Pomiary Twardości Materiałów.pdf

(403 KB) Pobierz
Pomiar twardości
1. Wprowadzenie
Badanie twardości polega na wciskaniu wgłębnika w badany materiał poza granicę
sprężystości, do spowodowania odkształceń trwałych. Wobec czego
twardość
można określić jako
miarę odporności materiału na odkształcenia trwałe powstające w wyniku wciskania wgłębnika.
Twardość materiałów związana jest z naturą wiązań chemicznych i jej wpływem na
przemieszczenie dyslokacji w metalach i ceramice. Podczas odkształcenia plastycznego w próbie
twardości istniejące w materiale dyslokacje ulegają poślizgowi, w związku z tym w takiej próbie
mierzy się opór jaki pokonują przemieszczające się w danym materiale dyslokacje (Ashby, 1995).
Badania twardości stosowane są przede wszystkim w metaloznawstwie i w związku z tym
najwięcej metod pomiarów opracowano dla metali. Jednak niektóre z nich mają zastosowanie
również w badaniu ceramik i polimerów. Pomiary twardości stosuje się często z uwagi na
występowanie korelacji między twardością (Vickers, Brinell) a granicą plastyczności lub
wytrzymałością na rozciąganie metali, ale również między twardością a składem fazowym lub
Modułem Younga. Badanie twardości jest stosunkowo szybkie, proste i praktycznie nieniszczące.
Metody badania twardości można pogrupować w zależności od rodzaju przyłożonego
obciążenia.
Statyczna próba twardości
dotyczy odkształcenia plastycznego pod działaniem
obciążenia statycznego. Związana z właściwościami sprężystymi materiału,
twardość dynamiczna,
zwiana jest z odkształceniem udarowym. Natomiast opór materiału związany z zarysowaniem albo
ścieralnością określa się w tzw.
próbach specjalnych badania twardości,
np. metoda Mohsa.
W praktyce najczęściej stosuje się statyczne próby twardości, polegające na powolnym
wciskaniu wgłębnika o określonym kształcie i z określonego materiału w badaną próbkę. Metody
badań są znormalizowane a różnice polegają przede wszystkim na kształcie wgłębnika i sposobie
obliczenia. Do najbardziej powszechnych to metod statycznych należą: Brinella, Vickersa oraz
Rockwella.
2. Opis poszczególnych metod statycznych pomiaru twardości
I. Metoda Brinella.
Próba twardości według tej metody objęta jest normą PN-EN ISO 6506-1:2008. Polega ona na
wciskaniu pod obciążeniem
F
wgłębnika, w postaci hartowanej kulki stalowej o średnicy
D
(10; 5
2,5 1 mm) w powierzchnię badanego materiału, w czasie
t.
Średnica odcisku kuli d, jako średnia z
dwóch pomiarów w kierunkach wzajemnie prostopadłych, służy do obliczania pola powierzchni
czaszy. Twardość Brinella jest to stosunek siły obciążającej do pola powierzchni czaszy odcisku
(rys. 1.).
F
HB
�½
(1)
S
cz
gdzie:
HB
- twardość wg Brinella,
F
- siła obciążająca,
S
cz
- pole powierzchni czaszy.
1
Rys. 1. Schemat obciążenia w metodzie Brinella
Ponieważ:
S
cz
�½
p
D
h
przy czym:
(2)
h
�½
to:
1
D
D
2
d
2
2
(3)
HB
�½
D D
D
d
2
2
F
2
(4)
Kulki są wykonane ze stali stopowej i obrobione cieplnie do twardości równej HV=8500
(twardość w skali Vickersa) i można nimi mierzyć twardość do HB=4500; natomiast kulkami
wykonanymi z węglików spiekanych, można mierzyć twardość do HB=6300. W zasadzie należy
dobierać kulki o możliwie dużych średnicach, tak jednak, aby:
1) odstęp dwóch sąsiednich odcisków był nie mniejszy od czterokrotnej średnicy odcisku,
2) odstęp środka odcisku od krawędzi badanej powierzchni był nie mniejszy od 2,5
d,
3) grubość badanego przedmiotu w miejscu badania wynosiła 10 głębokości odcisku bez względu
na twardość badanego materiału, tj.
g
≥ 10h.
Kulkę należy obciążyć bez wstrząsów w ciągu około 10 s. Czasy trwania próby dla metali
pod pełnym obciążeniem podaje Tabela 1.
Tabela 1. Czas trwania próby dla metali
Materiał
Czas, s
Stal, żeliwo
10 ÷ 15
Metale o twardości
HB ≥ 320
HB < 320
30
60
Średnice odcisków
d
mierzy się za pomocą mikroskopu z podziałką o dokładności 0,01 mm. Dla
obliczenia twardości danego materiału należy brać wartość średnicy z trzech pomiarów.
Twardość HB w przybliżeniu jest proporcjonalna do wytrzymałości na rozciąganie
R
m
:
R
m
�½
cHB
, MPa
(5)
np. dla stali węglowej
c=0,35.
Pomiar twardości dokonuje się na twardościomierzu Brinella pokazanym na rys. 2.
2
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.
Rys. 2. Schemat twardościomierza Brinella
Zaletami tej metody są:
1) możliwość pomiaru twardości w obszarze makro,
2) jedna skala twardości,
3) istnieje relacja między twardością a wytrzymałością.
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.
II. Metoda Vickersa.
Próba twardości według metody Vickersa objęta jest normą PN-EN ISO 6507-1:2007. Pomiar
twardości tą metodą polega na wciskaniu diamentowego wgłębnika w kształcie ostrosłupa o
podstawie kwadratowej w powierzchnię badanego ciała. Twardość według metody Vickersa
określa się analogicznie jak w metodzie Brinella, obliczając stosunek siły wciskającej wgłębnik w
badany materiał do pola powierzchni bocznej odcisku:
F
HV
�½
(6)
S
b
gdzie:
F
- siła wciskająca wgłębnik,
S
b
- pole powierzchni bocznej odcisku.
Pole powierzchni bocznej odcisku oblicza się ze wzoru:
a
2
a
2
S
b
�½
�½
136
O
1 ,8544
2 sin
2
3
(7)
gdzie:
a
- średnia długość przekątnych
a
1
i
a
2
(rys. 3.).
F
136
0
a
1
a
2
Rys. 3. Schemat obciążenia w metodzie Vickersa
Wstawiając wzór (7) do (6) otrzyma się:
HV
�½
1 ,8544
F
a
2
(8)
Naciski wgłębnika są znormalizowane i wynoszą:
F=9,8;
24,5; 49; 98; 196; 294; 491; 981 N.
Dobór siły nacisku zależy od rozmiarów próbki. Przekątne odcisku należy mierzyć z dokładnością
0,0001±0,00002 mm. Kąt 136
0
ostrosłupa diamentowego jest tak dobrany, aby w tym samym
tworzywie twardości Brinella przy
d/D
= 0,375 i Vickersa były równe.
W rzeczywistości dla materiałów miękkich (do 300 HB) HV jest większe od HB o około 50
jednostek. Im twardszy materiał badany, tym HV jest większe od HB. Podawanie wyników
twardości według Vickersa jest następujące:
1) symbol twardości HV poprzedza jej wartość x,
2) symbol twardości HV uzupełnia się jeszcze dodatkowymi liczbami wartości obciążenia
F
i jego
czasu działania
t
w przypadku, gdy obciążenie
F
jest różne od 294 N i czas
t
działania obciążenia
całkowitego jest inny niż 10÷15 s (np. x HVF/t).
Zaletami tej metody są:
1) twardość nie zależy od wartości siły,
2) nadaje się do pomiaru materiałów o różnych twardościach,
3) nadaje się do pomiaru przedmiotów małych i cienkich warstw utwardzonych,
4) praktycznie nie niszczy przedmiotu,
5) duża dokładność pomiarów.
Wadami zaś są:
1) konieczność dokładnego oczyszczenia powierzchni,
2) długotrwałość pomiarów,
3) nie nadaje się do pomiarów makrotrwardość stopów gruboziarnistych,
4) nie można mierzyć twardości dużych gotowych wyrobów.
4
III. Metoda Rockwella.
Próba twardości według metody Rockwella objęta jest normą PN-EN ISO 6508-1:2007. Metoda ta
opiera się na pomiarze głębokości odcisku wykonanego przez wciśnięcie kulki stalowej o
średnicach od 1/2 do 1/16 cala lub stożka diamentowego (dla materiałów twardszych) o kącie
wierzchołkowym 120
0
w powierzchnię badanego materiału.
Pomiaru twardości dokonuje się mierząc głębokość odcisków, stosując umowne skale twardości
(15 skal oznaczonych literami od A do V). Zgodnie z normą podstawowymi skalami są C i B,
dodatkowymi zaś A i F. Szczegółowe informacje o tych skalach znajdują się w Tabeli 2.
Symbol
skali
Zastosowanie
Węgliki spiekane, stal głęboko
utwardzana, stal (twardość
> 67 HRC)
Stopy miedzi, miękkie stale,
stopy aluminium, żeliwo
(twardość 35÷100 HRB)
Stal, twarde żeliwo, tytan,
głęboko utwardzana stal
(twardość 20÷67 HRC)
Wyżarzone stopy miedzi,
cienkie blachy metalowe
(twardości > 35 HRB)
Wgłębnik
Stożek
diamentowy
Kulka stalowa
1/16 cala
Stożek
diamentowy
Kulka stalowa
1/16 cala
Obciążenie, N
Wstępne
Główne
Całkowite
Oznacze-
nie
A
98
490
588
HRA
B
98
883
981
HRB
C
98
1373
1471
HRC
F
98
490
588
HRF
Miarą twardości Rockwella jest głębokość, na jaką zagłębi się wgłębnik w sposób trwały i określa
się wzorem:
h
(9)
HR
�½
K
0 ,002
gdzie:
K
- stała umowna zależna od rodzaju wgłębnika, która dla stożka wynosi 100, a dla kulki 130,
0,002mm -jednostkowa głębokość; dlatego czujnik w aparacie Rockwella zaopatrzony jest w dwie
skale przesunięte względem siebie o 30 działek,
h
- trwałe zagłębienie wgłębnika po przyłożeniu i zdjęciu obciążenia głównego (Rys. 4.).
5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin