KAMIL NOGAJ	Grupa F	Laboratorium z materiałoznawstwa
Temat: Badanie twardości i udarności.
Rok akademicki 1999 / 2000	05.05.2000r.	Ocena	Podpis

1. Opis teoretyczny:

Twardością nazywamy opór przeciw wciskaniu w badany materiał odpowiednio dobranego wgłębnika, którym może być kulka, stożek lub ostrosłup. Pomiary twardości znalazły powszechne zastosowanie w przemyśle do kontroli jakości materiału ze względu na ich prostotę, jak również na fakt, że istnieje na ogół ścisła korelacja między twardością materiału i jego wytrzymałością. Metody do pomiaru twardości możemy podzielić na dwa podstawowe rodzaje:

• Statyczne - polega na powolnym wciskaniu wgłębnika przy działaniu siły stałej lub stopniowo wzrastającej do określonej wartości. Do metody tej należą metody: Brinella, Rockwella, Vickersa.

• Dynamiczne - polegają na wciskaniu wgłębnika przez uderzenie. Metodą tą jest metoda Poldi.

Metoda Brinella: polega na wciskaniu w materiał kulki stalowej o średnicy D=10, 5, 2.5, 2 lub 1 mm, przy zastosowaniu siły F, zależnej od średnicy kulki D i twardości zgodnie
ze wzorem:

F=9,806KD² [N]

gdzie:

K - współczynnik zależny od twardości,

D - średnica kulki stalowej.

Przy właściwym doborze średnica odcisku d powinna mieścić się w następującym zakresie:

0,25D ≤ d ≤ 0,6D

Liczba twardości jest określana jako stosunek siły do powierzchni czaszy odciśniętej
w materiale пDh, gdzie h jest głębokością odcisku i wynosi:

Stąd:

Granicą stosowalności tej metody jest twardość 450HB, gdyż przy większej twardości występuje już błąd związany z odkształceniem kulki. Stosując kulki z węglików spiekanych, można mierzyć twardość do HBW≈650.

W przypadku kulki stalowej stosuje się symbol HBS, a w przypadku kulki z węglików spiekanych symbol HBW.

Metoda Rockwella: W metodzie tej jako wgłębnika używa się kulki stalowej o średnicy 1/16 cala (1,588mm) lub stożka diamentowego o kącie rozwarcia 120˚ i promieniu zaokrąglenia r=0,2mm.

W zależności od twardości materiału dobiera się rodzaj wgłębnika i twardość odczytuje się
na odpowiedniej skali. Do badania stali w stanie zahartowanym (o twardości HB> 400) używa się stożka, a twardość odczytuje się na skali czarnej C. Do materiałów miękkich stosuje się kulkę i twardość odczytuje się na skali czerwonej B. Skale te są przesunięte o 30 podziałek. Obciążenie całkowite przy stożku wynosi: 1471 N (150kg), a przy kulce 981N (100kg), przy czym najpierw daje się obciążenie wstępne F₀ równe 98N (10kg)a
po ustawieniu czujnika na 0 dla skali czarnej lub 30 dla skali czerwonej obciążenie dodatkowe F₁ . Miarą twardości jest głębokość wniknięcia wgłębnika, przy czym jednej podziałce odpowiada zagłębienie wgłębnika o 0,002mm.

Zależności są uwzględnione przy budowie aparatu i liczbę twardości odczytuje się bezpośrednio na czujniku przyrządu, sprzężonym z wgłębnikiem.

Pomiar twardości metodą Rockwella jest szybki, a poza tym pozostawia na powierzchni prawie niewidoczny ślad.

Metoda Vickersa: W metodzie tej wgłębnikiem jest diamentowy ostrosłup o kącie dwuściennym 136˚, który jest wciskany siłą 49, 98, 196, 294, 490, 981 N. Liczbę twardości obliczamy jako stosunek siły nacisku F [N] do pola powierzchni odcisku A [mm²].

gdzie:

d - średnia arytmetyczna obu przekątnych odcisku,

α - kąt dwuścienny równy136˚.

Pomiaru d dokonuje się zwykle ze pomocą mikroskopu wbudowanego zwykle w aparat. Mikroskop jest wyposażony dodatkowo w licznik, zapewniający bezpośredni odczyt.

Metoda ta nadaje się szczególnie do pomiaru bardzo twardych powierzchni np. hartowanych, nawęglanych, azotowanych lub metalizowanych dyfuzyjnie. Jej zaletą jest możliwość pomiaru twardości przedmiotów cienkich, pod małymi obciążeniami, jednak w tym przypadku błąd jest większy.

Metoda Poldi: Należy do metod dynamicznych. Pomiaru dokonuje się za pomocą tzw. młotka Poldi. Kulka stalowa o średnicy D=10mm z jednej strony dotyka próbki, z drugiej zaś płytki wzorcowej o znanej twardości HB_w. Przez uderzenie młotkiem w trzpień, dociskany sprężyną do płytki wzorcowej, powstają odciski zarówno na próbce jak i na płytce przy tej samej energii uderzenia.

Wtedy:

HB_p=k·HB_w

gdzie:

p - próbka,

w - wzorzec,

k - współczynnik zależny od wielkości odcisków na próbce i płytce wzorcowej.

Badanie udarności: Miarą odporności metali i stopów na pękanie przy obciążeniach dynamicznych jest udarność, którą definiuje się jako stosunek pracy K potrzebnej do złamania znormalizowanej próbki pod wpływem uderzenia do jej przekroju poprzecznego S₀ w miejscu złamania:

KC=K / S₀ [J / cm²]

Należy zaznaczyć, że udarność silnie zależy od sposobu przeprowadzania próby, a zwłaszcza od kształtu próbki i konstrukcji młota użytego do łamania. Jeśli chodzi o kształt próbki to, najbardziej istotnym elementem jest karb, którego zadaniem jest umiejscowienie przełomu
i stworzenie warunków do wywołania kruchego pęknięcia nawet w materiałach ciągliwych. Najczęściej stosuje się dwa rodzaje karbów ( w kształcie litery U i w kształcie litery V). Próbki do badania udarności mają kształt prostopadłościanu o przekroju kwadratowym
10 ·10 · 55 mm. Na jego środku nacięty jest w poprzek karb o odpowiednim kształcie. Próbkę umieszcza się w urządzeniu do łamania, które jest zbudowane w kształcie wahadła
i jest zwane młotem Charpy'ego.

2. Pomiar twardości - tabelka pomiarowa, wyniki oraz wnioski.

Do pomiaru twardości używaliśmy pięciu próbek :

• próbki stalowej o zawartości węgla 0,55%

• próbki stalowej o zawartości węgla 0,15%,

• próbki z miedzi,

• próbki z mosiądzu,

• próbki wykonanej z tzw. nowego srebra.

Metodą Brinella badaliśmy wszystkie wyżej wymienione próbki. W czasie tego pomiaru używaliśmy wgłębnika w kształcie kulki o średnicy 5 mm. Siła zastosowana podczas tych badań wynosiła 250kg.

Próbka	Średnica odcisku	Twardość HB
Stal 0,55%	1,45mm	148
		1,40mm	159
		1,43mm	152
	Stal 0,15%	1,51mm	136
		1,50mm	140
		1,48mm	142
	Miedź	2,15mm	65,5
		2,17mm	64,2
		2,15mm	65.5
	Mosiądz	1,30mm	185
		1,35mm	171
		1,34mm	175
	Nowe srebro	1,30mm	185
		1,31mm	182
		1,29mm	189

Metoda Brinella przeznaczona jest do badania twardości ni większych niż 450HB. Nasuwa się więc wniosek że mierząc tą metodą twardość nie popełniliśmy błędu związanego
z odkształceniem kulki.

Próbki poddaliśmy również badaniu twardości za pomocą metody Rockwella. W metodzie tej jako wgłębnika użyliśmy stożka diamentowego i uzyskaliśmy następujące wyniki pomiarów:

Próbka	HRD
Stal 0,55%	30
Stal 0,15%	8
Mosiądz	36
Miedź	91
Nowe srebro	53

Próbkę wykonaną z miedzi poddaliśmy badaniu tą metodą również przy użyciu kulki jako wgłębnika. Twardość zmierzona tą metodą wynosi:

HRB=86

Z powodu zbyt głębokiego wniknięcia wgłębnika do próbki pomiar twardości miękkich materiałów takich jak np. miedź jest pomiarem obarczonym dużym błędem.

3. Pomiar udarności:

Próbka poddana pomiarze udarności miała karb w kształcie litery U.

Udarność mierzyliśmy za pomocą młota Charpy'ego.

Przekrój poprzeczny w miejscu złamania wynosił 80mm²=0,8cm².

Praca K potrzebna do złamania próbki wynosiła: K=5,4 [kg·m]=52,97 [J]

Tak więc udarność KC wynosi:

KC=66,21 [J / cm²]

5

Politechnika Świętokrzyska w Kielcach

---