Pomiar twardości. gdzie: HB - twardość wg Brinella, F - siła obciążająca, S cz - pole powierzchni czaszy.

Transkrypt

1 Pomiar twardości 1. Wprowadzeie Badaie twardości polega a wciskai wgłębika w baday materiał poza graicę sprężystości, do spowodowaia odkształceń trwałych. Wobec czego twardość moża określić jako miarę odporości materiał a odkształceia trwałe powstające w wyik wciskaia wgłębika. Twardość materiałów związaa jest z atrą wiązań chemiczych i jej wpływem a przemieszczeie dyslokacji w metalach i ceramice. Podczas odkształceia plastyczego w próbie twardości istiejące w materiale dyslokacje legają poślizgowi, w związk z tym w takiej próbie mierzy się opór jaki pokoją przemieszczające się w daym materiale dyslokacje (Ashby, 1995). Badaia twardości stosowae są przede wszystkim w metalozawstwie i w związk z tym ajwięcej metod pomiarów opracowao dla metali. Jedak iektóre z ich mają zastosowaie rówież w badai ceramik i polimerów. Pomiary twardości stosje się często z wagi a występowaie korelacji między twardością (Vickers, Briell) a graicą plastyczości lb wytrzymałością a rozciągaie metali, ale rówież między twardością a składem fazowym lb Modłem Yoga. Badaie twardości jest stoskowo szybkie, proste i praktyczie ieiszczące. Metody badaia twardości moża pogrpować w zależości od rodzaj przyłożoego obciążeia. Statycza próba twardości dotyczy odkształceia plastyczego pod działaiem obciążeia statyczego. Związaa z właściwościami sprężystymi materiał, twardość dyamicza, zwiaa jest z odkształceiem darowym. Natomiast opór materiał związay z zarysowaiem albo ścieralością określa się w tzw. próbach specjalych badaia twardości, p. metoda Mohsa. W praktyce ajczęściej stosje się statycze próby twardości, polegające a powolym wciskai wgłębika o określoym kształcie i z określoego materiał w badaą próbkę. Metody badań są zormalizowae a różice polegają przede wszystkim a kształcie wgłębika i sposobie obliczeia. Do ajbardziej powszechych to metod statyczych ależą: Briella, Vickersa oraz Rockwella.. Opis poszczególych metod statyczych pomiar twardości I. Metoda Briella. Próba twardości wedłg tej metody objęta jest ormą PN-EN ISO :008. Polega oa a wciskai pod obciążeiem F wgłębika, w postaci hartowaej klki stalowej o średicy D (10; 5,5 1 mm) w powierzchię badaego materiał, w czasie t. Średica odcisk kli d, jako średia z dwóch pomiarów w kierkach wzajemie prostopadłych, słży do obliczaia pola powierzchi czaszy. Twardość Briella jest to stosek siły obciążającej do pola powierzchi czaszy odcisk (rys. 1.). F B (1) S cz gdzie: B - twardość wg Briella, F - siła obciążająca, S cz - pole powierzchi czaszy. 1

2 Rys. 1. Schemat obciążeia w metodzie Briella Poieważ: przy czym: to: S cz h p D h () 1 D D d (3) F B (4) D D D d Klki są wykoae ze stali stopowej i obrobioe cieplie do twardości rówej V=8500 (twardość w skali Vickersa) i moża imi mierzyć twardość do B=4500; atomiast klkami wykoaymi z węglików spiekaych, moża mierzyć twardość do B=6300. W zasadzie ależy dobierać klki o możliwie dżych średicach, tak jedak, aby: 1) odstęp dwóch sąsiedich odcisków był ie miejszy od czterokrotej średicy odcisk, ) odstęp środka odcisk od krawędzi badaej powierzchi był ie miejszy od,5 d, 3) grbość badaego przedmiot w miejsc badaia wyosiła 10 głębokości odcisk bez względ a twardość badaego materiał, tj. g 10h. Klkę ależy obciążyć bez wstrząsów w ciąg około 10 s. Czasy trwaia próby dla metali pod pełym obciążeiem podaje Tabela 1. Tabela 1. Czas trwaia próby dla metali Metale o twardości Materiał Stal, żeliwo B 30 B < 30 Czas, s Średice odcisków d mierzy się za pomocą mikroskop z podziałką o dokładości 0,01 mm. Dla obliczeia twardości daego materiał ależy brać wartość średicy z trzech pomiarów. Twardość B w przybliżei jest proporcjoala do wytrzymałości a rozciągaie R m : R m cb, MPa (5) p. dla stali węglowej c=0,35. Pomiar twardości dokoje się a twardościomierz Briella pokazaym a rys..

3 1. próbka,. stolik, 3. wgłębik, 4. zawór cylidra, 5. pompka, 6. zbiorik olej, 7. cylider, 8. tłok, 9. maometr, 10. tłoczek podoszący obciążeie 11. Rys.. Schemat twardościomierza Briella Zaletami tej metody są: 1) możliwość pomiar twardości w obszarze makro, ) jeda skala twardości, 3) istieje relacja między twardością a wytrzymałością. Wadami zaś są: 1) kłopotliwy pomiar średic odcisk i względie pracochłoe obliczaie twardości, ) ie adaje się do pomiar twardości materiałów twardych, warstw twardzoych i małych przedmiotów, 3) pomierzoa twardość jest zależa od siły acisk, 4) ie moża mierzyć twardości dżych gotowych wyrobów. II. Metoda Vickersa. Próba twardości wedłg metody Vickersa objęta jest ormą PN-EN ISO :007. Pomiar twardości tą metodą polega a wciskai diametowego wgłębika w kształcie ostrosłpa o podstawie kwadratowej w powierzchię badaego ciała. Twardość wedłg metody Vickersa określa się aalogiczie jak w metodzie Briella, obliczając stosek siły wciskającej wgłębik w baday materiał do pola powierzchi boczej odcisk: F V (6) gdzie: F - siła wciskająca wgłębik, S b - pole powierzchi boczej odcisk. S b Pole powierzchi boczej odcisk oblicza się ze wzor: a a Sb (7) O 136 1,8544 si 3

4 gdzie: a - średia dłgość przekątych a 1 i a (rys. 3.). F a 1 a Rys. 3. Schemat obciążeia w metodzie Vickersa Wstawiając wzór (7) do (6) otrzyma się: F V 1,8544 (8) a Naciski wgłębika są zormalizowae i wyoszą: F=9,8; 4,5; 49; 98; 196; 94; 491; 981 N. Dobór siły acisk zależy od rozmiarów próbki. Przekąte odcisk ależy mierzyć z dokładością 0,0001±0,0000 mm. Kąt ostrosłpa diametowego jest tak dobray, aby w tym samym tworzywie twardości Briella przy d/d = 0,375 i Vickersa były rówe. W rzeczywistości dla materiałów miękkich (do 300 B) V jest większe od B o około 50 jedostek. Im twardszy materiał baday, tym V jest większe od B. Podawaie wyików twardości wedłg Vickersa jest astępjące: 1) symbol twardości V poprzedza jej wartość, ) symbol twardości V zpełia się jeszcze dodatkowymi liczbami wartości obciążeia F i jego czas działaia t w przypadk, gdy obciążeie F jest róże od 94 N i czas t działaia obciążeia całkowitego jest iy iż s (p. VF/t). Zaletami tej metody są: 1) twardość ie zależy od wartości siły, ) adaje się do pomiar materiałów o różych twardościach, 3) adaje się do pomiar przedmiotów małych i ciekich warstw twardzoych, 4) praktyczie ie iszczy przedmiot, 5) dża dokładość pomiarów. Wadami zaś są: 1) koieczość dokładego oczyszczeia powierzchi, ) dłgotrwałość pomiarów, 3) ie adaje się do pomiarów makrotrwardość stopów grboziaristych, 4) ie moża mierzyć twardości dżych gotowych wyrobów. 4

5 III. Metoda Rockwella. Próba twardości wedłg metody Rockwella objęta jest ormą PN-EN ISO :007. Metoda ta opiera się a pomiarze głębokości odcisk wykoaego przez wciśięcie klki stalowej o średicach od 1/ do 1/16 cala lb stożka diametowego (dla materiałów twardszych) o kącie wierzchołkowym 10 0 w powierzchię badaego materiał. Pomiar twardości dokoje się mierząc głębokość odcisków, stosjąc mowe skale twardości (15 skal ozaczoych literami od A do V). Zgodie z ormą podstawowymi skalami są C i B, dodatkowymi zaś A i F. Szczegółowe iformacje o tych skalach zajdją się w Tabeli. Symbol skali A B C F Zastosowaie Węgliki spiekae, stal głęboko twardzaa, stal (twardość > 67 RC) Stopy miedzi, miękkie stale, stopy almiim, żeliwo (twardość RB) Stal, twarde żeliwo, tyta, głęboko twardzaa stal (twardość 0 67 RC) Wyżarzoe stopy miedzi, ciekie blachy metalowe (twardości > 35 RB) Wgłębik Stożek diametowy Klka stalowa 1/16 cala Stożek diametowy Klka stalowa 1/16 cala Obciążeie, N Wstępe Główe Całkowite Ozaczeie RA RB RC RF Miarą twardości Rockwella jest głębokość, a jaką zagłębi się wgłębik w sposób trwały i określa się wzorem: h R K (9) 0,00 gdzie: K - stała mowa zależa od rodzaj wgłębika, która dla stożka wyosi 100, a dla klki 130, 0,00mm -jedostkowa głębokość; dlatego czjik w aparacie Rockwella zaopatrzoy jest w dwie skale przesięte względem siebie o 30 działek, h - trwałe zagłębieie wgłębika po przyłożei i zdjęci obciążeia główego (Rys. 4.). 5

6 Rys. 4. Schemat obciążaia w metodzie Rockwella a) I faza pomiar - zbliżeie próbki do wgłębika, b) II faza pomiar - stawieie obciążeia wstępego F 0, c) III faza pomiar - obciążeie całkowite F 1 +F 0, d) VI faza pomiar - sięcie obciążeia pomiarowego (adal pozostaje obciążeie wstępe F 0 ) i odczyt wyik ze skali, e) sięcie obciążeia wstępego i odsięcie próbki od wgłębika Grbość przedmiot w badaym miejsc ie powia być miejsza iż 8 h. Odległość środków odcisków sąsiedich i odległości ich od brzegów przedmiot powiy być ie miejsze iż 3mm. Za wyik miarodajy ależy przyjąć średią arytmetyczą, z co ajmiej trzech pomiarów. Schemat aparat Rockwella przedstawioo a rys stolik,. próbka, 3. wgłębik, 4. chwyt wgłębika, 5. czjik, 6. przegb dźwigi, 7. dźwigia, 8. amortyzator olejowy, 9. ciężarki, 10. rządzeie do podoszeia dźwigi, 11. pokrętło do podoszeia stolika 1. Rys. 5. Schemat aparat Rockwella 6

7 Sposób pomiar jest astępjący. Na stolik 1 kładzie się próbkę i pokręcając pokrętłem 11 podosi się próbkę aż do zetkięcia się z wgłębikiem 3, co pozaje się po drgięci wskazówki czjika 5. Od tego położeia podosi się stolik jeszcze o wysokość odpowiadającą trzem obrotom wskazówki czjika tak, aby wskazówka staęła w pozycji pioowej w górę z dokładością ±5 działek; spowodje to iesieie się samej dźwigi, której ciężar jest tak dobray, że a wgłębik zyskje się acisk wstępy F 0 = 98 N. W tym położei astawia się czjik 5 a wskazaie początkowe 100 w skali C przy stosowai stożka diametowego, lb 130 (30 + peły obrót wskazówki) w skali B, przy zastosowai klki. W twardościomierzach Rockwella stosje się czjik zegarowy z podziałką dzieloą a 100 działek. Przesięcie trzpieia czjika o 0,01mm odpowiada jedej działce. Poieważ stosek ramio a/b = 1/5, to jedej działce odpowiada przesięcie wgłębika o 0,00mm. Następie zwalia się dźwigię 10, co powodje przyłożeie obciążeia główego F 1, którego wartość została staloa przez zawieszeie a szalce odpowiediego ciężarka 9. W tym czasie wskazówka czjika cofa się do liczb miejszych w miarę, jak rośie obciążeie a wgłębik, gdyż amortyzator olejowy 8 powodje powole wzrastaie siły. Gdy siła osiągie pełą wartość zaczya się mierzyć czas i po sekdach podosi się dźwigię 10. Po tej czyości wskazówka czjika wskazje badaą twardość, którą ależy zaotować w tabeli pomiarowej. Pomiar ależy powtórzyć co ajmiej pięciokrotie. Zaletami tej metody są: 1) możliwość pomiarów twardości materiałów o różych twardościach, ) dża szybkość pomiarów, dzięki czem metoda ta adaje się do pomiarów masowych. Wadami zaś są: 1) istieje wiele źródeł błędów, szczególie wyikających z pomiar głębokości odcisk, ) dża liczba skal mowych i przez to koieczość porówywaia ich za pomocą tablic, 3) ierówomierość skal, 4) ie moża mierzyć twardości dżych gotowych wyrobów. 5. Literatra 1. Ashby M. F., Joes D. R.. Materiały iżyierskie. WNT Warszawa Blicharski M. Wstęp do iżyierii materiałowej. WNT Warszawa Dobrzański L. Metalozawstwo z podstawami aki o materiałach. WNT Warszawa Dobrzański L. Metalozawstwo i obróbka ciepla stopów metali. Wydawictwo Politechiki Śląskiej, Gliwice Lis J. Laboratorim z aki o materiałach. Skrypty czeliae r AG Uczeliae Wydawictwa Nakowo Dydaktycze. Kraków 000 Joaa ydzik-wiśiewska, KGBiG 7

8 INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 6 Temat ćwiczeia: Pomiar twardości metodą Rockwella Cel ćwiczeia Celem ćwiczeia jest ozaczeie twardości metali metodą Rockwella i pozaie związków pomiędzy twardością a bdową tych materiałów i iymi właściwościami mechaiczymi. Metoda Rockwella Badaie twardości polega a wciskai wgłębika w baday materiał poza graicę sprężystości, do spowodowaia odkształceń trwałych. Wobec czego twardość moża określić jako miarę odporości materiał a odkształceia trwałe powstające w wyik wciskaia wgłębika. Próba twardości wedłg metody Rockwella objęta jest ormą PN-EN ISO :00. Metoda ta opiera się a pomiarze głębokości odcisk wykoaego przez wciśięcie klki stalowej o średicach od 1/ do 1/16 cala lb stożka diametowego (dla materiałów twardszych) o kącie wierzchołkowym 10 0 w powierzchię badaego materiał. Pomiar twardości dokoje się mierząc głębokość odcisków, stosjąc mowe skale twardości (15 skal ozaczoych literami od A do V). Zgodie z ormą podstawowymi skalami są C i B, dodatkowymi zaś A i F. Szczegółowe iformacje o tych skalach zajdją się w tabeli 1. Symbol skali A B C F Podstawowe skale stosowae w badai twardościomierzem Rockwella Zastosowaie Węgliki spiekae, stal głęboko twardzaa, stal (twardość > 67 RC) Stopy miedzi, miękkie stale, stopy almiim, żeliwo (twardość RB) Stal, twarde żeliwo, tyta, głęboko twardzaa stal (twardość 0 67 RC) Wyżarzoe stopy miedzi, ciekie blachy metalowe (twardość < 35 RB) Wgłębik Stożek diametowy Klka stalowa 1/16 cala Stożek diametowy Klka stalowa 1/16 cala Tabela 1. Obciążeie, N Ozacze Wstępe Główe Całkowite -ie RA RB RC RF Miarą twardości Rockwella jest głębokość, a jaką zagłębi się wgłębik. Wartość twardości odczytywaa jest z zegara pomiarowego (rys. 1.) Grbość przedmiot w badaym miejsc ie powia być miejsza iż 8 h. Odległość środków odcisków sąsiedich i odległości ich od brzegów przedmiot powiy być ie miejsze iż 3 mm. Tok przeprowadzeia ćwiczeia 1. Wybieramy metodę badaia (określamy rodzaj wgłębika i skalę, wg której będziemy dobierać wartość obciążeia całkowitego) tabela 1.. Na stolik kładzie się próbkę i pokręcając pokrętłem podosi się próbkę aż do zetkięcia się z wgłębikiem, co pozaje się po drgięci wskazówki czjika (rys. 1a). 3. Od tego położeia podosi się stolik jeszcze o wysokość odpowiadającą trzem obrotom wskazówki czjika tak, aby wskazówka staęła w pozycji pioowej w górę z dokładością ±5 działek (acisk wstępy F 0 = 98 N) rys. 1b.

9 4. Następie zwalia się dźwigię, co powodje przyłożeie obciążeia główego F 1, którego wartość została staloa wedłg obraej skali pomiarowej. W tym czasie wskazówka czjika cofa się, a gdy siła osiągie pełą wartość zaczya się mierzyć czas i po sekdach podosi się tę dźwigię (rys. 1 c i 1 d). 5. Wskazówka czjika wskazje badaą twardość (przy pomiarach za pomocą wgłębika diametowego wskazaia odczytjemy ze skali białej, atomiast przy wgłębik klkowym z czerwoej), którą ależy zaotować w tabeli pomiarowej. Pomiar ależy powtórzyć co ajmiej pięciokrotie. Rys. 1. Schemat obciążaia w metodzie Rockwella a) I faza pomiar - zbliżeie próbki do wgłębika, b) II faza pomiar - stawieie obciążeia wstępego F 0, c) III faza pomiar - obciążeie całkowite F 1 +F 0, d) VI faza pomiar - sięcie obciążeia pomiarowego (adal pozostaje obciążeie wstępe F 0 ) i odczyt wyik ze skali, e) sięcie obciążeia wstępego i odsięcie próbki od wgłębika Opracowaie wyików 1. Otrzymae wyiki twardości ależy zaotować w tabeli,. Wyliczyć średią wartość dla daego materiał. 3. Podać iepewość pomiar Uwaga: Wszystkie obliczeia proszę wykoać a odwrocie formlarza. Literatra 1. Ashby M. F., Joes D. R.. Materiały iżyierskie. WNT Warszawa Blicharski M. Wstęp do iżyierii materiałowej. WNT Warszawa Dobrzański L. Metalozawstwo z podstawami aki o materiałach. WNT Warszawa Dobrzański L. Metalozawstwo i obróbka ciepla stopów metali. Wydawictwo Politechiki Śląskiej, Gliwice 1993

10 Obliczaie iepewości pomiar wartości twardości Podejście do określeia iepewości zawiera tylko te iepewości, które związae są z ogólym wykoaiem pomiar twardości a rządzei, z względieiem wzorców twardości (certyfikowae materiały odiesieia CRM). To wyzaczeie iepewości odzwierciedla łączy efekt poszczególych iepewości. Procedra obliczaia iepewości zawarta jest w ormie PN-EN ISO :007. Niepewość rozszerzoa U pomiar jest obliczaa z iloczy iepewości i i współczyika rozszerzeia k =. U k E CRM ms Gdzie wyik pomiar jest day przez: Gdzie: E CRM s s Stadardowa iepewość obliczaa wg błęd dopszczalego X U E E,r,8 Stadardowa iepewość U twardości CRM Średia wartość i odchyleie stadardowe pomiarów CRM Stadardowa iepewość twardościomierza przy pomiarze CRM Średia wartość i odchyleie stadardowe wyików pomiarów z próbki do badań Stadardowa iepewość przy pomiarze próbki Stadardowa iepewość ms wyikająca z rozdzielczości kład pomiarowego dłgości s s CRM CRM CRM ms i1 i1 t s i1 i1 i i t s ms 3 i i E,r - wg ormy ISO U - zgodie ze świadectwem wzorcowaia i - wg ormy ISO t=1,14 dla =5 (patrz tabela poiżej) dla = 5 t=1,14 dla =5 0,5R.. ms

11 Pomiar twardości CRM stadardowa iepewość twardościomierza przy pomiarze CRM Twardość próbki wzorcowej 61,4 RC 88,7 RB 61,5 87,0 6,0 90,0 6,5 90,0 61,5 87,5 60,5 89,5 średia 61,6 88,8 odchyleie s 0,74 1,440 iepewość 0,378 0,734

12 Ć W I C Z E N I E r 6 Pomiar twardości metodą Rockwella Grpa - zespół Data Skład zespoł Tabela pomiarów Lp. 1 Rodzaj materiał Skala twardości/ rodzaj wgłębika/ obciążeie Twardość Średia twardość Odchyleie stadardowe Niepewość pomiar 3. Wioski i wagi