Początek

Skrypty Ciekawe strony  

Zaliczanie

   
 

Pomiar twardości metodami Brinella oraz Poldi

I.Cel ćwiczenia.

Podstawowym celem ćwiczenia jest zapoznanie się z doświadczalnymi metodami pomiaru 

twardości wg Brinella i Poldi.

Badanie odkształceń zewnętrznej warstwy części metalowych umożliwia określenie 

rzeczywistych możliwości przenoszenia obciążeń przez materiał.

Dokładne zapoznanie się z twardościomierzem Brinella i młotkiem Poldi ułatwia przyszłej 

kadrze technicznej przemysłu wykonanie samodzielnych pomiarów twardości i ocenę 

wyników prób możliwości odkształceń warstwy wierzchniej realizowanych przez kontrolę 

techniczną.

Ważnym elementem ćwiczenia jest ocena możliwości przerobionych metod i wielkości 

odkształceń trwałych powstających po próbach.

Jedną z podstawowych własności materiałów jest twardość. Dopuszczalne naciski 

powierzchniowe, trwałość maszyn i urządzeń zależy głównie od twardości. Porównywanie jej 

jest możliwe w zakresie jednej metody i to z pewnym zastrzeżeniem.

Twardość jest miarą odporności materiałów przeciw odkształceniom trwałym, powstającym 

wskutek wciskania wgłębnika.

 

II.Wiadomości uzupełniające..

 

1.Metoda Brinella.

 

W 1910 roku została opracowana przez Brinella stosowana powszechnie do dnia dzisiejszego 

metoda pomiaru średnich twardości ( rys.1.1 ). Polega ona na wgniataniu pod obciążeniem P 

[N] lub [kg] stalowej kulki hartowanej w badany przedmiot. Średnica odcisku kulki d [mm] 

mierzona po obciążeniu jest podstawą obliczeń twardości.

Rys.1.1.Sposób wgniatania kulki podczas pomiaru

twardości metodą Brinella.

Oznaczenie składa się z litery H - twardość ( ang. hardness, niem. Harte ) oraz B - Brinella, 

czyli:

HB = F / Scz [MPa] ( 1 )

gdzie:

F - siła obciążająca

Scz - powierzchnia czaszy kulistej w [ mm2]

Scz = Dh ( 2 )

Głębokość h pokazana na rys. 1 wynosi

h = ( D - D2 -d2 ) / 2 ( 3 )

stąd:

Scz = D ( D - D2 - d2) / 2 ( 4 )

a ostateczny wzór przedstawia się następująco:

HB = 2 F / D ( D - D2 - d2 ) [MPa] ( 5 )

Na podstawie badań stwierdzono, że podany warunek będzie spełniony dla pewnych średnic 

odcisku d w przedziale, którego granice zależą od średnicy kuli D, czyli:

0,2 D < d < 0,7 D

Pomiary twardości metodą Brinella określa norma PN-74/H-04350. Opisana metoda jest 

prosta i wygodna. Warunkiem jest stosunkowo duża powierzchnia przedmiotu, na której 

można wykonać pomiary. Dopuszczalny promień krzywizny badanej powierzchni przedmiotu 

może być większy lub równy trzykrotnej średnicy ( D ) kulki.

 

Metoda Brinella jest najczęściej stosowana do metali o średnich twardościach. Granica 

możliwości wynika z wyraźnych plastycznych odkształceń kulki dla wyższych twardości.

Twardościomierz Brinella ( rys.1. 2 ) należy ustawić na fundamencie betonowym.

Urządzenie pomiarowe zapewnia:

a) powiększenie nacisku na kulkę bez wstrząsów aż do osiągnięcia żądanej siły obciążającej,

b) działanie siły obciążającej prostopadle do powierzchni próbki niezmiennie w czasie pełnego 

obciążenia,

Dopuszczalna odchyłka siły obciążającej nie przekracza 1 %. Do badań metodą Brinella 

stosuje się kulki stalowe obrobione cieplnie o twardości minimum 850 HV10 ( twardość 

Vickersa ) lub z twardych spieków o średnicy D równej 10; 5; 2,5; 2 i 1 mm. Dopuszczalna 

odchyłka od średnicy nominalnej nie przekracza 0,01 mm.

Powierzchnia kulki powinna być polerowana i nie powinna wykazywać wad przy obserwacji 

za pomocą lupy o pięciokrotnym powiększeniu.

Mikroskop pomiarowy lub inny przyrząd pomiarowy używany do mierzenia średnicy d 

odcisku powinien zezwalać na pomiar:

dla d 2,5 mm z dokładnością do 0,01 mm,

dla d > 2,5 mm z dokładnością do 0,05 mm.

 

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.

 

2.Młotek Poldi.

 

Badanie twardości młotkiem Poldi jest dynamiczne i polega na równoczesnym wgniataniu 

kulki stalowej ( najczęściej o średnicy 10 mm ) w materiał badany i płytkę wzorcową o 

twardości 202 HB. 

Rys.1.2.Twardościomierz Brinella.

Oznaczenia:

 

1 - siłomierz manometryczny 6 - śruba ze stolikiem przedmiotowym

2 - zawór przepływowy 7 - koło ręczne

3 - cylinder 8 - tłoczek

4 - wgłębnik 9 - zawór przelewowy

5 - próbka ( przedmiot badany ) 10 - obciążniki

 

 

 

 

 

Rys.1.3.Młotek Poldi.

 

Oznaczenia:

1 - uchwyt

2 - oprawka kulki

3 - płytka o wzorcowej twardości

4 - sworzeń

5 - sprężyna

6 - kulka

 

Stosowany jest wzór podobny do ( 5 ), czyli

H = 2 Pdyn / D ( D - D2 - d2 ) ( 6 )

gdzie:

Pdyn - siła uderzenia

Wskaźnikiem 1 oznacza się wielkości dotyczące próbki wzorcowej i wskaźnikiem 2 wielkości 

badanego przedmiotu. Dla rozpatrywanego młotka mamy:

D1 = D2 = D

P1 dyn = P2 dyn = Pdyn

czyli:

H1 = 2 Pdyn / D ( D - D2 - d12 ) ( 7a )

H2 = 2 Pdyn / D ( D - D2 - d22 ) ( 7b )

Po przekształceniu będzie:

H2 = H1 ( D - D2 - d12 ) / ( D - D2 - d22 ) ( 8a )

Podstawiając D = 10 mm, wówczas:

H2 = H1 ( 10 - 100 - d12 ) / ( 10 - 100 - d12 ) ( 8b )

Stąd wielkość stała:

( 10 - 100 - d12 ) / ( 10 - 100 - d12 ) = k ( 9 )

czyli dla:

d1 = dw = średnicy dotyczącej próbki wzorcowej

d2 = d = średnicy dotyczącej badanego przedmiotu

H2 = k H1 ( 10a )

lub w skali Brinella:

HB2 k HB1 ( 10b )

Metoda Poldi nadaje się do szybkich porównawczych pomiarów twardości. Do pełnego 

wyposażenia należy również młotek o masie 0,5 kg, który służy do uderzeń w sworzeń 4. 

Ważne są również płytki wzorcowe. Młotek Poldi jest typowym, dynamicznym urządzeniem 

przenośnym do pomiaru twardości.

Metoda ta jest mało dokładna i mimo prób zwiększenia jej dokładności nie zapewnia ona 

wiarygodnych wyników. Ponadto ze względu na szybkie zużywanie się płytki wzorcowej i ich 

duży koszt, metoda ta jest bardzo nieekonomiczna i możliwość szerszego stosowania jest 

bardzo problematyczna.

Takie wyznaczanie dynamicznej twardości jest bardzo dogodne przy badaniu metali w 

temperaturach podwyższonych, gdyż dzięki bardzo krótkiemu stykowi kulki z badanym 

przedmiotem otrzymany odcisk odpowiada rzeczywiście twardości w temperaturze 

podwyższonej. Metoda dynamicznego wciskania kulki ma również zastosowanie do 

pomiarów twardości dużych przedmiotów, których twardości nie można mierzyć sposobami 

statycznymi wciskania wgłębnika.

 

III.Przebieg ćwiczenia.

 

1.Metoda Brinella.

Najpierw ustala się materiał kulki. Do pomiarów należy stosować następujące kulki:

a) przy twardości do 450 HB - kulki stalowe,

b) przy twardości powyżej 450 HB - kulki z węglików spiekanych.

Wyniki podaje się w postaci liczby z symbolem HB. Typowe warunki próby są następujące:

- kulka o średnicy 10 mm

- siła obciążająca 29420 N ( 3000 kg )

- czas działania 10 do 15 s

W przypadku innych warunków próby symbol HB uzupełnia się średnicą kulki, wielkością i 

czasem działania siły. Na przykład HB D/P/t, gdzie t - czas.

Wymiarów [MPa] nie podaje się przy liczbie twardości. Średnicę kulki dobiera się w 

zależności od grubości próbki.

Wielkość siły obciążającej oblicza się wzorem:

Fi = n Di2

Współczynnik n zależy od rodzaju materiału i zakresu twardości ( tablica 1 ).

Przedmioty poddane pomiarom twardości powinny być oczyszczone.

Obciążenia jest przyczyną odkształceń. Należy pamiętać o poprawnym ustawieniu 

przedmiotów podczas pomiarów. Odkształcenia nie mogą utrudniać lub uniemożliwiać 

prawidłowego trwałego odcisku. Równocześnie należy pamiętać o przepisach BHP, w myśl 

których przedmiot należy tak ustawić i zamocować, aby nie zaistniało niebezpieczeństwo dla 

obsługującego twardościomierz.

Odstęp środków dwóch sąsiednich odcisków powinien być większy od czterokrotnej 

średnicy odcisku; odstęp środka odcisku od krawędzi badanej powierzchni powinien być 

większy od dwu - i półkrotnej średnicy odcisku.

Grubość przedmiotu powinna być kilkakrotnie większa od głębokości odcisku, aby uniknąć 

wpływu właściwości podłoża, na którym umieszcza się przedmiot podczas wykonywania 

pomiaru g k h. Współczynnik k dla stali, żeliwa i metali nieżelaznych przyjmuje się minimum 

10. 

Zasadniczo sposób Brinella odnosi się do pomiaru płaskiej powierzchni przedmiotu. jednakże 

norma dopuszcza wykonanie pomiaru twardości na powierzchniach wypukłych lub wklęsłych. 

W niektórych przypadkach można wykonać pomiar na niepłaskiej powierzchni przedmiotu 

jednak pod warunkiem, że najmniejszy promień krzywizny przedmiotu będzie większy od 

trzykrotnej średnicy kulki, przy czym za średnicę odcisku należy przyjąć średnią arytmetyczną 

największej i najmniejszej średnicy odcisku.

Kulkę obciążać należy bez wstrząsów, do żądanej siły całkowitej w ciągu około 10 s. 

Całkowity czas działania siły obciążającej powinien wynosić:

dla stali i żeliwa - 10 do 15 s

dla innych metali o twardości HB 320 - 30 s

dla innych metali o twardości HB < 320 - 60 s

Średnicę odcisku mierzy się w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Średnia 

arytmetyczna obu pomiarów służy do obliczenia lub odczytania twardości z tablic 

stanowiących załącznik do normy PN-74/H-04350. Różnica mierzonych średnic na 

powierzchni płaskiej nie powinna być większa od 2 % średniej arytmetycznej średnicy 

odcisku.

Dane i wyniki pomiarów wpisać do protokółu pomiarów. Należy wykonać pomiary dla 

dwóch próbek.

Dokładność badań uzależniona jest od wartości liczbowej twardości i przedstawia się 

następująco:

HB > 1000 - dokładność do 10 HB

HB od 100 do 1000 - dokładność do 5 HB

HB < 100 - dokładność do 1 HB

 

2.Młotek Poldi.

 

Uchwyt młotka Poldi'ego ustawić prostopadle do badanej powierzchni próbki nr 1 lub 2 w 

części a. Następnie uderzając zwykłym młotkiem o masie ok. 0,5 kg w sworzeń 4 ( rys.1.3 ) 

uzyskuje się trwałe odkształcenia w postaci odcisków kulki 6 na płytce wzorcowej twardości 

3 i badanej powierzchni. Dane i wyniki wpisać do protokółu pomiarów. Należy określić 

twardość dla trzech miejsc.

Tablica 1.

Wielkości współczynnika n w zależności od rodzaju

materiału i zakresu twardości.

n

Materiał badany

Zakres twardości materiału

 

30

Stal i żeliwo niezależnie od twardości, oraz stopy miedzi, niklu i inne metale o HB >1000

 960 do 6000 HB

10

Stopy miedzi o HB = 350 - 3000,stopy aluminium o HB > 800

320 do 2000 HB

5

Miedź i stopy o HB < 400, stopy aluminium o HB = 350 - 800, stopy łożyskowe o HB < 200

 160 do 1000 HB

2,5

Aluminium i stopy o HB < 350, stopy łożyskowe o HB < 200

80 do 500 HB

1

Stopy łożyskowe oraz inne metale i ich stopy o twardości HB < 200

30 do 200 HB

 

IV.Uwagi do sprawozdania.

 

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

1) określenie celu ćwiczenia,

2) wypełniony protokół pomiarów z uwagami dotyczącymi poszczególnych prób,

3) dyskusję otrzymanych wyników zawierającą:

- analizę błędów pomiaru,

- wskazania źródeł rozbieżności wyników,

- uwagi i wnioski.