Lewandowski Krystian Grupa 11

Ćwiczenia nr. 7

POMIAR TWARDOŚCI I UDAROWA PRÓBA ROZCIĄGANIA I ZGINANIA.

I. Pomiar twardości.

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest wykonanie pomiarów twardości kilku różnych metali trzema metodami i analiza porównawcza uzyskanych wyników. Ćwiczenie ma sens dydaktyczny, kształtujące umiejętności do0boru optymalnej metody pomiaru.

Służy temu dwutorowa interpretacja wyników pomiaru uzyskanych:

• różnymi metodami dla tego samego materiału,

• tą samą metoda dla różnych materiałów.

Prawidłowość przeprowadzania pomiarów ustalają polskie normy:

PN-78/H-04350, PN-91/H-04355 i PN-91/H-04360

zgodne z międzynarodowymi normami ISO.

2. Podstawy teoretyczne.

Twardością -nazywamy zdolność materiału do stawiania oporu powierzchniowym, miejscowym odkształceniom plastycznym.

Wspólną dla omawianych metod jest idea pomiaru:

Prostopadle do powierzchni materiału wciskanie wgłębnika oraz ustalenie miary oporu, jaki stawia materiał tak wywołanym odkształceniom trwałym.

Różnicami są:

• rodzaj i kształt wgłębnika,

• miara oporu materiału uznanego za miarę twardości,

• sposób ustalania wartości siły wciskającej wgłębnik.

METODA BRINELLA

Pomiar polega na wciskaniu stalowej hartowanej kulki o średnicy D w płaską, dostatecznie gładka powierzchnię przedmiotu pod obciążeniem siłą P prostopadłą do tej powierzchni oraz na zmierzeniu, po odciążeniu kulki, średnicy d powstałego na

powierzchni trwałego odcisku.

Kulka wykonana z hartowanej stali lub węglików spiekanych wykonana jest z ściśle określoną dokładnością. Jej powierzchnia powinna być polerowana i nie wykazywać wad przy obserwacji za pomocą lupy o pięciokrotnym powiększeniu.

Miarą twardości przyjęto nazywać średnie naprężenia wgniatania kulki liczone jako stosunek siły obciążającej P, do powierzchni czaszy powstałego odcisku S:

Twardość ta oznaczana jest symbolem HB i wyrażana w stopniach, które odpowiadają liczbom wyliczonym ze wzoru:

W metodzie tej wartość twardości zależy zarówno od wielkości powierzchni czaszy odcisku jak i od wielkości siły wciskającej kule w materiał. Ogólny charakter przebiegu zależności HB=HB(P) przedstawia wykres:

W praktyce pomiary twardości powinny umożliwiać wyznaczanie wartości HB_max i aby

to zagwarantować obciążenie P musi być dobrane do średnicy wciskanej kulki D oraz badanego materiału tak, aby zawierało się w odpowiednim przedziale. Warunkiem uzyskania w pomiarze wartości HB_max jest zawieranie się średnicy odcisku w granicach:

0,25 D < d < 0,6 D

METODA ROCKWELLA

Polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika prostopadle do powierzchni materiału i pomiarze trwałego przyrostu głębokości odcisku. W pierwszym etapie wgłębnik obciążony stałą siłą P₀ określa położenie odniesienia- linie równoległą do powierzchni badanej styczna do krawędzi wgłębnika zwaną linią odniesienia. Następnie do obciążenia wstępnego nakłada się stycznie obciążenie główne P₁ powodując maksymalne zagłębienie wgłębnika

.

Po ustaleniu stanu równowagi odciąża się wgłębnik do obciążenia wstępnego powodując zanik odkształceń sprężystych i pod obciążeniem P₀ dokonuje się pomiaru trwałego przyrostu głębokości wcisku.

Stosowane są dwa rodzaje wgłębników, pierwszy to diamentowy stożek o kącie wierzchołkowym 120⁰ ±0,35⁰,drugi to kulka stalowa ulepszona cieplnie (o średnicy 1/16”, lub o średnicy 3,175mm.

Za miarę twardości Rocwella przyjęto umownie bezwymiarową liczbę określaną wzorem:

Tak określona wartość nazywana jest Twardością Rocwella, oznaczana jest symbolem HR i wyrażana w stopniach, które odpowiadają liczbom odczytywanym bezpośrednio ze skali twardościomierza lub wyliczana ze wzorów. Dokładność odczytów dokonywanych ze skali urządzenia pomiarowego jest ustalana na ½ działki wykorzystanej skali.

METODA VICKERSA

Pomiar polega na wciskaniu diamentowego foremnego ostrosłupa czworokątnego o kącie dwuściennym α= 136⁰ w płaską dostatecznie gładką powierzchnię prostopadłą do niej siłą P oraz zmierzeniu, po odciążeniu wgłębnika, obu przekątnych powstałego kwadratowego odcisku. Część robocza wgłębnika musi być wypolerowana i nie może wykazywać wad powierzchniowych.

Miarą twardości przyjęto nazywać średnie naprężenia wgniatania wgłębnika liczone jako stosunek siły obciążającej, P do powierzchni bocznej powstającego odcisku, S:

Tak określona wartość nazywana jest Twardością Vickersa, oznaczana symbolem HV

i wyrażana w stopniach, które odpowiadają liczbom wyliczonym ze wzoru:

Wartości pomiarów twardości zależą od średniej przekątnej d i wielkości siły obciążającej, co wynika ze w/w wzoru. Pola odcisków są proporcjonalne do kwadratów przekątnych a objętość odcisków do ich sześcianów, co stanowi warunek wystarczający podobieństwa odkształceń plastycznych

3.Przygotowanie materiału do pomiarów.

Kształt próbek do pomiarów może być dowolny dla każdej metody. Normy określają precyzyjnie: grubość próbki, warunki stawiane powierzchni, na której ma być dokonywany pomiar oraz sposób jej ustawienia. Grubość próbki powinna być wielokrotnie większa od śladu odcisku. Sposób powiązania grubości próbki z parametrami wgłębnika lub wymiarami odcisku jest inny w każdej metodzie.

W metodzie Brinella ogólną formułą jest:

g ≥ kh

g- grubość próbki,

h- głębokość odcisku,

k- współczynnik zależny od materiału ( dla stali k≥10).

Najczęściej jednak minimalną grubość wiąże się z wartościami siły obciążającej

i przewidywaną twardością wykorzystując wzór:

P- siła obciążająca [N],

D- średnica wciskanej kulki,

HB- przewidywana twardość w stopniach Brinella.

Praktycznie określenie grubości próbki jest wykonywane przez odczyt z wykresów zamieszczonych w normach.

Przykładowy wykres:

W metodzie Rocwella ogólna formuła jest: g ≥ 10 *e

e- przyrost głębokości wcisku

co odpowiada różnym wartościom w zależności od skali twardości.

Dla skal A,C,D jest:

dla skal B,G,K,F.E.H jest:

dla skal N,T grubość próbki określa się z tabel zawartych w normach. Praktycznie określenie grubości próbki jest wykonane przez odczyt z wykresów zamieszczanych w normach. Przykładowy wykres dla skal A,C,D przedstawiono po prawej:

Niezależnie od stosowanej metody obowiązuje zasada, że po wykonaniu pomiaru na odwrotnej stronie próbki nie powinno być śladów wywołanych działaniem wgłębnika.

Ustawianie próbki.

Niezależnie od metody musi być takie, aby:

• powierzchnia w miejscu pomiaru była prostopadła do kierunku siły obciążającej wgłębnik,

• ułożenie próbki umożliwiało jej przesunięcie podczas pomiaru nie powodując powstawania odkształceń sprężystych w materiale.

4.Urządzenia pomiarowe.

Maszyny służące do wykonania pomiarów twardości nazywane są twardościomierzami. Ich budowa jest różna w zależności od metody. Dla jednej metody mogą różnić się między sobą wypełniając różne wymagania użytkowników, tj.: możliwość pomiarów przedmiotów bardzo dużych lub bardzo małych, automatyzacji cyklu pomiarowego, możliwość przekazywania wyników pomiarów do urządzenia rejestrującego lub procesora nadzorującego cykl produkcyjny.

Twardościomierze do pomiaru twardości metodami statycznymi muszą zapewniać realizację idei pomiaru, uzyskuje się to przez zapewnienie trzech zasadniczych bloków konstrukcyjnych tych urządzeń:

- korpus stanowiący ramię urządzenia ( z regulowanym stolikiem przedmiotowym, prowadnicami tłocznika i miejscem na wyposażenie),

• mechanizm obciążający z tłocznikiem i urządzeniem tłumiącym,

• urządzenie pomiarowe (może być z urządzeniem projekcyjnym mierzące odcisk bezpośrednio po pomiarze bez konieczności zdejmo0wania przedmiotu).

5. Wykonanie ćwiczenia

Ćwiczenie sprowadza się do wykonania pomiarów twardości kilku materiałów trzema sposobami według następującej procedury:

1). Sprawdzenie stanu powierzchni próbki i wstępne oszacowanie grubości,

2). Pomiar metodą Brinella:

• wybór miejsca odcisku,

• wybór średnicy kulki,

• dobór wartości obciążenia,

• ustawienie próbki,

• wykonanie odcisku,

• pomiar średnic odcisku,

• obliczenie średniej wartości długości średnicy odcisku,

• odczyt z tablic Twardości Brinella wartości twardości.

3). Pomiar metodą Rocwella:

• wybór miejsca odcisków,

• ustawienie próbki,

• wykonanie odcisków,

• odczyt wartości twardości z odpowiedniej skali.

4). Pomiar metodą Vickersa:

• wybór miejsca odcisków,

• dobór obciążenia,

• wykonanie odcisków,

• pomiar przekątnych odcisku,

• obliczenie średniej wartości długości przekątnych odcisku,

• odczytanie wartości twardości z Tablic Twardości Vickersa.

6. Wyniki pomiarów.

Twardość Brinella: 337 HB

Lp	Materiał	METODA
				Brinell					Rockwell		Vickers
				Nr. pom.	d1 mm	d2 mm	d mm	HB	skala	HR	d1 mm	d2 mm	d mm	HV
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
1	stal	1	0,831	0,839	0,835	337	C	37	0,298	0,280	0,289	333
				2					C
				3					C
				D=2,5 mm P=1839 N HBśr=				337	P=1471 N Hśr=	37	P= 147,1 N HVśr=			333

Twardość Rocwella: 37 HRC

Twardość Vickersa: 333HV

II. Udarowa próba rozciągania i ściskania.

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest:

-wyznaczenie udarności dla stali i żeliwa przy obciążeniach

rozciągających, U_r i zginających, U_g,

-określenie wpływu kształtu karbów nacinanych na próbkach z tego samego materiału na wartość wskazań w obu przypadkach obciążenia.

Realizacja ćwiczenia polega na przebadaniu czterech serii próbek, dwóch ze stali i dwóch kolejnych ze żeliwa, różnych dla przypadku rozciągania i zginania a następnie przeanalizowaniu uzyskanych wyników i wyznaczenie charakterystyki wpływu kształtu karbu na udarność dla obu materiałów w obu przypadkach obciążenia.

2. Podstawy teoretyczne.

Poniższy wykres jest porównaniem prac odkształcenia przy statycznej i dynamicznej próbie rozciągania. Ma on jednak charakter poglądowy i ilustrujący jedynie stosunki wielkości i nie może być traktowany jako precyzyjny opis złożonego zjawiska udaru.

Zgodnie z definicją wartości udarności wyznacza się ze wzoru:

U- udarność przy obciążeniach,

L- praca potrzebna do zniszczenia próbki,

A- pole niszczonego przekroju próbki.

Dla tego samego materiału udarność zależy od kilku czynników, wśród których najbardziej istotny jest kształt karbu naciętego na próbce. W ogólnie stosowanych materiałach konstrukcyjnych doświadczalnie potwierdzenie uzyskała zasada: czym ostrzejszy karb tym mniejsza odporność na udarowe działanie sił.

3. Materiał do badań.

Wymiary, kształty i sposoby pobierania próbek do realizacji prób udarowych określają normy: PN-84/H-04308 dla próby rozciągania oraz PN-79/H-04370 dl próby zginania.

Typowy kształt stalowej próbki do rozciągania ilustruje poniższy rysunek:

W ćwiczeniu wykorzystuje się zestaw próbek o przekrojach kołowych. Jedną bez karbu oraz trzy z karbem o kształtach jak na rysunku:

Próbki do statycznej próby zginania wykonuje się w kształcie prostopadłościanów

o wymiarach 55×10×10 mm z zalecaną prze normę dokładnością ±0,1 mm.

Stosowane karby mają kształty, podobne jak do próby rozciągania nazywane prostokątny, trójkątny i okrągły o wymiarach jak na rysunku:

Przy zachowaniu dokładności wykonania pola niszczonego przekroju poprzecznego próbki z karbem powinno wynosić:

4. Maszyna do realizacji próby udarowej.

Najczęściej stosowany jest młot wahadłowy zwany młotem Charpy'ego. Do realizacji udarowej próby rozciągania w tarczy młota, w części przeciwległej do kierunku ruchu, przewidziano gwintowane gniazdo, które wkręcana jest jedna główka próbki. Na drugiej mocowana jest dwoma nakrętkami poprzeczka. W chwili, gdy tarcza posiada maksymalną prędkość styk poprzeczki i podpór powoduje przekazanie energii młota na próbkę wzdłuż jej osi, co skutkuje zniszczeniem próbki przez rozerwanie.

Do realizacji udarowej próby zginania próbkę układa się bezpośrednio na podporach, karbem w stronę pionowej płaszczyzny podparcia, tak, aby wycięta część robocza tarczy obejmowała próbkę a krawędź tarczy w położeniu równowagi statycznej była styczna do przeciwległej do karbu płaszczyzny próbki. Próbka musi swobodnie spoczywać na podporach przylegając do ich obu wzajemnie prostopadłych płaszczyzn pod wpływem własnego ciężaru

6. Wykonanie ćwiczenia.

W każdym etapie ćwiczenia wyznaczeniu podlegają wyznaczniki U określane dla stali i żeliwa. Pierwszą czynnością jest ustalenie danych znamionowych maszyny, oraz sprawdzenie sprawności jej działania w zakresie wymaganych przez normę parametrów prowadzenia próby. Test maszyny polega na pomiarze strat własnych młota: wychyleniu go do położenia górnego, swobodnym ruchu bez próbki i odczytaniu wartości pracy wykonanej na pokonanie oporów powietrza i tarcia w łożyskach. Straty te nie powinny przekraczać 2% ustawionego zakresu pomiarowego. Następnie suwmiarką mierzymy wymiary próbek poczym mocujemy lub ustawiamy próbki, ustawiamy młot w położenie górne, zwalniamy młot, wyhamowujemy go, odczytujemy ze skali kąt β i wartość pracy L_e, te czynności powtarzamy dla wszystkich próbek. Gwarancją porównywalności uzyskanych wyników jest zachowanie jednakowych warunków realizacji prób. W szczególności:

• dokładności wykonania,

• wymiarów,

• gładkości powierzchni,

• kształtów karbów próbek,

• temperatury w czasie pomiarów.

7. Wyniki pomiarów.

Tabelka VII.1

L.p.	Nazwa	Symbol	Wartość
1	2	3	4
1	Producent	VEB Verkstoffprüf Maschinen LEIPZIG
2	Masa tarczy	m	18,750 kg
3	Ramię młota	l	825 mm
4	Kąt wychylenia w położeniu 1	α	160^0
	cos α =		- 0,939

Tabela VII.3

Próba zginania
Próbka				Pomiary		Obliczenia
karb	b mm	h mm	Ag cm^2	β	Le Nm	cosβ	cosβ+ -cosα	L Nm	Ug Nm/cm^2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Materiał		STAL
bez
_Π_	10	10	0,8	126	51,064	-0,587	0,352	53,469	66,836
_Λ_	10	10	0,8	147	17,676	-0,838	0,101	15,342	19,177
_∩_	10	10	0,8	130	47,136	-0,642	0,297	42,115	52,643
_∩_	10	10	0,5	137	31,424	-0,731	0,208	31,595	63,191

Gdzie: L = G * l * (cosβ - cosα) [Nm]

U_g = L / A_g [Nm/cm²]

_­

∩ ∩

7

---