Początek

Skrypty Ciekawe strony  

Zaliczanie

   
 

Pomiar twardości metodą Vickersa

I.Cel ćwiczenia.

Podstawowym celem ćwiczenia jest zapoznanie się z doświadczalną metodą pomiaru 

twardości metodą Vickersa. Dokładne zapoznanie się z twardościomierzem ułatwi przyszłej 

kadrze przemysłu wykonywanie samodzielnych pomiarów twardości i ocenę wyników prób 

możliwości odkształceń warstwy wierzchniej realizowanych przez kontrolę techniczną.

Badanie odkształceń zewnętrznej warstwy części metalowych umożliwia określenie 

rzeczywistych możliwości przenoszenia obciążeń przez materiał.

Jedną z podstawowych własności materiałów jest twardość. Dopuszczalne naciski 

powierzchniowe, trwałość maszyn i urządzeń zależy głównie od twardości. Twardość jest 

miarą odporności materiałów przeciw odkształceniom trwałym, powstającym wskutek 

wciskania wgłębnika.

Sposób Vickersa został opracowany w 1925 r. przez R. L. Smitha i G. E. Sandlanda, nazwa 

jednak została przyjęta od angielskiej firmy Vickers Armstrong produkujące pierwsze tego 

typu twardościomierze.

 

II.Wiadomości uzupełniające.

 

Badanie twardości metodą Vickersa określone jest normą PN - 74 / H - 43360. Wciskamy 

wgłębnik w kształcie ostrosłupa o kącie wierzchołkowym 136o 0,5o i o podstawie 

kwadratowej w powierzchnię badanego ciała. Robocza część wgłębnika i badana 

powierzchnia powinny być w czasie pomiarów suche i odtłuszczone.

Rys.1.1.Kształt części roboczej wgłębnika Vickersa.

 

Twardość według opisywanej metody oblicza się wzorem:

 

HV = F / Sb [MPa] ( 1 )

gdzie:

F - siła wciskająca wgłębnik [MPa]

Sb - pole powierzchni bocznej odcisku [m2]

Sb = d2 / 2 sin 68o = d2 / 1,8544 ( 2 )

gdzie:

d - średnia długość przekątnych d1 i d2,

czyli:

HV = 1,8544 F / d2 [kG]

HV = 0,1891 F / d2 [N]

 

Ważny jest też dobór siły nacisku w zależności od twardości i rozmiarów próbki. Zalecana 

siła obciążająca wgłębnik powinna wg polskiej normy wynosić F = 294 N ( 30 kG ). 

Dopuszcza się również stosowanie innych sił obciążających: 9,8; 19,6; 24,5; 29,4; 49; 98; 

196; 490 lub 980 N ( 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 50 lub 100 kG ).Nie są zalecane ( przy badaniu 

stali ) siły 9,8; 24,5; 29,4 N ( 1; 2,5; 3 kG ). Przy wyznaczaniu twardości wyrobów 

stalowych zaleca się stosować obciążenie wgłębnika od 49 do 980 N ( 5 do 100 kG ), dla 

miedzi i stopów miedzi od 24,5 do 490 N ( 2,5 do 50 kG ), a dla aluminium i jego stopów od 

9,8 do 980 N ( 1 do 100 kG ). Przy pomiarze cienkich wyrobów lub warstw 

powierzchniowych obciążenie F powinno być tym mniejsze, im cieńszy jest wyrób lub dana 

warstwa i metal wykazuje mniejszą twardość.

Wykresy zostały opracowane dla grubości wyrobu lub badanej warstwy odpowiadającej g = 

1,5 d, czyli przy założeniu 10,5 - krotnej głębokości h, która niezależnie od twardości metali i 

wartości sił obciążających odpowiadać będzie:

h = d / 7

Przekątne odcisku mierzy się z dokładnością 0,001 - 0,002 [mm].

Twardość wg Vickersa podaje się w następujący sposób:

1 / symbol HV poprzedza jej wartość x,

2 / symbol HV uzupełnia się jeszcze dodatkowymi liczbami wartości obciążenia i jego czasu 

działania t w przypadku, gdy F jest różne od 249 [N] i czas t działania obciążenia całkowitego 

jest inny niż 10 - 15 [s]. Np. x HV F / t.

Twardościomierz Vickersa wyposażony jest w dźwigniowy układ obciążenia. Urządzenie 

optyczne aparatu składa się z mikroskopu pomiarowego o powiększeniu 100 - krotnym lub z 

projektora rzutującego powiększony obraz odcisku na matówkę.

Przyciskiem 1 steruje się znormalizowanymi obciążeniami. Próbkę 2 umieszcza się na stoliku 

3. Pokrętło 4 służy do podnoszenia stolika. Oświetlenie 6 zapewnia poprawny odczyt 

mikroskopu 5. Przycisk 7 służy również do obciążania próbki. Amortyzator 8 zapewnia 

spokojną pracę twardościomierza Vickersa. Głównym elementem roboczym jest wgłębnik 

diamentowy 9.Obiektyw 10 jest ruchomy i zapewnia możliwość pomiaru wielkości 

przekątnych odcisku. Dźwignia 11 służy do obciążenia układu.

Pomiaru należy dokonać w temperaturze od 15 do 35 oC, w przypadku badań rozjemczych 

pomiar twardości należy przeprowadzić w temperaturze 18 do 22 oC. Wgłębnik należy 

obciążać statycznie bez wstrząsów i drgań ze stałą prędkością obciążenia do całkowitej siły 

obciążającej w czasie 15 s. Czas działania całkowitego obciążenia powinien wynosić 10 do 

15 s. Dopuszcza się przyjęcie dłuższego czasu działania całkowitej siły obciążającej w 

przypadku zaleceń norm przedmiotowych.

Aby uniknąć skutków oddziaływania na siebie odcisków, należy zachować odległości między 

środkiem odcisku a brzegiem sąsiedniego odcisku lub brzegiem przedmiotu nie mniejszą od 

2,5 przekątnej odcisku.

Zasadniczo pomiar twardości powinien być wykonany na powierzchni płaskiej, jednakże 

norma dopuszcza wykonanie pomiaru twardości na powierzchni krzywej tylko w przypadku, 

gdy niedopuszczalne jest usunięcie warstwy metalu w celu uzyskania płaszczyzny w badanym 

miejscu. Im mniejszy promień krzywizny, tym bardziej twardość wyznaczona na tej 

powierzchni różni się od twardości wyznaczonej na powierzchni płaskiej.

 

Powierzchnia przedmiotu w miejscu pomiaru powinna być płaska, a jej chropowatość nie 

powinna przekraczać 2,5 mm wg parametru Ra. Powierzchnia ta powinna być wolna od 

zanieczyszczeń ( warstwy tlenków i innych wtrąceń niemetalicznych), aby można było 

dokładnie zmierzyć długość przekątnych odcisków. Chropowatość powierzchni ma tym 

większy wpływ na wynik pomiaru, im mniejsze jest obciążenie. Stąd wniosek, że przy 

sposobie Vickersa należy dążyć do stosowania większych obciążeń, a jeżeli zachodzi 

potrzeba stosowania mniejszego obciążenia, to należy dokładniej wypolerować powierzchnię.

Rys.1.2.Schemat twardościomierza Vickersa.

Oznaczenia:

1 - przycisk obciążeń 6 - oświetlenie

2 - badana próbka 7 - przycisk obciążenia próbki

3 - stolik 8 - amortyzator

4 - pokrętło do podnoszenia stolika 9 - wgłębnik diamentowy

5 - mikroskop 10 - obiektyw

11 - dźwignia

Zalety metody Vickersa:

a / duża porównywalność tej metody z metodą Brinella ( aż do 300 jednostek twardości HB 

są ze sobą zgodne; powyżej stosuje się zależność HB = 0,95 HV ),

b / możność uzależnienia twardości HV od wytrzymałości na rozciąganie Rm,

c / możność stosowania tej metody zarówno do materiałów miękkich, jak i bardzo twardych,

d / małe głębokości odcisków,

e / zmiana ustawienia nie wpływa na wynik pomiaru,

f / duża dokładność odczytu przekątnych,

g / wynik pomiaru twardości przy zastosowaniu większych obciążeń nie zależy od 

zastosowanego obciążenia.

Wady tej metody:

a / skomplikowana konstrukcja twardościomierza wymagającego bardzo fachowej obsługi,

b / mała wydajność pomiaru,

c / niemożność pomiaru niektórych materiałów niejednorodnych, np. żeliwa ze względu na 

jego porowatość, w związku z tym może nastąpić uszkodzenie ostrza wgłębnika,

d / dość znaczny wpływ chropowatości na wynik pomiaru,

e / większy koszt twardościomierza.

 

III.Przebieg ćwiczenia.

 

Pomiar realizuje się następująco. Jednym z przycisków twardościomierza ustala się wartość 

siły nacisku na wgłębnik i włącza oświetlenie. Badaną próbkę 2 kładziemy na stoliku 3 i 

obracając nakrętką 4 podnosimy przedmiot w górę aż do uzyskania na matówce 5 wyraźnego

obrazu powierzchni próbki. Następnie przyciskiem 7 włączamy obciążenie i równocześnie 

powodujemy na skutek zadziałania elektromagnesów przesunięcie wgłębnika 9 na miejsce 

obiektywu 10 w pozycję pionową. Dzięki amortyzatorowi hydraulicznemu 8 wgłębnik 

diamentowy 9 zostaje powoli wciskany w badaną powierzchnię, a dźwignia 11 podnosi się w 

górę. Po dojściu dźwigni do położenia górnego na próbkę działa pewna siła i wówczas 

zaczynamy liczyć czas obciążenia. Po odczekaniu właściwego czasu, naciskamy dźwignię 11 

w dół do zadziałania zapadki. Wówczas obciążenie zostaje zdjęte, obiektyw 10 wraca do 

pozycji pionowej, a na matówce ukazuje się odcisk w postaci kwadratu. Na matówce jest 

naniesiona skala, której największa działka przy powiększeniu 70 - krotnym oznacza 0,1 

[mm], a małe działki 0,01 [mm]. Działka na śrubie mikrometrycznej odpowiada 0,001 [mm]. 

Przy powiększeniu 140 - krotnym, pomiaru dokonujemy w tej samej skali natomiast wynik 

dzielimy przez dwa. Pomiar powtarzamy trzykrotnie dla każdej z trzech próbek.

Na podstawie wartości średniej przekątnej kwadratu oblicza się twardość Vickersa.

 

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,

- wskazanie źródeł rozbieżności wyników,

- uwagi i wnioski.