Akademia Bydgoska

im.Kazimierza Wielkiego

Wydział Matematyki i Techniki

Kierunek: Edukacja Techniczno-Informatyczna

Materiałoznawstwo Metali

Temat: Próba twardości

Wykonali:

Grupa:

1. Cel próby

Celem próby jest badanie twardości metali, czyli oporu jaki stawia materiał przy wciskaniu weń innego materiału. Do badania tego możemy zastosować metodę Poldiego, Brinella, Rockwella lub Vickersa. Znajomość twardości metali i ich stopów ma znaczenie nie tylko w kwalifikowaniu ich na części maszyn i urządzeń technicznych, lecz również w procesach technologicznych, a więc w odlewnictwie, obróbce plastycznej, obróbce skrawaniem, obróbce cieplnej.

2. Opis aparatury i sposób przeprowadzania prób

2.1. Metoda Poldiego (metoda warsztatowa)

Jest to metoda porównawcza. Do twardości tą metodą używa się przyrządu przedstawionego na rys. 1, zwanego młotkiem Poldiego.

Rys. 1. Młotek Poldiego: 1 - bijak, 2 - wzorcowa płytka stalowa, 3 - kulka, 4 - sprężyna dociskowa, 5 - badany materiał, 6 - oprawa

Przyrząd składa się z oprawki, w której osadzony jest bijak, ze sprężyną dociskową. W dolnej, stożkowej części oprawki znajduje się prostokątne wycięcie, w które wkładamy wzorcową płytkę stalową, o znanej twardości HB_w. Płytka ta dotyka swą dolną płaszczyzną kulki, wystającej na zewnątrz oprawki. Przyrząd chwytamy lewą ręką za oprawkę (która na zewnątrz jest radełkowana) i przykładamy w pozycji pionowej do badanego materiału (którego twardość HB ma być mierzona) tak, żeby kulka dotykała powierzchni. Następnie uderzając młotkiem ślusarskim otrzymujemy dwa odciski kulki, jeden w materiale badanym, drugi w sztabce wzorcowej. Średnice odcisków kulki pozwalają na odczytanie twardości HB i wytrzymałości R_m z tablic.

2.2. Metoda Brinella

Próba polega na wciskaniu siłą F twardej stalowej kulki o określonej średnicy D w wygładzoną powierzchnię badanego metalu w określonym czasie.

Rys. 2. Zasada pomiaru twardości metodą Brinella

Po obciążeniu mierzy się średnicę d odcisku powstałego na badanej próbce. Twardość Brinella HB jest ilorazem siły obciążającej przez powierzchnię kulistą odcisku:

gdzie: HB - Twardość według Brinella, Scz - powierzchnia czaszy kulistej, F - siła nacisku.

Obliczając S_cz, otrzymamy:

.

Do badania stosuje się twarde kulki stalowe o średnicy D=10; 5 i 2,5 mm. Wielkość siły obciążającej dobiera się ze wzoru:

,

w którym n jest współczynnikiem przyjmującym wartości 30; 10; 5 lub 2,5, zależnie od materiału (30 dla stopów żelaza, 10 dla stopów miedzi i aluminium, 5 dla miedzi i aluminium, 2,5 dla stopów łożyskowych).

Stosowane wartości siły obciążającej F w zależności od średnicy kulki D i współczynnika n podano w tabeli 1. Należy pamiętać, że porównywalne są wyniki pomiarów wykonane przy użyciu kulek o różnych średnicach, ale przy stałej wartości współczynnika n. Kulkę należy obciążać równomiernie siłą nie przekraczającą siły nominalnej w ciągu około 10 s. Czas działania obciążenia nominalnego powinien wynosić od 10 do 15 s dla stali i żeliwa o HB>981, 30 s dla metali i stopów o twardości 314≤HB≤981, 60 s dla metali i stopów o twardości HB<314.

Tabela 1. Wartości obciążenia, średnicy kulki i współczynnika n

Średnica	Współczynnik n
kulki D [mm]	30	10	5	2,5
	Siła obciążająca F [N]
10 5 2,5	29421 7355,25 1838,8	9807 2451,75 612,94	4903,5 1225,87 306,47	2451,75 612,94 153,23

Pomiaru średnicy odcisku dokonuje się w dwóch prostopadłych kierunkach. Z tablic odczytuje się twardość. Aby uniknąć błędnych wyników, należy zachować odległość między środkami dwóch sąsiednich odcisków a>4d oraz odległości środka odcisku od krawędzi badanej powierzchni a>2,5d. Grubość badanego przedmiotu powinna być taka, aby na przeciwległej powierzchni nie powstało miejscowe odkształcenie lub inne znaki wskazujące na działanie siły obciążającej. W każdym przypadku grubość badanego przedmiotu powinna być większa od dziesięciokrotnej głębokości odcisku.

Kulki stalowe stosuje się przy twardościach mniejszych od 4413 HB, a kulki z węglików spiekanych, w zakresie twardości od 4413 HB do 5884 HB. Dla materiałów o twardości większej od 5884 HB próby Brinella nie stosuje się.

Pomiaru twardości wg. Brinella dokonujemy twardościomierzem przedstawionym na rysunku 3. Jest to w zasadzie ręczna prasa hydrauliczna, za pomocą której można wywrzeć na próbkę nacisk o określonej wartości. Na postumencie umocowany jest cylinder, w którym może przesuwać się tłok. Do tego tłoka umocowany jest wgłębnik z kulką. Górna część cylindra jest zbiornikiem, z którego za pomocą pompki ręcznej przepompowuje się olej do dolnej części cylindra. Wzrost ciśnienia nad tłokiem powoduje jego przesuwanie się w kierunku próbki, która przed pomiarem powinna być za pomocą kółka ręcznego i śruby podniesiona do wysokości wgłębnika. Znajdująca się pod próbką kulista podkładka ma za zadanie ustawienie powierzchni próbki prostopadle do kierunku działania siły nacisku. W miarę wzrostu ciśnienia nad tłokiem wzrasta również ciśnienie oleju w rurce prowadzącej do manometru. Ciśnienie wskazywane na manometrze można zwiększyć tylko do pewnej określonej wartości. Zapewniają to ciężarki, które obciążają zawór zwrotny. Gdy ciśnienie nad tłokiem wzrośnie powyżej ustalonego poziomu, wówczas podnosi się obciążony ciężarkami zawór i umożliwia przelanie się przez przelew nadmiaru cieczy do zbiornika. Po zmniejszeniu ciśnienia zawór zamyka się samoczynnie. W ten sposób jest zapewniony stały nacisk na badaną próbkę. W celu doprowadzenia do stanu wyjściowego, należy odkręcić zawór przelewowy przez który olej znad tłoka zostanie przelany do zbiornika. Po zmierzeniu wielkości odcisku kulki twardość obliczamy na podstawie wzoru Brinella lub odczytujemy ją z tablic.

Rys. 3. Twardościomierz Brinella: 1 - cylinder, 2 - tłok, 3 - wgłębnik z kulką, 4 - pompka ręczna, 5 - manometr, 6 - zawór zwrotny, 7 - ciężarki, 8 - przelew, 9 - kulista podkładka, 10 - śruba, 11 - kółko, 12 - próbka

Praktyka wskazuje, że przy pomiarze twardości kulkami o różnych średnicach D otrzymuje się odmienne wartości HB dla tego samego materiału, pomimo że dobór obciążenia oparto teoretycznie na prawie podobieństwa statystycznego. Stanowi to wadę tej metody. Niekiedy wynik zależy również od czasu działania obciążenia. Dlatego też przy podawaniu wyników pomiarów należy zaznaczyć przy symbolu twardości warunki, w jakich była dokonana próba. Pełny zapis powinien być podany np. HB5/7355/30 co oznacza, że zastosowano kulkę o średnicy D=5 mm, obciążenie F=7355 N i czas t=30 s. W przypadku, gdy D=10 mm, F=29430 N, t=10÷15 s podaje się tylko wartość twardości np. 3138 HB.

2.3. Metoda Rockwella

Próba twardości Rockwella polega na wciskaniu w płaską wygładzoną powierzchnię przedmiotu, stożka diamentowego lub kulki stalowej, co przedstawiono na rysunku 4. Głębokość odcisku jest odwrotnie proporcjonalna do twardości.

Rys. 4. Schemat pomiaru twardości Rockwella: a) stożkiem; b) kulką

Twardość Rockwella HR jest to różnica głębokości umownego i rzeczywistego odcisku wywołanego siłą F i odniesiona do odcisku wywołanego siłą nacisku F₀ (głębokość umowną przyjęto jako 100 jednostek dla skal C i A oraz 130 jednostek dla skal B i F aparatu Rockwella):

Zastosowanie nacisku wstępnego F₀=98 N eliminuje wpływ odkształceń sprężystych na pomiar głębokości odcisku. Do próby w skali C i A aparatu używa się stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu zaokrąglenia wierzchołka 0,2 mm. Dla prób w skali B i F używa się kulki stalowej obrobionej cieplnie o twardości 8336 HV i o średnicy 1,588 mm. Próbę twardości tą metodą przeprowadza się na twardościomierzu Rockwella przedstawionym na rysunku 5. Pokręcając nakrętką podnosi się próbkę p ułożoną na stoliku pomiarowym do zetknięcia się jej z wgłębnikiem. Od tego położenia podnosi się stolik jeszcze około 2 mm, powodując uniesienie się dźwigni, która ma środek obrotu w punkcie 0. Nacisk samej dźwigni na wgłębnik jest tak wyregulowany, że wynosi dokładnie 10 N i stanowi nacisk wstępny. Czujnik ustawia się w położeniu początkowym 100 lub 130, zależnie od rodzaju użytego wgłębnika.

Rys. 5. Schemat twardościomierza Rockwella: 1 - nakrętka, 2 - stolik, 3 - wgłębnik, 4 - dźwignia, 5 - czujnik, 6 - dźwignia, 7 - amortyzator

Czujnik stosowany w twardościomierzach Rockwella jest w zasadzie typowym czujnikiem „zegarowym” z podziałką obwodową podzieloną na 100 jednostek. Przesunięcie stopki czujnika o 0,01 mm powoduje obrót wskazówki o jedną działkę. W miarę, jak wgłębnik pod działaniem obciążenia wciska się w próbkę, wskazówka czujnika przesuwa się z położenia 100 (lub 130) w inne położenia, wskazując wartość twardości. Jednakże odczyt dokonany wtedy, gdy wgłębnik jest obciążony naciskiem całkowitym nie byłby miarodajny, ponieważ na wskazania czujnika w tym stanie wpływa nie tylko wgłębienie odcisku, ale także odkształcenia sprężyste, które powstają w próbce i całym układzie twardościomierza pod działaniem obciążenia. Należy więc najpierw odciążyć układ nacisku wstępnego 98 N, tj. do obciążenia, przy którym czujnik był ustawiony na wskazania początkowe i dopiero wtedy dokonać odczytu wartości twardości. Obciążenie i odciążenie układu naciskiem głównym odbywa się przez opuszczenie lub podnoszenie dźwigni. W układzie obciążającym znajduje się olejowy amortyzator, który zapobiega wstrząsom. Czas działania pełnego obciążenia powinien wynosić co najmniej 5 sekund.

Każdą ze skal Rockwella można uważać za oddzielny sposób pomiaru twardości. Cały zespół skal jest tak pomyślany, aby można było nimi zmierzyć wszystkie możliwe zakresy twardości. Jednakże w praktyce przemysłowej rozpowszechniły się tylko niektóre z nich. Według Polskiej Normy (PN-57/H-04335) stosuje się zasadniczo dwie skale: skalę C (stożek diamentowy) do badania twardości takich materiałów, jak stale ulepszane cieplnie lub inne, o równorzędnej twardości od 20 do 67 HRC, skalę B do badania stali nie obrobionych cieplnie lub innych materiałów o twardości od 35 do 100 HRB, które wg. skali C wykazywałyby twardość mniejszą niż 20 HRC. W szczególnych przypadkach dopuszcza się stosowanie skala A i B.

Metoda Rockwella pozwala na szybkie pomiary twardości, wymaga jednakże starannego przygotowania powierzchni próbki zarówno od strony, na której wykonuje się odciski, jak również w miejscach stykania się jej ze stolikiem pomiarowym lub z podstawkami dostosowanymi do kształtu próbek. Odległość środków odcisków od siebie i od krawędzi przedmiotu powinna być nie mniejsza niż 3 mm. Grubość przedmiotu w badanym miejscu nie może być mniejsza od 10-cio krotnej głębokości odcisku h. Za miarodajny wynik badania należy przyjąć średnią z co najmniej trzech pomiarów, zaokrąglając ją do liczby całkowitej.

2.4. Metoda Vickersa

Pomiar twardości metodą Vickersa polega na wtłaczaniu w badany materiał diamentu o kształcie ostrosłupa, o podstawie kwadratowej oraz o kącie 136° między przeciwległymi ścianami. Miarą twardości HV, mierzonej według Vickersa, jest stosunek siły F wtłaczającej diament w powierzchnię odcisku S, wyrażony w MPa:

.

Siła F stosowana w tej metodzie wynosi, zależnie od potrzeby, od 49 do 1177 N. Powierzchnie odcisku oblicza się na podstawie wyniku pomiaru przekątnej odcisku:

gdzie: F - nacisk, d - połowa sumy długości przekątnej odcisku, równa średniej długości przekątnej, którą mierzy się za pomocą mikroskopu wbudowanego w aparat.

Rys. 6. Odcisk piramidy diamentowej przy pomiarze twardości metodą Vickersa

Pomiar twardości metodą Vickersa przeprowadza się twardościomierzem przedstawionym na rysunku 7. W twardościomierzu Vickersa obciążenie wgłębnika odbywa się za pomocą dźwigni i ciężarków. Amortyzator olejowy zabezpiecza wgłębnik przed gwałtownym działaniem obciążenia. Dźwignia służy do wywierania nacisku na wgłębnik, jest w swoim położeniu wyjściowym zaczepiona o zapadkę. Przedmiot badany spoczywa w pryzmie ustawionej na stole. Przed wykonaniem odcisku na przedmiocie należy mikroskop pomiarowy odchylić w bok i unieruchomić go za

pomocą odpowiedniej zapadki. Następnie za pomocą pokrętła należy podnieść stół do wysokości wgłębnika i zwolnić zapadkę. Po wykonaniu odcisku należy za pomocą pedału podnieść układ dźwigniowy do położenia wyjściowego. W celu dokonania pomiaru opuszcza się stół i następnie sprowadza się mikroskop do położenia pomiarowego. Dla uzyskania ostrego obrazu odcisku w mikroskopie przesuwa się stół w kierunku pionowym za pomocą pokrętła, aż do wystąpienia wyraźnego obrazu, a potem przesuwając przesłony mikroskopu, dokonuje się pomiaru przekątnej odcisku.

W celu umożliwienia szybkiego uzyskania wyników twardościomierz Vickersa wyposażony jest w komplet tablic, z których, znając wartość obciążenia wgłębnika oraz wartość przekątnej odcisku piramidy diamentowej, szybko można odczytać twardość materiału HV. Metodę Vickersa stosujemy do pomiaru twardości stali obrobionych cieplnie, stopów miedzi oraz stopów aluminium. Z uwagi na możliwość stosowania w tej metodzie małych obciążeń używa się jej do pomiarów twardości produktów cienkościennych.

Rys. 7. Twardościomierz Vickersa: 1 - mikroskop, 2 - zapadka, 3 - pokrętło, 4 - amortyzator, 5 - ciężarki z dźwignią, 6 - pedał, 7 - stół, 8 - pryzma, 9 - wgłębnik

Rys. 8. Pomiar przekątnej odcisku: 1 - przesłony mikroskopu pomiarowego, 2 - odcisk piramidy

3. Przebieg próby

Materiałem do badania były trzy próbki stali ulepszanej cieplnie (tarcze do piły). Przeprowadzono próbę twardości metodą Rockwella w skali C postępując zgodnie z poniższymi instrukcjami:

1. Oczyścić i wygładzić powierzchnię próbki (nie powinna wykazywać śladów obróbki mechanicznej).

2. Ustawić próbkę na stole aparatu.

3. Nastawić dźwignię na zero.

4. Podnieść stół do zetknięcia się próbki i dalej do wywarcia obciążenia wstępnego sygnalizowanego włączeniem się wskaźnika.

5. Nacisnąć lekko dźwignię i odczekać 2 sekundy. Przesunąć dźwignię do oporu w celu zwolnienia obciążenia. Po 10 sekundach cofnąć tarczkę za pomocą rączki w celu odciążenia dźwigni.

6. Odczytać na czujniku twardość w jednostkach HRC (stożek diamentowy).

7. Dla każdej próbki powinno się wykonać co najmniej trzy pomiary, średnia wartość wskazań będzie miarą twardości próbki.

4. Wyniki

Otrzymane podczas przeprowadzania próby twardości metodą Rockwella wyniki zestawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Wartości pomiarów trzech próbek (metoda Rockwella - skala C)

Pomiar Próbka	I	II	III
Pierwsza	64	66	65
Druga	35,5	37		33
Trzecia	61	62		60

Otrzymane podczas przeprowadzania próby twardości metodą Brinella wyniki zestawiono poniżej

D=10mm ; k=30; F=29420N; d=2,8mm

=477,8 HB

Otrzymane wyniki podczas przeprowadzania próby twardości metodą Brinella odczytaliśmy z tablic porównawczych (załączniki-Tabela 1) dla twardości Vickersa

Dla 67 HRC => 903 HV (Próbka 1)

Dla 66 HRC => 870 HV (Próbka 2)

5. Wnioski

1. Dwie spośród badanych próbek charakteryzują się wyższą twardością , natomiast dla trzeciej parametr ten jest znacznie mniejszy.

2. W przypadku badania metali skłonnych do odkształceń plastycznych czas wytrzymania wgłębnika pod obciążeniem siłą całkowitą powinien wynosić 10, 30 lub 60 s. Ma to istotne znaczenie dla otrzymanego wyniku.

Załączniki

Załącznik 1. Tablica porównawcza twardości wg. Rockwella w skali C (HRC) z twardością wg. Vickersa (HV)

Wielkości średnie
Twardość wg. Rockwella HRC	Twardość wg. Vickersa przy p≥5 kG HV	Twardość wg. Rockwella HRC	Twardość wg. Vickersa przy p≥5 kG HV
68 67 66	940 903 870	43 42 41	428 416 404
65 64 63 62 61	840 813 787 762 738	40 39 38 37 36	392 381 370 360 350
60 59 58 57 56	715 693 672 652 632	35 34 33 32 31	341 332 323 314 306
55 54 53 52 51	612 593 575 558 542	30 29 28 27 26	298 290 283 276 269
50 49 48 47 46	526 510 495 480 466	25 24 23 22 21	262 256 250 244 239
45 44	453 440	20 19	234 220

2

---