Docsity
Docsity

Przygotuj się do egzaminów
Przygotuj się do egzaminów

Studiuj dzięki licznym zasobom udostępnionym na Docsity


Otrzymaj punkty, aby pobrać
Otrzymaj punkty, aby pobrać

Zdobywaj punkty, pomagając innym studentom lub wykup je w ramach planu Premium


Informacje i wskazówki
Informacje i wskazówki

Pomiary twardości - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki z Materiały inżynieryjne

W notatkach omawiane zostają zagadnienia z materiałoznastwa: pomiary twardości.pomiar twardości metali sposobem Brinella.

Typologia: Notatki

2012/2013

Załadowany 14.03.2013

mellow_99
mellow_99 🇵🇱

4.3

(26)

170 dokumenty

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz Pomiary twardości - Notatki - Materiałoznastwo i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 2. POMIARY TWARDOŚCI Właściwości mechaniczne są to cechy materiału, które decydują o jego zdolności do przeciwstawienia się działaniu różnych obciążeń mechanicznych. W celu ich określenia stosuje się najczęściej próby statyczne rozciągania, zginania, ściskania, skręcania oraz twardości. Próby twardości są najbardziej rozpowszechnione. Tłumaczy się to: • łatwością ustalenia związku pomiędzy wynikami pomiarów twardości i in- nych właściwości mechanicznych, • szybkością, łatwością i dokładnością pomiarów, • możliwością wykonania pomiarów w warunkach, w których badania innych właściwości mechanicznych nie mogą być przeprowadzone, • nieznacznym uszkodzeniem badanych próbek lub wyrobów, • prostotą konstrukcji przyrządów pomiarowych. W praktyce przemysłowej twardość jest często jedynym kryterium oceny poprawności przeprowadzonych operacji obróbki cieplnej lub cieplno-chemi- cznej. Na stanowiskach kontroli, wyposażonych w twardościomierze, sprawdza się, czy twardość wyrobów odpowiada wymaganiom kart technologicz- nych. Pierwszą skalą, opracowaną w 1811 roku do pomiaru twardości minera- łów, była skala Mohsa (rys. 2.11). Tworzy ją 10 minerałów o wzrastającej twardości: 1) talk, 2) gips, 3) kalcyt, 4) fluoryt, 5) apatyt, 6) ortoklaz, 7) kwarc, 8) topaz, 9) korund, 10) diament. Jeżeli dany minerał można łatwo zarysować ortoklazem i z trudnością apatytem, a sam z trudnością rysuje apatyt, to twardość jego określa się liczbą 5. Jeżeli jest rysowany przez ortoklaz, a rysuje apatyt, to twardość jego wyraża się liczbą ułamkową 5,5. Do badań twardości metali stosuje się próby polegające na wgniataniu różnych wgłębników w gładką powierzchnię, przy określonym obciążeniu i przez określony czas. Stąd, twardość metali i stopów można określić jako miarę oporu stawianego przy wciskaniu wgłębnika lub miarę oporu przeciw odkształceniom trwałym. W zależności od rodzaju oporu, jaki stawia materiał, próby twardości dzieli się na: docsity.com Tablica 2.1 Klasyfikacja prób twardości Brinella PN-91/H-04350 Vickersa PN-91/H-04360 Rockwella PN-91/H-04365 Knoopa Grodzińskiego statyczne PRÓBY TWARDOŚCI dynamicznie Poldi Shore'a zarysowania W grupie statycznych sposobów pomiaru twardości, w zależności od obciążenia wgłębnika, wyróżnia się pomiary makrotwardości (obciążenie od 10 do 29420 N) oraz pomiary mikrotwardości (obciążenie poniżej 10 N). Makro- twardość jest wypadkową twardości wszystkich składników struktury materia- łu. Wynika to ze stosunkowo dużego obszaru objętego pomiarem. Pomiary mikrotwardości stosowane są natomiast dla wyznaczenia twardości poszczegó- lnych składników strukturalnych stopu (wymiary odcisku rzędu mikrometrów). Najbardziej rozpowszechnione są statyczne metody pomiaru twardości: Brinella, Vickersa, Rockwella oraz metoda dynamiczna - Poldi. 2.1. Pomiar twardości metali sposobem Brinella 2.1.1. Zasada pomiaru Pomiar twardości sposobem Brinella polega na wciskaniu w badaną próbkę, z siłą F prostopadłą do badanej powierzchni, twardej kulki stalowej lub z węglików spiekanych o średnicy D równej 10, 5, 2,5, 2 lub 1 mm. Twardość wyraża się stosunkiem obciążenia siły F do powierzchni kulistej czaszy trwałego odcisku S. Pole powierzchni odcisku oblicza się na podstawie • statyczne, podczas których opór materiału spowodowany działaniem ob- ciążenia statycznego jest związany z odkształceniem plastycznym, • dynamiczne, podczas których opór materiału wywołany działaniem ob- ciążenia udarowego jest związany z odkształceniem plastycznym lub spręży- stym, • zarysowania, w których opór materiału jest związany z jego zarysowa- niem. 16 docsity.com Tablica 2.2 Wielkość siły obciążającej F w zależności od średnicy kulki D i stałej obciążenia K Średnica kulki D [mm] 10 5 2,5 2 1 Stała obciążenia K (HBS.. lub HBW..) 30 15 10 5 2,5 1,25 1 30 10 5 2,5 1,25 1 30 10 5 2,5 1,25 1 30 10 5 2,5 1,25 1 30 10 5 2,5 1,25 1 Siła obciążająca F [N] 29 420 14 710 9 807 4 903 2 452 1 226 980,7 7 355 2 452 1 226 612,9 306,5 245,2 1 839 612,9 306,5 153,2 76,61 61,29 1 177 392,3 196,1 98,07 49,03 39,23 294,2 98,07 49,03 24,52 12,26 9,807 19 docsity.com Tablica 2.3 Stała obciążenia K w zależności od rodzaju materiału badanej próbki i jego twardości Zalecana wartość K 30 15 10 5 2,5 1,25 1 Twardość Brinella (HBS.. lub HBW..) 96÷650 50÷325 32÷200 16÷100 8÷50 4÷25 3,2÷20 Rodzaj badanego materiału - stal - żeliwo i stopy niklu, tytanu, kobaltu itd. o twar- dości powyżej 140 jednostek Brinella - miedź i stopy miedzi o twardości powyżej 200 jed- nostek Brinella - miedź i stopy miedzi o twardości 50÷300 jedno- stek Brinella - metale lekkie i ich stopy oraz stopy łożyskowe o twardości powyżej 50 jednostek Brinella - żeliwo i stopy niklu, tytanu, kobaltu itd. o twar- dości poniżej 140 jednostek Brinella - miedź i stopy miedzi o twardości 35 lub 200 jed- nostek Brinella - metale lekkie i ich stopy o twardości powyżej 80 jednostek Brinella - miedź i stopy miedzi o twardości poniżej 35 jed- nostek Brinella - metale lekkie i ich stopy oraz stopy łożyskowe o twardości 35 do 80 jednostek Brinella - metale lekkie i ich stopy oraz stopy łożyskowe o twardości poniżej 35 jednostek Brinella - ołów, cyna, stopy łożyskowe oraz inne metale o twardości poniżej 20 jednostek Brinella 20 docsity.com 21 twardości Brinella. Wartość stałej obciążenia K należy dobrać w zależności od spodziewanej twardości badanej próbki, tak aby uzyskać wielkości odcisków w granicach określonych zależnością 2.2. Wytyczne doboru stałej K w zależno- ści od rodzaju materiału próbki i spodziewanej twardości podano w tab- licy 2.3. Na każdej próbce należy wykonać co najmniej 3 pomiary, zwracając uwagę, by odstęp środków sąsiednich odcisków był większy od 4-krotnej średnicy odcisku, a odstęp środka odcisku od krawędzi próbki był większy od 2,5-krotnej średnicy odcisku. Próbkę należy obciążać równomiernie bez wstrząsów do żądanej siły w ciągu 2—8 sekund, licząc od chwili zetknięcia kulki z próbką. Czas działania całkowitej siły obciążającej, w zależności od oczekiwanej twardości badanej próbki, powinien być zgodny z podanym w tablicy 2.4. Czas działania całkowitej siły obciążającej w zależności od oczekiwanej twardości badanej próbki Twardość Brinella HB.. (HBS.. lub HBW..) do 10 powyżej 10 do 35 powyżej 35 do 100 powyżej 100 Czas obciążenia Τ s 180 120 30 10 do 15 Wartości liczbowe twardości uzyskane przy użyciu kulki stalowej uzupeł- nia się symbolami HB lub HBS, a wartości twardości uzyskane przy użyciu kulki z węglików spiekanych - HBW. Symbole te uzupełnia się dalszymi liczbami określającymi warunki badania, wyrażającymi kolejno: średnicę kulki D, wielkość siły obciążającej (0,102 F) i czas działania siły obciążającej t - o ile są one inne niż standardowe (D = 10 mm, F = 29420 N, t = 10—15 s). 2.1.4. Zasada zapisu twardości Tablica 2.4 docsity.com 24 Przekątne odcisku d1 i d2 mierzy się z dokładnością do 0,001 mm. Obliczanie twardości wg wzoru (2.5) nie jest konieczne, ponieważ twardości Vickersa w funkcji długości przekątnej d dla różnych obciążeń F znajdują się w tablicach w PN-91/H-04360. Pomiaru długości przekątnych dokonuje się za pomocą układu optycznego wbudowanego w twardościomierz. 2.2.2. Próbka Ze względu na dużą precyzję pomiaru próbkę należy przygotować szcze- gólnie starannie. • Powierzchnia w miejscu pomiaru powinna być płaska, a jej chropowatość nie może przekraczać 2,5 mm wg parametru Ra (próbki należy szlifować na papierach ściernych i polerować). Takie przygotowanie próbki gwarantuje dobrą widoczność małego odcisku w układzie optycznym twardościomierza. • Grubość próbki lub badanej warstwy powinna wynosić co najmniej 1,5 d. 2.2.3. Warunki pomiaru Zalecaną siłą obciążającą wgłębnik F jest 294 N. Dopuszcza się również stosowanie następujących obciążeń: w zakresie małych obciążeń - 1,96; 2,94; 4,90; 9,80; 19,61; 24,52; 29,42 N; w zakresie dużych - 49,3; 98,07; 196,1; 490,3; 980,7 N. Czas działania obciążenia, liczony od momentu osiągnięcia całkowitej siły F obciążającej wgłębnik, powinien wynosić 10—15 s. Dla niektórych materiałów dopuszcza się przyjęcie dłuższych czasów. Na każdej próbce należy wykonać co najmniej trzy odciski. Odległość między środkiem odcisku i krawędzią próbki nie powinna być mniejsza niż 3d. Odległość między środkami sąsiednich odcisków nie powinna być mniejsza niż 3d dla stali i stopów miedzi oraz 6d dla metali lekkich. 2.2.4. Zasada zapisu twardości Oznaczenie jednostki twardości Vickersa HV uzupełnia się liczbami, określającymi wielkość siły obciążającej wgłębnik (w KG) i czas działania całkowitej siły obciążającej wgłębnik, jeśli jest inny niż standardowy 10—15 s. np.: 550 HV30 - twardość Vickersa 550 zmierzona przy obciążeniu wgłę- bnika siłą 294,2 N przez 10-15 s, 550 HV/l/20 - twardość Vickersa 550 zmierzona przy obciążeniu wgłębnika siłą 9,80 N przez 20 s. docsity.com 25 • możliwość pomiaru twardości metali miękkich i twardych, • możliwość pomiaru twardości cienkich warstw powierzchniowych i dro- bnych przedmiotów, • duża dokładność pomiarów, • jedna skala twardości dla wszystkich mate- riałów, • w zakresie niskich twardości skala twardości Vickersa pokrywa się ze skalą Brinella. Kąt dwuścienny ostrosłupa α = 136° został tak dobrany, aby twardość Vickersa była zbliżona do twardości Brinella. Przy pomiarze twardości spo- sobem Brinella średnica d odcisku w większości przypadków jest zawarta w granicach 0,25D do 0,50D, a więc średnia wartość średnicy odcisku równa się 0,375D, co odpowiada kątowi rozwarcia stycznych 136° (rys. 2.5). Taka geometria wgłębnika daje zgodność twardości w skali Brinella i Vickersa aż do 300HV (rys. 2.8). Zalety: • duża pracochłonność ze względu na konieczność starannego przygoto- wania próbek, • znaczny czas pomiaru, mała wydajność, • skomplikowana konstrukcja twardościomierza, wymagająca fachowej obsługi, • znaczny wpływ chropowatości próbki na wynik pomiaru. Wady: 2.3. Pomiar twardości metali sposobem Rockwella 2.3.1. Zasada pomiaru Pomiar polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika siłą wstępną Fo i siłą główną F1 w badaną próbkę przy określonych warunkach obciążenia. W metodzie Rockwella stosuje się trzy rodzaje wgłębników (tabl. 2.5): stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120° (skale A, C, D), kulkę stalową o średnicy 1,588 mm (skale B, F, G), kulkę stalową o średnicy 3,175 mm (skale E, H, K). Podstawą określenia twardości Rockwella jest pomiar trwałego przyrostu głębokości odcisku (trwałego odkształcenia). Wynik odczytuje się w jednostkach twardości HR na odpowiednio wyskalowanym czujniku zega- rowym. Rys. 2.5. Kat rozwarcia stycz- nych w przypadku kiedy d/D = 0,375 docsity.com 26 Rys. 2.6. Schemat pomiaru twardości sposobem Rockwella; Fo, F1 - obciążenie wstępne i główne, ho - głębokość odcisku pod obciążeniem siłą wstępną, h1 - przyrost głębokości odcisku pod obciążeniem siłą główną, e - trwały przyrost głębokości odcisku, mierzony pod obciążeniem siłą wstępną Zasadę pomiaru twardości przedstawiono na rys. 2.6. Obciążenie wstępne Fo powoduje dociśnięcie wgłębnika do próbki oraz skasowanie wszystkich luzów w układzie mechanicznym twardościomierza. Wgłębnik zajmuje pozycję na linii odniesienia na głębokości ho od powierzchni próbki. Po ustawieniu wskazówki czujnika zegarowego w położeniu początkowym, przykłada się obciążenie główne F1. Wgłębnik zostaje wciśnięty na głębokość h1 od linii odniesienia. Po upływie określonego czasu (pkt. 2.3.3) podnosi się dźwignią obciążenie główne, pozostawiając wstępne. Na skutek zaniku odkształcenia sprężytego, wgłębnik unosi się i zajmuje pozycję na głębokości e - jest to trwały przyrost głębokości odcisku. Wartość e mierzy się w jednostkach odpowiadają- cych wielokrotnościom 0,002 mm. Przyjęto, że maksymalna głębokość odcis- ku, odpowiadająca twardości równej zeru, wynosi 0,20 mm dla skal A, C, D oraz 0,26 mm dla skal B, E, F, G, H, K, co odpowiada kolejno 100 i 130 jednostkom. Stąd twardość w skalach A, C, D określa zależność: HR = 100 - e , dla pozostałych skal zależność: HR = 130 — e. docsity.com 29 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 1 mm. Czas obciążenia wgłębnika siłą główną F1 powinien wynosić: 1 —3 s - dla metali nie wykazujących postępującego odkształcenia plas- tycznego pod obciążeniem F1 (wyraźne zatrzymanie wskazań urządzenia pomiarowego). 10 — 15 s - dla metali, które wykazują postępujące odkształcenie plastyczne pod obciążeniem F1. Wartości twardości Rockwella odczytuje się bezpośrednio z odpowiednio wyskalowanej tarczy czujnika zegarowego po zdjęciu obciążenia głównego. W większości twardościomierzy na tarczy czujnika naniesione są dwie skale przesunięte względem siebie o 30 działek. Skali zewnętrznej (czarnej) używa się do prób, w których wgłębnikiem jest stożek diamentowy, a wewnętrznej (czerwonej) do prób, w których wgłębnikiem jest kulka stalowa. 2.3.4. Zasada zapisu twardości 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. Np.: 62 HRC - twardość Rockwella 62 zmierzona w skali C (przy za- stosowaniu wgłębnika diamentowego w postaci stożka), 88 HRB - twardość Rockwella 88 zmierzona w skali B (przy zastoso- waniu wgłębnika w postaci kulki stalowej). 2.3.5. Wady i zalety pomiaru twardości sposobem Rockwella Wady: • niemożliwość bezpośredniego porównania poszczególnych skal, • duży wpływ niepoprawnego ustawienia przedmiotu oraz czystości badanej powierzchni na wynik pomiaru, • mniejsza dokładność pomiarów niż w innych metodach. Zalety: • szybkość wykonania pomiaru, • szeroki zakres pomiarowy - dla metali miękkich i twardych, docsity.com 30 • możliwość automatyzacji pomiarów, • prostota wykonywania pomiarów. 2.4 Pomiar twardości metali sposobem Poldi Najbardziej rozpowszechnionym dynamicznym sposobem pomiaru twar- dości metali jest sposób opracowany przez Hutę Poldi. b) Próbka wzorcowa Badany przedmiot Rys. 2.7. Pomiar twardości sposobem Poldi: a) młotek, b) schemat pomiaru; 1 - uchwyt, 2 - oprawka kulki, 3 - płytka wzorcowa, 4 - sworzeń, 5 - sprężyna Młotek Poldi (rys. 2.7) składa się z obudowy, w której jest umieszczony ruchomy sworzeń, oparty jednym końcem o płytkę wzorcową. Z drugiej strony płytka wzorcowa oparta jest na stalowej kulce o średnicy 10 mm. Pomiar twardości polega na równoczesnym wykonaniu odcisków w badanym materia- le i płytce wzorcowej przez uderzenie młotkiem o masie 500 g w ruchomy sworzeń. Po zmierzeniu średnic odcisków, d - w badanej próbce i dw w próbce wzorcowej, szukana twardość może być obliczona w skali Brinella z zależności: (2.6) gdzie: HBW - twardość próbki wzorcowej. Młotek Poldi ma zastosowanie wszędzie tam, gdzie nie można zastosować statycznych metod pomiaru twardości, np. w magazynach stali lub dla przedmiotu bardzo dużych. a ) 4 5 1 3 2 90o d290° docsity.com 31 Twardość metali jest funkcją wielu czynników zewnętrznych, a w szczegól- ności zależy od kształtu i wymiarów zastosowanego wgłębnika. Stąd wyniki pomiarów twardości przeprowadzonych różnymi metodami mogą być porów- nywane między sobą tylko przy zastosowaniu tablic przeliczeniowych lub wykresów uzyskanych doświadczalnie. Takie porównanie ma zaledwie charak- ter orientacyjny i należy je stosować tylko w przypadkach, gdy nie można bezpośrednio zmierzyć twardości wymaganym sposobem. Tablice porównaw- cze twardości Brinella, Vickersa i Rockwella dla stali i staliwa są znor- malizowane i zamieszczone w PN-93/H-04357. Na rys. 2.8; 2.9; 2.10 przed- stawiono najważniejsze wykresy porównawcze skal twardości. Pola zakres- kowane ukazują rozrzut porównywanych wartości. Rys. 2.11 przedstawia zakres twardości podstawowych materiałów konstrukcyjnych wyrażony w róż- nych skalach. Rys. 2.8. Porównanie skal twardości Vickersa i Brinella 2.5. Porównanie twardości metali wyznaczonej różnymi sposobami Kulka nieodkształcalna Kulka z węglików spiekanych Kulka stalowa Twardość , HB docsity.com 34 2.6. Błędy pomiarów twardości i ich przyczyny W celu uzyskania poprawnego wyniku pomiaru twardości niezbędny jest nie tylko wybór prawidłowego sposobu i warunków pomiaru. Wymaga się również odpowiedniego doboru miejsca pomiaru, przygotowania powierzchni pomiarowej, znajomości źródeł błędów pomiaru oraz zapewnienia dokładności wskazań twardościomierza. W warunkach przemysłowych sposób i warunki pomiaru określone są dokumentacją techniczną lub odpowiednimi przepisami odbiorczymi. W innych wypadkach należy zawsze dążyć do stosowania znormalizowanych statycznych metod pomiaru. Przystępując do pomiarów należy sprawdzić dokładność wskazań twar- dościomierza. Najłatwiej to zrobić mierząc twardość płytek wzorcowych, które z reguły są na wyposażeniu twardościomierza. Płytki wzorcowe mają okreś- loną twardość mierzoną jedną metodą przy ustalonym obciążeniu i rodzaju wgłębnika. Jeżeli wynik pomiaru różni się od wartości podanej na płytce, to należy sprawdzić stan techniczny twardościomierza. Szczególną uwagę należy zwrócić na wgłębnik. Nawet niewielkie odchyłki kształtu i wymiarów mogą powodować znaczne błędy pomiaru. Wykorzystywanie do pomiarów uszko- dzonych wgłębników, np. ostrosłupów lub stożków diamentowych wykruszo- nych w wyniku złej obsługi lub kulek stalowych spłaszczonych podczas wgniatania ze zbyt dużą siłą, jest niedopuszczalne. Znaczny wpływ na błędy pomiaru wywiera nieprostopadłość powierzchni badanej próbki w stosunku do osi wgłębnika i niezgodność tej osi z osią działania obciążenia. Wynikiem tego są zniekształcone odciski (rys. 2.12). Rys. 2.12. Zniekształcenie odcisków w przypadku nieprostopadłości powierzchni do osi wgłębnika przy pomiarze twardości sposobem: a) Brinella, b, c) Vickersa docsity.com 35 Rys. 2.13. Przykłady wadliwego i poprawnego ustawienia przedmiotów w czasie przeprowadzania pomiarów twardości Płaszczyzna Powierzchnia walcowa Powierzchnia stożkowa Powierzchnia kulista Powierzchnia wypukła Docisk Docisk S p o só b u st aw ie n ia i ro dz aj p o w ie rz ch n i b ad an eg o p rz ed m io tu U st aw ie n ie n ie p ro st o p ad łe d o o b ci ąż . n ie p ra w id ło w e p ra w id ło w e U st aw ie ni e p rz ed m io tu n ie st at yc zn eo o n ie p ra w id ło w e p ra w id ło w e U st aw ia n ie p rz ed m io tu o d k sz ta łć , si ę p ra w id ło w e n ie p ra w id ło w e docsity.com 36 Brak sztywnego podparcia próbki może decydować o jej odkształceniu sprężystym lub plastycznym pod działaniem obciążenia i tym samym być przyczyną błędnych wyników pomiarów. Z tego powodu przedmioty poddane próbom twardości powinny być szczególnie starannie ułożone i sztywno podparte. W tym celu używa się pryzm, wymiennych stolików twardoś- ciomierzy i specjalnych podpórek. Przykłady wadliwego i poprawnego usta- wienia przedmiotów przedstawiono na rys. 2.13. docsity.com