Łukasz Maciejec		Grupa 15	Laboratorium z materiałoznastwa
Temat: Badanie twardości i udarności
Rok akademicki 1999/2000	Data 27.03.2000			Ocena	Podpis

I. Pomiary twardości

Twardością nazywa się odporność materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem obciążeń skupionych (umiejscowionych) na małej powierzchni materiału. Najczęściej stosowane są pomiary twardości metodą Brinella, Rockwella, i Vickersa.

1.Metoda Brinella

Próba twardości metodą Brinella polega na wgniataniu kulki stalowej hartowanej o ściśle określonej średnicy D (10; 5 ; 2,5 ; 2 lub 1mm) w płaską, dostatecznie gładką powierzchnię przedmiotu lub próbki pod naciskiem P, prostopadłym do tej powierzchni. Wgniatana kulka pozostawia po sobie trwały odcisk w kształcie wgłębienia kulistego o średnicy d. Twardość Brinella, oznaczana jest zwykle symbolem HB i mierzona w
, jest stosunkiem nacisku P wyrażonego w kG do pola powierzchni S kulistego trwałego wgłębienia w mm².

HB=

Pole powierzchni S zależy od średnicy kulki wgniatanej D i od średnicy d otrzymanego wgłębienia. Obliczamy je ze wzoru

S=
(D -
)

Nacisk P oraz średnicę D kulki wgniatanej dobieramy zależnie od twardości metalu i grubości badanego przedmiotu. Średnicę d odcisku mierzy się za pomocą lupy z podziałką w dwu prostopadłych kierunkach z dokładnością 0,05mm i oblicza się średnią średnicę, jako średnią arytmetyczną otrzymanych wyników. Metodę Brinella stosuje się zwykle do wyznaczenia twardości HB ~ 450
, gdyż powyżej tej twardości podczas wgniatania kulki stalowej w materiał zbyt twardy, sama kulka może ulec odkształceniu. Szczególnie twarde kulki Hultgrena lub kulki wykonane z węglików spiekanych umożliwiają badanie twardości HB nawet do 650
. Metodę pomiaru twardości Brinella stosuje się na ogół do badania twardości metali niezbyt twardych

Pomiary wykonywano dla kulki wgniatanej o średnicy D = 5mm.

materiał	pomiar	1 średnica [mm]	2 średnica [mm]	średnia średnica	nacisk [kG]	Twardość [kG/mm^2]
Miedź	1	2,2	2,2	2,2	290	72,39
Miedź	2	2,3	2,4	2,35	290	62,93
Miedź	3	2,1	2,2	2,15	295	77,30
Mosiądz	1	2,0	2,1	2,05	290	84,01
Mosiądz	2	1,9	2,0	1,95	290	93,24
Mosiądz	3	1,95	1,9	1,925	280	92,50
stal 15	1	1,5	1,7	1,6	290	140,43
stal 15	2	1,5	1,4	1,45	290	171,80
stal 15	3	1,5	1,5	1,5	280	154,78
stal 55	1	1,4	1,3	1,35	290	198,90
stal 55	2	1,3	1,4	1,35	290	198,90
stal 55	3	1,35	1,4	1,375	290	191,54

Wyliczamy średnią wartość twardości dla każdego metalu:

materiał	średnia wartość twardości HB
miedź	70,87
mosiądz	89,91
stal 15	155,67
stal 55	196,44

2.Metoda Rockwella

Metoda ta polega na dwustopniowym wgniataniu stożka diamentowego (o kącie wierzchołkowym 120˚) lub kalibrowanej stalowej kulki (o średnicy 1/16 cala) w dokładnie oczyszczoną i wygładzoną (płaską) powierzchnię badanego przedmiotu. Pomiar przeprowadza się na twardościomierzu Rockwella, a twardość w zależności od głębokości odcinka odczytuje się bezpośrednio na podziałce czujnika wywzorcowanego w jednostkach twardości Rockwella na specjalnych skalach. Najczęściej stosuje się do pomiaru twardości skale C i B, a rzadziej A i F. Jednostką pomiarową jest wgłębienie stożka lub kulki na głębokość 0,002mm=2μm.

Skalę C (czarną) stosuje się przy użyciu stożka diamentowego do pomiarów twardości stali ulepszonych cieplnie. Stożek wgniata się początkowo naciskiem wstępnym P₀=10kG, po czym obciąża się dodatkowo głównym obciążeniem P₁=140kG. Skalę B (czerwoną) stosuje się przy użyciu kulki 1/16” do pomiarów twardości miękkich, brązów, mosiądzów i innych miękkich stopów. Kulkę wgniata się początkowo pod naciskiem wstępnym P₀=10kG, po czym obciąża się dodatkowo głównym obciążeniem P₁=90kG. Skale C i B są przesunięte w stosunku do siebie o 30 podziałek.

Skalę A stosuje się przy użyciu stożka diamentowego do pomiarów twardości materiałów wyjątkowo twardych, np. węglików wolframu lub badania twardości cienkich blach, cienkich warstw utwardzonych itp.(przy czym P₀=10kG, a P₁=50kG). Skalę F stosuje się przy użyciu kulki o średnicy 1/16” do pomiarów twardości bardzo miękkich materiałów (np. do tworzyw sztucznych; przy czym P₀=10kG, a P₁=50kG).

Pomiar twardości HRB:

materiał	pomiar	pomiar	Pomiar	średnia
miedź	8	6,3	9	7,76
mosiądz	27	33,5	34,1	31,53
stal 15	48	44,5	45	45,83
stal 55	67	68	66	67

Pomiar twardości HRC:

materiał	pomiar	pomiar	Pomiar	średnia
miedź	84	87	83	84,66
mosiądz	11	9	7,5	9,16
stal 15	17	17	17,5	17,16
stal 55	39	30,5	25,5	31,66

3.Metoda Vickersa

Metoda ta polega na wgniataniu ostrosłupa kwadratowego (piramidy) o kącie dwuściennym α = 136˚ w dokładnie oczyszczoną, wygładzoną i wypolerowaną część płaskiej powierzchni badanego przedmiotu. Pomiar przeprowadza się twardościomierzem Vickersa, a wgniatana piramida pozostawia po sobie trwały odcisk ostrosłupem kwadratowym o przekątnej a, którą mierzy się w milimetrach. Po wykonaniu odcisku stół z przedmiotem opuszcza się na dół, a nad odcisk nasuwa się mikroskop, którego okular ma podziałkę umożliwiającą pomiar przekątnej a odcisku. Należy zmierzyć obie przekątne, a następnie obliczyć ich średnią arytmetyczną.

II. Pomiar udarności

Udarnością nazywa się odporność materiału na uderzenie. Własność ta jest różna dla rozmaitych materiałów. Próba udarności polega na złamaniu próbki z karbem o określonych wymiarach i kształcie jednym uderzeniem młota wahadłowego. Próbę wykonuje się na młocie wahadłowym Charpy'ego , a próbki mają kształt prostopadłościanu o przekroju kwadratowym 10/10/55 mm ; na jego środku nacięty jest w poprzek karb o odpowiednim kształcie (u lub v) o głębokości 2mm. Karb ułatwia złamanie próbki. Próbę przeprowadza się w następujący sposób. Młot o ciężarze G podnosi się na wysokość h₁ i opuszcza się na próbkę leżącą na dwóch podporach. Młot uderza w próbkę, łamie ją i wznosi się na po drugiej stronie na wysokość h₂. przy podnoszeniu młota na wysokość h₁ wykonano pracę W₁=Gּh₁, a po złamaniu próbki młot podnosząc się na wysokość h₂ wykonał pracę W₂=Gּh₂. Praca W złamania próbki wynosi W=W₁ - W₂, a jej wartość liczbowa jest odczytywana na odpowiedniej podziałce. Złamanie próbki następuje w miejscu karbu (S - najmniejszy przekrój) i udarność U oblicza się ze wzoru:

U=

Próbka ze stali St3S o znormalizowanym kształcie została złamana przy pracy W wynoszącej W=10,8kGּm. Jej udarność wynosi więc U=13,5
.

Wnioski:

I.Twardość - otrzymanie poprawnych wyników zależy warunków przeprowadzenia ćwiczenia, dokładności wykonania próbek oraz od odpowiedniego odczytania wyników. Ważne jest również to, aby odpowiednie próbki o określonej twardości badać za pomocą odpowiednich przyrządów. Badając metale miękkie przy pomocy aparatów przeznaczonych do pomiaru metali twardych ( i na odwrót ) możemy otrzymać mało wiarygodne wiadomości o badanym przedmiocie. Należy także pamiętać o efekcie brzegowym. W próbkach o kształcie walca w miarę oddalania się od środka ku brzegowi próbki otrzymamy niewielkie różnice w twardości, które wywołane są wspomnianym wyżej efektem brzegowym. Dla metod : Vickersa i Rockwella dokonaliśmy trzech pomiarów tej samej próbki. Ze względu na różnicę w strukturze materiału każdy pomiar miał różną wartość i dlatego też pomiary te należy uśrednić, odrzucając wartości znacznie odbiegające od innych .

Po wykonaniu doświadczenia można stwierdzić, iż najkorzystniejszą metodą badania twardości jest metoda Rockwella, gdyż można nią przeprowadzić pomiary dla szerokiego zakresu twardości metali (zmieniając jedynie wgłębnik : metale twarde - HB > 400 - stożek, miękkie - kulka), odcisk na powierzchni próbki jest niemal niewidoczny, a poza tym jest to metoda najszybsza, pozwalająca najszybciej określić twardość badanej próbki.

II.Udarność - dokładność otrzymanych wyników zależy od warunków (w szczególności od temperatury - w metalach o sieciach A2 i A3 obserwuje się spadek udarności wraz z obniżeniem temperatury), a także od zgodności próbki z normami. Istotnym elementem badania udarności materiałów jest obserwacja przełomów. Z wyglądu przełomów można wyciągnąć wiele wniosków dotyczących jakości materiału, a zwłaszcza o wielkości ziarna i charakterze pękania. Przełom kruchy - trans krystaliczny, płaskie powierzchnie z szeregiem uskoków; przełom ciągliwy - bardzo rozwinięty, międzykrystaliczny. Udarność materiału zależy od wielu czynników , w czystych metalach udarność jest wyższa niż w ich stopach . Udarność rośnie w miarę zmniejszania wielkości ziarna, gdyż granice ziarn utrudniają rozprzestrzenianie się pęknięcia . Zmniejszenie udarności powoduje obecność w stopie faz kruchych .Temperatura przejściowa kruchości zależy od rozdrobnienia ziarna i zostaje ona wtedy obniżona, ulepszenia cieplnego, wprowadzenia niklu do stali, natomiast podwyższona na skutek obecności domieszek H, S, P, O, N, i ziarn miękkich faz np. ferrytu oraz karbów .

4

---