Badanie własności mechanicznych metali - próby twardości.

Cel ćwiczenia :

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z sposobami pomiaru twardości i aparaturą do pomiaru twardości metodami Brinella , Rockwella i Vickersa .

Wiadomości wstępne :

Twardość możemy zdefiniować jako miarę oporu jaki stawia ciało podczas wciskania do niego innego ciała , lub odporność materiału na trwałe odkształcenia powstające w czasie wciskania w ten materiał wgłębnika .

Próba twardości jest bardzo szeroko stosowana ze względu na łatwość wykonania i jej przydatność . Dwa elementy niedobrane do siebie twardością mogą szybko zdefektować a nawet wręcz uniemożliwić działanie układu .

Pomiar twardości można przeprowadzić na wiele sposobów , spośród których użyte zostały w ćwiczeniu trzy :

a) Metoda Brinella PN - 91 / H - 04350

b) Metoda Vickersa PN - 91 / H - 04355

c) Metoda Rockwella PN - 91 / H - 04360

Pomiar twardości :

a) Metodą Brinella

Metoda ta wykorzystuje wgłębnik ,który jest kulką o pewnej średnicy. Twardość obliczana tą metodą jest to stosunek siły obciążającej wgłębnik i działającej prostopadle do powierzchni badanego materiału , do pola powierzchni odcisku powstałego w wyniku działania tejże siły . Dla określenia warunków próby

należy podać średnicę kulki , siłę obciążającą , i czas działania tej siły . Twardość zmierzoną metodą Brinella oznacza się jako HB .

gdzie P- siła obciążająca

F= D(D- D2-d2 )

gdzie : D - średnica kulki

d - średnica odcisku

b) Metodą Vickersa :

Metoda ta różni się od poprzedniej rodzajem wgłębnika i sposobem pomiaru odcisku . W tej metodzie wgłębnikiem jest ostrosłup diamentowy o podstawie kwadratowej i kącie wierzchołkowym 136o.

Twardość wg. tej metody to stosunek siły do powierzchni odcisku i oznaczamy ją jako HV .

gdzie:

F=2sin(a/2)

c) Metodą Rockwella :

Ta próba twardości różni się od dwóch poprzednich zarówno wgłębnikami jak i sposobem przyłożenia obciążenia .

Wgłębnikami są tu: a) kulka o średnicy 1/16 cala ,b) stożek .

Obciążenie jest zadawane dwustopniowe . Najpierw przykładane jest obciążenie wstępne a później przykładane jest obciążenie zasadnicze .Po pewnej chwili jest ono zwalniane . Zaletą tej metody jest bezpośrednie odczytanie twardości ze skali

miernika .

Wyniki pomiarów :

a) Metoda Brinella :

Płytka wzorcowa HB10/1000/30 =107

-płytka stalowa

kulka 10 mm , obciążenie 3000 kG , czas działania 15 s

Lp.	d1	d2	d3	HB śr
1	5.65	5.65	5.7
HB	109	105	107	105.67

-płytka aluminiowa

kulka 10 mm , obciążenie 1000 kG , czas działania 30 s .

Lp.	d1	d2	d3	HB śr
1	4.3	4.5	4,5
HB	65,5	59,5	65,5	63,5

b) Metoda Vickersa :

- stal SW9

Lp.	b1 [mm]	b2 [mm]	b3 [mm]	b śr [mm]	HV śr
1	0.239	0.254	0.261	0.251
HV	974	862	817		884,33

c) Metoda Rockwella :

- dla stali SW18

HRC1	HRC2	HRC3	HRC śr
60	61	62	61

- dla stali węglowej

HRC1	HRC2	HRC3	HRC śr
95	94	92	93,67

Analiza błędu :

a) Wartość średnia twardości obliczona została wg. zależności :

gdzie :

i = 1,2,...,n

n - liczba pomiarów .

Dla stali - 105,67

Dla SW18 - 61

Dla SW9 - 884,33

Dla stali niskowęglowej - 93,67

Dla aluminium - 63,5

b) Obliczam odchylenie standardowe wyników pomiarów :

płytka stalowa Sn = 1,17

płytka aluminiowa Sn = 3,46

stal SW9 Sn = 80,85

stal SW18 Sn = 1,0

stal niskowęglowa Sn = 2,16

c) Obliczam przedział ufności , dla wartości średniej wyników pomiarów dla poziomu istotności = 0.05 , korzystając z zależności :

HB - poszczególne wartości twardości

Analogicznie tworzymy wzory dla pozostałych rodzajów twardości .

Kwantyl rozkładu t - Studenta odczytany z tablicy jest taki sam dla wszystkich materiałów i wynosi :

t = 4.303

d) Ostatecznie przedziały ufności mają następującą postać :

płytka stalowa 102,76 < HB < 108,58

płytka aluminiowa 54,9 < HB < 72,1

stal SW9 683,23 < HV < 1085,43

stal SW18 58,52 < HRC < 63,48

stal niskowęglowa 88,3 < HRC < 99,04

Wnioski :

Pomiary twardości zostały odczytane z tablic , które były dołączone do każdego przyrządu . Pomiar metodą Brinella może być przeprowadzany dla materiałów niejednorodnych dużych i o niezbyt dużej twardości - ze względu na duże odciski .

Najdokładniejszą metodą jest metoda Vickersa , dzięki dokładnemu pomiarowi przekątnych odcisku . Wadą jest to , że odcisk ma niewielką powierzchnię , można tą metodą badać tylko materiały jednorodne . Uzyskany w ćwiczeniu rozrzut wyników mógł być spowodowany właśnie niejednorodnością .

Metoda Rockwella posiada jako zaletę dużą szybkość wykonywania pomiaru i duży przedział badanych twardości .

Dokonywane pomiary obarczone są naturalnie pewnym błędem wynikającym z niedokładności pomiaru odcisków, zużycia maszyn, dokładności pomiaru czasu przeprowadzenia próby , oraz w przypadku metod Vickersa i Rockwella niejednorodnością materiału .

---