockwella.

Granica sprężystości - to wartość naprężeni po przekroczeniu, której ciało nie powraca do pierwotnego kształtu po usunięciu naprężenia.

Granica plastyczności - to wartość naprężenia, przy którym zaczyna powstawać nieodwracalne odkształcenie plastyczne.

1. Metoda Brinella - polega na wciskaniu wgłębnika pod obciążeniem F, w postaci kulki wykonanej z węglików spiekanych o średnicy D(1mm, 2.5mm, 5mm, 10mm), w powierzchnię badanego materiału, w czasie τ(na ogół 10-15 sekund). Średnica odcisku kulki D, jako średnia z kilku pomiarów służy do obliczenia pola powierzchni czaszy. Twardość według Brinella jest to stosunek siły obciążającej do pola powierzchni czaszy odcisku. Pomiary przeprowadza się w oparciu o:
   PN-EN ISO 6506-1:2008 zgodnie ze wzorem:

HBW =

gdzie:

F - siła wciskania kulki [N]

D - średnica kulki [mm]

d - średnica odcisku [mm]

Wielkość siły obciążającej wyliczamy z równania:
K=0.102

gdzie:
K - stała obciążenia [

F - siła wciskania kulki [N]
D - średnica kulki [mm]


Tablica 3. Stosunek siła-średnica różnych metali (według normy PN-EN ISO-1:1999)

Materiał	Twardość Brinella HBW	Stosunek siła-średnica [N/mm^2]
Stal - stopy niklu Stopy tytanu		30
Żeliwo*	<140 ≥140	10 30
Miedź i stopy miedzi	<35 35 do 200 >200	5 10 30
Metale lekkie i ich stopy	<35 35 do 80 >80	2,5 5 10 15 10 15
Ołów, cyna, metale spiekanie	Patrz ISO 4498-1	1

*do pomiaru twardości żeliwa należy używać kulek o nominalnej średnicy 2.5mm, 5mm lub 10mm

Tablica 2. Siły obciążające dla różnych warunków próby (według normy PN-EN ISO-1:1999)

Symbol twardości	Średnica kulki [mm]	Stosunek siła-średnica [N/mm^2]	Nominalna wartość siły obciążającej F[N]
HBW 10/3000 HBW 10/1500 HBW 10/1000 HBW 10/500 HBW 10/250 HBW 10/100 HBW 5/750 HBW 5/250 HBW 5/125 HBW 5/62,5 HBW 5/25 HBW 2,5/187,5 HBW 2,5/62,5 HBW 2,5/31,25 HBW 2,5/15,625 HBW 2,5/6,25 HBW 1/30 HBW 1/10 HBW 1/5 HBW 1/2,5 HBW 1/1	10 10 10 10 10 10 5 5 5 5 5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 1 1 1 1 1	30 15 10 5 2,5 1 30 10 5 2,5 1 30 10 5 2,5 1 30 10 5 2,5 1	29 420 14 710 9 807 4 903 2 452 980,7 7 355 2 452 1 226 612,9 245,2 1 839 612,9 306,5 153,2 61,29 294,2 98,07 49,03 24,52 9,807

Metoda Rockwella - próba ta polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał stożka diamentowego lub kulki stalowej o określonych kształtach i warunkach pomiaru. Podstawą określenia twardości Rockwella stanowi pomiar trwałego przyrostu głębokości odcisku, który jest wyrażony w jednostkach twardości HR. Twardość odczytuje się bezpośrednio na wyskalowanym czujniku. Zaletą tej metody jest dwustopniowe obciążenie podczas pomiaru, które daje nam zmniejszenie błędu spowodowanego niejednorodnością powierzchni.

Rysunek nr 1 [L.Dobrzański]

Porównanie wyników pomiaru twardości metodami Rckwella, Brinella i Vickersa.

POMIARY

1. Metoda Brinella

Przebieg pomiaru

- umieszczamy odtłuszczoną próbkę na stoliku
- pokrętłem unosimy stolik tak, aby próbka stabilnie opierała się o korpus
- sprawdzamy czy w okularze jest obraz
- dobieramy odpowiednią siłę
- zwalniamy blokadę powodując uderzenie wgłębnika w próbkę
- czekamy aż dźwignia ustabilizuję swoje położenie
-odliczamy czas 10-15 sekund, po upływie którego podnosimy dźwignie do pierwotnego stanu, zwalniając tym samym wgłębnik z próbki
- za pomocą pokręteł ustawiamy obraz w okularze i odczytujemy średnice odcisku
- z normy odczytujemy twardość dla danych parametrów próbki (załącznik C)
- pomiar powtarzamy kilkukrotnie, a następnie obliczamy średnią pamiętając o przesunięciach próbki, tak aby wgłębnik uderzał w gładką powierzchnie

1. Stal C45 po ulepszaniu cieplnym
   -z tablicy nr 3 odczytujemy stosunek siły do średnicy. W tym przypadku wynosi on
   30 N/mm²
   -z prowadzącym zajęcia ustaliliśmy, że wgłębnik ma średnicę 2,5mm, więc w tablicy
   nr 2 sprawdzamy nominalną siłę obciążenia, która wyniesie 1839N
   - po pierwszym pomiarze określamy jakiego rzędu jest średnica odcisku i sprawdzamy minimalną grubość próbki - w tym przypadku jest to 0,29mm
   - jeżeli rzeczywista grubość próbki jest większa od minimalnej określonej w normie (załącznik B) to powtarzamy pomiar kilkukrotnie, a następnie obliczamy średnią

Średnica odcisku [mm]	Twardość w skali HBW	Uśredniona wartość
0,6075 0,603 0,578	637 648 Nie można określić	642,5 HBW




2. Stal stopowa X2CrNi18-9
   -z tablicy nr 3 odczytujemy stosunek siły do średnicy. W tym przypadku wynosi on
   30 N/mm²
   -z prowadzącym zajęcia ustaliliśmy, że wgłębnik ma średnicę 2,5mm, więc w tablicy
   nr 2 sprawdzamy nominalną siłę obciążenia, która wyniesie 1839N
   - po pierwszym pomiarze określamy jakiego rzędu jest średnica odcisku i sprawdzamy minimalną grubość próbki - w tym przypadku jest to 0,83mm
   - jeżeli rzeczywista grubość próbki jest większa od minimalnej określonej w normie (załącznik B) to powtarzamy pomiar kilkukrotnie, a następnie obliczamy średnią

Średnica odcisku [mm]	Twardość w skali HBW	Uśredniona wartość
1,097 1,004 1,055	188 226 204	206 HBW

3. Mosiądz CuZn37

-z tablicy nr 3 odczytujemy stosunek siły do średnicy. W tym przypadku wynosi on
10 N/mm²
-z prowadzącym zajęcia ustaliliśmy, że wgłębnik ma średnicę 2,5mm, więc w tablicy
nr 2 sprawdzamy nominalną siłę obciążenia, która wyniesie 612,9N
- po pierwszym pomiarze określamy jakiego rzędu jest średnica odcisku i sprawdzamy minimalną grubość próbki - w tym przypadku jest to 0,83mm
- jeżeli rzeczywista grubość próbki jest większa od minimalnej określonej w normie (załącznik B) to powtarzamy pomiar kilkukrotnie, a następnie obliczamy średnią

Średnica odcisku [mm]	Twardość w skali HBW	Uśredniona wartość
0,978 0,958 0,963	80,0 83,5 82,6	82,03 HBW

4. Aluminium

-z tablicy nr 3 odczytujemy stosunek siły do średnicy. W tym przypadku wynosi on
5 N/mm²
-z prowadzącym zajęcia ustaliliśmy, że wgłębnik ma średnicę 2,5mm, więc w tablicy
nr 2 sprawdzamy nominalną siłę obciążenia, która wyniesie 306,5N
- po pierwszym pomiarze określamy jakiego rzędu jest średnica odcisku i sprawdzamy minimalną grubość próbki - w tym przypadku jest to 1,23 mm
- jeżeli rzeczywista grubość próbki jest większa od minimalnej określonej w normie (załącznik B) to powtarzamy pomiar kilkukrotnie, a następnie obliczamy średnią

Średnica odcisku [mm]	Twardość w skali HBW	Uśredniona wartość
1,213 1,192 1,218	25,4 26,3 25,1	25,6 HBW

2. Metoda Rockwella

Przebieg pomiaru

- badaną próbkę umieszczamy na stoliku, a następnie unieruchamiamy ją
- podajemy wstępne obciążenie równe 10kg
- ustawiamy obrotową tarczę wskaźnika na wartość 0
- kołowrotkiem naciągamy obciążenie główne, do momentu zadziałania zapadki
- zwalniamy zapadkę obciążając próbkę dodatkową wagą 140kg (razem 150kg)
- czekamy 10-15 sekund, a następnie odczytujemy wartość twardości w skali Rockwella z wskaźnika urządzenia

Musimy pamiętać, że skala obowiązuje dla wartości od 20 do 70 HRC

1. Stal C45 po ulepszaniu cieplnym

Twardość w skali HRC	Uśredniona wartość
63 61 62,5	62,17 HRC

Dla pozostałych materiałów nie udało nam się zmierzyć twardości tą metodą, ponieważ wyniki przekraczały skale poprawności pomiaru.

WNIOSKI

- metodę Rockwella cechuje łatwość odczytu i szybkość przeprowadzenia pomiaru
- odpowiedni dobór siły, z jaką będzie oddziaływał wgłębnik ma ogromny wpływ na wynik pomiaru
- mierząc metodą Brinella musimy zawsze sprawdzać minimalną grubość próbki, by zapobiec błędnemu rezultatowi pomiaru
- tylko uśrednione wyniki z kilku pomiarów rzeczywiście oddają daną twardość materiału
- według Rysunku nr 1 twardość uzyskana metodą Brinella i Rockwella jest taka sama (63HRC odpowiada około 640HB)





---