pomier udarnosci i twardosci stali, skrypt PK inzynieria materialowa metaloznawstwo materiałoznawstwo Wielgosz
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
134
Æwiczenie 15
BADANIA W£ACIWOCI MECHANICZNYCH
STOPÓW METALI.
POMIAR TWARDOCI I PRÓBA UDARNOCI
1. CEL ÆWICZENIA
Celem æwiczenia jest zapoznanie siê z metodami pomiaru twardoci i udarnoci,
korelacjami pomiêdzy nimi oraz zasadami ich przeprowadzania.
2. WIADOMOCI PODSTAWOWE
2.1. Badanie twardoci
Twardoæ jest to odpornoæ materia³u na odkszta³cenia trwa³e pod wp³ywem si³
skupionych, dzia³aj¹cych na ma³¹ powierzchniê tego materia³u. Istnieje szereg me-
tod badania twardoci, opartych na wspólnej zasadzie pomiaru wielkoci odkszta³-
cenia pod wp³ywem si³y wywieranej przez wg³êbnik (penetrator). Ró¿ni¹ siê one
pomiêdzy sob¹ kszta³tem wg³êbnika, wielkoci¹ i sposobem obci¹¿enia oraz metod¹
pomiaru odkszta³cenia. W trakcie æwiczenia poznamy trzy sposoby pomiaru twar-
doci:
1) Rockwella,
2) Vickersa,
3) Brinella.
Istniej¹ inne metody, jak metoda Meyera, Ludwika, Grodziñskiego, Knoopa oraz
Poldiego i Baumanna. Dwie ostatnie metody s¹ dynamiczne, pozosta³e statyczne.
Oprócz wymienionych, istniej¹ metody badania twardoci oparte na zupe³nie innych
zasadach, których z praktyczne zastosowanie w technice jest znikome. S¹ to:
metody ryskowe, w których twardoæ okrela siê jako opór przeciw zarysowaniu
wg³êbnikiem badanej powierzchni metalu,
metody sprê¿ystego odskoku, w których twardoæ okrela siê na podstawie wiel-
koci odbicia siê bijaka od badanej powierzchni.
Przyrz¹dy s³u¿¹ce do pomiaru twardoci nazywamy twardociomierzami.
Opracowa³: Marek Radwañski
135
Pomiar twardoci sposobem R o c k w e l l a
Próba ta opisana jest w PN-91/H-04355 Pomiar Twardoci metali sposobem
Rockwella. Skale A,B,C,D,E,F,G,H.K. Polega on na dwustopniowym wciskaniu
wg³êbnika si³¹ wstêpn¹ F
0
i si³¹ g³ówn¹ F
1
w badan¹ próbkê. Podstawê okrelenia
twardoci Rockwella stanowi pomiar trwa³ego przyrostu g³êbokoci odcisku od obci¹-
¿enia F
0
do F
1
. Wynik odczytuje siê w jednostkach twardoci HR
a
(gdzie
a
ozna-
czenie skali, np. HRA, HRH itd.). W metodzie tej stosuje siê trzy rodzaje wg³êbników:
sto¿ek diamentowy o k¹cie wierzcho³kowym 120°,
kulkê stalow¹ f 1,588 mm,
kulkê stalow¹ f 3,175 mm,
oraz trzy obci¹¿enia ca³kowite bêd¹ce sum¹ si³y wstêpnej i si³y g³ównej: 588,4 N;
980,7 N oraz 1471 N.
Skojarzenie ka¿dego z trzech wg³êbników z ka¿dym z trzech obci¹¿eñ daje dzie-
wiêæ skali (od A do K), stosowanych dla materia³ów o ró¿nej twardoci, od najtward-
szych skala C, do najmiêkszych skala H. W przypadkach, w których ze wzglêdu
na ma³¹ gruboæ wyrobu nie jest mo¿liwe zastosowanie tych skali, a tak¿e tam, gdzie
a/
b/
c/
d/
e/
0
0
0
e
0
HR
0
25
75
25
75
25
75
25
75
25
75
50
50
50
50
50
F
1
F
1
F
1
F
1
F
1
F
0
F
0
F
0
F
0
F
0
1
2
3
powierzchnia przedmiotu
linia odniesienia
Rys. 15.1 Schemat pomiaru twardoci metod¹ Rockwella
136
dopuszczalna jest tylko nieznaczna g³êbokoæ odcisku na powierzchni badanego ma-
teria³u, stosuje siê skalê N (sto¿ek diamentowy 120°) lub T (kulkê 1,588 mm) przy
mniejszym obci¹¿eniu ca³kowitym: 147,1 N; 294,2 N oraz 441,3 N. Próbê tê opisuje
PN-ISO 1024:1996 Metale. Pomiar twardoci sposobem Rockwella (skale 15N,
30N, 45N, 15T, 30T, 45T), bêd¹ca t³umaczeniem oficjalnej wersji jêzykowej normy
miêdzynarodowej ISO 1024:1989 (E).
Czas obci¹¿enia wg³êbnika wynosi od 1s do 15 s , w zale¿noci od tego, w jakim
stopniu badany metal wykazuje zale¿noæ odkszta³cenia plastycznego od czasu obci¹-
¿enia. Liczbowy wynik pomiaru twardoci sposobem Rockwella odczytywany jest
wprost z czujnika wyskalowanego odpowiednio w jednostkach twardoci HR.
Pomiar twardoci metali sposobem Rocwella jest czêsto stosowany, ze wzglêdu
na ³atwoæ dokonania pomiaru i natychmiastowy odczyt na skali oraz mo¿liwoæ za-
stosowania do materia³ów o szerokim zakresie twardoci. Wad¹ tej metody jest ka¿-
dorazowa koniecznoæ okrelenia warunków pomiaru (penetrator i obci¹¿enie) oraz
trudnoæ porównania wyników podanych w ró¿nych skalach.
Pomiar twardoci sposobem V i c k e r s a
Twardoæ Vickersa (PN-91/H-04360) wyra¿a siê stosunkiem si³y obci¹¿aj¹cej
wg³êbnik do powierzchni pobocznicy odcisku. Wg³êbnikiem jest ostros³up prawid³owy
czworok¹tny o k¹cie pomiêdzy przeciwleg³ymi cianami 136° wykonany z diamentu.
Obci¹¿enie, w zale¿noci od twardoci materia³u, gruboci próbki lub badanej war-
stwy dobiera siê z szeregu 13 wartoci od 1,961 N do 980,7 N. Przy standardowym
pomiarze t¹ metod¹, nominalna si³a obci¹¿aj¹ca wg³êbnik wynosi 294,1 N. Czas dzia-
³ania obci¹¿enia liczony od momentu osi¹gniêcia ca³kowitej si³y obci¹¿aj¹cej wg³êbnik
powinien wynosiæ 10 do 15 s.
Miarê wielkoci odkszta³cenia powierzchniê pobocznicy odcisku okrela siê na
podstawie pomiaru obydwu przek¹tnych odcisku w kszta³cie kwadratu. Po obliczeniu
ich redniej arytmetycznej i skojarzeniu z zastosowanym obci¹¿eniem, odczytujemy
z tablic wartoæ twardoci.
Oznaczenie twardoci Vickersa, np. 640 HV, uzupe³nia siê liczbami okrelaj¹cymi
umownie wielkoæ si³y wg³êbnika i czas dzia³ania ca³kowitej si³y obci¹¿aj¹cej wg³êbnik,
je¿eli jest inny ni¿ standardowy 10
¸
15 s. (np. 640 HV 30/20 twardoæ Vickersa 640
zmierzona przy obci¹¿eniu wg³êbnika si³¹ 294,2 N w czasie dzia³ania obci¹¿enia 20 s.
Zalet¹ tej metody jest wiêkszy zakres twardoci objêty jedn¹ skal¹, co u³atwia po-
równanie twardoci materia³ów o zdecydowanie ró¿nych w³asnociach, wad¹ natomiast
koniecznoæ wykonywania pomiarów odcisku, obliczeñ i korzystania z tablic.
Metodê Vickersa stosuje siê równie¿ do pomiaru twardoci cienkich blach, folii,
pow³ok, warstw utwardzonych i sk³adników strukturalnych. Stosowane s¹ wtedy du¿o
mniejsze si³y ( poni¿ej 9,8 N) i tak wyznaczona twardoæ nosi nazwê mikrotwardoci.
Jest ona przedmiotem odrêbnego æwiczenia.
137
Pomiar twardoci sposobem B r i n e l l a
Pomiar twardoci metali sposobem Brinella (PN-91/H-04350) polega na wciska-
niu w okrelonym czasie w badan¹ próbkê pod dzia³aniem si³y obci¹¿aj¹cej, przy³o¿o-
nej prostopadle do jej powierzchni, twardej kulki stalowej lub z wêglików spiekanych.
Twardoæ okrela siê na podstawie rednicy odcisku kulki, zmierzonej po jej odci¹¿eniu.
Do pomiarów stosowane s¹ kulki o rednicach 1; 2; 2,5; 5 i 10 mm. Dobór kulki
przeprowadza siê w zale¿noci od gruboci próbki, zalecana jest jednak kulka
f
10 mm
lub mo¿liwie najwiêksza. Wielkoæ si³y obci¹¿aj¹cej okrela siê na podstawie wzoru:
F = 9,807 KD
2
(1)
gdzie: D rednica kulki
K sta³a obci¹¿enia, przyjmuj¹ca wartoæ 1; 1,2; 2,5; 5; 10; 15; 30, dobierana
w zale¿noci od spodziewanej twardoci tak, aby uzyskaæ odcisk o red-
nicy d: 0,24 D
£
d
£
0,6 D
Wytyczne, w postaci tabelarycznej, doboru sta³ej obci¹¿enia K w zale¿noci od ro-
dzaju materia³u badanej próbki i jego twardoci okrela norma. Tam te¿ znajduje siê
tabela umo¿liwiaj¹ca odczyt twardoci w zale¿noci od rednicy odcisku kulki, rednicy
kulki (penetratora) oraz zastosowanej sta³ej obci¹¿enia K.
Twardoæ Brinella wyra¿a siê liczb¹ sk³adaj¹c¹ siê z trzech liczb znacz¹cych i wy-
stêpuj¹cego po niej oznaczenia twardoci Brinella HB (lub HBS dla kulki stalowej,
a HBW dla kulki z wêglików spiekanych) uzupe³nionego informacj¹ o warunkach
pomiaru, obejmuj¹cych rednicê zastosowanej kulki [mm] ³aman¹ przez iloczyn si³y
[N] i 0,102 (np. 350 HBS 5/750). Przy pomiarach w warunkach standardowych (tj. za
pomoc¹ kulki stalowej
f
10, przy obci¹¿eniu 29420 N w ci¹gu 10
¸
15 s) pomija siê
informacje o warunkach pomiaru, podaj¹c tylko np. 185 HB lub 185 HBS.
Cech¹ istotnie wyró¿niaj¹c¹ sposób Brinella od innych metod pomiaru twardoci
metali jest stosunkowo du¿a powierzchnia odcisku. Dziêki temu nadaje siê on szcze-
gólnie do badañ materia³ów niejednorodnych, natomiast uniemo¿liwia zastosowanie
do przedmiotów bardzo ma³ych i cienkich. P³aska powierzchnia czo³owa penetratora
(kulki) ogranicza równie¿ zastosowanie tego sposobu do materia³ów bardzo twar-
dych. Wad¹, przynajmniej w stosunku do twardoci Rockwella, wydaje siê koniecz-
noæ z zastosowania tabel do okrelenia HB.
Pomiar twardoci sposobem P o l d i
Metoda ta jest dynamicznym sposobem okrelania twardoci poprzez porównanie
dwóch odcisków wywo³anych t¹ sam¹ dynamiczn¹ si³¹: w materiale badanym
i materiale o znanej twardoci. Przyrz¹d do realizacji tej metody (m³otek Poldi)
przedstawiono na rys. 15.2. Twardoæ wyznaczon¹ t¹ metod¹ podaje siê w skali Brinella
na podstawie wzoru:
138
HB = k HB
wz
(2)
gdzie: HB twardoæ badanego materia³u,
HB
wz
twardoæ p³ytki wzorcowej (202 HB),
k wspó³czynnik zale¿ny od rednic obu odcisków lub odczytany z tablic.
Metoda ta, mimo rospowszechnienia, obci¹¿ona jest sporym b³êdem i jest kosz-
towna ze wzglêdu na zu¿ywanie siê p³ytek wzorcowych.
uderzenie m³otkiem
4
5
1
3
2
202 HB
Rys. 15.2
M³otek Poldi: 1 uchwyt, 2 oprawka kulki,
3 p³ytka wzorcowa, 4 sworzeñ, 5 sprê¿yna,
6 kulka
6
próbka
2.1. Badanie udarnoci
Okrelenie w³asnoci wytrzyma³ociowych metali wy³¹cznie na podstawie prób
statycznych jest niewystarczaj¹ce ze wzglêdu na istotny wp³yw szybkoci obci¹¿ênia
na zachowanie siê materia³u. W stosunku do du¿ych szybkoci odkszta³cenia szyb-
koæ ruchu dyslokacji jest zbyt ma³a aby mog³y by siê one przemieszczaæ. Powoduje
to, ¿e udzia³ energii zu¿ytej na odkszta³cenie plastyczne jest znikoma, co stwarza wa-
runki do wyst¹pienia kruchego pêkania. W tej sytuacji niezbêdne jest przeprowadze-
nie prób dynamicznych okrelaj¹cych zachowanie siê materia³u w tych warunkach.
Z kilku prób tego typu najbardziej rozpowszechniona jest próba udarnoci przepro-
wadzana sposobem Charpyego. Opisuje j¹ polska norma PN-EN 10045-1, bêd¹ca
[ Pobierz całość w formacie PDF ]