Badanie twardości metodą Rockwella i Brin

Politechnika Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Temat ćwiczenia:
Badanie twardości metodą Rockwella i Brinella
Numer ćwiczenia:
5
Laboratorium z przedmiotu: wytrzymałość materiałów II
Opracowanie:
dr inż. Jarosław Malesza
Katedra Mechaniki Konstrukcji
2011
1 Wprowadzenie
Twardością opisujemy opór jaki stawia materiał podczas wciskania w niego innego
twardszego materiału nazywanego wgłębnikiem. Próby twardości mogą być
przeprowadzane w sposób statyczny lub dynamiczny. W badaniach statycznych
obciążenie wzrasta powoli od zera do wartości maksymalnej. Zalicza się do nich metodę
Brinella (PN–EN ISO 6506-1), Rockwella (PN–EN ISO 6508-1) i Vickersa. Badanie
dynamiczne, w którym obciążenie wywołane jest energią kinetyczną wgłębnika
przeprowadza się najczęściej za pomocą młotka Poldiego lub skleroskopu Shoer’a.
1.1 Pomiar twardości metodą Brinella
Pomiar twardości metodą Brinella polega na wciskaniu w próbkę twardej kulki
stalowej lub kulki z węglików spiekanych, obciążeniem skierowanym prostopadle do
powierzchni badane-go materiału. Badanie za pomocą kulki stalowej wykonuje się na
materiałach o twardości do 450HB, a za pomocą kulki z węglików na metalach o twardości
do 650HB. Twardość określana jest na podstawie średnicy odcisku kulki pozostawionego
w badanej próbce.
Rys. 1. Schemat wgłębnika w metodzie Brinella
1.2 Pomiar twardości metodą Rockwella
Pomiar twardości metodą Rockwella polega na wciskaniu w próbkę diamentowego
wgłębnika w postaci stożka lub stalowej kulki. Stożek ma kąt wierzchołkowy równy 1200 i
dodatkowo jego wierzchołek jest zaokrąglony promieniem r = 0, 2mm.
Rys. 2. Schemat wgłębnika w metodzie Brinella
Twardość określana jest na podstawie pomiaru głębokości odcisku pozostawionego w
badanej próbce. Symbol jednostki twardości Rockwella HR uzupełnia się literą,
określającą skalę, wg której wykonano pomiar: A,B,C,D,E,F,G,H,K oraz na początku
zapisu liczbowym wynikiem pomiaru:
a) 59 HRC- twardość Rockwella mierzona w skali C ( przy zastosowaniu wgłębnika
diamentowego w postaci stożka),
b) 90 HRB- twardość Rockwella mierzona w skali B (przy zastosowaniu wgłębnika
stalowego w postaci kulki).
2 Cel ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie twardości materiału metodą Brinella i Rockwella.
3 Przebieg ćwiczenia
3.1 Metoda Brinella
Próbę wykonuje się na twardościomierzu Brinella. Próbkę umieszczoną na stoliku
urządzenia zbliża się do wgłębnika. Po uruchomieniu pompy podawany jest olej pod
ciśnieniem na cylinder urządzenia. Pod wpływem ciśnienia tłok wciska wgłębnik w próbkę.
Siłę nacisku F odczytuje na manometrze mierzącym ciśnienie oleju.
Wielkość siły obciążającej F należy ustalić przed badaniem wg. wzoru:
F=9,81⋅K⋅D2 [N], w którym stała obciążenia K jest zależna od rodzaju badanego
materiału (dla stali przyjmujemy wartość 30).
Maksymalne obciążenie próbki powinno trwać przez około 10 sekund, po czym
stolik może być opuszczony. Po tych czynnościach przystępujemy do pomiaru średnicy
odcisku. Badanie należy powtórzyć trzykrotnie.
Odstęp środków sąsiednich odcisków, przy twardości powyżej 35 jednostek Brinella
powinien być większy od 4-krotnej średnicy odcisku d.
Zaleca się stosowanie kulki o średnicy D = 10mm, a jeżeli grubość badanej próbki lub
przedmiotu na to nie pozwala, należy stosować kulkę o średnicy mniejszej.
3.2 Metoda Rockwella
Badanie wykonuje się na twardościomierzu Rockwella. Próbkę umieszcza się na
stoliku twardościomierza w sposób umożliwiający prawidłowe wykonanie pomiaru. Pomiar
polega na dwustopniowym wciśnięciu wgłębnika siłą wstępną F 0 i siłą główną F1. Siłę
wstępną F0 = 98,1N uzyskuje się przy dociśnięciu stolikiem próbki do wgłębnika
twardościomierza. Należy przy tym zwrócić uwagę, aby obciążenie siłą wstępną nie
zostało przekroczone. W przypadku przekroczenia wartości siły wstępnej należy wybrać
na próbce nowe miejsce pomiaru twardości.
Po ustawieniu urządzenia pomiarowego w położeniu zerowym (początkowym)
wgłębnik twardościomierza należy obciążyć siłą główną F 1 do obciążenia siłą całkowitą.
Czas obciążenia wgłębnika siłą główną F 1 powinien wynosić:
1 − 3s dla metali, które w warunkach pomiaru wykazują odkształcenie plastyczne
niezależne od czasu trwania obciążenia,
1 − 5s dla metali, które w warunkach pomiaru wskazują nieznaczną zależność odkształceń
plastycznych od czasu trwania obciążenia (nieznaczny przyrost wskazań urządzenia
pomiarowego),
10−15s dla metali, które w warunkach pomiaru wskazują odkształcenie plastyczne
znacznie zależne od czasu trwania obciążenia (ciągły, powolny przyrost wskazań
urządzenia pomiarowego).
Liczbowy wynik pomiaru twardości zależy od wielkości trwałego przyrostu
głębokości odcisku e i jest odczytywany wprost z czujnika wyskalowanego odpowiednio w
jednostkach twardości HR.
Rys. 3. Schemat dwustopniowego wciskania wgłębnika stożkowego
Należy wykonać co najmniej trzy odciski dla określenia średniej arytmetycznej wartości
twardości. Odległość środków dwóch sąsiednich odcisków powinna odpowiadać co
najmniej czterokrotnej średnicy odcisku i nie powinna być mniejsza niż 2mm.
4 Opracowanie wyników badań
4.1 Metoda Brinella
Twardość oblicza się z zależności:
HB=
F
SCZ
gdzie: F - jest siłą nacisku wgłębnika,
F=9,81⋅K⋅D2
gdzie:
K - współczynnik zależny od rodzaju badanego materiału, dla stali przyjmujemy 30,
D - średnica kulki wgłębnika,
Scz - pole powierzchni odcisku.
SCZ =⋅D⋅h
gdzie: h - głębokość odcisku w próbce
1
2
2
h= ⋅D−  D −d 
2
gdzie: d - średnica odcisku w próbce.
4.2 Metoda Rockwella
Wyniki badania odczytuje się wprost z urządzenia.
5 Wymagania BHP
Urządzenia do badań twardości są obsługiwane przez pracowników laboratorium.
Studenci odczytują wskazania mierników, mierzą średnicę odcisku wgłębnika.
Politechnika Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW
Temat ćwiczenia:
Badanie twardości metodą Brinella i Rockwella
Numer ćwiczenia:
5
imię i nazwisko studenta: …...............................................................
rodzaj studiów: …...............................................................................
kierunek: …........................................................................................
specjalność: …...................................................................................
semestr: …....................................
grupa: ….......................................
prowadzący ćwiczenia: dr inż. Jarosław Malesza
...........................................
(data wykonania ćwiczenia)
1. Pomiar twardości metodą Brinella
Twardość oblicza się z zależności:
HB=
F
SCZ
F - siła nacisku wgłębnika:
F=9,81⋅K⋅D2
gdzie:
K - współczynnik zależny od rodzaju badanego materiału, dla stali przyjmujemy 30,
D - średnica kulki wgłębnika,
Scz - pole powierzchni odcisku.
SCZ =⋅D⋅h
gdzie: h - głębokość odcisku w próbce
1
2
2
h= ⋅D−  D −d 
2
gdzie: d - średnica odcisku w próbce.
Nr
K
D
[mm]
F
[N]
d
[mm]
h
[mm]
SCZ
[mm]
1
2
średnia
2. Pomiar twardości metodą Rockwella
Nr
1
2
średnia
HRC
HB
[N/mm2]