LABORATORIUM

MATERIAŁOZNAWSTWA

WYDZIAŁ TRANSPORTU PW	NAZWISKO I IMIĘ:		OCENA:
ROK AKADEMICKI: 2007/2008	GRUPA: T1 SEMESTR: I	PODGRUPA: A

ĆWICZENIE NR 1

TEMAT:

BADANIE TWARDOŚCI METALI

Podobne do tego co jest, ale trochę bardziej dopracowane, a wnioski zerżnięte :)

DATA WYKONANIA ĆWICZENIA	DATA ODDANIA SPRAWOZDANIA
09.12.2007	14.12.2007

BADANIE TWARDOŚCI METALI

Twardość to cecha ciał stałych świadcząca o podatności lub odporności na odkształcenia powierzchni, zgniecenie jej lub zarysowanie, pod wpływem zewnętrznego nacisku.

Twardość metalu można zdefiniować, jako miarę oporu materiału przeciw odkształceniom trwałym powstającym wskutek wciskania wgłębnika. Nie jest ona stałą danego materiału, jednak metale maja ścisłe powiązanie pod względem ich właściwości mechanicznych (w tym wytrzymałością czy właściwościami plastycznymi)dlatego pomiary twardości mają zastosowanie wśród testów jakości metali czy skutków obróbki cieplnej. Można stwierdzić, iż badania te nie niszczą próbek danego metalu, a także nie wymagają głębokiej wiedzy przy ich badaniu.

Metody badania twardości metalu głównie polegają na wciskaniu wgłębnika w materiał przy określonej sile. Do najpowszechniejszych metod należą metody Brinella, Rockwella i Vickersa.

METODA BRINELLA

Pomiar twardości polega na wciskaniu stalowej kulki o średnicy D ( w tym średnice 1; 2; 2,5; 5; 10), działając na nią siłą F zależną od dopasowanej średnicy kulki i twardości badanego materiału. A następnie po wyjęciu kulki zmierzeniu powierzchni czaszy odcisku.

_Rys.1 Na tą metodę wyprowadza się

wzór HB = P/Sco

Legenda Rys. 1: gdzie:

HB(Hard Brinella)- Twardość

P- Siła obciążająca kulkę metalu w mierze Brinella;

D- Średnica kulki P- Siła obciążająca kulkę;

d- Średnica czaszy odcisku. Sco- Powierzchnia czaszy

odcisku.

Powierzchnię można obliczyć ze wzoru

S = π⋅D⋅(D-√ (D²-d²))

Pomiar Brinella występuje w warunkach normalnych i nienormalnych. Warunki normalne to takie, gdzie śr. kulki to 10, obciążenie to 3000 kg (30000 N), temperatura sięga 20° Celsjusza, a czas wgniatania to 15 sekund (oznaczenie np. HB = 180°) Wszystkie inne warunki należą to nienormalnych (oznaczenie np. HB = 130°/5/750).

Przy pomiarze Brinella do 400 HB stosuje się kulki stalowe hartowane, natomiast powyżej 650 HB stosuje się kulki z węglików spiekanych.

METODA ROCKWELLA

Metoda ta polega na dwustopniowym wgniataniu w dany materiał stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym 120° lub kulki stalowej o średnicy 1/16” pod naciskiem P₀ . 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.

Penetrator dociskamy do powierzchni próbki wstępną siłą P₀ otrzymując linię odniesienia odległą od powierzchni badanej h₀. Następnie zwiększamy docisk do wartości P i otrzymujemy dalsze wgłębienie penetratora o wartość h₁. W ostatniej fazie pomiaru zmniejszamy obciążenie działające na penetrator do wartości P₀ co powoduje zmniejszenie się wgłębienia do wartości h mierząc od linii odniesienia. Wartość głębokości docisku h powstałego w badanym przedmiocie określa twardość Rockwella. Wartość liczbową twardości Rockwella odczytuje się bezpośrednio na podziałce czujnika aparatu pomiarowego jako:

HR=K-h

K- stala wartość skali (130 dla kulki, 100 dla stożka)

h- różnica głębokości trwałego odcisku po usunięciu obciążenia głównego (F, h₁) i głębokości odcisku przy obciążeniu wstępnym (F_0, h₀).

Zarówno w pomiarze Brinella i Rockwella pomiary te są umowne. Częściej jednak stosuje się metodę Rockwella, gdyż nie niszczy znacznie powierzchni badanego materiału. Dzięki temu można m. in. kontrolować jakość gotowych wyrobów.

Metoda ta ma wiele skal, miedzy innymi B (na metale nieżelazne i niehartowane) i C (na metale hartowane)

_Rys.
2

METODA VICKERSA

Pomiar twardości metodą Vickersa polega na zagłębianiu w materiał ostrosłupa diamentowego o podstawie kwadratowej i kącie wierzchołkowym 136° między przeciwległymi ścianami. Twardość Vickersa wyraża sięstosunkiem siły P obciążającej wgłębnik do pola powierzchni bocznej F pobocznicy odcisku wgłębnika. Wartość twardości Vickersa wylicza się wzorem:

HV = 0,204*F⋅sin(136° / 2) / d²

Gdzie:

F - siła odcisku;

D - średnia arytmetyczna przekątnych d₁ i d₂ (na rys.

_{Rys.3 Rys.4}

OPIS PRZEBIEGU ĆWICZENIA

Laboratoria pod przewodnictwem dr inż. Jan Różowicz rozpoczęły się dnia 9 grudnia 2007 roku, i trwał od godziny 14.40 do 16.15. Zajęcia rozpoczęliśmy od omówienia teorii, którą przedstawiłem powyżej. Dr Różowicz sprawdzał również naszą wiedzę na temat wyżej omówionych metod i dopowiadał to, czego nie rozumieliśmy. Następnie podzieliliśmy się na parę zespołów po 3 osoby. Doktor pokazał nam jak obsługiwać urządzenia. Po tej czynności pozwolił nam zacząć badania. Badaliśmy różne próbki po trzy razy metoda Brinella, Rockwella B i Rockwella C.

Oto opis czynności, które należy wykonać przy badaniu metodą Brinella:

1. Położyć badaną próbkę na stoliku.

2. Przez pokręcenie koła (śruby podnośnika) podnieść stolik, tak by lekko docisnąć badaną próbkę.

3. Zamknąć zawór spustowy.

4. Pompować olej dźwignią do przestrzeni roboczej na manometrze aż do uzyskania wymaganej siły.

5. Odczekać wymagany czas.

6. Odkręcić zawór spustowy, opuścić stolik zdjąć próbkę.

7. Wykonać pomiar średnicy wgniecenia przy pomocy lupy z podziałką.

8. Obliczyć ze wzoru lub odczytać twardość z tablic.

Następnie przeprowadzaliśmy badanie na Rockwella B i C. Oto opis czynności, które należy wykonać przy badaniu materiału:

1.Ustawic próbkę na stoliku.

2. Obciążyć próbkę wstępnie przez podniesienie stolika z próbką tak, aby dźwignia zajęła położenie poziome, a wskazówka czujnika ( po wykonaniu dwóch obrotów ) ustaliła się w położeniu zerowym z dokładnością ± 5 jednostek (działek) w razie przekroczenia podanej wartości dokonać ponownego obciążenia próbki w innym miejscu.

3. Nastawić tarczę czujnika tak, aby jego wskazówka pokrywała się z działką zerową w skali C i zwolnić dźwignię obciążenia głównego.

4. Włączyć obciążenie główne (przekręcić korbkę „6” od „b” do „a”) i odczytać twardość NA czujniku wg odpowiedniej skali z dokładnością ± 5 jednostki.

5. Odległość środków odcisków sąsiednich i odległości ich od brzegów przedmiotów powinna równać się co najmniej czterokrotnej średnicy odcisków (w ćwiczeniach przyjmować około 8mm.).

Następnie przeliczyliśmy metodę HRB, HRC i HB na HV. Oto wyniki:

	Próbka I		Próbka II		Próbka III (dla K30)
	HRc	HV	HRb	HV	śr.	HB 42/5/750	HV
	60	680	38	85	1,5mm	423	446
	58,5				38				1,45mm
	59				38				1,5mm
Średnia	59,17				38				1,48mm

WNIOSKI

Każda z metod ma swoje wady i zalety. W zależności od wcześniej wspomnianych kryteriów różniących każdą metodę wynikają możliwości każdej z prób. Ma to swoje znaczenie przy doborze metody do badania określonej próbki materiału. Wspomniane wcześniej przeze mnie błędy biorą się z innych kryteriów porównawczych tych metod. Dzieje się tak dlatego, gdyż np. w przypadku metody Brinella ważna jest średnica odcisku w powierzchni badanej próbki, dla metody Rockwella twardość odczytujemy na podstawie głębokości odcisku siły głównej w stosunku do przyłożonej siły wstępnej i na końcu w metodzie Vickersa bardzo istotna jest długość przekątnej odcisku powstałej w wyniku działania na badaną próbkę diamentowego ostrosłupa z określoną siłą. Małe błędy w odczycie (w szczególności w przypadku metody Brinella) powodują spore niedokładności pomiaru.

Metodę Brinella możemy stosować do badania próbek o dużej twardości powyżej 600 HB. Jednak te pomiary nie są bardzo dokładne ze względu na mierzenie średnicy odcisku metalowej kulki. Pomiary te wykonuję się poprzez lupkę i mogą powstać błędy w odczycie tej średnicy. Dlatego też w celu uwiarygodnienia pomiaru średnicę mierzy się z dwóch stron, “po przekątnej” i bierze się średnią wartość, która następnie jest sprawdzana w tablicach.

Metoda Rockwella jest dokładniejsza, gdyż twardość badanej próbki odczytujemy bezpośrednio ze wskazań czujnika zegarowego będącego częścią twardościomierza. Czujnik ten jest wyskalowany już w jednostkach Rockwella. I zarówno dla stalowej kulki jak i dla stożka diamentowego odczytujemy tę wartość bezpośrednio z przyrządu. Metoda ta jednak ma zasadniczą wadę. Jest nią ograniczenie twardości badanych na przyrządzie. Dla stalowej kulki można badać próbki w zakresie od 30-100 HRC zaś dla stożka diamentowego próbki w zakresie od 20-67 HRC. Jest to po przeliczeniu z tablic znacznie mniej niż w metodzie Brinella.

Dobór metody powinien więc zależeć od rodzaju próbki i jej grubości. Jest to bardzo istotne w celu uzyskania wiarygodnego pomiaru i nieuszkodzenia twardościomierza w przypadku doboru niewłaściwej metody do badanej próbki.

---