Do najbardziej rozpowszechnionych metod dynamicznych należą:

Transkrypt

1 Twardość metali 6.1. Wstęp Twardość jest jedną z cech mechanicznych materiału równie ważną z konstrukcyjnego i technologicznego punktu widzenia, jak wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, przewężenie, udarność itp. Twardością ciała określamy miarę oporu, jaki ono stawia podczas wciskania weń wgłębnika. Jest wiele metod pomiaru twardości. Najbardziej ogólny podział to pomiary statyczne i dynamiczne twardości. Spośród metod statycznych najbardziej rozpowszechnione są: metoda Brinella, PN-91/H [4], metoda Rockvella, PN-91/H [5], metoda Vickersa, PN-91/H [6]. Do najbardziej rozpowszechnionych metod dynamicznych należą: metoda młotka Poldiego, metoda Shore a (metoda skleroskopowa), która polega na pomiarze wysokości odbicia od badanego materiału spadającej kulki stalowej o masie,66 g z wysokości 75 mm. Metoda ta głównie stosowana jest do pomiaru twardości gumy. 6.. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie metod badania twardości metali, nabycie umiejętności w określaniu twardości metodami statycznymi: Brinella, Rockvella i Vickersa Metoda Brinella Twardość określana według metody Brinella jest to stosunek siły F, działającej prostopadle do badanej powierzchni obciążającej kulkę stalową w określonym czasie do pola powierzchni bocznej odcisku S, jaki ta kulka pozostawiła w badanym materiale: HBS, HBW = 0,10 S F N mm (6.1) HBS oznaczenie twardości wg Brinella przy pomiarze kulką stalową, HBW oznaczenie twardości wg Brinella przy pomiarze kulką z węglików spiekanych.

2 Rys Schemat obciążenia kulki w metodzie Brinella HB = 0,10 D D F D d (6.) Średnice D kulek są znormalizowane i wynoszą: 10; 5;.5; ; 1 mm. Są one wykonane ze stali stopowej lub węglików spiekanych. Te ze stali stopowej są obrobione cieplnie do N twardości HV10 = 850 (twardość w skali Vickersa) i można nimi mierzyć twardość do mm 450 HBV. Kulki z węglików spiekanych stosuje się do pomiarów twardości od 450 HBW do 630 HBW. Średnica D kulki i siła obciążająca F spełniają równanie: F = 9,807 K D (6.3) Wartość parametru K musi być tak dobrana, aby średnica odcisku d była w zakresie (0,4 0,6) D. Parametr K przyjmuje wartości: 1; 1,5;,5; 5; 10; 15; 30 i zależy od rodzaju materiału. W tabeli 6.1 podano przykładowe wartości parametru K.

3 Czas działania siły obciążającej zależy od twardości. Kulkę należy obciążać równomiernie do zadanej siły w ciągu 8 s, licząc od chwili zetknięcia kulki z próbką, a czas działania maksymalnej siły powinien wynosić przy twardościach powyżej 100 HB.. od s. Przy mniejszych twardościach czas ten rośnie i tak przy twardości 10 HB.. powinien wynosić 180 s. Ponieważ w tej metodzie powstają duże odkształcenia materiału wokół odcisku, każdy nowy pomiar musi być wykonywany poza strefą materiału zniekształconego poprzednimi odciskami. Przy twardościach powyżej 350HB.. odległość między środkami dwóch sąsiednich odcisków powinna być większa od 4d, odległość zaś między środkiem odcisku a krawędzią badanego przedmiotu powinna być większa od,5d. Jeżeli twardość badanego przedmiotu jest mniejsza od 350 HB należy tę odległość odpowiednio zwiększyć do 6d i 3d. Grubość próbki musi być co najmniej równa 8-krotnej głębokości odcisku. Głębokość odcisku można policzyć ze wzoru: h = 0,10 F [mm] (6.4) D HB.. gdzie: F jest siłą obciążającą kulkę, D jej średnicą, HB.. jest twardością w jednostkach Brinella. Powierzchnia badanej próbki w miejscu przeprowadzanego pomiaru powinna być gładka i czysta. Należy jednak unikać nagrzania albo zgniotu podczas przygotowywania próbek. Jedynie dopuszcza się ślady obróbki mechanicznej. Średnicę odcisku należy mierzyć w dwóch wzajemnie do siebie prostopadłych kierunkach i przyjąć do obliczeń wartość średnią. Dokładność pomiaru twardości zależy od dokładności pomiaru średnicy odcisku. W nowoczesnych twardościomierzach Brinella układ pomiarowy średnicy odcisku stanowi jego integralną część i pozwala na pomiar z dokładnością 0,001 mm. W aparatach starszego typu, do pomiaru średnicy odcisku służy specjalna lupa z żaróweczką, za pomocą której możemy zmierzyć średnicę odcisku z dokładnością 0,05 mm. Na podstawie badań doświadczalnych stwierdzono, że między twardością w jednostkach Brinella a wytrzymałością doraźną na rozciąganie R m zachodzi związek: dla stali o twardości 15 < HBV < 175 R m 3,4 HB, dla stali o twardości HB.. > 175 R m 3,6 HB.., dla aluminium R m,6 HBV, dla brązu i mosiądzu wyżarzonego R m 5,5 HBV, dla brązu i mosiądzu walcowanego R m 4,0 HBV. Zaletą metody Brinella jest możliwość pomiaru twardości materiału niejednorodnego przy jednej skali twardości. Wadami są: kłopotliwy pomiar średnicy, nie nadaje się do pomiarów twardości małych przedmiotów i warstw utwardzonych, ograniczenie do twardości 630 HB Metoda Rockwella Warunki przeprowadzania pomiarów twardości metodą Rockwella określa PN-91/H [5]. Badania twardości tą metodą polegają na dwustopniowym wciskaniu w badaną próbkę stożka diamentowego (skale A, C i D) lub kulki stalowej (skale B, E, F, G, H i K). Schemat przebiegu pomiaru twardości metodą Rockwella przedstawiony jest na rys.6.. Dwustopniowe wciskanie zwiększa dokładność pomiaru twardości. Obciążenie wstępne F 0 = 98,07 N powoduje przebicie przez wgłębnik obszaru chropowatości i niejednorodności warstwy wierzchniej badanej próbki. Wgłębnik przemieszcza się na głębokości h 0, co jest poziomem odniesienia.

4 K = 0, mm h1 ho hs h1 hs h h K HR F o F o + F g F g 100 ho HR = 100 h 0 Rys. 6.. Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella Następnie dodaje się obciążenie główne F g odpowiednio do skali: skala A, F, H 490 N, skala C, G, K 1373 N, skala B, D, E 88,6 N. Wgłębnik wciskany siłą wypadkową F = F 0 + F g przemieszcza się na głębokość h 1 licząc od poziomu odniesienia. Po upływie 5 sekund zdejmuje się obciążenie główne F g. Wgłębnik cofa się o wartość h s, która przedstawia odkształcenie sprężyste. Wartość h stanowi podstawę do określania twardości wg Rockwella. Jeśli h = 0, to materiał badany jest idealnie sprężysty, jeśli h = h 1, to materiał jest idealnie plastyczny. Miarą twardości jest różnica pomiędzy umowną wielkością K a wartością h wyrażoną w jednostkach odkształcenia trwałego równego 0,00 mm. Wartość K dla stożka wynosi 100, a dla kulki stalowej 130. Twardości w skali Rockwella można więc określić umownym wzorem: HRA, HRC, HRD = 100 h 0,00 HRB, HRE, HRF, HRG, HRH, HRK = 130 przy pomiarach stożkiem diamentowym, h przy pomiarach 0,00kulką stalową. Do pomiarów twardości używa się trzech rodzajów wgłębników: 1) stożka diamentowego o kącie rozwarcia 10 z wierzchołkiem zaokrąglonym promieniem 0, mm, pomiaru twardości wg skal A, C, D, ) hartowanej kulki stalowej o średnicy 1,588 mm do pomiaru twardości wg skal B, F, G, 3) hartowanej kulki stalowej o średnicy 3,175 mm do pomiaru twardości wg skal E, H, K. Wybór wgłębnika zależy od twardości badanego materiału. Najczęściej używa się jako wgłębników: stożka diamentowego (skala C, siły nacisku F o = 98,07 N, F g = 1373 N), kulki stalowej o średnicy 1,588 mm (skala B, siły nacisku F o = 98,07 N, F g = 88,6 N).

5 Stożek diamentowy stosuje się przy badaniu twardości materiałów bardzo twardych i twardych (0 67 HRC to jest powyżej 40 HB..). Kulkę stalową stosuje się przy badaniu twardości materiałów miękkich i średniotwardych ( HRB to jest poniżej 40 HB..). Odległość środków odcisków od siebie nie może być mniejsza od 4-krotnej średnicy odcisku, natomiast odległość między środkiem odcisku a krawędzią próbki powinna odpowiadać co najmniej dwu i półkrotnej średnicy. Grubość natomiast w miejscu badania zależna jest od twardości badanej próbki. Zalety metody Rockwella: możliwość wykonywania pomiarów twardości materiałów miękkich (wgłębnikiem jest wtedy kulka stalowa) i twardych (wgłębnikiem jest wtedy stożek diamentowy), twardościomierze Rockwella wyposażone są w czujniki zegarowe o takiej skali, że odczytuje się bezpośrednio twardość, co pozwala na szybkie wykonanie pomiaru. Wady: duża ilość skal umownych, ich nierównomierność w stosunku do innych metod (940 HV30 odpowiada 68 HRC, 310 HV30 odpowiada już 31 HRC).

6 6.5. Metoda Vickersa Próba twardości metodą Vickersa objęta jest normą PN-91/H [6] i jest ona udoskonaleniem metody Brinella. Polega na wciskaniu wgłębnika odpowiednią siłą w badaną próbkę materiału przez określony czas. Wgłębnikiem jest regularny czworokątny ostrosłup diamentowy, którego kąt rozwarcia między przeciwległymi ściankami wynosi 136º. Tak dobrany kąt daje możliwość porównania wyników metody Vickersa i metody Brinella w d zakresie do 50 HBV przy 0, 375. Powyżej 50 HBV twardość w skali Vickersa jest D większa. Twardość według tej metody określamy podobnie jak w metodzie Brinella, obliczając stosunek siły wciskającej F wgłębnik do pola powierzchni bocznej odcisku S: HV = 0,10 S F N mm gdzie: F siła wciskająca [N], S pole powierzchni bocznej odcisku [mm²]. (6.5) Rys.6.3. Schemat obciążeń wgłębnika w metodzie Vickersa; H głębokość zagłębienia pod obciążeniem siłą F, h s odkształcenia sprężyste zanikające po zdjęciu siły F, h głębokość odkształceń trwałych Rys Schemat pomiaru przekątnych d 1 i d odcisku

7 Pole powierzchni bocznej obliczamy ze wzoru: d d S = (6.6) 136 1,8544 sin gdzie: d średnia długość przekątnych odcisku: Ostatecznie: d = d 1 d. (6.7) HV = 0,1891 d F. (6.8) Oznaczenie jednostek twardości Vickersa HV uzupełnia się liczbami, określającymi umownie wielkość siły obciążającej wgłębnik i czas działania całkowitej siły, jeśli jest inny niż standardowy, np.: 640 HV1 twardość Vickersa 640 zmierzona przy obciążeniu siłą 9,807 N, w czasie działania obciążenia s; 640 HV30 twardość Vickersa 640 zmierzona przy obciążeniu siłą 94, N, w czasie działania obciążenia s; 640 HV 30 0 twardość Vickersa 640 zmierzona przy obciążeniu siłą 94, N, w czasie działania obciążenia 0s. Siły nacisku F są znormalizowane i wynoszą: 1,96;,943; 4,905; 9,81; 19,6; 4,55; 9,43; 49,05; 98,1; 196,; 94,3; 490,5; 981[N]. Wartość nacisku zależy od twardości i grubości próbki. Zalecaną wartością siły nacisku F jest 94, N. Wgłębnik należy obciążać równomiernie przez sek do osiągnięcia zadanej siły nacisku, a czas działania całkowitej siły nacisku powinien wynosić również sek. Powierzchnie, na których wykonywany ma być pomiar muszą być czyste, gładkie i płaskie. Przy wygładzaniu należy unikać zmian twardości na powierzchni przez nagrzanie lub zgniot. Dopuszcza się ślady obróbki mechanicznej. Przy wykonywaniu kilku pomiarów na tej samej próbce należy zachować odległość między poszczególnymi odciskami tak, aby mieć pewność, że nie dokonano pomiaru w obszarze zniekształconym poprzednim pomiarem. Minimalna odległość od środka odcisku do krawędzi próbki nie powinna być mniejsza od,5 średniej przekątnej odcisku. Odległość między środkami sąsiednich odcisków nie powinna być mniejsza od trzech średnich przekątnych. Grubość próbki powinna wynosić co najmniej 1,5 średniej przekątnej odcisku. Optyczny układ pomiarowy stanowi integralną część twardościomierza. Na matówce w powiększeniu widoczny jest ślad odcisku a ruchome skale wraz ze śrubą mikrometryczną pozwalają na pomiar odcisków, z dokładnością do 0,001 mm. Zalety metody Vickersa: duża dokładność pomiarów twardości niezależnie od obciążenia, jedna skala twardości, umożliwia pomiary materiałów miękkich średniotwardych i twardych, wyniki porównywalne są do twardości 50 HB.. z wynikami metody Brinella. Wady: konieczność starannego przygotowania powierzchni do pomiaru, nie nadaje się do pomiarów twardości materiałów niejednorodnych z uwagi na bardzo małe odciski Opracowanie wyników badań Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: cel ćwiczenia oraz pojęcie twardości,

8 obliczenia twardości badanych próbek według Rockwella, Brinella i Vickersa, protokół pomiarów, tabela protokółu znajduje się na monitorze komputera pod nazwą: twardość.xls.

9 Protokół pomiarów: twardości metali 1. Pomiar twardości metodą Brinella twardościomierz: Średnica Obciążenie Czas Lp. Materiał kulki obciążenia Średnice odcisków D F t d 1 d d śred HB.. [mm] [N] sek [mm] Twardość. Pomiar twardości metodą Vickersa twardościomierz: Obciążenie Czas Lp. Materiał obciążenia Przekątne odcisków F t d 1 d d śred HV [N] sek [mm] Twardość 3. Pomiar twardości metodą Rockwella twardościomierz: Lp. Materiał Obciążenie F Rodzaj wgłębnika [N] Twardość HRC HRB

10