Pomiar twardości metali Laboratorium Wytrzymałości Materiałów 2010 PW -Płock Twardośd jest miarą oporu, jaki wykazuje ciało przeciw lokalnym odkształceniom trwałym, powstałym na powierzchni badanego materiału wskutek wciskania weo drugiego twardszego ciała, zwanego wgłębnikiem lub penetratorem. Próba twardości jest jedną z bardziej rozpowszechnionych prób wytrzymałościowych, określających własności mechaniczne materiałów. Do jej rozpowszechnienia przyczyniły się nieskomplikowane urządzenia pomiarowe / twardościomierze /, prostota i szybkośd pomiarów, nieniszczący charakter próby oraz możliwośd orientacyjnego określenia innych własności wytrzymałościowych.
Polski Komitet Normalizacyjny Pomiar twardości metali Metoda badania PN-EN-ISO Próby twardości dzielimy na: a/ statyczne / obciążenie wzrasta powoli od zera aż do pełnej wartości, do których zaliczamy metody Brinella, Rockwella, Vickersa, b/ dynamiczne / obciążenie wywołane jest energią kinetyczną wgłębnika / - młotek Poldi, skleroskop Shore a, wahadło Herberta, metoda zarysowania / Martensa /. 2
POMIAR TWARDOŚCI Zadania do wykonania. 1. Zapoznanie się z budową, działaniem i obsługą twardościomierzy ROCKWELLA BRINELLA, BRINELLA-VICKERSA. 2. Wykonanie pomiarów twardości; poszczególnych próbek różnymi metodami z zachowaniem ograniczeń dotyczących zakresu ich stosowania. 3. Porównanie wyników pomiarów wykonanych różnymi metodami. Wyposażenie stanowiska 1. Twardościomierze: ROCKWELL-ZWICK HO4.3106 i PW-106 BRINELL-VICKERS-HPO 250; BRINELL-PRL-3 2. Normy: PN EN ISO 6507-1 1999 Metale. Pomiar twardości sposobem VICKERSA. Metoda badań. PN EN ISO 6508-1 2002 Metale. Pomiar twardości sposobem ROCKWELLA. Część 1.Metoda badań (skale A,B,C,D,E,F,G,H,K,N,T). PN 91/H 04350. Pomiar twardości metali sposobem BRINELLA. 3. Próbki: - stal średniowęglowa wyżarzona, stal po hartowaniu i odpuszczaniu, stop Al, stop Cu, narzędzie ze stali szybkotnącej, żeliwo. Kolejność czynności. 1. Korzystając z instrukcji obsługi zapoznać się z obsługą i zasadą działania twardościomierzy. 2. Wybrać metody, skale, wgłębniki i obciążenia odpowiednie dla poszczególnych próbek. 3. Przeprowadzić pomiary zgodnie z wyborem wg pkt. 2. wykonując po trzy odciski: 4. Porównać wyniki pomiarów twardości Sprawozdanie 1. Opis zasad pomiarów twardości poszczególnymi metodami i zakres ich stosowania. 2. Dane dotyczące poszczególnych próbek. 3. Wyniki pomiarów twardości. 4. Porównanie wyników pomiarów uzyskanych różnymi metodami dla każdej próbki i odniesienie ich do PN-93/H 04357 5. Wnioski. Literatura: 1. Dobrzański L. A., Nowosielski R.: Metody badań metali i stopów. Badania własności fizycznych. WNT Warszawa 1987. 2. Błażewski S. Mikoszewski J. : Pomiary twardości metali WNT Warszawa 1981. 3. Przybyłowicz K.: Metody badań metali i stopów. Wydawnictwo AGH Kraków 1997. 4. Ciszewski A., Radomski T., Szummer Badania własności i materiałów. mikrostruktury Oficyna wydawnicza PW Warszawa 2000. 5. Normy: 3
PN-EN 1043-1 2000 PN-EN 23878-1996 PN-EN 24498-1 1996 PN-ISO 4498-2 2000 PN-ISO 4384-1 1996 PN-ISO 4384-2 1996 PN-93/H-04357 PN-64/M-69751 PN-EN 288-3 1994 PN-EN 288-4 1997 PN-EN ISO 6506-2 2002 PN-EN ISO 6506-3 2002 PN-EN ISO 6507-2 1999 PN-EN ISO 6507-3 1999 PN-EN ISO 6508-2 2002 PN-EN ISO 6508-3 2002 Spawalnictwo. Badania niszczące metalowych złączy spawanych. Próba twardości złączy spawanych łukowo. Węgliki spiekane. Pomiar twardości sposobem Vickersa Spiekane materiały metaliczne z wyjątkiem węglików spiekanych. Pomiar twardości pozornej materiałów o zasadniczo jednorodnej twardości na przekroju. Spiekane materiały metaliczne z wyjątkiem węglików spiekanych. Pomiar twardości pozornej. Utwardzone dyfuzyjnie materiały na osnowie żelaza, wzbogacone powierzchniowo w węgiel lub węgiel i azot. Łożyska ślizgowe. Pomiar twardości materiałów łożyskowych. Materiały wielowarstwowe Łożyska ślizgowe. Pomiar twardości materiałów łożyskowych. Materiały monolityczne. Stal i staliwo. Tablice porównawcze twardości określonej sposobem Rockwella, Vickersa, Brinella, Shore a i wytrzymałości na rozciąganie Próba twardości złącz spawanych i zgrzewanych Wymagania dotyczące technologii spawania metali i jej uznawanie. Badania technologii spawania łukowego stali. Wymagania dotyczące technologii spawania metali i jej uznawanie. Badania technologii spawania łukowego aluminium i jego stopów. Metale. Pomiar twardości sposobem Brinella. Sprawdzanie twardościomierzy Metale. Pomiar twardości sposobem Brinella. Kalibracja wzorców twardości do sprawdzania twardościomierzy Brinella. Metale. Pomiar twardości sposobem Vickersa. Sprawdzanie twardościomierzy. Metale. Pomiar twardości sposobem Vickersa. Kalibracja wzorców twardości.. Metale. Pomiar twardości sposobem Rockwella. Sprawdzanie twardościomierzy. Metale. Pomiar twardości sposobem Rockwella.Kalibracja wzorców twardości do sprawdzania twardościomierzy Rockwella. Polski Komitet Normalizacyjny Pomiar twardości metali sposobem Brinella Metoda badania PN-EN ISO 6506-1 1. PRZEDMIOT NORMY Przedmiotem normy jest pomiar twardości metali sposobem Brinella polegający 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 tym sposobem określa się na podstawie średnicy odcisku kulki; zmierzonej po jej odciążeniu. Twardość Brinella jest proporcjonalna do ilorazu siły obciążającej i pola powierzchni odcisku. Odcisk przyjmuje się jako część sfery o promieniu odpowiadającym połowie średnicy kulki. 4
Rys. Pomiar twardości metodą Brinella: D-średnica kulki, d- średnica odcisku, F-siła obciążająca, h-głębokość odcisku, A)- badany materiał przed odciążeniem, B)-badany materiał po odciążeniu 2. ZAKRES STOSOWANIA. Pomiar twardości sposobem Brinella stosuje się: przy użyciu kulki stalowej, do badania metali o twardości do 450 HB, przy użyciu kulki z węglików spiekanych, do badania metali o twardości do 650 HB. W przypadku twardości powyżej 350 HB, należy odróżnić w zapisie wartości liczbowe twardości uzyskane przy użyciu kulki stalowej (HBS) od wartości liczbowych twardości, uzyskanych przy użyciu kulki z węglików spiekanych (HBW). 3. PRÓBKI Powierzchnia badanej próbki lub przedmiotu w miejscu pomiaru twardości powinna być płaska i gładka, oczyszczona ze zgorzeliny, smaru itp. Przy wygładzaniu nie wolno dopuścić do zmiany twardości przez nagrzanie lub zgniot. Chropowatość powierzchni próbek obrobionych mechanicznie wyrażona parametrem Ra,nie powinna przekraczać 5µm. Obróbkę powierzchni badanej próbki lub przedmiotu można wykonać przez szlifowanie. Przy pomiarze twardości za pomocą kulki średnicy D 1mm powierzchnię próbki należy wypolerować. Kształt próbki może być dowolny pod warunkiem zastosowania do pomiarów odpowiedniego stolika stanowiącego wyposażenie twardościomierza, zapewniającego: - prostopadłość powierzchni pomiarowej lub jej płaszczyzny stycznej do kierunku działania siły obciążającej, - położenie próbki bez odkształceń sprężystych i przesunięć pod wpływem działania obciążenia. Grubość próbki (s) powinna być co najmniej 8 razy większa niż głębokość odcisku h. Na odwrotnej stronie próbki nie powinno być śladów odkształceń wywołanych działaniem siły obciążającej wgłębnik. 4. POMIAR Pomiar przeprowadza się w temperaturze otoczenia mieszczącej się w zakresie od 10 0 C do 35 0 C. W badaniach kontrolnych pomiary powinny być wykonane w temperaturze (23±5) 0 C; Należy stosować wartości sił obciążających zgodnie z normą (zakres 9,807N - 29420N) Siła obciążająca powinna być wybrana tak, aby średnica odcisku d znajdowała się między wartościami 0,24D i 0,6D, Głębokość odcisku powinna być co najmniej 8 razy mniejsza od grubości próbki, Jeżeli tylko grubość próbki na to pozwala, to zaleca się stosowanie kulki o średnicy 10mm. (stosowane kulki pomiarowe 1, 2.5, 5, 10 mm). Stosunek iloczynu 0,102 F do kwadratu średnicy penetratora D 2 powinien przyjmować wartości zgodne z danymi w tablicy nr 3 normy (od 30 dla stali i metali twardych do 1 dla metali miękkich, takich jak cyna i ołów). Podczas pomiaru czas obciążenia powinien wynosić od 10s do 15s. Dla wybranych materiałów metalowych spełnienie powyższych wymagań zapewnia następujący dobór 5
penetratorów, sił obciążających i minimalnych grubości badanych obiektów: Materiał Twardość 0,102 F/D 2 D [mm] F [N] Wymagana minimalna grubość próbki [mm] dla materiałów: twardych miękkich 10 29420 1,17 8,0 Stal Żeliwo Stopy Cu Żeliwo Stopy Cu Stopy metali lekkich 650 140 200 140 200 35-80 30 10 5 7355 0,58 4 2,5 1839 0,29 2 1 294 0,08 0,8 10 9807 1,17 8,0 5 2452 0,58 4 2,5 613 0,29 2 1 98 0,08 0,8 Odległość od brzegu próbki do środka każdego odcisku powinna być co najmniej dwa i pół razy większa od średniej średnicy odcisku. Odległość między środkami dwóch sąsiednich odcisków powinna być co najmniej trzy razy większa od średniej średnicy odcisku. Schemat ilustrujący minimalne odległości między odciskami i brzegiem próbki. Twardość Brinella HB.. (HBW.. lub HBS..) Dokładność w jednostkach twardość Brinella do 10 0,01 powyżej 10 do 100 0,1 powyżej 100 1 Dopuszcza się przeliczanie twardości Brinella na twardości określone innym sposobem wg PN- 76/H-04357, co powinno być zaznaczone w protokole badania. 5. PROTOKÓŁ BADANIA tabela. Dokładność podawania wyników Protokół pomiaru powinien zawierać następujące informacje: a) powołanie normy międzynarodowej ISO 6506-1; b) wszystkie informacje niezbędne do identyfikacji próbki do badań; c) dane dotyczące temperatury pomiarów, o ile wykracza poza zakres (23±5) 0 C; d) otrzymany wynik pomiaru; e) opis wszystkich czynności nie wyszczególnionych w niniejszej części normy ISO 6506; f) szczegóły wszystkich okoliczności, które mogły mieć wpływ na wyniki pomiaru; UWAGA 1 - Nie ma możliwości dokładnego przeliczenia twardości Brinella na inne twardości lub na wytrzymałość na rozciąganie. Dlatego należy unikać takiego przeliczania, chyba że można to 6
zrobić na podstawie wykonanych pomiarów porównawczych. UWAGA 2 - W przypadku materiałów anizotropowych, np. silnie umocnionych przez zgniot, mogą wystąpić różnice między długościami dwóch średnic odcisku. Wymagania dotyczące wyrobu powinny określić ograniczenia dla tych różnic. Pomiar twardości na twardościomierzu Brinella przedstawiono na rysunku niżej. 1. próbka, 2. stolik, 3. wgłębnik, 4. zawór cylindra, 5. pompka, 6. zbiornik oleju, 7. cylinder, 8. tłok, 9. manometr, 10. tłoczek podnoszący obciążenie 11. Zaletami tej metody są: 1) możliwość pomiaru twardości w obszarze makro, 2) jedna skala twardości, 3) istnieje relacja między twardością a wytrzymałością. Próbkę 1 ułożoną na stoliku 2 podnosi się wraz ze stolikiem aż do zetknięcia się z wgłębnikiem 3, a następnie po zamknięciu zaworu 4, za pomocą pompki 5 przetłacza się olej ze zbiornika 6 do cylindra 7. Pod wpływem ciśnienia tłok 8 wciska wgłębnik 3 w próbkę 1, a równocześnie manometr 9 wskazuje ciśnienie odpowiadające sile nacisku F. Wskazania manometru nie są dokładne. Jako dokładny wskaźnik służy tłoczek 10 obciążony szalka i ciężarkami 11 dobranymi odpowiednio do zamierzonego nacisku. Po osiągnięciu właściwej siły, tłoczek z szalką powinien się unieść około 10 15mm. Po odpowiednim czasie otwiera się zawór 4, odciąża się próbkę, a następnie opuszcza się stolik i zdejmuje próbkę, w celu dokonania pomiaru średnicy odcisku. Wyniki pomiarów zestawia się w tabeli pomiarowej. Mając zmierzoną średnią średnicę odcisku, twardość oblicza się według wzoru lub odczytuje się z odpowiednich tablic. Wadami zaś są: 1) kłopotliwy pomiar średnic odcisku i względnie pracochłonne obliczanie twardości, 2) nie nadaje się do pomiaru twardości materiałów twardych, warstw utwardzonych i małych przedmiotów, 3) pomierzona twardość jest zależna od siły nacisku, 4) nie można mierzyć twardości dużych gotowych wyrobów. Procedura okresowego sprawdzania twardościomierzy przez użytkownika W przypadku rutynowego sprawdzania procedura pośredniego sprawdzania jest zbyt czasochłonna i kosztowna. W tym celu zalecana jest następująca procedura. Wykonać przynajmniej jedno okresowe sprawdzenie twardościomierza w każdym dniu pracy. Przed sprawdzeniem wykonać przynajmniej dwa próbne odciski w celu zapewnienia, że próbka, wgłębnik i stolik są osadzone prawidłowo. Pomiary wstępnych odcisków należy odrzucić. Wykonać przynajmniej jeden pomiar twardości na płytce wzorcowej, w przybliżeniu o tej samej twardości co materiał przeznaczony do badań. Jeżeli różnica między zmierzoną twardością wzorca a jego twardością nominalną mieści się w zakresie podanym w tablicy 2 ISO 6506-2:1999. twardościomierz można uważać za sprawny. Jeżeli nie, powinno się przeprowadzić sprawdzenie pośrednie. 7
Przykładowa tabela: Wyniki badań pomiarów twardości sposobem Brinella wg wymagań normy PN-EN ISO 6506-1 Przedmiot badań: stal..., grubość próbki... Temperatura otoczenia:.. 1 2 3 4 5 6 lp d 1 d 2 d śr HBW 10/3000 Twardość średnia:...hbw 10/3000 Polski Komitet Normalizacyjny Próba twardości metodą Rockwella Metoda badania PN-EN ISO 6508-1 1.PRZEDMIOT NORMY Przedmiotem normy jest pomiar twardości metali sposobem Rockwella, polegający na wciśnięciu wgłębnika diamentowego w postaci stożka w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami A, C, D lub wgłębnika stalowego w postaci kulki w próbkę o twardości w zakresach przewidzianych skalami B, E, F, G, H i K. 2. ZASADA POMIARU. Pomiar polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika siłą wstępną F0 i siłą główną F1 w badaną próbkę przy określonych w normie warunkach obciążania. Wynik odczytuje się w jednostkach twardości HR na odpowiednio wyskalowanym czujniku. 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). 8
Pomiar twardości sposobem Rockwella 3. PRÓBKI Kształt próbki może być dowolny, pod warunkiem zastosowania do pomiarów twardościomierza ze stolikiem zapewniającym: prostopadłość powierzchni pomiarowej do kierunku działania obciążenia, ułożenie próbki bez odkształceń sprężystych i przesunięć pod wpływem działania obciążenia. Pobieranie próbek i przygotowanie ich powierzchni do pomiaru należy wykonać w sposób nie wpływający na wyniki pomiaru twardości. Próbka w miejscu pomiaru i styku ze stolikiem twardościomierza powinna być wolna od smarów, zanieczyszczeń, warstwy tlenków i innych obcych ciał. Grubość próbki, badanej części lub badanej warstwy metalu powinna wynosić co najmniej 10 e, co odpowiada: w przypadku skal twardości Rockwella A, C, D grubości 10 (100 HR) 0,002 mm w przypadku skal twardości Rockwella B, G, K, F, E, H grubości 10 (130 HR) 0,002 mm. Powierzchnia próbki w miejscu pomiaru powinna być równa, płaska i gładka, o średnim arytmetycznym odchyleniu profilu chropowatości Ra nie przekraczającym 2,5 mm. 4.Twardościomierz Ustawienie twardościomierza. Twardościomierz powinien być ustawiony w miejscu wolnym od wstrząsów i drgań. Konstrukcja twardościomierza powinna zapewniać: uzyskanie wartości sił obciążających wgłębnik zwiększenie nacisku na wgłębnik wzdłuż osi działania obciążenia do osiągnięcia żądanej siły wstępnej F0 oraz do osiągnięcia żądanej siły głównej F1 w ciągu 2 8 s w sposób płynny, bez wstrząsów i drgań, stałość siły obciążającej w czasie działania obciążenia całkowitego F. 9
Wgłębnik powinien być wykonany jako: a) wgłębnik diamentowy w postaci stożka prostego; część robocza wgłębnika powinna być wypolerowana i nie może wykazywać pęknięć, zadrapań, wykruszeń lub innych wad powierzchniowych b) wgłębnik stalowy w postaci kulki w stanie ulepszonym cieplnie, twardości nie mniejszej niż 850 HV 10 i średnicy: 1,588 mm ± 0,003 mm do pomiaru twardości wg skal B, F, G, 3,175 mm ± 0,004 mm do pomiaru twardości wg skal E, H, K. Powierzchnia kulki stalowej powinna być wypolerowana i bez wad. Czujnik powinien zapewnić dokładność odczytu wskazania wynoszącą co najmniej 0,5 jednostki HR 5.WYKONANIE POMIARU Pomiar twardości przeprowadza się w temperaturze otoczenia mieszczącej się w zakresie od 10 o C do 35 o C, Próbka powinna być umieszczona na stoliku twardościomierza w sposób umożliwiający prawidłowe wykonanie pomiaru. Przy wykonywaniu pomiarów na próbkach o powierzchniach cylindrycznych należy zastosować odpowiednie podkładki w kształcie litery V. Podkładki o twardości nie mniejszej niż 60 HRC powinny być umieszczone na stoliku twardościomierza w sposób umożliwiający prawidłowe wykonanie pomiaru. Pomiar twardości materiału o nieznanej twardości należy wykonywać z zastosowaniem wgłębnika diamentowego. Odległość środków dwóch sąsiednich odcisków powinna odpowiadać co najmniej czterokrotnej średnicy odcisku, lecz nie powinna być mniejsza niż 2 mm. Odległość między środkiem odcisku a krawędzią próbki powinna odpowiadać co najmniej dwu i półkrotnej średnicy odcisku, lecz nie powinna być mniejsza niż l mm. Siłę wstępną f0 = 98,07 N uzyskuje się przez dociśnięcie stolikiem próbki do wgłębnika twardościomierza, należy przy tym zwrócić uwagę, aby obciążenie siłą wstępną nie zostało przekroczone. Po ustawieniu urządzenia pomiarowego w położeniu zerowym (początkowym) wgłębnik twardościomierza należy obciążać siłą główną F1 łagodnie, bez wstrząsów i drgań do osiągnięcia obciążenia siłą całkowitą F. Przy utrzymaniu obciążenia siłą wstępną f0 czas obciążenia wgłębnika siłą główną F1 powinien wynosić: l 3 s dla metali, które w warunkach pomiaru wykazują odkształcenie plastyczne niezależne od czasu trwania obciążenia wgłębnika siłą całkowitą F (wyraźne zatrzymanie wskazań urządzenia pomiarowego), l 5 s dla metali, które w warunkach pomiaru wykazują nieznaczną zależność odkształceń plastycznych od czasu trwania obciążenia wgłębnika siłą całkowitą F (nieznaczny przyrost wskazań urządzenia pomiarowego), 10 15 s dla metali, które w warunkach pomiaru wykazują odkształcenie plastyczne znacznie zależne od czasu trwania obciążenia wgłębnika siłą całkowitą F (ciągły powolny przyrost wskazań urządzenia pomiarowego). 6. PROTOKÓŁ BADANIA Protokół pomiaru twardości powinien zawierać: a) oznaczenie próbki i inne dane charakteryzujące badany metal, b) wynik pomiaru uzupełniony jednostką twardości Rockwella i literą określającą jego skalę c) opis czynności dodatkowych przy przeprowadzaniu pomiaru, nie określonych wymaganiami normy, d) d)inne czynniki mogące mieć wpływ na wyniki pomiaru twardości, np. czas działania obciążenia inny niż określono w niniejszej normie, rodzaj powierzchni itp. 10
Schemat aparatu Rockwella przedstawiono na rysunku niżej. 1. stolik, 2. próbka, 3. wgłębnik, 4. uchwyt wgłębnika, 5. czujnik, 6. przegub dźwigni, 7. dźwignia, 8. amortyzator olejowy, 9. ciężarki, 10. urządzenie do podnoszenia dźwigni, 11. pokrętło do podnoszenia stolika 1. Sposób pomiaru jest następujący. Na stoliku 1 kładzie się próbkę 2 i pokręcając pokrętłem 11 podnosi się próbkę aż do zetknięcia się z wgłębnikiem 3, co poznaje się po drgnięciu wskazówki czujnika 5. Od tego położenia podnosi się stolik jeszcze o wysokość odpowiadającą trzem obrotom wskazówki czujnika tak, aby wskazówka stanęła w pozycji pionowej w górę z dokładnością ±5 działek; spowoduje to uniesienie się samej dźwigni, której ciężar jest tak dobrany, że na wgłębniku uzyskuje się nacisk wstępny Fo 98N. W tym położeniu nastawia się czujnik 5 na wskazanie początkowe 100 w skali C przy stosowaniu stożka diamentowego, lub 130 (30 + pełny obrót wskazówki) w skali B, przy zastosowaniu kulki.w twardościomierzach Rockwella stosuje się czujnik zegarowy z podziałką dzieloną na 100 działek. Przesunięcie trzpienia czujnika o 0,01mm odpowiada jednej działce. Ponieważ stosunek ramion a b 1 5, to jednej działce odpowiada przesunięcie wgłębnika o 0,002mm. Następnie zwalnia się dźwignię 10, co powoduje przyłożenie obciążenia głównego F1, którego wartość została ustalona przez zawieszenie na szalce odpowiedniego ciężarka 9. W tym czasie wskazówka czujnika cofa się do liczb mniejszych w miarę, jak rośnie obciążenie na wgłębniku, gdyż amortyzator olejowy 8 powoduje powolne wzrastanie siły. Gdy siła osiągnie pełną wartość zaczyna się mierzyć czas i po 10 15 sekundach podnosi się dźwignię 10. Po tej czynności wskazówka czujnika wskazuje badaną twardość, którą należy zanotować w tabeli pomiarowej. Pomiar należy powtórzyć co najmniej trzykrotnie. Zaletami tej metody są: 1) możliwość pomiarów twardości materiałów o różnych twardościach, 2) duża szybkość pomiarów, dzięki czemu metoda ta nadaje się do pomiarów masowych. Wadami zaś są: 1) istnieje wiele źródeł błędów, szczególnie wynikających z pomiaru głębokości odcisku, 2) duża liczba skal umownych i przez to konieczność porównywania ich za pomocą tablic, 3) nierównomierność skal, 4) nie można mierzyć twardości dużych gotowych wyrobów. 11
Przykładowe tabele: Wyniki pomiarów twardości sposobem Rockwella wg wymagań normy PN-EN ISO 6508-1 Przedmiot badań: stal..., grubość próbki... Temperatura otoczenia:. HRC Nr pomiaru 1 2 3 4 5 6 Wynik średni Przedmiot badań: stal..., grubość próbki... Temperatura otoczenia: HRB Nr pomiaru 1 2 3 4 5 6 Wynik średni Polski Komitet Normalizacyjny Pomiar twardości metali sposobem Vickersa Metoda badania PN-EN ISO 6507-1 1. PRZEDMIOT NORMY Przedmiotem normy jest pomiar twardości metali sposobem Vickersa w zakresie od HV0,2 do HV100, polegający na wciśnięciu w określonym czasie diamentowego wgłębnika w badaną próbkę przy wybranym obciążeniu od 1,961 do 980,7 N. Zasada pomiaru: wgłębnik diamentowy wciska się prostopadle w próbkę siłą obciążającą F, przyłożoną przez określony czas t. Po odciążeniu mierzy się długość przekątnych d1 i d2 odcisku powstałego na powierzchni próbki Twardość Vickersa wyraża się stosunkiem siły F do powierzchni pobocznicy odcisku, obliczonej z średniej arytmetycznej wartości długości przekątnych. Oznaczenia wielkości i ich określenia - wg tabl.1 z PN-91/H-04360 i rysunek poniżej. Zasada oznaczenia twardości Vickersa. - PN-EN ISO 6507-1. 12
Pomiar twardości metodą Vickersa 2. PRÓBKI Kształt próbki może być dowolny pod warunkiem zastosowania przy pomiarach odpowiedniego stolika twardościomierza. Pobieranie i przygotowanie próbek do pomiaru. Pobieranie próbek i przygotowanie powierzchni do pomiaru należy wykonać w sposób nie wpływający na wyniki twardości np.: a) Powierzchnie w miejscu pomiaru i styku próbki ze stolikiem twardościomierza powinny być wolne od zanieczyszczeń. b) Powierzchnia próbki w miejscu pomiaru powinna być płaska, a jej chropowatość nie powinna przekraczać 2,5 µm Ra wg PN-EN ISO 6507-1. c) W przypadkach koniecznych pomiar twardości może być wykonany na próbkach o powierzchniach wypukłych i wklęsłych, przy czym należy wprowadzić korektę wyniku pomiaru. d) Dla próbek o przekroju poprzecznym bardzo małym lub nieregularnym, należy przewidzieć dodatkowe podparcie próbki, np. przez wtopienie jej w żywicę. Grubość próbki lub badanej warstwy metalu powinna wynosić co najmniej 1,5 d. Na odwrotnej stronie próbki nie powinno być śladów odkształceń, wywołanych działaniem obciążenia wgłębnika. 3. WYKONANIE POMIARU Pomiar twardości przeprowadza się w temperaturze otoczenia, jeśli nie uzgodniono inaczej. W przypadku badań rozjemczych, pomiar twardości należy przeprowadzać w temperaturze 23±5 o C. Liczba pomiarów: Jeżeli w normach przedmiotowych nie podano inaczej, należy wykonać co najmniej trzy odciski dla określenia średniej arytmetycznej wartości twardości metalu. Rozmieszczenie odcisków. Odległość między środkiem odcisku a krawędzią próbki nie powinna być mniejsza: niż 2,5 d dla stali, miedzi i stopów miedzi oraz 3 d dla metali lekkich, ołowiu, cynku i ich stopów miedzi oraz 6 dla metali lekkich, ołowiu, cyny i ich stopów. Obciążenie wgłębnika: Przy standardowym pomiarze twardości Vickersa HV30 nominalna siła całkowita obciążająca wgłębnik wynosi 294,2 N. Dopuszcza się stosowanie innych sił obciążających wgłębnik wg PN-91/H-04360 tab. 2 oraz załącznika 2. Czas działania obciążenia liczony od momentu osiągnięcia całkowitej siły F obciążającej wgłębnik powinien wynosić 10-15 s. Pomiar długości przekątnych odcisku należy wykonać na mikroskopie pomiarowym wg PN-91/H- 04360. Podawanie wyników pomiaru twardości Vickersa. Na podstawie średnich arytmetycznych wartości pomierzonych długości przekątnych odcisku, w zależności od użytego obciążenia, wynik pomiaru twardości Vickersa należy podać z dokładnością określoną w PN-91/H-04360 załącznik 3. 4. PROTOKÓŁ BADANIA Protokół pomiaru twardości powinien zawierać: 13
a) oznaczenie próbki b) wyliczoną średnią twardość, c) wielkość zastosowanej siły F obciążającej wgłębnik, d) czas działania całkowitej siły obciążającej wgłębnik, jeżeli jest inny niż 10-15s. Schemat aparatu Vickersa przedstawiony jest na rysunku poniżej. 1. przycisk znormalizowanych obciążeń, 2. próbka, 3. stolik, 4. pokrętło do podnoszenia stolika, 5. mikroskop, 6. oświetlenie, 7. przycisk obciążenia próbki, 8. amortyzator, 9. wgłębnik diamentowy, 10. obiektyw, 11. dźwignia. Sposób pomiaru jest następujący. Jednym z przycisków 1 ustala się wartość siły nacisku na wgłębnik i włącza się oświetlenie. Próbkę 2 kładzie się na stolik 3i obracając nakrętkę 4 podnosi się przedmiot w górę aż do uzyskania na matówce 5 wyraźnego obrazu powierzchni próbki. Następnie przyciskiem 7 włącza się obciążenie i jednocześnie powoduje to na skutek zadziałania elektromagnesów przesunięcie wgłębnika 9 na miejsce obiektywu 10 w pozycje pionową. Dzięki amortyzatorowi hydraulicznemu 8 wgłębnik diamentowy 9 zostaje powoli wciskany w powierzchnię badaną, a dźwignia 11 podnosi się w górę. Po dojściu dźwigni do położenia górnego na próbkę działa pełna siła i wtedy zaczyna się liczyć czas obciążenia. Po odczekaniu właściwego czasu, naciska się dźwignię 11 w dół do zadziałania zapadki. Wtedy obciążenie zostaje zdjęte, obiektyw 10 wraca do pozycji pionowej, a na matówce ukazuje się odcisk w postaci kwadratu. Na matówce jest naniesiona skala, której największa działka przy powiększeniu 70-krotnym oznacza 0,1mm, a małe działki 0,01mm. Działka na śrubie mikrometrycznej odpowiada 0,001mm. Przy powiększeniu 140-krotnym, pomiaru dokonuje się w tej samej skali zaś wynik dzieli się przez dwa i zapisuje w tabeli pomiarowej. Pomiar należy powtórzyć co najmniej trzykrotnie. Mając wartość średnią przekątnej kwadratu odczytuje się twardość z tablic lub oblicza ze wzoru. Zaletami tej metody są: 1) prawie jednakowa twardość z twardością uzyskaną metoda Brinella, 2) twardość nie zależy od wartości siły, 3) nadaje się do pomiaru materiałów o różnych twardościach, 4) nadaje się do pomiaru przedmiotów małych i cienkich warstw utwardzonych, 5) praktycznie nie niszczy przedmiotu, 6) duża dokładność pomiarów. Wadami zaś są: 1) konieczność dokładnego oczyszczenia powierzchni, 2) długotrwałość pomiarów, 3) nie można mierzyć twardości dużych wyrobów. 14
Przykładowa tabela: Wyniki badań twardości sposobem Vickersa wg, normy PN-EN ISO 6507-1 Przedmiot badań: stal..., grubość próbki... Siła obciążająca:...n Temperatura otoczenia:.. lp d 1 d 2 d śr HV... 1 2 3 4 5 6 Twardość średnia:...hv... Polski Komitet Normalizacyjny Próba twardości metali przy pomocy młotka Poldi. Metoda badania PN-EN ISO Zalicza się ją do grupy pomiarów dynamicznych. Znalazła ona szczególnie duże zastosowanie przy pomiarze twardości dużych lub nieprzenośnych elementów. Próba polega na równoczesnym wciśnięciu kulki w powierzchnię próbki wzorcowej / o znanej twardości HB / i w powierzchnię badanego materiału, na skutek uderzenia młotkiem o ciężarze 49 N / 0,5 kg / w sworzeń młotka Poldi. Następnie dokonuje się pomiarów średnic odcisków: d1 w płytce wzorcowej i d2 w badanym materiale. Twardość badanego materiału wyznacza się w oparciu o wyniki pomiarów średnic odcisków ze wzoru: Otrzymane wyniki są orientacyjną twardością badanego materiału w stopniach Brinella. Metoda Poldi nadaje się do szybkich porównawczych pomiarów twardości. Metoda ta jest mało dokładna i mimo prób zwiększenia jej dokładności nie zapewnia ona wiarygodnych wyników. Ponadto ze względu na szybkie zużywanie się płytki wzorcowej i ich duży koszt, metoda ta jest bardzo nieekonomiczna i możliwość szerszego stosowania jest bardzo problematyczna. Takie wyznaczanie dynamicznej twardości jest bardzo dogodne przy badaniu metali w temperaturach podwyższonych, gdyż dzięki bardzo krótkiemu stykowi kulki z badanym przedmiotem otrzymany odcisk odpowiada rzeczywiście twardości w temperaturze podwyższonej. Metoda dynamicznego wciskania kulki ma również zastosowanie do pomiarów twardości dużych przedmiotów, których twardości nie można mierzyć sposobami statycznymi wciskania wgłębnika. 15
PYTANIA KONTROLNE Młotek Poldi. 1. uchwyt, 2. oprawa kulki, 3. wzorzec, 4. sworzeń, 5. sprężyna, 6. kulka o średnicy D=10mm. W przypadku dużych elementów, z których nie można wyciąć próbek do badań opisanymi poprzednio metodami, pomiaru twardości dokonuje się za pomocą młotka Poldi. Jest to proste urządzenie pokazane na rysunku, pozwalające na umieszczenie kulki 6 o średnicy 10mm między elementem badanym, a wzorcem 3 o znanej twardości Brinella. Na skutek uderzenia młotkiem w sworzeń 4 powstaje odcisk na wzorcu i elemencie badanym. W tej metodzie wartość nacisku nie jest znana. Po zmierzeniu średnic odcisków na wzorcu d 1 i na elemencie badanym d 2 wyznacza się szukaną wartość wg wzoru. Pomiar twardości za pomocą młotka Poldi będzie tym dokładniejszy, im twardość próbki wzorcowej będzie bliższa twardości elementu badanego. Zaletą tej metody jest możliwość pomiarów twardości dużych gotowych wyrobów o dowolnym kształcie i wymiarach we wszystkich dostępnych miejscach. Wadami zaś powstawanie zbyt dużych odcisków (D=10mm) i małe dokładności pomiarów. 1. Zdefiniuj pojęcie twardości. 2. Co powoduje źle dobrana twardość metalu? 3. Jakie są metody pomiaru twardości i na czym polegają? 4. Podaj definicję twardości wg. Brinella. 5. Jakie są zalety i wady metody Brinella? 6. Podaj definicję twardości wg. Vickersa 7. Jakie są zalety i wady metody Vickersa? 8. Podaj definicję twardości wg. Rockwella. 9. Jakie są zalety i wady metody Rockwella? 10. Na czym polega pomiar twardości metodą Rockwella. 11. Na czym polega pomiar twardości metodą Vickersa. 12. Na czym polega pomiar twardości metodą Brinella. 13. Opisz działanie młotka Poldi. 14. Na czym polega wyznaczenie twardości za pomocą młotka Poldi? 15. Kiedy stosujemy metodę dynamiczną badania twardości? 16. Jakie są wady i zalety metody młotka Poldi? 17. Dokonaj porównania skali twardości HRC i HRB. 18. Dokonaj porównania skali twardości HV i HB 19. Jak dokonujemy pomiaru odcisku w metodzie Vickers? 20. Jakie dane są potrzebne do obliczenia twardości HB? 21. Jakie dane są potrzebne do obliczenia twardości HV? 22. Jaki jest związek między twardością HB a wytrzymałością R. 16