Początek

Skrypty Ciekawe strony  

Zaliczanie

   
 

Pomiar twardości metodą Rockwella

I.Cel ćwiczenia.

Podstawowym celem ćwiczenia jest zapoznanie się z doświadczalną metodą pomiaru 

twardości wg Rockwella.

Badanie odkształceń zewnętrznej warstwy części metalowych umożliwia określenie 

rzeczywistych możliwości przenoszenia obciążeń przez materiał.

Dokładne zapoznanie się z twardościomierzem ułatwi przyszłej kadrze technicznej przemysłu 

wykonywanie samodzielnych pomiarów twardości i ocenę wyników prób możliwości 

odkształceń warstwy wierzchniej realizowanych przez kontrolę techniczną.

Jedną z podstawowych własności materiałów jest twardość. Dopuszczalne naciski 

powierzchniowe, trwałość maszyn i urządzeń zależy głównie od twardości. Porównanie 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.

 

Pomiar twardości sposobem Rockwella ( 1922 r. ) polega na dwustopniowym wciskaniu w 

badany przedmiot wgłębnika ( stożek diamentowy lub kulka stalowa ) przy określonych 

warunkach i pomiarze trwałego przyrostu głębokości odcisku.

Twardość Rockwella wyznacza się na podstawie głębokości odcisku wykonanego w 

materiale przy dwustopniowym wciskaniu wgłębnika. Dwustopniowość wciskania polega na 

zastosowaniu dwu wartości obciążenia: wstępnego Fo i głównego F1. Przy obciążeniu Fo 

wgłębnik zagłębia się na głębokość wstępną ho w materiał. W tym położeniu ustawia się czujni 

na zerowe położenie; obciążenie wstępne ( patrz tab. 1 ) jest realizowane przez ciężar samej 

dźwigni, bez obciążników. Następnie dodaje się obciążenie główne F1 ( w sumie działa więc 

obciążenie całkowite ). Wgłębnik zagłębia się w materiał na głębokość h. Ponieważ w tym 

położeniu w materiale występują odkształcenia zarówno trwałe jak i sprężyste, wobec tego 

zdejmuje się obciążenie F, wgłębnik obciążony tylko obciążeniem F uniesie się nieco pod 

wpływem odkształcenia materiału, powstały odcisk jest więc już wynikiem odkształceń 

głównie plastycznych. Jako głębokość pomiarową do wyznaczania twardości Rockwella 

przyjmuje się wartość e', będąca odległością powstałą po przyłożeniu obciążenia głównego.

Metoda Rockwella charakteryzuje się dużą ilością skal pomiarowych. Najważniejsze z nich 

zestawione zostały w tabeli 1. Spośród tych skal najczęściej stosuje się skale C i B. Twardość 

wg skali C jest to wartość wyliczona ze wzoru: HRC = 100 - e, w którym e = e' / 0,002 - 

trwały przyrost głębokości odcisku wyrażony w jednostkach 0,002 mm. Dla skali B wzór ma 

postać: HRB = 130 - e. Tak wyrażonej twardości na ogół nie oblicza się ze wzoru. 

Stosowane czujniki są wyskalowane bezpośrednio w jednostkach twardości ( zwykle czarne 

oznaczenia podziałki odpowiadają skali C, czerwone - skali B ).

Twardościomierz Rockwella jest to twardościomierz o przekładni dźwigniowej. Dźwignia 

jednostronna 1, na której zawieszone są obciążniki 2, naciska na wgłębnik 3, Pod wpływem 

obciążenia wgłębnik zagłębia się w materiał badany 4, umieszczony na stoliku przedmiotowym 

5, wkładanym do śruby podnośnej 6. Do podnoszenia dźwigni 1 przed pomiarem i po 

pomiarze służy mechanizm 7 składający się z listwy zębatej oraz zespołu kół zębatych. Po 

umieszczeniu na stoliku 5 przedmiotu badanego doprowadza się go za pomocą kółka 8 do 

zetknięcia z wgłębnikiem. Dalsze pokręcanie kółkiem 8 i podnoszenie śruby 6 ma na celu 

wstępne obciążenie wgłębnika. Po uzyskaniu pełnego obrotu wskazówki czujnika zegarowego 

9 ustawia się ją w położeniu zero ( dokładnego ustawienia na zero dokonuje się ręcznie przez 

pokręcenie tarczą czujnika ).

Naciskając zwalniacz 10 powoduje się obrót dźwigni 1 wokół przegubu 11, wywołany 

działaniem na dźwignię obciążnikiem 2. Powolny przyrost obciążenia uzyskuje się przez 

zastosowanie tłumika olejowego 12.

Rys.1.1.Schemat pomiaru twardości sposobem Rockwella

przy użyciu stożka diamentowego.

Rys.1.2.Schemat pomiaru twardości sposobem Rockwella przy użyciu kulki stalowej.

 

Wymagania w zakresie dokładności twardościomierza Rockwella ( rys. 1.3 ) są wysokie. 

Układ obciążający zapewnia:

a) zwiększenie nacisku na wgłębnik bez wstrząsów,

b) wywieranie na wgłębnik w położeniu prostopadłym do powierzchni próbki obciążenia 

wstępnego Po = 98 N lub 10 kG,

c) przyłożenia obciążenia głównego:

dla stożka - Pl = 1373 N lub 140 kG,

dla kulki - Pl = 883 N lub 90 kG,

w czasie 3 do 6 sekund tak, aby uzyskać całkowite obciążenie

dla stożka - P = 1471 N lub 150 kG,

dla kulki - P = 981 N lub 100 kG.

 

Charakterystykę znormalizowanych skal Rockwella przedstawia tabelka 1.

 

.

Skala

A

B

C

F

N

T

Obciążenie Fo

98 N

10 kG

98 N

10 kG

98 N

10 kG

98 N

10 kG

29,4 N

3 kG

29,4 N

3 kG

Obciążenie

F1

490 N

50 kG

883 N

90 kG

1373 N

140 kG

490 N

50 kG

117,7 N

12 kG

264,8 N

27 kG

411,9 N

42 kG

117,7 N

12 kG

264,8 N

27 kG

411,9 N

42 kG

Obciążenie

F

588 N

60 kG

980 N

100 kG

1471 N

150 kG

588 N

60 kG

147 N

15 kG

294 N

30 kG

441 N

45 kG

147 N

15 kG

294 N

30 kG

441 N

45 kG

Wgłębnik

stożek

diamentowy

kulka

1 / 16"

stożek

diamentowy

kulka

1 / 16"

stożek

diamentowy

kulka

1 / 16"

Skala K mm

0,20

0,26

0,20

0,26

0,10

0,10

Jednostka

odczytowa

c mm

 

0,002

 

0,002

 

0,002

 

0,002

 

0,001

 

0,001

Zakres skal

60-90 HRA

35-100 HRB

20-67 HRC

60-100 HRF

--

--

Zastosowanie

bardzo twa-

rde materia-

ły, np. węg-

lik wolframu

stale węglo-

we i stopowe

miękie i me-

tale nieżela-

zne

stale zahar-

towane i ulepszone cieplnie, mat. twarde

stopy bardzo

miękkie

stale za - hartowane,

ulepszone

cieplnie

stale miękkie

metale

nieżelazne

Stożek diamentowy jest stożkiem prostym o podstawie koła z zaokrąglonym wierzchołkiem. 

Kąt wierzchołkowy stożka wynosi 120 0,5o, a oś pokrywa się z osią oprawki z dokładnością 

0,5. Promień zaokrąglenia wierzchołka stożka wynosi 0,2 mm, a zarys wierzchołka nie 

wykazuje większych niż 0,002 mm od zarysu nominalnego. Powierzchnia pobocznicy stożka 

przechodzi stycznie w powierzchnie kulistą wierzchołka stożka. Stożek jest dokładnie 

wypolerowany i nie wykazuje pęknięć oraz innych wad powierzchniowych. Kulka wykonana 

jest ze stali ulepszonej cieplnie o twardości nie mniejszej niż 850 HV. Średnica jej wynosi 1/16 

cala, co odpowiada 1,588 mm, przy dopuszczalnej odchyłce 0,005 mm. Powierzchnia kulki 

jest polerowana i nie wykazuje wad powierzchniowych. Czujnik umożliwia dokładność 

odczytu do 0,5 jednostek skali, co odpowiada 0,001 mm wgłębienia. Tarcza czujnika jest 

osadzona obrotowo. Umożliwia to ustawienie jej w położeniu początkowym.

Istnieją również twardościomierze uniwersalne np. Brinell - Rockwell.

Zalety metody Rockwella:

a / możność stosowania go do badania wyrobów twardych i niektórych warstw 

utwardzonych,

b / szybkość i łatwość pomiaru,

c / bardzo prosta obsługa twardościomierza,

d / odczytywanie twardości bezpośrednio na twardościomierzu bez konieczności stosowania 

tablic,

e / małe odciski pozostawione przez ten pomiar,

f / możność stosowania go do zautomatyzowania pomiarów.

Rys.1.3.Twardościomierz Rockwella.

1 - dźwignia, 2 - obciążniki, 3 - wgłębnik,

4 - próbka, 5 - stolik przedmiotowy, 6 - śruba

podnośna, 7 - zębatka ( mechanizm podnoszenia

dźwigni ), 8 - kółko podnoszenia, 9 - czujnik,

10 - zwalniacz, 11 - przegub, 12 - tłumik olejowy.

 

Wady metody Rockwella:

 

a / bardzo duży wpływ niepoprawnego ustawienia przedmiotu na wynik pomiarów,

b / bardzo duży wpływ zanieczyszczeń śruby podnośnej i podstawek, stolika przedmiotowego 

i kształtu na samego wyrobu na wynik pomiaru,

c / niemożliwość pomiaru twardości bardzo cienkich przedmiotów i cienkich warstw 

nawęglonych, azotowanych itp.,

d / niemożność dotrzymania dużej dokładności pomiaru wskutek niekorzystnych warunków 

metrologicznych ( wiele mechanicznych przełożeń ),

e / znaczna ilość skal twardości i kłopotliwe ich porównanie ze sobą, jak również z wynikami 

innych sposobów,

f / nierównomierność poszczególnych skal, np.: przy porównywaniu twardości stali węglowej.

 

III.Przebieg ćwiczenia.

 

Pomiar twardości Rockwella może być przeprowadzony w temperaturze od 10 do 35 oC. 

Temperatura pomiarów rozjemczych wynosi 18 do 22 oC.

Kształt próbki powinien umożliwić jej ustawienie na stoliku w czasie działania obciążenia. 

Powierzchnia w miejscu pomiaru twardości powinna być prostopadła do osi stożka lub kulki.

Należy zapewnić grubość próbki ( lub badanej warstwy ) nie mniejszą niż 8 - krotną wielkość 

trwałego przyrostu głębokości h. Na przeciwległej powierzchni próbki nie powinny być

widoczne po próbie żadne ślady odkształceń. Powierzchnia badanej próbki w miejscu 

pomiaru twardości i styku z płytką stolika lub podporą, powinna być gładka, bez zgorzeliny 

oraz innych obcych ciał. Podczas przygotowania powierzchni nie mogą nastąpić zmiany 

twardości wskutek nagrzania lub zgniotu.

Powierzchnia badana przedmiotu przy zastosowaniu do pomiarów twardości skal A, B, C i F 

powinna mieć parametr chropowatości Ra mniejszy od 2,5 mm, a przy zastosowaniu skal N i 

T parametr chropowatości Ra powinien być nie większy niż 0,32 mm.

Przy pomiarze twardości Rockwella należy zachować dużą czystość powierzchni. Dotyczy to 

nie tylko powierzchni badanej przedmiotu, ale i jego powierzchni spodniej, jak i również 

powierzchni stolika przedmiotowego i użytych różnych pryzm i podkładek do ustawienia 

przedmiotu. Warstwy smaru, kurzu, zgorzeliny powinny być starannie usunięte.

W przypadku konieczności przeprowadzenia pomiarów twardości na przedmiotach 

cylindrycznych promień krzywizny przedmiotu przy stosowaniu stożka powinien być większy 

od 19 mm, a przy stosowaniu kulek - większy od 12,5 mm. Przy dokonywaniu pomiaru na 

powierzchniach cylindrycznych o mniejszych krzywiznach, lecz nie mniejszych niż 3 mm należy 

stosować poprawki podane w odpowiednich tabelach. Wykonanie pomiaru na 

powierzchniach wklęsłych o promieniu krzywizny mniejszym niż 19 i 12,5 mm dokonuje się po 

uzgodnieniu między stronami, gdyż pomiary te dają wyniki większe od rzeczywistych. 

Pomiarów o promieniach bardzo małych w praktyce nie dokonuje się ze względu na trudności 

z wprowadzeniem wgłębnika.

Aby uniknąć skutków wzajemnego oddziaływania na siebie odcisków odległość dwóch 

sąsiednich odcisków lub odległości od środka odcisku do krawędzi próbki powinna wynosić 

co najmniej 3 mm, jeśli w normach przedmiotowych lub warunkach zamówienia nie podano 

inaczej.

Nakładanie obciążenia głównego powinno odbywać się łagodnie i bez wstrząsów w czasie od 

2 do 8 s, aż do osiągnięcia całkowitego obciążenia. Obciążenia główne powinno być zdjęte 

nie wcześniej niż po upływie 2 s, licząc od momentu wyraźnego zatrzymania się wskazania. W 

przypadku gdy po wyraźnym zatrzymaniu się wskazania urządzenia pomiarowego 

odkształcenie plastyczne nadal trwa, czas wytrzymania wgłębnika pod obciążeniem 

całkowitym powinien wynosić od 5 do 6 s dla skali C, A i N oraz 6 do 8 s dla skali B, F i T. 

Dla metali skłonnych do odkształceń plastycznych w zależności od czasu, czas wytrzymania 

wgłębnika pod obciążeniem całkowitym F, licząc od momentu zatrzymania wskazania, 

powinien wynosić 10, 20 lub 30 s.

Twardość Rockwella odczytuje się bezpośrednio na tarczy czujnika z dokładnością 0,5 

jednostki. Za prawidłowy wynik pomiaru twardości Rockwella należy przyjąć wartość średnią 

arytmetyczną co najmniej z trzech pomiarów. Po każdej zmianie wgłębnika, obciążenia lub 

podstawki co najmniej pierwsze dwa pomiary nie powinny być brane pod uwagę, aby 

twardościomierz "osiadł".

Wyniki pomiarów zapisuje się w kolejności: najpierw wynik odczytany na czujniku, po którym 

podaje się symbol skali. W przypadku skal N i T dodatkowo należy zapisać obciążęnie 

całkowite podane w kG:

- twardość 60 wg skali C 60 HRC,

- twardość 55 wg skali B 55 HRB,

- twardość 70 wg skali N i obciążenia 15 kG 70 HRN15

- twardość 68 wg skali T i obciążenia 45 kG 68 HRT45.

 

IV.Uwagi do sprawozdania.

 

Sprawozdanie z próby powinno zawierać:

a / określenie celu próby,

b / wypełniony protokół pomiarów z uwagami dotyczącymi poszczególnych prób,

 

c / dyskusję otrzymanych wyników zawierającą:

- analizę błędów pomiaru,

- wskazania źródeł rozbieżności wyników,

- uwagi i wnioski.