Sprawozdanie z maszynoznawstwa

Temat:

„Badanie twardości metali”

1.      1.      Podstawowe pojęcia

Twardość jest miarą odporności materiału przeciw lokalnym odkształceniom trwałym, powstałym na powierzchni badanego przedmiotu, wskutek wciskania w nią drugiego twardszego ciała, zwanego wgłębnikiem .

Twardościomierz to szeroko rozpowszechniony, nieskomplikowany przyrząd służący do badań twardości. Walorami tych urządzeń są: prostota i szybkość pomiaru, nieniszczący charakter próby oraz możliwość orientacyjnego określenia na podstawie wskaźników twardości innych własności wytrzymałościowych.

Makrotwardość i mikrotwardość na te dwa czynniki mogą być badane materiały. Badając przedmiot na makrotwardość określamy twardość materiału jako całości, natomiast przy badaniu na mikrotwardość określamy twardość poszczególnych składników strukturalnych danego materiału.

Metody badania twardości możemy podzielić na statyczne i dynamiczne. Najbardziej rozpowszechnione są metody statyczne. W metodach tych twardość materiału określa się w zależności od wartości siły odciążającej wgłębnik i wielkości odkształcenia trwałego wywołanego działaniem tej siły. Metody dynamiczne znalazły znacznie mniejsze zastosowanie w praktyce, stosowane są w nielicznych przypadkach.

2.      2.      Statyczne metody pomiaru twardości

A)    A)    Pomiar twardości metodą Brinella.

Według normy PN-91/H-04350 w metodzie Brinella jako wgłębnik są kulki stalowe hartowane o znormalizowanych średnicach 10, 5, 2.5 mm . Twardość Brinella (HB) określa stosunek siły P wciskającej wgłębnik do pola A trwałego odcisku, który w postaci czaszy kulistej utworzy się na powierzchni materiału.

W 1.    

Uwzględniając zależności geometryczne wzór W.1 można przedstawić następująco:

W 2.

gdzie:              P – siła obciążająca [kG]

              D – średnica kulki [mm]

              d – średnica odcisku [mm]

Rys. Zasada pomiaru twardości metodą Brinella

Jeżeli tą samą kulką wykona się w tym samym materiale szereg odcisków, kolejno zwiększając siłę P i otrzymując coraz większe odciski, to obliczone każdorazowo liczby twardości HB nie będą jednakowe lecz będą się zmieniały. Jako wskaźnik twardości charakteryzujący materiał przyjmuje się HBMAX która jest maksymalną wartością HB.

Doświadczenia wykonane na różnych materiałach wykazują, że owo maksimum zachodzi wtedy gdy stosunek d : D wynosi w przybliżeniu 0,4. Dopuszczając możliwość odchyłek liczby twardości od wartości maksymalnej zostało przyjęte w normie że średnica odcisków powinna się zawierać w granicach . W celu uzyskania jednakowych 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 odcisku tzn. aby zachodziło podobieństwo statyczne prób. Dla osiągnięcia tego podobieństwa siły nacisku muszą być proporcjonalne do kwadratu dowolnie wybranego wymiaru liniowego kulki lub odcisku. Jeżeli weźmiemy średnice kulki to otrzymamy , zatem P = k*D2.Wartości k dla różnych materiałów należy tak dobierać, aby średnica d odcisku spełniała warunek.

Znormalizowany jest także nominalny czas działania obciążenia a, mianowicie:

              10-15sek. Dla stali i żeliwa o HB > 100

                   30sek. Dla materiałów o 32 <= HB <= 100

                   60sek. Dla materiałów o HB < 32

Pole odcisku określa się na podstawie  pomiarów średnicy dokonywanych z dokładnością :

                            0,01 mm              przy              d <= 2,5 mm

                            0,05 mm              przy               d > 2,5 mm

Znając średnice odcisku możemy obliczyć liczbę twardości ze wzoru :

.

Do pomiarów twardości Brinella używane są twardościomierze działające na zasadzie prasy hydraulicznej w której siły nacisku mogą być dobierane w granicach 15,625 kG do 3000 kG ( 29420 N ). Kulkami stalowymi możemy mierzyć twardość do 450 HB. Do badania materiałów o większych twardościach (do 650 HB)używamy kulek specjalnych wykonanych ze spiekanych węglików metali.

Zalety metody Brinella:

 a / możność uzależnienia twardości Brinella dla materiałów ciągliwych od wytrzymałości na rozciąganie Rm. ( zależności te kształtują się następująco: stal o twardości 125 < HB < 175 - Rm 0,343 HB; stal o twardości HB > 175 - Rm 0,362 HB; staliwo Rm ( 0,3 0,4 ) HB; żeliwo szare Rm ( HB - 40 ) / 6; aluminium Rm 0,26 HB.

b / możność stosowania tej metody do pomiaru twardości o strukturze niejednorodnej.

Wady metody Brinella:

a / niemożność stosowania go do pomiaru twardości wyrobów twardych, drobnych oraz 

cienkich warstw utwardzonych i powierzchni niepłaskich,

b / kłopotliwy pomiar twardości ( mikroskop do pomiaru średnicy odcisku ),

c / zależność wyniku pomiaru twardości od zastosowanego obciążenia na kulkę,

d / znaczne uszkodzenie powierzchni.

Doświadczenie:

              P = 3000 kG (29420 N)

              d1 = 4,1 średnica pierwszego pomiaru

              d2 = 4,2 średnica drugiego pomiaru

              d = ( d1 + d2 ) / 2

              d = ( 4,1 + 4,2) / 2 = 4,15

              == 28,33

B)    B)    Pomiar twardości metodą Rockwella.

W metodzie Rockwella określenie liczby twardości zostało oparte na pomiarach głębokości odcisków trwałych uzyskiwanych w różnych materiałach za pomocą ustalonego wgłębnika (stożka diamentowego lub kulki stalowej) i ustalonego nacisku.

Do badania materiałów o różnych zakresach twardości przyjęto w metodzie Rockwella ogółem  5 różnych wgłębników :

-          -         stożek diamentowy o kącie rozwarcia = 120o z wierzchołkiem zaokrąglonym o promieniu 0,2 mm

-          -         kulki stalowe hartowane o średnicach : 1/16” , 1/8” , 1/4” ,  1/2” .

Rys. Zasada pomiaru twardości metodą Rockwella

Podobnie wprowadzone zostały trzy różne naciski :

P1 = 10 + 50 = 60 kG

              P2 = 10 + 90 = 100 kG

              P3 = 10 + 90 = 150 kG

Przez zestawienie różnych wgłębników z kolejnymi naciskami powstało 15 tzw. „skal” Rockwella.

SKALE TWARDOŚCI W/G ROCKWELLA

Liczbę twardości Rockwella określa umowny wzór :gdzie: jest głębokością odcisku wyrażoną w umownych jednostkach pomiarowych 0,002 mm, zaś k – wartością stałą przyjmowaną przy pomiar stożkiem jako k1 = 100, a przy pomiarach kulkami stalowymi jako k...