Wyższa Szkoła Agrobiznesu w Łomży

Wydział Techniczny

Kierunek Budownictwo

Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu
WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

Ćwiczenie Nr 8

Temat: Próba twardości metali

Opracowanie:

dr inż. Krzysztof Czech

Białystok, 2011 r.

1. WPROWADZENIE

Twardość - jest właściwością mechaniczną materiału, która świadczy o jego odporności na działanie sił przyłożonych w sposób punktowy. Twardość ciała można więc nazwać miarą oporu jaki wykazuje ciało stałe poddane lokalnym odkształceniom trwałym (odkształceniu powierzchni, zgnieceniu lub zarysowaniu) spowodowanym statycznym lub dynamicznym wciskaniem w nie innego - zwykle twardszego ciała (nazywanego wgłębnikiem lub penetratorem) i uważać za umowny sprawdzian cech wytrzymałościowych i plastycznych materiału, które możemy między sobą porównywać pod warunkiem realizacji prób twardości zgodnie z prawem Kicka (które mówi, że „wyniki oznaczenia twardości są porównywalne tylko wtedy, gdy zachowane zostaje prawo podobieństwa geometrycznego odcisków” [2]).

Z konstrukcyjnego i technologicznego punktu widzenia próba twardości jest równie ważna jak i inne omawiane do tej pory próby (rozciąganie, ściskanie, udarność itp.), gdyż niewłaściwa twardość materiału zastosowanego we współpracujących elementach konstrukcji może doprowadzić do skrócenia przewidywanego okresu eksploatacji urządzenia/konstrukcji lub wręcz uniemożliwić jej dalszą eksploatację. Zbyt duża twardość materiału może powodować łuszczenie się materiału (tzw. pitting [1]), zbyt mała może uniemożliwić uzyskanie pożądanej gładkości powierzchni.

Próba twardości jest równie istotna z innego punktu widzenia. W przypadku gdy zachodzi konieczność określenia, czy też zweryfikowania wytrzymałości na rozciąganie materiału, z którego wykonano dany element konstrukcyjny, lecz nie ma możliwości wycięcia
z niego próbki, która mogłaby posłużyć do przeprowadzenia ww. badania (np. ze względu na małe gabaryty elementu, zniszczenie urządzenia czy też konieczność wyłączenia urządzenia
z eksploatacji) - wówczas, dzięki znanym zależnościom pomiędzy twardością
a wytrzymałością na rozciąganie danego materiału - określenie przybliżonej wytrzymałości na rozciąganie materiału można przeprowadzić na podstawie próby twardości. W przypadku stali węglowych obowiązuje poniższa zależność:

, (1)

w której: R_m - wytrzymałość na rozciąganie stali węglowej [MPa = N/mm²],

HB - twardość określona w skali Brinella.

Pomiar twardości materiału może być realizowany metodami statycznymi (w których obciążenie jest powoli zwiększane od zera do wartości maksymalnej) lub metodami dynamicznymi (w których obciążenie wywołane jest energią kinetyczną wgłębnika).

Do metod statycznych pomiaru twardości możemy zaliczyć:

• metodę Brinella [3], [4], [5], [6],

• metodę Rockwella [7], [8], [9], [10],

• oraz metodę Vickersa [11], [12], [13], [14].

Do metod dynamicznych zaliczamy pomiary twardości:

• młotkiem Poldiego,

• metodą skleroskopową Shore'a,

• metodą wahadłową Herberta,

• metodą magnetyczną,

• metodą Knoopa [15], [16], [17], [18],

• metodą zarysowania (nazywana także metodą Martensa),

• oraz różnymi metodami pomiarów mikrotwardości [2].

W przypadku badania twardości próbek cienkich lub próbek o małych, czy też bardzo małych gabarytach oraz materiałów miękkich wykorzystuje się metody umożliwiające realizację pomiaru przy bardzo małych siłach działających na wgłębnik (metoda Vickersa - F < 1,961 N; metoda Rockwella - skala N, metoda Knoopa F < 9,807 N, metoda zarysowania F = 0,4905 N). Twardość materiałów polimerowych oznacza się natomiast metodą Shore'a Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania.], Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania.].

1. Metoda Brinella

Określenie twardości metodą Brinella polega na prostopadłym wciskaniu
w próbkę badanego materiału twardej kulki (o średnicy D) - wykonanej ze stali
(o minimalnej twardości 850 HB wg skali Vickersa) lub znacznie twardszej kulki z węglików spiekanych i późniejszym odczycie średnicy d powstałego po odciążeniu próbki odcisku. Badanie jest prowadzone zgodnie z normami: [3], [4], [5], [6].

Rys. 1. Schemat ideowy pomiaru twardości metodą Brinella [1]

Kulki stalowe są wykorzystywane przy badaniu próbek o twardości nieprzekraczającej 450 HB. Dla twardszych próbek należy stosować kulki z węglików spiekanych (do 650 HB). Dla twardości próbek większych niż 350 HB należy zróżnicować oznaczenia twardości - dla pomiarów, w których wykorzystano kulkę stalową wprowadzamy oznaczenie HBS, podczas gdy dla pomiarów z kulką z węglików spiekanych stosujemy oznaczenie HBW. Zaleca się stosowanie kulki o średnicy D = 10 mm. Dla próbek żeliwnych oraz odlewów można stosować średnice kulek D = 2.5 mm, 5 mm oraz 10 mm.

Tab. 1. Zalecane wartości stałej obciążenia K

Twardość w metodzie Brinella wyznaczana jest według poniższego równania:

, (2)

w którym: F - wielkość siły obciążającej,

[N] (3)

K - stała obciążenia przyjmowana z tab. 1 - w zależności od
rodzaju i przewidywanej twardości badanego materiału
(gwarantująca uzyskanie średnicy d odcisku w przedziale
0.24 D ÷ 0.6 D),

S - pole powierzchni odcisku (czaszy kulistej wgłębienia),

[mm²] (4)

Wynik pomiaru twardości metodą Brinella jest zależny od czasu, w którym stopniowo do wartości maksymalnej F_max zwiększane jest obciążenie wywierane na próbkę oraz od czasu działania obciążenia o wartości F_max na próbkę. Czas w którym dochodzimy do wartości maksymalnej nie powinien przekraczać przedziału 2 ÷ 10 s. Czas obciążenia próbki siłą F_max jest uzależniony od rodzaju badanego materiału i wynosi odpowiednio:

• dla stali i żeliwa: 10 ÷ 15 s,

• dla innych metali o twardości > 32 HB: 30 s,

• dla innych metali o twardości ≤ 32 HB: 60 s.

Pomiar powinien być prowadzony na płaskiej, gładkiej i oczyszczonej powierzchni. Grubość próbki powinna być co najmniej ośmiokrotnie większa niż głębokość odcisku. Wywierane na próbkę obciążenie nie powinno również pozostawić śladów na przeciwległej stronie próbki. Norma zaleca także dokonywanie kolejnych pomiarów na tej samej próbce
w odległości przekraczającej czterokrotną średnicę pojedynczego odcisku d (licząc pomiędzy środkami kolejnych odcisków) oraz w odległości 2.5d od krawędzi próbki.

Dokładność, z jaką zapisujemy wyniki, zależy od określonej w trakcie pomiaru twardości próbki. Należy ją przyjmować z godnie z poniższą tabelą:

Tab. 2. Dokładność zapisu wyników

Przykładowy zapis twardości w metodzie Brinella: 480 HBS 10/30/18

(gdzie kolejno: twardość 480 przy wciskaniu kulki stalowej (HBS), średnica kulki - 10 mm, obciążenie 30 kG oraz łączny czas działania obciążenia F_max powyżej zalecanej wartości
- 18 s).

1. Metoda Rockwella

W przypadku pomiaru twardości metodą Rockwella w badaną próbkę wciskany jest stożek diamentowy (dla próbek o twardości zawierającej się w skalach: A, C, D i N) lub kulka stalowa (dla próbek o twardości zawierającej się w skalach: B, E, F, G, H, K i T). Pomiar prowadzony jest dwustopniowo - badaną próbkę najpierw obciąża się siłą wstępną F₀ (powodującą wciśnięcie w próbkę stożka diamentowego lub kulki stalowej na głębokość h₀ [mm] - wyznaczającą tzw. poziom odniesienia), a następnie dodatkowym obciążeniem głównym F₁ (F = F₀ + F₁ ), które powoduje dalsze wciśnięcie stożka lub kulki w próbkę na głębokość h (licząc od poziomu odniesienia). Po usunięciu obciążenia głównego F₁ w sposób sprężysty zmniejsza się trwałe zagłębienie wgłębnika (stożka/kulki) w próbce do poziomu h_t. Jeśli h_t = 0 - mamy do czynienia z materiałem idealnie sprężystym, jeśli h_t = h - to badany materiał jest idealnie plastyczny.

Twardość próbki w metodzie Rockwella określana jest (zgodnie z normami: [7], [8], [9], [10]) w jednostkach HR - jako różnica pewnej stałej materiałowej K i wartości h_t wyrażonej w jednostkach odkształcenia trwałego równego 0.002.

W zależności od przyjętej skali Rockwella i zastosowanego wgłębnika twardość wyznaczana jest z poniższych zależności:

- dla wgłębnika w postaci stożka diamentowego:

, (5)

- dla wgłębnika w postaci kulki stalowej:

, (6)

, (7)

gdzie: h_t - trwały przyrost głębokości odcisku wyrażony w jednostkach
odkształcenia trwałego wynoszącego 0.002 mm,

HRA, HRC, HRD, HRN - twardości w skali Rockwella mierzone stożkiem
diamentowym,

HRB, HRR, HRF, HR… - twardości w skali Rockwella mierzone kulką
stalową,

Wynik próby twardości odczytuje się wprost z odpowiednio wyskalowanego czujnika urządzenia pomiarowego (w jednostkach HR). Ideowy schemat pomiaru pokazano na rys. 2:

Rys. 2. Schemat ideowy pomiaru twardości metodą Rockwella z wykorzystaniem stożka diamentowego [1]

W tablicy 3 zestawiono skale pomiaru twardości metodą Rockwella, odpowiadające im wartości obciążeń (wstępnych, głównych oraz całkowitych) oraz rodzajów wgłębnika wraz ze wskazaniem zakresów stosowalności poszczególnych skal.

Tab. 3. Wybrane skale twardości w metodzie Rockwella

* - obciążenie wstępne F₀ = 98.07 N - jest zadawane w wyniku dociśnięcia badanej próbki do wgłębnika (stożka/kulki) za pomocą stolika twardościomierza.

Twardość próbek ze stali w stanie normalizowanym lub zmiękczonym, podobnie jak twardość stopów metali nieżelaznych określana jest zwykle metodą Rockwella przy wykorzystaniu kulki stalowej i skal: F lub B. Twardość próbek ze stali węglowej i stopowej
w stanie zahartowanym lub ulepszonym określana jest przy wykorzystaniu stożka diamentowego i skal: A lub C.

Pomiar powinien być prowadzony na płaskiej, gładkiej i oczyszczonej powierzchni. Grubość próbki powinna być co najmniej dziesięciokrotnie większa niż trwały przyrost głębokości odcisku h_t. Wywierane na próbkę obciążenie nie powinno również pozostawić śladów na przeciwległej stronie próbki. Odległość pomiędzy kolejnymi odciskami na powierzchni tej samej próbki powinna przekraczać czterokrotną średnicę pojedynczego odcisku - licząc pomiędzy środkami kolejnych odcisków i nie powinna być mniejsza niż
2 mm. Odległość pomiędzy środkiem odcisku a krawędzią próbki powinna przekraczać dwu
i pół krotną średnicę pojedynczego odcisku i wynosić co najmniej 1 mm.

Wynik pomiaru twardości metodą Rockwella, podobnie jak w metodzie Brinella, jest zależny od czasu działania obciążenia, które powinno przyrastać w sposób płynny, bez wstrząsów i drgań. Łączny czas przyrostu obciążenia wstępnego F₀ i obciążenia głównego F₁ powinien się zawierać w przedziale od 2 do 8 s. Czas łącznego oddziaływania na próbkę obciążenia F = F₀ + F₁ jest uzależniony od rodzaju badanego materiału i powinien wynosić:

• 1 ÷ 3 s - dla metali, które w warunkach pomiaru wykazują odkształcenia plastyczne niezależne od czasu trwania obciążenia F,

• 1 ÷ 5 s - dla metali, które w warunkach pomiaru wykazują nieznaczną zależność odkształceń plastycznych od czasu trwania obciążenia F (nieznaczny przyrost wskazań urządzenia),

• 10 ÷ 15 s - dla metali, które w warunkach pomiaru wykazują odkształcenia plastyczne znacznie zależne od czasu trwania obciążenia F (ciągły, powolny przyrost wskazań urządzenia).

Przykładowy zapis twardości w metodzie Rockwella: 65 HRC

(gdzie: 65 - twardość mierzona w skali C przy wciskaniu stożka diamentowego).

2. CEL ĆWICZENIA

Celem ogólnym ćwiczenia jest zapoznanie się studentów z wybranymi metodami statycznymi i dynamicznymi pomiaru twardości metali oraz z budową twardościomierzy.

Cele szczegółowe ćwiczenia polegają na określeniu twardości poszczególnych próbek stalowych:

• statyczną metodą Brinella,

• oraz statyczną metodą Rockwella.

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

3.1. Metoda Brinella

3.1.1. Niezbędne czynności przed przystąpieniem do badania

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia należy dokonać wstępnego sprawdzenia stanu technicznego urządzenia (m.in. czy nie ma wycieków oleju z cylindra lub ze zbiornika oleju).

W zależności od rodzaju materiału, z którego została wykonana próbka:

• we wgłębniku montujemy kulkę ze stali lub z węglików spiekanych,

• z tab. 1. dobieramy odpowiednią wartość współczynnika K,

• oraz określamy wymaganą wielkość siły obciążającej wgłębnik F.

Próbkę metalu przygotowaną do pomiaru twardości umieszczamy na stoliku urządzenia, a następnie pokrętłem regulującym położenie stolika względem wgłębnika doprowadzamy do styku kulki z badaną próbką w miejscu zamierzonego pomiaru.

3.1.2. Niezbędne czynności w trakcie realizacji próby

W zależności od rodzaju napędu urządzenia zamykamy zawór przelewowy i ręcznie pompujemy olej zwiększając tym samym ciśnienie w cylindrze lub uruchamiamy pompę, która samoczynnie podaje olej do cylindra. Pod wpływem ciśnienia za pośrednictwem tłoka następuje wciskanie wgłębnika zakończonego wymienną kulką w materiał badanej próbki. Bieżąca wartość siły nacisku F wywieranego na próbkę jest proporcjonalna do ciśnienia panującego w cylindrze urządzenia i jest wyświetlana na manometrze urządzenia. Po uzyskaniu maksymalnej założonej siły nacisku F jeszcze przez pewien czas utrzymujemy stałe ciśnienie w cylindrze, a następnie odciążamy próbkę (wolno otwieramy zawór zmniejszając tym samym ciśnienie w cylindrze).

Należy przeprowadzić minimum trzy pomiary, a dane zanotować w tabeli.

3.1.3. Niezbędne czynności po zakończeniu próby

Po zdjęciu próbki ze stolika urządzenia należy dokonać pomiaru średnicy odcisku d
w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach z dokładnością do 0.01 mm, a następnie zgodnie z odpowiednimi zależnościami określić twardość próbki.

3.2. Metoda Rockwella

3.2.1. Niezbędne czynności przed przystąpieniem do badania

Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia należy:

• dokonać wstępnego sprawdzenia stanu technicznego twardościomierza,

• w zależności od przewidywanego rodzaju i twardości badanego metalu w trzpieniu urządzenia zamontować wgłębnik (stożek diamentowy lub kulkę stalową),

• dobrać odpowiednią skalę pomiarową (A lub C - dla stożka diamentowego, B lub F - dla kulki stalowej),

• określić odpowiadające przyjętej skali pomiarowej wartości obciążeń głównych F₁ (490.3 N - dla skal: A i F, 882.6 N - dla skali B oraz 1373.0 N - dla skali C),

• umieścić próbkę metalu na stoliku urządzenia, a następnie pokrętłem regulującym położenie stolika względem wgłębnika doprowadzić do styku wgłębnika z badaną próbką w miejscu zamierzonego pomiaru.

3.2.2. Niezbędne czynności w trakcie realizacji próby

W celu realizacji próby należy:

• wprowadzić obciążenie wstępne F₀ = 98.07 N - poprzez dociśnięcie próbki do wgłębnika za pomocą stolika twardościomierza,

• wyzerować wskazania na tarczy twardościomierza dla przyjętej skali (A, B, C lub F),

• uruchomić mechanizm przyrostu obciążenia głównego F₁, a następnie odczekać, aż uzyskana zostanie docelowa wartość obciążenia,

• z tarczy twardościomierza odczytać i zanotować twardość według przyjętej skali pomiarowej,

• pomiar powtórzyć co najmniej dwukrotnie.

3.2.3. Niezbędne działania po wykonaniu próby

Twardość próbki należy wyznaczyć jako średnią arytmetyczną z minimum trzech pomiarów.

W przypadku zmiany skali pomiarowej nie powinniśmy brać pod uwagę pierwszych dwóch odczytów.

BIBLIOGRAFIA

[1] Banasiak M. (red.): Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów. Wydawnictwa Naukowe PWN. Warszawa, 2000.

[2] Rżysko J., Wilczyński A.: Laboratorium wytrzymałości materiałów. Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej. Warszawa, 1973.

[3] PN-EN ISO 6506-1:2008: Metale. Pomiar twardości sposobem Brinella. Część 1: Metoda badań.

[4] PN-EN ISO 6506-2:2008: Metale. Pomiar twardości sposobem Brinella. Część 2: Sprawdzanie i wzorcowanie twardościomierzy.

[5] PN-EN ISO 6506-3:2008: Metale. Pomiar twardości sposobem Brinella. Część 3: Kalibracja wzorców odniesienia.

[6] PN-EN ISO 6506-4:2008: Metale. Pomiar twardości sposobem Brinella. Część 4: Tablice wartości twardości.

[7] PN-EN ISO 6508-1:2007. Metale. Pomiar twardości sposobem Rockwella. Część 1: Metoda badań (skale A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T).

[8] PN-EN ISO 6508-1:2007/Ap1:2009. Metale. Pomiar twardości sposobem Rockwella. Część 1: Metoda badań (skale A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T).

[9] PN-EN ISO 6508-2:2007. Metale. Pomiar twardości sposobem Rockwella. Część 2: Sprawdzanie i wzorcowanie twardościomierzy (skale A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T).

[10] PN-EN ISO 6508-3:2007. Metale. Pomiar twardości sposobem Rockwella. Część 3: Kalibracja wzorców odniesienia (skale A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T).

[11] PN-EN ISO 6507-1:2007. Metale. Pomiar twardości sposobem Vickersa. Część 1: Metoda badań.

[12] PN-EN ISO 6507-2:2007. Metale. Pomiar twardości sposobem Vickersa. Część 2: Sprawdzanie i wzorcowanie twardościomierzy.

[13] PN-EN ISO 6507-3:2007. Metale. Pomiar twardości sposobem Vickersa. Część 3: Kalibracja wzorców odniesienia.

[14] PN-EN ISO 6507-4:2007. Metale. Pomiar twardości sposobem Vickersa. Część 4: Tablice wartości twardości.

[15] PN-EN ISO 4545-1:2006. Metale. Pomiar twardości sposobem Knoopa. Część 1: Metoda badania.

[16] PN-EN ISO 4545-2:2006. Metale. Pomiar twardości sposobem Knoopa. Część 2: Sprawdzanie i wzorcowanie twardościomierzy.

[17] PN-EN ISO 4545-3:2006. Metale. Pomiar twardości sposobem Knoopa. Część 3: Kalibracja wzorców odniesienia.

[18] PN-EN ISO 4545-4:2006. Metale. Pomiar twardości sposobem Knoopa. Część 4: Tablice wartości twardości.

- 2 -

h_t

---