Ćwiczenie 18 BADANIA TWARDOŚCI MATERIAŁÓW *

Transkrypt

1 Ćwiczenie CEL ĆWICZENIA BADANIA TWARDOŚCI MATERIAŁÓW * Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiaru twardości i mikrotwardości oraz zasadami ich przeprowadzania. 2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE 2.1. Pomiar twardości Twardość jest to odporność materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem sił skupionych, działających na małą powierzchnię tego materiału. Istnieje szereg metod badania twardości, opartych na wspólnej zasadzie pomiaru wielkości odkształcenia pod wpływem siły wywieranej przez wgłębnik (penetrator). Różnią się one pomiędzy sobą kształtem wgłębnika, wielkością i sposobem obciążenia oraz metodą pomiaru odkształcenia. W trakcie ćwiczenia poznamy trzy sposoby pomiaru twardości: 1) Rockwella, 2) Vickersa, 3) Brinella. Istnieją inne metody, jak metoda Meyera, Ludwika Grodzińskiego, Knoopa oraz Poldiego i Baumanna. Dwie ostatnie metody są dynamiczne, pozostałe statyczne. Oprócz wymienionych istnieją metody badania twardości oparte na zupełnie innych zasadach, których z praktyczne zastosowanie w technice jest znikome. Są to: metody ryskowe, w których twardość określa się jako opór przeciw zarysowaniu wgłębnikiem badanej powierzchni metalu, metody sprężystego odskoku, w których twardość określa się na podstawie wielkości odbicia się bijaka od badanej powierzchni. Przyrządy służące do pomiaru twardości nazywamy twardościomierzami Pomiar twardości sposobem Rockwella Próba ta opisana jest w normie PN-EN ISO :2007/Ap1:2009. Polega ona na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika siłą wstępną F 0 i siłą główną F 1 w badaną próbkę. Podstawę określenia twardości Rockwella stanowi pomiar trwałego przyrostu głębokości odcisku od obciążenia F 0 do F 1. Wynik odczytuje się w jednostkach twardości HRX (gdzie X oznaczenie skali, np. HRA, HRH itd.). W metodzie tej stosuje się trzy rodzaje wgłębników: stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120, kulkę stalową 1,588 mm, kulkę stalową 3,175 mm. oraz trzy obciążenia całkowite będące sumą siły wstępnej i siły głównej: 588,4 N, 980,7 N oraz 1471 N. * Opracował: Marek Radwański.

2 Rys Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella. Skojarzenie każdego z trzech wgłębników z każdym z trzech obciążeń daje dziewięć skali (od A do K) stosowanych dla materiałów o różnej twardości, od najtwardszych skala C, do najmiększych skala H. Czas obciążenia wgłębnika wynosi od 1s do 15 s, w zależności od tego, w jakim stopniu badany metal wykazuje zależność odkształcenia plastycznego od czasu obciążenia. Liczbowy wynik pomiaru twardości sposobem Rockwella odczytywany jest wprost z czujnika wyskalowanego odpowiednio w jednostkach twardości HR i przedstawiamy go w jednostkach, np. HRB. Pomiar twardości metali sposobem Rockwella jest często stosowany ze względu na łatwość dokonania pomiaru i natychmiastowy odczyt na skali oraz możliwość użycia do materiałów o szerokim zakresie twardości. Wadą tej metody jest każdorazowa konieczność określenia warunków pomiaru (penetrator i obciążenie) oraz trudność porównania wyników podanych w różnych skalach Pomiar twardości sposobem Vickersa Twardość Vickersa, opisaną w normie PN-EN ISO :2006, wyraża się stosunkiem siły obciążającej wgłębnik do powierzchni bocznej odcisku. Wgłębnikiem jest ostrosłup prawidłowy czworokątny o kącie pomiędzy przeciwległymi ścianami 136, wykonany z diamentu. Obciążenie, w zależności od twardości materiału, grubości próbki lub badanej warstwy, dobiera się z szeregu 13 wartości od 1,961 N do 980,7 N. Przy standardowym pomiarze tą metodą, nominalna siła obciążająca wgłębnik wynosi 294,1 N. Czas działania obciążenia liczony od momentu osiągnięcia całkowitej siły obciążającej go powinien wynosić s. Miarę wielkości odkształcenia, czyli powierzchnię boczną odcisku, określa się na podstawie pomiaru obydwu przekątnych odcisku w kształcie kwadratu. Po obliczeniu ich średniej arytmetycznej i skojarzeniu z zastosowanym obciążeniem odczytujemy z tablic wartość twardości. Wielkość tę można wyliczyć też z wzoru: gdzie: F [N] siła obciążająca, A pole powierzchni bocznej odcisku, F ~ 0,1891F HV 2 A d (1)

3 d [mm] średnia przekątnych odcisku. Oznaczenie twardości Vickersa, np. 640HV, uzupełnia się liczbami określającymi umownie wielkość siły wgłębnika i czas działania całkowitej siły obciążającej go, jeżeli jest inny niż standardowy s (np. 640HV30/20 twardość Vickersa 640 zmierzona przy obciążeniu wgłębnika siłą 294,2 N w czasie działania obciążenia 20 s). Zaletą tej metody jest większy zakres twardości objęty jedną skalą, co ułatwia porównanie twardości materiałów o zdecydowanie różnych własnościach, wadą natomiast konieczność wykonywania pomiarów odcisku, obliczeń i korzystania z tablic. Metodę Vickersa stosuje się również do pomiaru twardości cienkich blach, folii, powłok, warstw utwardzonych i składników strukturalnych. Stosowane są wtedy dużo mniejsze siły ( poniżej 9,8 N) i tak wyznaczona twardość nosi nazwę mikrotwardości. Jest ona przedmiotem drugiej części tego ćwiczenia Pomiar twardości sposobem Brinella Pomiar twardości metali sposobem Brinella opisany w normie PN-EN ISO :2008 polega na wciskaniu w określonym czasie w badaną próbkę pod działaniem siły obciążającej, przyłożonej prostopadle do jej powierzchni, twardej kulki stalowej lub z węglików spiekanych. Twardość określa się na podstawie średnicy odcisku kulki, zmierzonej po jej odciążeniu. Do pomiarów stosowane są kulki o średnicach 1; 2; 2,5; 5 i 10 mm. Dobór kulki przeprowadza się w zależności od grubości próbki, zalecana jest jednak kulka 10 mm lub możliwie największa. Wielkość siły obciążającej określa się na podstawie wzoru: F 2 9,807KD (2) gdzie: D średnica kulki, K stała obciążenia, przyjmująca wartość 1; 1,2; 2,5; 5; 10; 15; 30, dobierana w zależności od spodziewanej twardości tak, aby uzyskać odcisk o średnicy d : 0, 24D d 0,6D. Wytyczne, w postaci tabelarycznej, doboru stałej obciążenia K w zależności od rodzaju materiału badanej próbki i jego twardości określa norma. Tam też znajduje się tabela umożliwiająca odczyt twardości w zależności od średnicy odcisku kulki, średnicy kulki (penetratora) oraz zastosowanej stałej obciążenia K. Twardość Brinella wyraża się liczbą składającą się z trzech liczb znaczących i występującego po niej oznaczenia twardości Brinella HB (lub HBS dla kulki stalowej, a HBW dla kulki z węglików spiekanych), uzupełnionego informacją o warunkach pomiaru, obejmujących średnicę zastosowanej kulki [mm] łamaną przez iloczyn siły [N] i 0,102 (np. 350HBS5/750). Przy pomiarach w warunkach standardowych (tj. za pomocą kulki stalowej 10, przy obciążeniu N w ciągu s) pomija się informacje o warunkach pomiaru, podając tylko np. 185HB lub 185HBS. Cechą istotnie wyróżniającą sposób Brinella od innych metod pomiaru twardości metali jest stosunkowo duża powierzchnia odcisku. Dzięki temu nadaje się on szczególnie do badań materiałów niejednorodnych, natomiast uniemożliwia zastosowanie do przedmiotów bardzo małych i cienkich. Płaska powierzchnia czołowa penetratora (kulki) ogranicza również zastosowanie tego sposobu do materiałów bardzo twardych. Wadą, przynajmniej w stosunku do twardości Rockwella, wydaje się konieczność użycia tabel do określenia HB Pomiar twardości sposobem Poldi Metoda ta jest dynamicznym sposobem określania twardości poprzez porównanie dwóch odcisków wywołanych tą samą dynamiczną siłą: w materiale badanym i materiale o znanej twardości. Przyrząd do realizacji tej metody (młotek Poldi) przedstawiono na rys Twardość tak wyznaczoną podaje się w skali Brinella na podstawie wzoru: gdzie: HB twardość badanego materiału, HB wz twardość płytki wzorcowej (202 HB), HB k HB wz (3)

4 k współczynnik zależny od średnic obu odcisków lub odczytany z tablic. Metoda ta, mimo rozpowszechnienia, obciążona jest sporym błędem i jest kosztowna ze względu na zużywanie się płytek wzorcowych. Rys Młotek Poldi: 1 uchwyt, 2 oprawka kulki, 3 płytka wzorcowa, 4 sworzeń, 5 sprężyna, 6 kulka Pomiar mikrotwardości Twardość mierzona przy zastosowaniu małych nacisków (< 9,81N), a co za tym idzie przy wykonywaniu niewielkich i płytkich odcisków nosi nazwę mikrotwardości. Pomiary mikrotwardości znalazły szerokie zastosowanie do określania twardości składników strukturalnych w stopach, warstwach utwardzonych przez zgniot oraz obróbkę cieplno-chemiczną, cienkich warstwach galwanicznych itp. W trakcie ćwiczenia przeprowadzimy pomiar mikrotwardości metodą Vickersa za pomocą urządzenia INNOVATEST 400. Jest to, jak większość urządzeń do pomiaru mikrotwardości połączenie mikroskopu metalograficznego z twardościomierzem, w którym na obrotowej płytce, obok obiektywów mocowany jest wgłębnik Vickersa. Po wykonaniu odcisku następuje automatyczne przestawienie obiektywu w miejsce wgłębnika, umożliwiające obserwację i co za tym idzie pomiar wielkości odcisku. Sprzężenie mikrotwardościomierza z komputerem umożliwia bezpośredni odczyt mikrotwardości, bez odczytu długości przekątnych odcisku. Istnieje szereg urządzeń tego typu, które dzięki szerokiemu zakresowi stosowanych obciążeń umożliwiają pomiar zarówno twardości jak i mikrotwardości, a możliwość zastosowania różnych wgłębników daje możliwość pomiaru twardości różnymi metodami. Pomiar mikrotwardości metodą Vickersa można również realizować za pomocą głowicy Hanemanna. Mówimy wtedy o metodzie Hanemanna lub Vickersa-Hanemanna. W urządzeniu tym wgłębnik naklejony jest na czołową soczewkę obiektywu, co umożliwia wykonanie odcisku i pomiar jego wielkości bez konieczności przemieszczania badanego zgładu, ani wymiany wgłębnika na obiektyw. Drugą, stosowaną na szeroką skalę metodą pomiaru mikrotwardości jest metoda Knoopa. Wgłębnikiem jest w niej diamentowy ostrosłup o podstawie rombu o kątach pomiędzy przeciwległymi krawędziami i 130. Obraz odcisku ma kształt rombu o stosunku przekątnych 1:7. Zaletą tej metody, w porównaniu do metody Vickersa jest mniejsza głębokość odcisku w porównaniu do jego wymiarów, co skutkuje większą dokładnością pomiaru i możliwością zastosowania tej metody do

5 materiałów bardzo twardych i kruchych. Również w tej metodzie istnieje możliwość zastosowania głowicy Hanemanna. Inne metody pomiaru mikrotwardości różnią się kształtem wgłębników. Przykładowo w metodzie Chruszczowa-Bierkowicza jest nim ostrosłup prawidłowy trójkątny o kącie nachylenia ścian bocznych do wysokości równym 65, a w metodzie Grodzińskiego wgłębnik ma kształt dwóch stożków ściętych o wspólnej większej podstawie. 3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA Twardościomierz Rockwella, twardościomierz Brinella, twardościomierz Vickersa, mikroskop pomiarowy, mikrotwardościomierz INNOVATEST 400, próbki do badania twardości, zestaw norm: PN-EN ISO :2002, PN-EN ISO :1999, PN-EN ISO : PRZEBIEG ĆWICZENIA W ramach ćwiczenia należy: 1) dobrać dla danych próbek warunki pomiaru twardości metali sposobem Rockwella (penetrator, obciążenie), przeprowadzić pomiar HR i sprawdzić prawidłowość dobranych warunków, ewentualnie skorygować je i powtórzyć pomiar, 2) dobrać dla danych próbek średnicę kulki dla pomiaru twardości sposobem Brinella, obliczyć wartość siły obciążającej, przeprowadzić pomiar twardości, zmierzyć lupką średnice odcisku i odczytać z normy twardość HB, 3) przeprowadzić pomiar twardości danych próbek sposobem Vickersa, zmierzyć przekątne i odczytać z normy HV, 4) przeprowadzić pomiar mikrotwardości na urządzeniu INNOVATEST 400, zmierzyć długość przekątnych, obliczyć µhv i porównać z wyznaczoną za pomocą programu komputerowego. 5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA Sprawozdanie winno zawierać: 1) krótkie przedstawienie zasad pomiaru twardości metali sposobami Rockwella, Brinella i Vickersa, 2) protokół wg PN-EN ISO :2002 pomiaru twardości sposobem Rockwella, 3) protokół wg PN-EN ISO :2002 pomiaru twardości sposobem Brinella, 4) protokół wg PN-EN ISO :1999 pomiaru twardości sposobem Vickersa, 5) wnioski dotyczące stosowanych metod badań i ich porównanie. 6. LITERATURA [1] Norma PN-EN ISO :2008 Metale Pomiar twardości sposobem Brinella Część 1: Metoda badań. [2] Norma PN-EN ISO :2007/Ap1:2009 Metale Pomiar twardości sposobem Rockwella Część 1: Metoda badań (Skale A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). [3] Norma PN-EN ISO :2006 Pomiar twardości metali sposobem Vickersa. [4] Norma PN-EN ISO :2006 Metale pomiar twardości sposobem Knoopa. [5] Katarzyński S., Kocańda S., Zakrzewski M., Badania własności mechanicznych metali, WNT, Warszawa 1969.

6 Ćwiczenie 19 PRÓBA UDARNOŚCI * 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi informacjami dotyczącymi różnych metod pomiaru udarności, ze szczególnym uwzględnieniem metody Charpy ego, zasadami ich przeprowadzania oraz informacjami uzyskiwanymi w wyniku tych prób. 2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE 2.1. Pojęcie udarności Określenie własności wytrzymałościowych metali wyłącznie na podstawie prób statycznych jest niewystarczające ze względu na istotny wpływ szybkości obciążenia na zachowanie się materiału. W stosunku do dużych szybkości odkształcenia szybkość ruchu dyslokacji jest zbyt mała, aby dyslokacje te mogły się przemieszczać. Powoduje to, że udział energii zużytej na odkształcenie plastyczne jest znikomy, co stwarza warunki do wystąpienia kruchego pękania. W tej sytuacji niezbędne jest przeprowadzenie prób dynamicznych, określających zachowanie się materiału w tych warunkach. Udarność więc określa odporność materiału na pękanie pod wpływam sił dynamicznych. Miarą udarności jest wielkość pracy niezbędnej do złamania znormalizowanej próbki z karbem lub iloraz tej pracy przez pole powierzchni przekroju poprzecznego w miejscu złamania, czyli w miejscu karbu Metoda Charpy ego Z kilku metod badania udarności najbardziej rozpowszechniona jest próba przeprowadzana sposobem Charpy ego. Opisuje ją polska norma PN-EN ISO 148-1:2010. Próba polega na złamaniu, jednym uderzeniem spadającego młota wahadłowego próbki z karbem w środku jej długości, podpartej swobodnie na obydwu jej końcach. Siła działająca na próbkę musi zostać wywarta dokładnie w połowie próbki, czyli w miejscu wykonania karbu, na ścianę przeciwległą do ściany z karbem. Standardowa próbka ma długość 55 mm i kwadratowy przekrój poprzeczny 10 x 10 mm. W połowie długości znajduje się karb. Stosuje się dwa rodzaje karbów: a) w kształcie litery V o kącie 45, głębokości 2 mm i promieniu zaokrąglenia dna karbu 0,25 mm (typu ISO Charpy V) b) w kształcie litery U, o głębokości 5 mm i promieniu zaokrąglenia dna karbu 1 mm (typu ISO Charpy U). * Opracował: Marek Radwański.

7 Wyżej wymieniona norma dopuszcza inne głębokości karbu U, przy tych samych wymiarach próbki: 3 mm oraz 2 mm. Te ostatnie noszą nazwę próbek tupu Mesnager. Urządzenie do wyznaczania udarności nazywa się młotem Charpy ego. Wartość udarności odczytuje się bezpośrednio na skali urządzenia. Norma dopuszcza stosowanie młotów o różnej początkowej energii uderzenia, jednak standardową wartością jest 300 J. Zmianę energii początkowej uzyskuje się poprzez wymianę bijaka na inny, o innej masie. Przebieg próby i zasadę działania młota Charpy ego przedstawiono schematycznie na rys Energię kinetyczną elementu łamiącego próbkę, zwanego bijakiem, uzyskuje się z zamiany na nią łatwej do obliczenia energii potencjalnej, jaką posiada w pozycji wyjściowej, czyli Rys Schemat przy wychyleniu o kąt α 0, co odpowiada wysokości początkowej działania młota Charpy ego. h 0. Zwolnienie blokady powoduje spadanie bijaka, który w swoim najniższym położeniu uderza w próbkę, wykonując pracę jej odkształcenia i złamania. O wartość tej pracy zmniejsz się energia bijaka, mająca w tym momencie wyłącznie postać energii kinetycznej. Podczas ruchu do góry następuje zamiana energii kinetycznej na potencjalną, której wartość jest równa różnicy energii początkowej i pracy złamania próbki. Powoduje to wzniesienie się bijaka na wysokość h < h 0. Różnica początkowej energii potencjalnej E p0 = mgh 0 = mgr (1 cosα 0 ) i energii końcowej E p = mgh = mgr (1 cosα) jest równa energii straconej podczas złamania próbki, czyli równa pracy jej złamania. W E E mgh mgh mgr (cos cos ) (1) p0 p 0 0 gdzie: m masa bijaka wraz z ramieniem sprowadzona do centralnego punktu bijaka (uderzającego próbkę), r odległość tego punktu od osi obrotu wahadła. Udarność wyznaczoną w tej próbie oznacza się symbolem literowo-liczbowym składającym się z litery K, jeżeli wyrażamy ją pracą złamania próbki, lub literami KC, jeżeli wyrażamy ją ilorazem tej pracy przez pole powierzchni przełomu. Po literach K lub KC występuje oznaczenie kształtu karbu próbek zastosowanych do badań: U dla próbek z karbem U lub V dla próbek z karbem V. Wartość udarności wyraża się w dżulach, np. KU = 48 J, lub dżulach na milimetr kwadratowy, np. KCV = 124 J mm -2. W przypadku przeprowadzenia próby w innych niż standardowe warunkach, dopuszczalnych jednak przez normę, udarność oznacza się w sposób precyzującym warunki tej próby. I tak zapis: KCU /4/5 oznacza udarność wyznaczoną w temperaturze -20 C, z zastosowaniem energii uderzenia 150 J, na próbce o głębokości karbu 4 mm i szerokości próbki 5 mm. Czynnikiem w sposób istotny wpływającym na udarność jest temperatura, gdyż właściwości plastyczne metali pogarszają się z jej spadkiem. W pewnym zakresie temperatur spadek udarności przybiera gwałtowny charakter, a temperaturę odpowiadającą temu przejściu nazywa się temperaturą przejścia plastyczno-kruchego (T pk ). Można ją wyznaczyć przeprowadzając próby udarności w różnych, obniżonych temperaturach. Obserwacja próbki złamanej w próbie udarności pozwala uzyskać dodatkowe informacje dotyczące struktury materiału. Wygląd przełomu informuje o wielkości ziarna i jednorodności materiału, a także o charakterze pękania (plastyczne czy kruche). Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje przełomów: kruchy zazwyczaj skrzący, z widoczną ziarnistą strukturą badanego metalu, ciągliwy (plastyczny) zazwyczaj matowy, czasami ukośny pod kątem 45 do osi, mieszany, składający się z obszarów kruchego i ciągliwego w którym istotny jest udział powierzchni każdego z tych obszarów.

8 2.3. Inne metody pomiaru twardości Udarność tworzyw sztucznych mierzy się głównie na aparacie Dynastat. Metodę tę opisuje norma PN-C-89028:1968. Zasada tego pomiaru jest analogiczna jak w metodzie Charpy ego, odróżnia się jednak przede wszystkim sposobem mocowania próbki. Próbka (stosuje się alternatywnie próbki z karbem lub bez) zamocowana jest jednostronnie w pozycji pionowej. Przebieg pomiaru polega na dynamicznym złamaniu próbki bijakiem uderzającym w swobodny koniec próbki. Uderzenie winno nastąpić odwrotnie niż przy metodzie Charpy ego w ścianę próbki, na której został wykonany karb. Odczyt wartości pracy zużytej na złamanie próbki odczytuje się na skali aparatu. Metodą bardzo podobną, jeżeli chodzi zarówno o zastosowanie do tworzyw sztucznych jak i kinetykę, do metody Dynastat jest metoda Izoda opisana w normie PN-EN ISO 180:2004. Obie te metody rozróżnia tylko sposób jednostronnego mocowania pionowo ustawionej próbki. Przedstawiono to na rys Należy podkreślić, że wszystkie trzy metody, Charpy ego, Dynastat i Izoda, mimo wielu podobieństw i analogii dają wyniki nieporównywalne i nieprzeliczalne. 3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA Młot Charpy ego, suwmiarka, mikroskop stereoskopowy, próbki udarnościowe, zestaw norm: PN- EN ISO 148-1:2010, PN-C-89028:1968, PN-EN ISO 180: PRZEBIEG ĆWICZENIA W ramach ćwiczenia należy: 1) sprawdzić geometrię dostarczonych do badań próbek udarnościowych, 2) wykonać próbę udarności badanych próbek sposobem Charpy ego, 3) ocenić przełom na mikroskopie stereoskopowym. 5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA Sprawozdanie winno zawierać: 1) krótkie przedstawienie zasady próby udarności sposobem Charpy ego, 2) protokół wg PN-EN ISO 148-1:2010 próby udarności sposobem Charpy ego, 3) wnioski dotyczące stosowanych metod badań i ich porównanie. 6. LITERATURA [1] Norma PN-EN ISO 148-1:2010 Metale Próba udarności sposobem Charpy ego Metoda badania. [2] Norma PN-C-89028:1968 Tworzywa sztuczne Oznaczanie udarności za pomocą aparatu typ Dynastat. [3] Norma PN-EN ISO 180:2004 Tworzywa sztuczne Oznaczanie udarności metodą Izoda. [5] Katarzyński S., Kocańda S., Zakrzewski M., Badania własności mechanicznych metali, WNT, Warszawa Rys Mocowanie próbek przy pomiarze twardości metodą Dynastat (a) i metodą Izolda (b): 1 badana póbka, 2 uchwyt mocujący próbkę.