1, Konstrukcje stalowe, Laboratoria

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Wydział Górnictwa i Geoinżynierii

Konstrukcje metalowe

Laboratorium

Jacek Michalak

Arkadiusz Piwowar

Krzysztof Zbiciak

Laboratorium

Konstrukcje

metalowe

ćwiczenie 1

Data oddania sprawozdania :

23.05.2015r.

III  rok Budownictwo

Niestacjonarne

Gr. 2 lab.

Temat : Pomiar twardości metodą Rockwella

Ocena :

I. Cel ćwiczenia :

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z podstawowymi metodami pomiaru twardości metali (Rockwella, Brinella, Vickersa), urządzeniami służącymi do tego celu oraz praktycznym określeniem twardości różnych metali metodą Rockwella.

II. Wstęp teoretyczny :

Twardością określa się odporność materiału na odkształcenia trwałe, które powstają pod wpływem sił skupionych, działających na małą powierzchnię materiału, wywołanych przez wciskanie odpowiedniego wgłębnika. Twardość nie jest stałą materiałową, a więc porównywanie twardości jest możliwe w zakresie tylko jednej metody.

W zależności od wielkości odkształcenia spowodowanego wnikaniem wgłębnika w materiał rozróżnia się pomiary makro- i mikrotwardości. Ważne jest aby miejsce, w którym dokonywany będzie pomiar, zostało oszlifowane, ponieważ stan powierzchni metalu ma duży wpływ na wyniki uzyskane podczas badań twardości. Do pomiarów makrotwardości stosuję się metody:

- Rockwella

- Brinella

- Vickersa

1. Metoda Rockwella.

Pomiar twardości metodą Rokwella polega na dwustopniowym wciskaniu (przy określonych warunkach) w badaną próbkę wgłębnika w kształcie kulki stalowej (skala B, T, F) lub stożka diamentowego o kącie rozwarcia 120 stopni (skala C, A). Miarą twardości w metodzie Rockwella jest różnica pomiędzy stałą wartością K a głębokością odcisku h:

HR = K – h

gdzie: h – trwały przyrost głębokości odcisku

K = 130 (0,26 mm) dla kulki;

K = 100 (0,20 mm) dla stożka

Pomiar twardości metodą Rockwella składa się z 3 etapów:
- etap 1 polega na obciążeniu wgłębnika ciężarem wstępnym co powoduje wbicie się    wgłębnika na głębokość h
- etap 2 polega na dociążeniu wgłębnika ciężarem głównym co powoduje przyrost głębokości do h >h
- etap 3 polega na odciążeniu wgłębnika ciężarem głównym co powoduje podniesienie się wgłębnika na głębokość h < h
Obciążenie wstępne zawsze wynosi 98N, a obciążenie główne jest zależne od badanego materiału. Zauważyć należy także, że twardość Rockwella w skali C nie równa się twardości Rockwella w skali B pomimo takiej samej wartości, np. HRC 25 nie jest równe HRB 25.

2.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.).

HB=FScz

gdzie:

HB - twardość wg Brinella,

F - siła obciążająca,

Scz - pole powierzchni czaszy.

3.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:

HV=FSb

gdzie:

F - siła wciskająca wgłębnik,

Sb - pole powierzchni bocznej odcisku.

III. Zakres ćwiczenia :

Zakres ćwiczenia obejmuje wykonanie pomiarów twardości metodą Rockwella dla czterech stalowych próbek. Dla każdej próbki pomiar należy powtórzyć co najmniej pięciokrotnie , a następnie wyliczyć średnią wartość dla danego materiału. Na podstawie literatury porównać otrzymane twardości różnych metali.

Twardościomierz – urządzenie pomiarowe do określania twardości materiałów

Test twardości – jeden ze sposobów, którymi możemy określić jakość metalu ( produktu). Zachodzi bowiem wzajemna zależność pomiędzy twardością i innymi parametrami tj. wytrzymałością ścieralnością itp.

Twardość – odporność na wgłębnik wciskany w inny przedmiot, który pozostanie nieuszkodzony. Im większa odporność tym większa twardość i odwrotnie

Pomiar twardości metodą Rockwella:

Pod wpływem Obciążenia wstępnego F0 wgłębnik wgłębia się w badany materiał na głębokość 1 ( aby wyeliminować błędy wynikające z przylegania nie obciążonego wgłębnika do powierzchni metalu). Po przyłożeniu obciążenia głównego F1 do F0 wgłębnik zagłębia się na głębokość 2. Po upływie określonego czasu ( około 8 s) następuje odciążenie obciążenia głównego F1 i pozostawienie obciążenia wstępnego F0. Po usunięciu obciążenia F1 na skutek właściwości sprężystych materiału zmniejsza się trwale zagłębienie wgłębnika osiągając głębokość 4 = h.

Oznaczenie twardości składa się z:

- liczb określającej wartość twardości – odczytywanej bezpośrednio na tarczy

czujnika z dokładnością 0,5 jednostki

- znaku HR – twardość w skali Rockwella

- symbolu skali (C, B, A, F)

Przykładowe oznaczenie twardości: 38HRC – dla stożka lub 60HRB – dla kulki

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 poniższej tabeli.

Aparat do badań twardości :

IV. Przebieg ćwiczenia :

1. Na podstawie tabeli przedstawionej w instrukcji do ćwiczenia wybrano metodę badania twardości (określenia rodzaju wgłębnika i skali, wg której dobrano później wartość obciążenia całkowitego),

2. Pokrętłem z prawej strony twardościomierza ustawiono obciążenie całkowite F0 + F1 dopasowane do symbolu z  tabeli,

3. Dźwignię z prawej strony twardościomierza ustawiono w pozycji „do siebie” (brak przyłożonego obciążenia głównego),

4. Tarczę podziałową czujnika obrócono tak, że większa wskazówka znajdowała się w położeniu wskazującym A i C:

– większa wskazówka: wskazówka wartości twardości,

– mniejsza wskazówka: wskazówka obciążenia wstępnego,

5. Na stoliku położono próbkę i pokręcając pokrętłem podniesiono ją aż do zetknięcia się z wgłębnikiem (odnotowano drgnięcie wskazówki czujnika),

6. Od tego położenia podniesiono stolik jeszcze o wysokość odpowiadającą trzem pełnym obrotom wskazówki czujnika tak, aby wskazówka stanęła ponownie w pozycji wskazującej położenie A i C z dokładnością do 5 działek. Czynność ta spowodowała przemieszczenie na tarczy zegara małej wskazówki z punktu białego na czerwony, a tym samym został przyłożony nacisk wstępny F0=98N.

7. Zwolniono dźwignię (pozycja „do siebie”), co spowodowało przyłożenie obciążenia głównego F1, którego wartość została ustalona według obranej skali pomiarowej. W tym czasie wskazówka czujnika cofnęła się, a gdy siła osiągnęła pełną wartość, zaczęto mierzyć czas i po około 10 sekundach podniesiono dźwignię.

8. Wskazówka czujnika wskazała badaną wartość (przy pomiarach za pomocą wgłębnika diamentowego wskazania odczytywano ze skali białej, natomiast przy wgłębniku kulkowym z czerwonej), którą następnie zanotowano w tabeli pomiarowej. Pomiar powtórzono pięciokrotnie dla każdego dostępnego w ćwiczeniu materiału.

9. Aby uniknąć skutków wzajemnego oddziaływania na siebie odcisków, odległość dwóch sąsiednich odcisków, lub odległości od środka odcisku do krawędzi próbki wynosiła co najmniej 3 mm.

10. Grubość materiału w badanych miejscach była nie mniejsza od 10-krotnej głębokości odcisku h.

11. Za miarodajny wynik przyjęto średnią co najmniej z trzech pomiarów,

V. Opracowanie wyników pomiarów :

Nr próbki

Rodzaj blachy

Grubość blachy

1

aluminiowa

4.5 [mm]

2

Z275HAC

stal nierdzewna  DX 510

2.5 [mm]

3

stal nierdzewna OH18N1

2.0 [mm]

4

stal konstrukcyjna S235

3.3 [mm]

materiał

pomiar

wynik

średnia

Wartość

spodziewana

HRB

HRB

aluminiowa

1

90

95.4

20-100 HRB

2

93

3

98

...