Twardosc_pop.pdf

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA

KATEDRA MECHANIKI I PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN

Ćwiczenia laboratoryjne

z Wytrzymałości Materiałów

Pomiary twardości metali

Opracował : dr inż. Konrad Konowalski

Szczecin 2005 r.

Wprowadzenie

Twardość jest miarą odporności materiału ( ciała stałego) przeciw lokalnym odkształceniom

trwałym, powstałym na powierzchni badanego przedmiotu wskutek wciskania w nią drugiego

twardszego ciała zwanego wgłębnikiem. Wgłębnikiem jest zazwyczaj kulka stalowa albo stożek

lub ostrosłup. Można wyróżnić następujące metody badań twardości:

• Metoda ryskowa

• Metody statyczne

• Metody dynamiczne

Metoda ryskowa . Jest to jedna z najstarszych metod i polega na przyrównywaniu twardości

badanego materiału do twardości wybranych minerałów. Zaproponowana została przez Mohsa,

który wybranym minerałom przyporządkował kolejne liczby od 1 do 10 , tabeli1 Tworzą one

skalę twardości minerałów. O tym który minerał reprezentuje większą twardość decyduje

możliwość jego zarysowania. Na przykład kwarc zarysowuje ortoklaz, natomiast jest

zarysowywany przez topaz i stąd jego miejsce na skali Mohsa jest między tymi dwoma

minerałami.

Tabela1

Twardość

według

skali

Mohsa

Minerał talk gips kalcyt fluoryt apatyt ortoklaz kwarc topaz korund diament

Metody statyczne . W metodach tych twardość materiału określa się w zależności od wartości siły

obciążającej wgłębnik i wielkości odkształcenia trwałego wywołanego działaniem tej siły. Do

najbardziej rozpowszechnionych metod statycznych zalicza się metodę Brinella, metodę

Rockwella i metodę Vickersa. Wybór metody zależy od twardości badanego materiału oraz od

grubości badanego elementu lub badanej warstwy.

Metody dynamiczne . Dynamiczne pomiary twardości wykonywane są znacznie rzadziej niż

statyczne. Bezpośrednią przyczyną takiej sytuacji jest ich mniejsza dokładność. Wykorzystuje się

je przeważnie dla celów kontroli pracy i jakości materiałów. Dynamiczny pomiar twardości

polega na udarowym działaniu wgłębnika na badaną powierzchnię. Wyróżnić tu można metodę

Shore’a oraz metodę porównawczą za pomocą młotka Poldi’ego

Metoda Shore’a polega na pomiarze wysokości odbicia od badanego materiału swobodnie

spadającego z określonej wysokości ciężarka stalowego o masie 2.626g zakończonego twardym

wgłębnikiem. Jest ona najczęściej stosowana do pomiaru twardości gumy Przedstawiono ją

schematycznie na rys.1. Ze względu na krótki czas pomiaru znalazła ona zastosowanie w

masowym pomiarze twardości małych przedmiotów. Ponieważ wysokość odbicia ciężarka zależy

oprócz twardości od modułu sprężystości materiału wyskalowany skleroskop nadaje się tylko do

pomiaru twardości materiałów o jednakowym module Younga.

Metoda porównawcza pomiaru twardości przy pomocy młotka Poldi’ego polega na

jednoczesnym wgnieceniu stalowej kulki w badany materiał oraz w płytkę wzorcową uderzeniem

młotka o masie 0.5 kg. Twardość określa się na zasadzie porównania odcisku w badanym

materiale i płytce wzorcowej.

Rys.1. Schemat pomiaru twardości metodą Shore’a [2]

Rys.2. Schemat pomiaru twardości za pomocą młotka Poldi’ego[2]

Materiały mogą być badane na makrotwardość i mikrotwardość. Przy badaniu makrotwardości

określa się twardość materiału jako całości, natomiast przy badaniach mikrotwardości określa się

twardość poszczególnych składników strukturalnych danego materiału. Próby mikrotwardości

stosowane są również ze względu na konieczność pomiaru twardości elementów o bardzo

małych wymiarach takich jak:

druty o średnicach rzędu 0.1 mm,

żyletki w przekroju poprzecznym,

cienkie warstwy galwaniczne, nawęglane, azotowane itp.

gdzie użycie dużych sił grozi uszkodzeniem badanych elementów. Zastosowanie małych

obciążeń wywieranych przez wgłębnik na badaną próbkę powoduje uzyskiwanie bardzo małych

odcisków. Aparatura przeznaczona do pomiaru takich odcisków musi gwarantować dużą

dokładność odczytu. Wśród badań mikrotwardości można wymienić metodę Vickersa i Knoopa.

W tego rodzaju badaniach obciążenia przyjmują wartości niższe od 9.8 N. Metoda Knoopa

polega na wciskaniu w badany materiał diamentowego ostrosłupa o podstawie rombu. Twardość

określa się jako stosunek siły obciążającej do powierzchni rzutu odcisku. Metoda ta służy do

pomiarów twardości i mikrotwardości podobnie jak metoda Vickersa. Jest jednak ona

dokładniejsza w porównaniu do metody Vickersa.

Badania twardości są szeroko stosowane w przemyśle przy kontroli zarówno półfabrykatów jak i

wyrobów gotowych np. przy sprawdzaniu prawidłowości obróbki cieplnej.. Jako przykład można

podać czop wału korbowego silnika spalinowego. Powierzchnia zewnętrzna czopa

współpracująca z panewką powinna mieć dużą twardość w celu zapewnienia odporności na

ścieranie. Jednocześnie ze względu na charakter pracy wału korbowego ( duże obciążenia

dynamiczne) wymaga się, aby rdzeń charakteryzował się dużą udarnością. Wynika stąd że w

przekroju poprzecznym wału twardość czopa powinna być zmienna. Największa na powierzchni

zewnętrznej i malejąca w kierunku osi czopa. Zbyt duża twardość może powodować np.

łuszczenie się powierzchni lub szybsze zużycie elementów współpracujących, zbyt mała trudność

w uzyskaniu wymaganej gładkości.

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi metodami pomiaru twardości

metali ( Brinella, Rockwella, Vickersa), urządzeniami służącymi do tego celu oraz praktycznym

określeniem twardości różnych metali tymi metodami. Na podstawie zmierzonej twardości HB (

w stopniach Brinella), należy wyznaczyć orientacyjną wartość R m badanych materiałów,

porównać ją z wartością ( R m ) podaną w odpowiedniej normie materiałowej i przeprowadzić

dyskusję otrzymanych wyników.

3. Pomiar twardości metodą Brinella.

Metoda Brinella polega na wciskaniu pod obciążeniem wgłębnika w postaci hartowanej kulki

stalowej lub kulki z węglików spiekanych o średnicy D , w powierzchnię badanego materiału w

określonym czasie. Nazwa tej metody pochodzi od nazwiska jej twórcy Brinella, który

wprowadził ją w 1900 roku. Według normy PN-EN ISO 6506-1;2002 jako wgłębniki używane

są kulki stalowe hartowane o znormalizowanych średnicach 1,0; 2,5; 5; 10 mm. Zalecana

średnica kulki wynosi 10 mm.

Twardość Brinella określa stosunek siły P wciskającej wgłębnik do pola A trwałego odcisku,

który w postaci czaszy kulistej utworzy się na powierzchni materiału

102

⎢

⎥

(1)

⎣

⎦

Jest to więc średnia wartość ciśnienia obliczonego w sposób umowny, po osiągnięciu którego

kulka przestaje się zagłębiać w materiał. Zasadę pomiaru twardości przedstawiono na rys.3a.

Uwzględniając zależności geometryczne, wzór (1) można przedstawić w następującej postaci:

102

⎢

⎥

(2)

⎡

⎤

⎣

⎦

−

⎣

⎦

gdzie: P – siła obciążająca [N]

⎡

⎤

⎡

⎤

D – średnica kulki [mm]

d – średnica odcisku [mm]

Rys.3. a)zasada pomiaru twardości metodą Brinella, b) wpływ obciążenia na wartość

twardości [3]

Analizując wzór (2) można zauważyć, że odnoszenie pomiaru twardości do pola

powierzchni czaszy zamiast do jej rzutu, zaniża otrzymaną wartość twardości, ponieważ ze

wzrostem średnicy odcisku pole powierzchni czaszy rośnie szybciej niż pole powierzchni jej

rzutu. Efekt ten można jednak traktować jako kompensację wpływu miejscowego wzmocnienia

się materiału w trakcie wykonywanej próby.

Wzór (2) jest zależnością wiążącą siłę, wymiary kulki, wgłębnika oraz średnicy odcisku. Z badań

wynika , że badając ten sam materiał za pomocą takiej samej kulki, ale przy zastosowaniu dwóch

różnych sił obciążających otrzymuje się różne średnice odcisków, a tym samym różne wartości

twardości. A zatem nie jest zachowana zasada podobieństwa i zależność między siłą obciążającą

P a twardością HB nie jest funkcją liniową. Zależność ta ma postać pewnej krzywej, która na

przykład dla stali przedstawiona jest na rys.3b . Z wykresu tego wynika, że dla określenia

twardości materiału należałoby wyznaczyć maksymalną wartość HB max . Jest to jednak zadanie

bardzo pracochłonne, ponieważ wymaga przeprowadzenia wielu prób. Z tego względu, na

podstawie badań doświadczalnych uznano, ze skoro w pewnym przedziale obciążeń P 1 ≤· P ·≤ P 2

wartości twardości mało różnią się między sobą, można dla realizacji próby dobrać dowolną

wartość siły P z tego właśnie przedziału. Warunek taki będzie spełniony, o ile średnica odcisku d

zawarta będzie w granicach

0,25 D ≤ d ≤ 0,6 D .

(3)

W celu uzyskania jednakowych liczb twardości HB dla tego samego materiału przy zastosowaniu

kulek o różnych średnicach D, należy tak dobrać naciski P dla każdej kulki, aby wystąpiły

jednakowe rozkłady ciśnień na powierzchni odcisków ( jednakowe stany naprężeń) tzn. aby

zachodziło podobieństwo statyczne prób, wówczas odciski będą geometrycznie podobne. Dla

osiągnięcia tego podobieństwa siły nacisku muszą być proporcjonalne do kwadratu dowolnie

obranego wymiaru liniowego kulki lub odcisku. Może nim być np. średnica kulki, wtedy

(4)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: