Wytrzymałość materiałów - próba twardości, Ismena Bobel

Wytrzymałość materiałów – próba twardości
Ismena Bobel
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z metodami badania twardości metali oraz nabycie umiejętności w
określaniu twardości metodami Brinella, Rockwella i Vickersa.Zapoznanie z budową twardościomierzy
używanych do pomiaru twardości.
2. Wiadomości podstawowe
Twardość jest jedną z tych właściwości, których nie można jednoznacznie zdefiniować w oparciu o znane
wielkości fizyczne. W praktyce inżynierskiej przez twardość rozumie się odporność na odkształcanie
plastyczne przy oddziaływaniu skupionego nacisku w postaci ściśle określonego wgłębnika. Pomiary
twardości są stosowane w praktyce materiałoznawczej ze względu na prostotę i szybkość pomiaru.
Ze względu na znikome odkształcenie oraz możliwość wykonywania pomiarów na gotowych elementach,
pomiary twardości są zaliczane do badań nieniszczących.
Pomiary twardości są wykorzystywane w:
- kontroli wyników procesów technologicznych obróbki plastycznej, obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,
- kontroli jednorodności materiału,
- szybkiego sortowania gatunków lub stanu materiału,
- przybliżonej oceny wytrzymałości na rozciąganie niektórych materiałów.
Metody pomiaru twardości ze względu na charakter oporu stawianego przez materiał podczas próby,
można podzielić na:
- statyczne – oparte na statycznym wciskaniu wgłębnika (metody Rockwella, Brinella,
Vickersa, Knoopa),
- dynamiczne – oparte na udarowym działaniu wgłębnika (metoda Poldi, Shore’a),
- ryskowe – twardość jest określana w oparciu o wymiary rysy otrzymywanej w wyniku przesuwania się
po powierzchni materiału ostrego i twardego wgłębnika z ściśle określonym dociskiem.
Najczęściej rozpowszechnionymi metodami pomiaru twardości są metody statyczne.
2.1. Pomiar twardości metodą Rockwella
W metodzie Rockwella miarą twardości jest różnica umownej oraz rzeczywistej głębokości wnikania e w
materiał określonego wgłębnika. Pomiar twardości metodą Rockwella polega na dwustopniowym
wciskaniu w badany materiał wgłębnika w postaci stożka diamentowego o kącie wierzchołkowym
wynoszącym 120 stopni - skale A i C lub kulki stalowej o średnicy 1,5875 mm (1/6”) - skale B i F. Trwały
przyrost głębokości odcisku zmierzony czujnikiem, jest miarą twardości w skali C, A - w przypadku
stosowania stożka diamentowego oraz w skali B, F – w przypadku stosowania kulki.
Zasada pomiaru twardości
Pod wpływem obciążenia wstępnego wynoszącego dla czterech głównych skal 98 N wgłębnik
wgłębia się w badany materią na głębokość ho. Celem obciążenia wstępnego jest wyeliminowanie
błędów wynikających z przylegania nie obciążonego wgłębnika do powierzchni metalu oraz z
odkształcenia sprężystego. Po przyłożeniu obciążenia głównego wgłębnik wciskany z siłą F0 +F1 zagłębia
się na głębokość h. Po upływie określonego okresu czasu (na ogół 2-6 s) następuje odciążenie obciążenia
głównego i pozostawienie obciążenia wstępnego Fo.Po usunięciu obciążenia głównego F1, na skutek
właściwości sprężystych badanego materiału zmniejsza się trwałe zagłębienie wgłębnika osiągając
wartość e. Trwały przyrost głębokości odcisku e przyjmuje się do wyznaczenia twardości Rockwella wg
wzoru:
HR = (K-e)/C
gdzie:
K – wartość stała wynosząca: 0,2 mm – dla stożka diamentowego, 0,26 mm – dla kulki,
e – trwały przyrost głębokości odcisku,
C - wartość jednostki odczytowej wynosząca 0,002 mm
Wyznaczona w ten sposób wartość twardości jest wielkością niemianowaną.
Oznaczenie twardości w metodzie Rockwella składa się:
- z liczby określającej wartość twardości,
- znaku HR oraz symbolu skali (A, C, D, F).
Przykładowe oznaczenie twardości: 38 HRC - dla stożka lub 60 HRB dla kulki. Skalę C i A (stożek
diamentowy) stosuje się dla stali węglowych i stopowych w stanie zahartowanym i ulepszonym cieplnie
oraz dla innych stopów o twardości 20-67 HRC oraz 60-90 HRA, Skalę B i F (kulka) stosuje się dla stali
węglowych i stopowych w stanie zmiękczonym lub normalizowanym oraz dla stopów metali nieżelaznych
o twardości 35-2100HRB oraz 60-100 HRF.
Zasady pomiaru twardości metodą Rockwella reguluje norma PN-EN ISO 6508-1:2002. Metoda Rockwella
jest bardzo wygodną do kontroli części hartowanych przy masowej produkcji, ze względu na szybkość
pomiaru oraz łatwość odczytu na czujniku.
Wadą metody Rockwella jest znaczna liczba skal twardości i ograniczone możliwości ich porównywania.
Metoda ta jest bardzo wrażliwa na błędy ustawienia próbki oraz właściwą obsługę twardościomierza.
2.2. Pomiar twardości sposobem Brinella
W metodzie Brinella twardość jest to stosunek siły F, działającej prostopadle do badanej próbki i
obciążającej stalową lub z węglików spiekanych kulkę, do pola powierzchni odcisku S, jaki ta kulka
zostawiła w badanym materiale. Pole powierzchni odcisku określa się mierząc średnicę czaszy kulistej
trwałego odcisku. Celem zapewnienia dokładności pomiarów oraz potwierdzenia, że odcisk stanowi sferę
kuli,średnicę powstałego odcisku określa się jako średnią z dwu prostopadłych kierunków.
Wartość twardości oblicza się ze wzoru:
HB = F/S = 2F/D(D-D2-d2)
Do pomiaru stosowane są kulki o średnicy D - 10, 5, 2,5, 2 i 1 mm.
Ze względu na możliwość stosowania kilku kulek oraz różnych wartości siły obciążającej, w celu
możliwości porównywalności wartości twardości należy tak dobierać warunki próby aby była spełniona
zależność:
F = 9,8 KD2
gdzie:
K – współczynnik obciążenia wynoszący 1, 2,5, 5, 10, 15, 30.
Wartość współczynnika K winna być tak dobierana aby średnica czaszy kulistej trwałego
odcisku d mieściła się w zakresie (0,25-0,6)D.
Metoda Brinella jest stosowana do określania twardości stopów żelaza i metali nieżelaznych
do twardości ok. 650 HB.
Oznaczenie twardości Brinella składa się z cyfrowo-literowego ciągu znaków zawierającego:
- wartość twardości (trzy cyfry znaczące),
- symbol HB lub HBW – dla kulek z węglików spiekanych,
- indeks wskazujący przyjęte warunki próby, obejmujący;
- średnicę kulki w mm,
- wartość siły obciążającej w kG,
- czas działania siły obciążającej w sekundach (jeśli jest inny niż 10-15 s).
Przykładowe oznaczenie twardości:
350 HBW 10/100/30.
Wartości twardości mogą być porównywane między sobą, w przypadku stosowania tej samej
wartości współczynnika K. Metoda Brinella znalazła szerokie zastosowanie w praktyce przemysłowej ze
względu na dobrą powtarzalność wyników. Stosuje się ją głównie do pomiaru twardości stali w stanie
normalizowanym, zmiękczonym, lub ulepszonym cieplnie. Powierzchnia badanego przedmiotu powinna
być płaska i gładka, oczyszczona ze zgorzeliny. Zaletą tej metody jest to, że dla wielu materiałów
wytrzymałość na rozciąganie jest wprost proporcjonalna do twardości Brinella. Metody tej nie można
stosować do pomiarów twardości materiałów o niewielkich wymiarach, warstw powierzchniowych oraz
materiałów twardych. Zasady pomiaru twardości metodą Brinella określa norma PN-EN ISO 6506-1:2002.
2.3. Pomiar twardości sposobem Vickersa
W metodzie Vickersa twardość jest określana jako stosunek obciążenia F do powierzchni S pobocznicy
odcisku wgłębnika. Wgłębnikiem jest ostrosłup diamentowy o podstawie kwadratowej i kącie alfa = 136
stopni między przeciwległymi ścianami. Nacisk wywierany, zależnie od rodzaju powierzchni badanej,
może być dobierany w zakresie od 9,8 do 981 N (od 1 do 100 kG). Po dokonaniu pomiaru mierzy się
długości przekątnych, powstającego odcisku przyjmując do dalszych obliczeń wartość średnią.
Twardość w metodzie Vickersa określana jest ze wzoru
HV = F/S = 1,854 F/d2
Zapis twardości obejmuje:
- wartość liczbową określającą twardość,
- symbol HV,
- liczbę określającą siłą obciążającą (w kG) oraz czas działania siły jeśli jest inny niż 10-15 s.
Przykładowe oznaczenie twardości: 780 HV10/20.
Zakres pomiaru twardości metodą Vickersa jest bardzo szeroki i umożliwia pomiar twardości zarówno
metali miękkich jak i bardzo twardych. W metodzie tej stosuje się jedną skalę dla całego zakresu
twardości. Pomiar metodą Vickersa w minimalny sposób uszkadza badany przedmiot, odcisk jest tak
nieznaczny, że można tą metodą badać cienkie warstwy utwardzane o wysokiej twardości np. po
azotowaniu lub węgloazotowaniu oraz ostrza narzędzi po szlifowaniu. W metodzie tej podobnie jak w
metodzie Brinella wartość twardości można powiązać z wytrzymałością na rozciąganie.
Zasady pomiaru twardości metodą Vickersa określa norma PN-EN ISO 6507-1:1999