Badanie własności mechanicznych i plastycznych metali oraz wykonanie prób pomiaru twardości metodą Rockwella, Brinella i Vickersa.

Wszystkie tabele i rysunki zawarte są razem z treścia w załączniku.

Cel laboratorium

Celem laboratorium jest zapoznanie się ze statyczną próbą rozciągania (własnościami mechanicznymi i plastycznymi) i metodami pomiaru twardości (metodą Brinella, Rockwella,Vickersa) oraz udarności.


Badania wytrzymałościowe materiałów

Badania własności mechanicznych metali i stopów wykonuje się wykorzystując wiele różnorodnych metod. Wynika to z potrzeby określenia wielkości charakteryzujących zachowanie się materiału poddawanego różnym rodzajom obciążenia, jak: rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie czy ścinanie, a także niektórym ich kombinacjom. Różne warunki pracy materiałów konstrukcyjnych narzucają ponadto konieczność prowadzenia badań przy obciążeniach cyklicznych, stosowania różnych szybkości obciążenia, a dla uwzględnienia wpływu temperatury otoczenia – wykonywania prób w temperaturach różnych od temperatury otoczenia, co znakomicie powiększa liczbę możliwych wariantów.
Konieczność wyznaczenia w możliwie prosty sposób charakterystyki mechanicznej materiału i przekazania jej konstruktorom i technologom w postaci ściśle określonych wartości liczbowych spowodowała, że nie są to wielkości fizyczne. Mają one znaczenie umowne i są ściśle zależne od warunków, w jakich zostały wyznaczone. Pierwsza własnością mechaniczną jaka prawdopodobnie została zauważona w związku z budową dużych konstrukcji, np. mostów lub budynków, jest wytrzymałość. Ściślej biorąc pojęcie wytrzymałość doraźna na rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie, ścinanie, wytrzymałość: czasowa i trwała przy pełzaniu, wytrzymałość zmęczeniowa przy obciążeniach jednostronnie zmiennych (tętniących) i przy obciążeniach obustronnie zmiennych (przemiennych).
Innymi własnościami mechanicznymi są: sprężystość, plastyczność, pełzanie, twardość, udarność. Każda z tych własności wyraża pewną zdolność stawiania oporu czynnikom mechanicznym.
Oprócz badań mechanicznych wielkie rozpowszechnienie znalazły również próby technologiczne, wykazujące w jakim stopniu nadaje się dany materiał do określonego procesu technologicznego. W celu określenia własności technologicznych metali i ich stopów zadowala najczęściej zdefiniowanie trzech zasadniczych cech, a mianowicie: skrawalność, ścieralność, lejność, czasem również spawalność i kowalność.



1. Próba statyczna rozciągania

Próba statyczna rozciągania jest jedną z podstawowych prób stosowanych do określenia jakości materiałów konstrukcyjnych wg kryterium naprężeniowego w warunkach obciążeń statycznych. Pozwala bowiem na obserwację zachowania się materiału w całym zakresie odkształceń (sprężystym, sprężysto – plastycznym aż do zerwania), można na jej podstawie określać nie tylko cechy wytrzymałościowe, ale także plastyczne materiału. Próba ta polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonym kształcie (zależnym od rodzaju badanego materiału) w specjalnych uchwytach dostosowanych do próbek.

Próbki do badań
Przygotowanie próbek do oraz sposób prowadzenia próby opisane są szczegółowo w normie PN-91/H-04310.
Próbki do rozciągania pobiera się zwykle równolegle lub prostopadle do kierunku walcowania, a następnie obrabia się je mechanicznie, zachowując co najmniej 6 klasę chropowatości powierzchni pomiarowej. Rozróżnia się następujące rodzaje próbek dla stali i przerobionych plastycznie stopów metali nieżelaznych:
· Cylindryczne z główkami do uchwytów pierścieniowych;
· Cylindryczne do uchwytów w szczęki;
· Cylindryczne z główkami gwintowanymi;
· Płaskie, częściowo obrobione mechanicznie;
· Płaskie bez główek;
· Nie obrobione mechanicznie ( z prętów, kształtowników o małym przekroju, odlewów, itp.);
· Pierścieniowe ( w przypadku badania materiałów kotłowych i urządzeń ciepłowniczych);
· Z żeliwa.

Próbki wykonuje się zazwyczaj jako pięcio- lub dziesięciokrotne i wówczas L0 = 5d0(A5) lub
L0 = 10d0(A10). Dla próbek płaskich określa się tzw. Średnicę zastępczą 5,65 ∙ √S0(A5) lub
11,3 ∙√S0(A10), gdzie S0 jest polem powierzchni przekroju poprzecznego części pomiarowej.
Po przygotowaniu próbkę skaluje się, nanosząc na jej części pomiarowej bazę pomiarową w postaci płytkich rys w odległości co 5 mm dla późniejszego pomiaru wydłużenia.
Na rysunku 1. przedstawiono typowy wykres rozciągania stali niskowęglowej. Na osi rzędnych są wartości siły rozciągającej F, zaś na osi odciętych przyrost długości próbki. Ponieważ zarówno siła rozciągająca, jak i wydłużenie są zależne od przekroju poprzecznego i długości początkowej próbki, celowa jest zmiana układu współrzędnych na naprężenie σ i odkształcenie względne ε. Przy takiej transformacji charakter wykresy pozostaje bez zmian; zmieniają się jedynie skale: i tak na osi rzędnych nanosimy skalę naprężeń σ, rozumianych w tym przypadku jako stosunek siły F do początkowego przekroju próbki S0, na osi odciętych – odkształcenie względne ε, rozumiane jako stosunek przyrostu długości ΔL próbki do długości początkowej L0. Tak opisany wykres rozciągania umożliwia bezpośredni odczyt parametrów charakterystycznych dla badanego materiału.




















Rys. 1
Analizując wykres rozciągania widać, że w pierwszej części procesu (odcinek 0 – A) siła (naprężenie) rośnie wprost proporcjonalnie do wydłużenia. Prosta 0A, często nazywana prostą Hooke’a, jest graficzną interpretacją zależności:

σ = E ∙ε

nazywanej prawem Hooke’a. Zależność ta jest słuszna tylko w zakresie odkształceń czysto sprężystych. Współczynnik proporcjonalności E nazywamy modułem Younga lub modułem sprężystości podłużnej. Liczbowo odpowiada on tangensowi kąta α, zawartego pomiędzy 0A, a osią odciętych – posiada wymiar naprężenia (MPa).

Typowe wykresy rozciągania dla różnych materiałów pokazano na rysunku 2. Jak widać z rysunku, wykres rozciągania jest charakterystyczny dla każdego materiału.












Rys.2






Ćwiczenie I

Sposób przeprowadzenia próby
Przygotowaną próbkę zakłada się do uchwytów zrywarki i powoli obciąża, aż do zerwania, rejestrując jednocześnie na wykresie zależność F =f(L). Maszyna wytrzymałościowa, na której przeprowadza się próbę, powinna być przed próbą cechowana na celu stwierdzenia, czy spełnia wymagania stawiane przez normę PN-64/H-04313. Maszyna składa się z cylindra, do którego pod ciśnieniem wtłaczany jest olej (zarówno ciśnienie, jak i prędkość przepływu reguluje się nastawą pompy olejowej), który powoduje powstanie siły proporcjonalnej do iloczynu przekroju poprzecznego tłoka i ciśnienia. Siła ta przenoszona jest mechanicznie na ruchomą szczękę maszyny wytrzymałościowej, powodując rozciąganie zmocowanej między szczękami próbki. Cylinder maszyny wytrzymałościowej połączony jest z przewodem hydraulicznym z siłomierzem mechaniczno-hydraulicznym. Odczytu siły dokonuje się na skali.
W wyniku próby rozciągania otrzymuje się wykres w układzie F – wydłużenie ΔL. Przebieg tej zależności uwarunkowany jest rodzajem badanego materiału, jego stanem, geometrią próbki, szybkością rozciągania oraz temperaturą badania.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest poznanie przebiegu statycznej próby rozciągania, przygotowaniu materiału do badań, wyznaczenie jego własności wytrzymałościowych i plastycznych.
Do wykonania ćwiczenia stosowane były następujące materiały i urządzenia:
· Maszyna wytrzymałościowa;
· Próbka na rozciąganie stali niskowęglowej (z blachy firmy Florian);
· Suwmiarka.

Tabela pomiarów i wyników:

a = 10,35mm

Materiał Rm l0 lu S0 Su A5 Z
kN kN mm mm2 %
Stal niskowęglowa (z blachy firmy Florian) 2,33 0,45 30 36 5,18 4,44 20 14

Na odwrocie kartki przedstawiony jest wykres ilustrujący przebieg w/w statycznej próby rozciągania.

Wnioski:

Stal niskowęglowa o przekroju początkowym 5,18mm2 i długości 30mm po statycznej próbie rozciągania otrzymała przekrój poprzeczny równy 4,44mm2 i długość jej zwiększyła się do 36mm. Nastąpiło jej wydłużenie o 20% i przewężenie o 14%. Wytrzymałość na rozciąganie wyniosła 2,33kN, a największa siła rozciągająca 0,45kN.



2. Próba udarności

Najprostszą metodą odporności na pękanie jest próba udarności. Próba ta polega na dynamicznym łamaniu na specjalnym młocie wahadłowym, próbek o przekroju 10 x 10mm mających z jednej strony karb. Karb próbki powinien być usytuowany po stronie przeciwnej do kierunku uderzenia młota. W Polsce obowiązują próbki typu Menagera i Charpy V.
Badając udarność materiału i mierząc również procentową zawartość powierzchni krystalicznej, jak również zwężenie boczne próbki tuż pod dnem karbu, można uzyskać wiele bardzo cennych informacji, które umożliwiają prawidłową selekcję materiału pod względem odporności na pękanie.

Próbki do badań
Kształt, wymiary i dopuszczalne odchyłki wymiarowe próbek przedstawia rysunek 3.
i tabela 1.

















Rys. 3

Wymiary i dopuszczalne odchyłki wymiarowe próbek udarnościowych













Tabela 1
Ćwiczenie II

Sposób przeprowadzenia próby
Próba udarności do dziś pozostaje podstawową próbą, pod względem odporności na pękanie, stosowaną przy odbiorze stali w hutach. Udarność (KC) oblicza się w J/mm2 wg wzoru:
*KC = E/S0 [J/mm2]

Gdzie: E – praca uderzenia;
S0 – powierzchnia początkowa przekroju próbki w miejscu karbu.


Pracę uderzenia E lub odporność KC, obliczona według wzoru*, należy podawać z dokładnością do: 0,1 J dla pracy uderzenia do 10 J lub 0,1 J/mm2 dla udarności powyżej
10 J/mm2. Wynik próby stanowi średnią arytmetyczną trzech pomiarów.

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest wykonanie próby udarności i jej wyznaczenie.
Do wykonania ćwiczenia stosowane były następujące materiały i urządzenia:
· Młot Charpy’ego;
· Próbka udarnościowa;
· Suwmiarka.

Tabela pomiarów i wyników:

E S0 KC
J mm2 J/mm2
96 80 1,2


Wnioski:

Przy wykonaniu próby udarności na próbce udarnościowej o początkowej powierzchni przekroju w miejscu karbu równej 80mm2 i przy pracy uderzenia młota równej 96 J otrzymaliśmy przełom kruchy próbki i jej udarność KC=1,2 J/mm2.













3. Badania twardości

Twardość jest jedną z tych własności, których nie można zdefiniować jednoznacznie w układzie znanych wielkości fizycznych. W praktyce za twardość przyjęto uważać własność ciała stałego (własność mechaniczną) wyrażającą się odpornością na odkształcenie plastyczne przy działaniu skupionego nacisku na powierzchnię tego ciała, powstającą np. przy wciskaniu w tę powierzchnie wgłębnika. Inaczej twardość jest miarą oporu, jaki wykazuje ciało w czasie wciskania weń drugiego ciała.
Badanie i porównywanie twardości opiera się na metodach, które ze względu na charakter oporu stawianego przez materiał podczas próby, można podzielić na:
1. Metody oparte na wciskaniu:
a) statyczne (Brinella, Rockwella, Vickersa, Knoopa, Grodzińskiego, Chruszczowa i inne);
b) dynamiczne (Poldi).
2. Metody ryskowe (Martensa i inne).
3. Metody sprężystego odskoku (Shore’a i inne).


Metody statyczne pomiaru twardości

Najbardziej rozpowszechnione, spośród wielu metod pomiarów twardości, są metody statyczne polegające na wciskaniu wgłębnika (penetratora) w badany materiał z siła zapewniającą uzyskanie trwałego odcisku.

Metoda Brinella (PN-91/H-04350)
Pomiar twardości tą metodą polega na wciskaniu w badany materiał (rys.4) kulki stalowej hartowanej o minimalnej twardości 850 HV 10 lub kulki z węglików spiekanych. Symbol HBS oznacza zastosowanie kulki stalowej, a HBW kulki z węglików spiekanych.


















Rys. 4 Schemat pomiaru twardości metodą Brinella: a) początek obciążenia, b) po odciążeniu: 1 – kulka, 2 – badany materiał, 3 – element obciążający, 4 – odcisk, φ – kąt wciskania



Twardość Brinella jest to stosunek obciążenia F do pola S powierzchni kulistej czaszy odcisku.

HB = F/S
S = π ∙ D ∙ h

Gdzie: D – średnica kulki
h – wysokość odcisku (rys.4)

Wartości współczynników obciążenia dla różnych materiałów (wg PN-91-/H-04350)


























Ćwiczenie III


Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie metody pomiaru twardości wg Brinella, jej zastosowanie oraz nabycie praktycznych umiejętności pomiaru w/w metodą.

!Nie wolno rozpoczynać pomiarów od metody Brinella, na próbkach o nieznanej twardości, ze względu na możliwość uszkodzenia wgłębnika przy próbkach bardzo twardych.



Tabela pomiarów i wyników:

Rodzaj wgłębnika F S D d h HB
kulka stalowa 1839N 13,35mm2 5mm 1,3mm 0,85mm 137

Wnioski:

Przy pomiarze twardości metodą Brinella, użyciu kulki stalowej o średnicy 5mm jako wgłębnika i obciążenia równego 1839N (187,5kG) materiał uzyskał średnicę odcisku 1,3mm i wysokość odcisku 0,85mm. Twardość próbki wyniosła 137 HBS lub 137 HB (twardość
137 jednostek Brinella, warunki standardowe: D = 5mm, F = 1839N, czas 10-15 s).



Zalety i wady pomiaru twardości metodą Brinella

ZALETY
1. Dla wielu materiałów istnieje zależność doświadczalna pomiędzy wytrzymałością na rozciąganie Rm a twardością HB:
Rm = a ∙ HB
2. Możliwość stosowania metody do pomiaru twardości materiałów niejednorodnych, dzięki stosunkowo dużej powierzchni odcisku.
3. Jedna skala twardości.

WADY
1. Ograniczenie możliwości porównywania wyników do pomiarów przeprowadzonych przy tym samym współczynniku obciążenia K.
2. Nie nadaje się do pomiarów twardości: przedmiotów o niewielkich wymiarach, warstw powierzchniowych, warstw utwardzonych, materiałów twardych.
3. Stosunkowo duże uszkodzenie powierzchni.









Metoda Rockwella (PN-91/H-04355, PN-82/H-04362)
Metoda ta polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał wgłębnika (stożka diamentowego lub kulki stalowej) oraz pomiarze trwałego przyrostu głębokości odcisku po obciążeniu (rys. 5).












Rys.5 Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella: F0 – obciążenie wstępne,
F1 – obciążenie główne

Przebieg próby

Wgłębnik zostaje obciążony obciążeniem wstępnym F0 i wciśnięty na głębokość h0, która zostaje przyjęta za głębokość odniesienia. Następnie nakłada się obciążenie główne F1, które powoduje zagłębienie wgłębnika na głębokość h1. Po upływie określonego czasu usuwa się obciążenie główne, pozostawiając wstępne. Wskutek sprężystości badanego materiału wgłębnik podniesie się o wartość h2. Trwały przyrost głębokości odcisku h przyjmuje się do wyznaczania twardości Rockwella wg wzoru:

HR = (K – h)/C
Gdzie: K – wartość stała w [mm] zależna od zastosowanego wgłębnika lub skali twardości Rockwella;
h – trwały przyrost głębokości odcisku w [mm];
C – wartość jednostki odczytowej (zależna od skali twardości Rockwella) w [mm].

Zastosowanie znormalizowanych skal twardości Rockwella



















Twardość Rockwella należy odczytywać na tarczy czujnika z dokładnością do 0,5 jednostki. Jeśli jest to możliwe, za prawidłowy wynik należy przyjąć wartość średniej arytmetycznej z co najmniej trzech pomiarów. Po każdej zmianie wgłębnika, obciążenia lub podstawki dwa pierwsze pomiary nie powinny być brane pod uwagę ze względu na możliwość istnienia luzów wgłębnika i podstawki w uchwycie.

Ćwiczenie IV

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest poznanie metody pomiaru twardości wg Rockwella, jej zastosowanie oraz nabycie praktycznych umiejętności pomiaru w/w metodą.

Pomiary:

I. Pomiar przy rdzeniu badanego materiału – 34HRD
II. Pomiar w odległości od rdzenia badanego materiału – 30,5HRD
III. Pomiar na brzegu badanego materiału:
a) 34,5HRD
b) 31HRD

Wnioski:

Przy badaniu twardości metoda Rockwella przy użyciu stożka diamentowego zauważamy, że badany materiał jest najtwardszy w rdzeniu – 34HRD, im dalej od rdzenia tym twardość badanego materiału maleje i wynosi 30,5HRD, natomiast na brzegach twardość może być większa lub mniejsza i w tym wypadku pierwsza wyniosła 34,5HRD a druga 31HRD. Twardość badanego materiału wynosi 32,5HRD (średnia arytmetyczna wykonanych pomiarów).


Zalety i wady pomiaru twardości metodą Rockwella

ZALETY
1. Szybkość i łatwość pomiaru.
2. Prostota obsługi twardościomierza.
3. Metoda nadaje się do pomiarów twardości wyrobów twardych i niektórych warstw utwardzonych.
4. Ze względu na niewielkie rozmiary odcisków można ją zastosować w wielu przypadkach do wyrobów gotowych (np. do kontroli jakości obróbki cieplnej itp. ).

WADY
1. Znaczna ilość skal twardości i ograniczone możliwości ich porównywania ze sobą.
2. Duża wrażliwość na błędy ustawienia próbki i obsługi twardościomierzy.
3. Niemożność pomiaru twardości bardzo cienkich przedmiotów i cienkich warstw nawęglonych, azotowych, itp.
4. Nierównomierność poszczególnych skal i niekorzystne warunki metrologiczne (wiele mechanicznych położeń).