POWRÓT

Nauka o materiałach

Pomiar twardości metodą Rockwella


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Wstęp
Przebieg ćwiczenia
Pomiar twardości. Opracowanie wyników

 

Wstęp

   

   Laboratoryjny twardościomierz typ CV 600A służy do pomiarów twardości metali i stopów metodą Rockwella w skalach A, B, C i F.

   Pomiar twardości sposobem Rockwella wg PN-EN ISO 6508-1:2007/Ap1:2009 wykonuje się przy użyciu jako wgłębnika:

  • stożka diamentowego do pomiaru twardości wg skali A, C i D w zakresach 20-88 HRA, 20-70 HRC i 40-77 HRD,
  • kulki stalowej o twardości nie mniejszej niż 850 HV10 i średnicy:
    • 1,588 mm do pomiaru twardości wg skali B, F i G w zakresach 20-100 HRB, 60-100 HRF i 30-94 HRG,
    • 3,175 mm do pomiaru twardości wg skal E, H i K w zakresach 70-100 HRE, 80-100 HRH i 40-100 HRK.

Rys. 1 Twardościomierz Rockwella

Zasada działania

Laboratoryjny twardościomierz (rys. 1 i 3) służy do pomiarów twardości metali i stopów metodą Rockwella w skalach A, B, C i F.
   Wszystkie podzespoły twardościomierza zamontowane są w sztywnym metalowym korpusie. Badaną próbkę umieszcza się na stoliku przedmiotowym (4) podnoszonym za pomocą nakrętki głównej (2) i śruby podnośnej (3). Po podniesieniu stolika do pewnej wysokości, wgłębnik (10) pod działaniem siły F0 zagłębia się w badaną próbkę. Siłę obciążającą wstępną F0 określa masa dźwigni głównej (8). Ten etap pomiaru stanowi kalibrację obciążenia wstępnego. W etapie następnym wciśnięcie przycisku startowego (1) powoduje za pośrednictwem mechanizmu dźwigniowego i przekładni zębatej, zwolnienie obciążenia głównego (14) zawieszonego na szalce (13). Obciążenie główne wraz z ustalonym uprzednio obciążeniem wstępnym stanowią obciążenie całkowite F, które działa poprzez dźwignię główną (8) na wgłębnik (10). Ruch dźwigni głównej stanowi również napęd dla czujnika zegarowego (6), na którym odczytuje się wielkość obciążenia wstępnego (mała wskazówka) i wyniki pomiarów twardości odpowiednio dla wybranego rodzaju skali.

Rys.2 Wgłębniki stosowane w metodzie Rockwella do pomiarów twardości

Twardość oblicza się korzystając z zależności:

Twardość Rockwella = HR = N - h/S

gdzie: N - oznacza stałą zależną od rodzaju wgłębnika (N=130 dla kulki, N=100 dla stożka), S – jest jednostką twardości HR zależną od dobranej skali (0,002 mm, lub 0,001 mm)

   Odczytu twardości dokonujemy bezpośrednio na mierniku zegarowym, umieszczonym w przedniej części górnej korpusu. Miernik twardościomierza zawiera (rys. 3); skale twardości, wskazówkę skali twardości i wskazówkę obciążenia wstępnego.
   W mierniku zegarowym (tarczy), biała skala oznacza skalę twardości. Białe cyfry wskazują wartości twardości z diamentowego wgłębnika, czerwone cyfry wskazują wartość twardości z wgłębnika kulkowego.

  • mniejsza wskazówka jest wskazówką obciążenia wstępnego. Po tym jak końcówka wgłębnika dotknie próbki, obróć ręką pokrętło śruby podnoszącej aż wskazówka twardości obróci się o 3 obroty. To działanie ustawi wskazówkę obciążenia wstępnego z czarnego znacznika na czerwony. Czerwony znacznik wskazuje, że twardościomierz wywiera pełen nacisk obciążenia wstępnego i tworzy płytkie wgłębienie na powierzchni probki.
  • większa wskazówka wskazuje wartość twardości próbki. Po tym jak obciążenie wstępne zostanie przyłożone, obróć miernik (tarczę) zegarową wyrównując ją ze wskazówką w punkcie zero skali. Podczas przykładania obciążenia głównego, głębokość wgłębienia wzrasta. Przyrost głębokości powoduje ruch wskazówki z pozycji zero do wartości, która opisuje twardość próbki.

Wybór obciążenia odbywa się poprzez mechanizm zapadkowy pokretła z boku twardościomierza. Do wyboru mamy trzy wartości opisane na pokrętle wartościami 1470 (150N), 980 (100N), 588 (60N).

   Obciążenie wstępne przy pomiarze twardości sposobem Rockwella wynosi 98 N i ma za zadanie eliminację błędów wywołanych przyleganiem nie obciążonego wgłębnika do powierzchni i odkształceniem sprężystym. Powinno być przyłożone łagodnie, bez wstrząsów. Należy przy tym zwrócić uwagę, by nie zostało przekroczone.

 

Przebieg ćwiczenia

   

   Zasadę pomiaru twardości przedstawiono na poniższym rysunku. Obciążenie wstępne Fo powoduje dociśnięcie wgłębnika do próbki oraz skasowanie wszystkich luzów w układzie mechanicznym twardościomierza.

Rys. 3 Zasada pomiaru twardości metodą Rockwella; 1-głębokość odcisku pod wpływem wstępnej siły obciążającej Fo 2-głębokość odcisku pod wpływem wstępnej i głównej siły obciążającej 3- głębokość odcisku po usunięciu głównej siły obciążającej F1

   Pomiar twardości metodą Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał prostopadle do jego powierzchni wgłębnika siłą wstępną Fo, a następnie siłą główną F1. Przy obciążeniu wgłębnika siłą Fo wnika on na głębokość 1 (rys.3). Jest to punkt odniesienia pomiaru, czyli punkt "zerowy". W tym położeniu następuje wyzerowanie czujnika, w który wyposażony jest twardościomierz. Obciążenie wstępne stosuje się w celu zmniejszenia błędu pomiarowego spowodowanego niejednorodnością powierzchni. Obciążenie wgłębnika siłą główną F1 powoduje dalsze wnikanie wgłębnika w badany materiał do głębokości 2 wskazywanej przez czujnik twardościomierza. Na odkształcenie to (zagłębienie) składają się odkształcenia trwałe jak i odkształcenia sprężyste. W celu usunięcia odkształceń sprężystych obciążenie zostaje zmniejszone do obciążenia wstępnego Fo. W wyniku tego wgłębnik zostaje wypchnięty z materiału na głębokość 3 pod wpływem odkształceń sprężystych. Miarą twardości jest trwały przyrost głębokości odcisku 3 pod działaniem określonej siły wstępnej, po usunięciu głównej siły obciążającej.
   Kształt próbki może być dowolny, pod warunkiem zastosowania do pomiarów twardościomierza ze stolikiem zapewniającym prostopadłość powierzchni pomiarowej do kierunku działania obciążenia. Próbka nie musi być specjalnie przygotowana, ważne jest tylko, by badana powierzchnia oraz powierzchnia przeciwległa były oczyszczone ze zgorzeliny i zanieczyszczeń.

Do góry


 

Pomiar twardości. Opracowanie wyników

   

Rys. 4 Schemat twardościomierza Rockwella:
1-dżwignia rozpoczynająca test, 2-nakrętka główna, 3-śruba podnośna, 4-stolik przedmiotowy (wymienny), 5-urządzenie dociskowe, 6-czujnik zegarowy, 7-tłocznik wgłębnika, 8-dźwignia główna, 9-śruby mocujące urządzenie dociskowe, 10-wgłębnik (stożek lub kulka), 11-nakładka korpusu z łożyskiem dźwigni, 12-śruba do poziomowania dźwigni głównej, 13-szalka, 14-obciążnik, 15-cięgno, 16-śruba regulacyjna tłumika, 17-tłumik olejowy, 18-pokrętło do zdejmowania obciążenia głównego, 19-wskazówka obciążenia wstępnego, 20 - wskazówka twardości

Przebieg badań

   Przed rozpoczęciem ćwiczenia student obowiązkowo zapoznaje się z zaleceniami instrukcji BHP. Prowadzący zajęcia sprawdza opanowanie wiadomości podanych w instrukcji BHP i znajomość problematyki badawczej. Po dopuszczeniu do wykonania ćwiczenia należy wykonać następujące czynności:

  • uważnie przeczytać instrukcję obsługi twardościomierza
  • sprawdzić jakość powierzchni badanych próbek w miejscu pomiaru twardości. Pomiar powinien być wykonany na płaskiej i gładkiej powierzchni, bez warstwy tlenków i zanieczyszczeń, nie pokrytej smarami. W razie potrzeby szlifować ręcznie stosując papiery ścierne o ziarnistości 100÷300
  • zapoznać się z wymaganiami podanymi w normie PN-EN ISO 6508-1:2007/Ap1:2009, następnie ustalić niezbędne warunki przeprowadzenia próby:
    • wybrać rodzaj skali (A, B, C lub F) w zależności od grubości badanej próbki lub warstwy oraz przewidywanej twardości,
    • minimalną grubość próbki do badań lub badanej warstwy podano w załączniku B do normy,
    • określić rodzaj wgłębnika (stożek diamentowy lub kulka),
    • ustalić wartość całkowitej siły obciążającej,
    • ustalić minimalną odległość między środkami dwóch sąsiednich odcisków oraz odległość od brzegu próbki.
  • Opracować i uzgodnić z prowadzącym ćwiczenia zakres badań (rodzaj wgłębnika, obciążenie, rozmieszczenie odcisków, ilość pomiarów, itp.),
  • godnie z instrukcją obsługi twardościomierza wykonać minimum trzy pomiary próbne,
  • Wykonać na każdej otrzymanej próbce po 3 odciski. Wyniki badań zestawić w tablicy pomiarów,
  • Wykonać szkic badanych próbek z zaznaczeniem miejsc pomiaru twardości,
  • Przy badaniu wypukłych powierzchni cylindrycznych i sferycznych należy uwzględnić poprawki podane w załączniku C do normy.

Pomiar twardości

  • pokrętło (18) obrócić zgodnie z biegiem wskazówek zegara i ustawić w pozycji "do oporu" (wyraźnie słyszalne stuknięcie zapadki).
  • na szalkę (13) ostrożnie nałożyć obciążnik (14), którego wartość odpowiada sile obciążającej głównej F1 dla wybranego rodzaju skali.
  • umocować wgłębnik (10) - stożek diamentowy lub oprawkę z kulką w gnieździe tłocznika (7), dokręcić wkrętem.
  • dobrać odpowiedni stolik przedmiotowy (4) w zależności od wielkości i kształtu badanego przedmiotu. Osadzić stolik w gnieździe śruby podnośnej (3).
  • sprawdzić jakość powierzchni badanej próbki w miejscu pomiaru twardości. Pomiar powinien być wykonany na płaskiej i gładkiej powierzchni, bez warstwy tlenków i zanieczyszczeń, nie pokrytej smarami. W razie potrzeby szlifować ręcznie stosując papiery ścierne o ziarnistości 100÷300. Powierzchnia styku próbki ze stolikiem przedmiotowym powinna być płaska i wolna od zanieczyszczeń. W przypadku elementów o kształcie cylindrycznym należy zastosować stolik z pryzmą stalową o twardości co najmniej 60 HRC. Grubość próbki do badań nie może być mniejsza od 10-krotnej wartości trwałego przyrostu głębokości odcisku.
  • umieścić próbkę na stoliku przedmiotowym w taki sposób, aby zapewnić prostopadłość badanej powierzchni do osi wgłębnika i kierunku działania siły obciążającej oraz tak, aby urządzenie dociskowe (5) zabezpieczało przed przesunięciem się próbki podczas pomiaru.
  • tarczę podziałową czujnika zegarowego (6) obrócić tak, aby cyfra "0" (czarna) znalazła się na pionowej osi czujnika w górnym jej położeniu (niektóre czujniki posiadają kreskę, według której ustawia się zero skali).
  • obracając w prawo nakrętkę główną (2) podnieść stolik do zetknięcia powierzchni badanej ze stopkami urządzenia dociskowego (5). Uważnie obserwując wskazówki czujnika (małą i dużą) w dalszym ciągu powoli podnosić stolik do momentu, gdy mała wskazówka pokryje się z kreską czerwoną a jednocześnie duża pokryje się z cyfrą "0" w przypadku stożka diamentowego (nastąpi to przy około dwóch pełnych obrotach dużej wskazówki), lub z działką "30" (skala czerwona) podczas pomiaru wgłębnikiem kulkowym.
  • takie ustawienie zapewnia uzyskanie obciążenia wstępnego F0 (98,07 N). Jeżeli nie udało się uzyskać takiego położenia dużej wskazówki czujnika (6), to znaczy wskazówka obróciła się za daleko o max 5 działek lub za blisko max 3 działki od położenia "0", wówczas obracamy skalę tak, aby nastąpiło pokrycie się wskazówki z "0" skali. Nie wolno cofać (opuszczać stolika) nakrętką, aby uzyskać właściwe ustawienie zera.
  • na chwilę wcisnąć do oporu przycisk startowy (1). Wciśnięcie przycisku spowoduje zwolnienie obciążenia głównego F1, wówczas pokrętło (18) obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, aż do momentu wyraźnie słyszalnego stuknięcia zapadki. Czas obrotu pokrętła (zwiększania siły obciążającej) wynosi około 8 sekund. Całkowita siła obciążająca F powinna działać przez 4 s ą 2 s.
  • brócić do "oporu" zgodnie z biegiem wskazówek zegara pokrętło (18). Spowoduje to usunięcie siły głównej F1 przy jednoczesnym pozostawieniu siły wstępnej F0.
  • wynik pomiaru twardości odczytać na skali czujnika. Pokrycie się dużej wskazówki z działką skali pozwala na bezpośredni odczyt twardości z dokładnością do 0,5 jednostki HR. Gdy wgłębnikiem jest stożek diamentowy odczytu twardości dokonujemy na skali czujnika z działkami czarnymi, przy kulce z działkami czerwonymi.
  • opuścić stolik przedmiotowy obracając w lewo nakrętkę główną (2) tak, aby próbkę można było swobodnie przesunąć do wykonania następnego odcisku.
  • następny pomiar na powierzchni próbki wykonać w odległości nie mniejszej jak 3 mm, zgodnie z punktami 2÷13.

Uwagi ogólne

  • pomiar twardości za pomocą kulki może być stosowany dla metali i stopów o twardości 20÷100 HRB lub 60÷100 HRF (do około 230 HBW).
  • stożek diamentowy (skala C i A) należy stosować do badania stali po obróbce cieplnej lub cieplno-chemicznej mającej na celu uzyskanie, między innymi twardości 20÷70 HRC lub 20÷88 HRA, bądź innych stopów o takiej twardości.
  • badanie twardości zbyt blisko krawędzi przedmiotu, bądź nie zachowanie właściwej odległości od środków poprzednich odcisków może spowodować uszkodzenie stożka diamentowego.
  • często popełnianym błędem przy pomiarze twardości sposobem Rockwella jest niewłaściwe ustawienie dużej wskazówki na zerze. Podczas pomiaru nie wolno ustawiać wskazówki na zero podziałki czerwonej, lecz zawsze na zero skali z podziałką czarną (czarna cyfra "0" pokrywa się z czerwoną działką "30"). Takie ustawienie zera obowiązuje zarówno przy pomiarze twardości kulką jak i stożkiem diamentowym. Natomiast twardość w jednostkach HR podczas pomiaru stożkiem odczytujemy na skali z liczbami czarnymi, zaś przy pomiarze kulką na skali z liczbami czerwonymi.

Sprawozdanie z przeprowadzonych badań powinno zawierać:

  • cel badań, przedmiot badań, spis literatury,
  • schemat ilustrujący zasadę działania twardościomierza Rockwella,
  • uzasadnienie wyboru skali pomiarowej,
  • szkic badanych próbek z zaznaczeniem miejsc pomiaru twardości,
  • tabelaryczne zestawienie wyników badań,
  • obliczenie twardości na podstawie wartości h (rys. 3),
  • omówienie błędów pomiaru,
  • wnioski dotyczące związków między twardością a budową strukturalną badanych materiałów.

Do góry


   

 

 (C) 2011 - 2018 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved