2.3.1. Zasada pomiaru
Pomiar polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika siłą wstępną Fo
i siłą główną F1 w badaną próbkę przy określonych warunkach obciążenia.
W metodzie Rockwella stosuje się trzy rodzaje wgłębników (tabl. 2.5): stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120° (skale A, C, D), kulkę stalową o średnicy 1,588 mm (skale B, F, G), kulkę stalową o średnicy 3,175 mm (skale E, H, K). Podstawą określenia twardości Rockwella jest pomiar trwałego przyrostu głębokości odcisku (trwałego odkształcenia). Wynik odczytuje się w jednostkach twardości HR na odpowiednio wyskalowanym czujniku zega-rowym.
Rys. 2.5. Kat rozwarcia stycz-nych w przypadku kiedy
d/D = 0,375
Rys. 2.6. Schemat pomiaru twardości sposobem Rockwella; Fo, F1 - obciążenie wstępne i główne, ho - głębokość odcisku pod obciążeniem siłą wstępną, h1 - przyrost głębokości odcisku pod obciążeniem siłą główną, e - trwały przyrost głębokości odcisku, mierzony pod obciążeniem siłą
wstępną
Zasadę pomiaru twardości przedstawiono na rys. 2.6. Obciążenie wstępne Fo powoduje dociśnięcie wgłębnika do próbki oraz skasowanie wszystkich luzów w układzie mechanicznym twardościomierza. Wgłębnik zajmuje pozycję na linii odniesienia na głębokości ho od powierzchni próbki. Po ustawieniu wskazówki czujnika zegarowego w położeniu początkowym, przykłada się obciążenie główne F1. Wgłębnik zostaje wciśnięty na głębokość h1 od linii odniesienia. Po upływie określonego czasu (pkt. 2.3.3) podnosi się dźwignią obciążenie główne, pozostawiając wstępne. Na skutek zaniku odkształcenia sprężytego, wgłębnik unosi się i zajmuje pozycję na głębokości e - jest to trwały przyrost głębokości odcisku. Wartość e mierzy się w jednostkach odpowiadają-cych wielokrotnościom 0,002 mm. Przyjęto, że maksymalna głębokość odcis-ku, odpowiadająca twardości równej zeru, wynosi 0,20 mm dla skal A, C, D oraz 0,26 mm dla skal B, E, F, G, H, K, co odpowiada kolejno 100 i 130 jednostkom. Stąd twardość w skalach A, C, D określa zależność: HR = 100 - e ,
dla pozostałych skal zależność: HR = 130 — e.
27
2.3.2. Próbka
Kształt próbki może być dowolny, pod warunkiem zastosowania do pomiarów twardościomierza ze stolikiem zapewniającym prostopadłość powie-rzchni 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.
Grubość próbki lub badanej warstwy nie powinny być mniejsza niż 10-krotna wartość trwałego przyrostu głębokości e.
2.3.3. Warunki pomiaru
Dobór skali w sposobie Rockwella zależy od rodzaju materiału oraz przewidywanej twardości. Orientacyjne przykłady zastosowania w pomiarach twardości skal: A, B, D, E, F, G, H, K przedstawiono w tablicy 2.6. Dla stali najczęściej wykorzystywane są skale B i C.
Wartości sił obciążających wgłębnik oraz zakres twardości dla poszczegól-nych skal zestawiono w tablicy 2.5.
Tablica 2.5 Siły obciążające wgłębnik oraz zakres twardości dla poszczególnych skal
w sposobie Rockwella
Skala
Obciążenie wgłębnika N siła
Tablica 2.6 Orientacyjne przykłady zastosowania w pomiarach twardości Rockwella
skal A, B, C, D, E, F, G, H, K Skala
twardości A
B
C
D
E
F
G
H K
Orientacyjne przykłady stosowania
do stali węglowych i stopowych w stanie hartowanym i ulepszonym cieplnie, do cienkich wyrobów stalowych, przedmiotów stalowych płytko utwardzonych przez nawęglanie, do węglików spiekanych oraz innych stopów o twardości 60÷80 HRA
do wyrobów z miękkich stali, do stali węglowych i stopowych w stanie zamiękczonym lub normalizowanym, żeliwa ciągliwego, stopów miedzi, stopów aluminium oraz innych stopów metali nieżelaznych o twardości 30÷100 HRB
do materiałów twardszych niż 100 HRB, np. do stali węglowych i stopo-wych w stanie hartowanym lub ulepszonym cieplnie, wyrobów stalostopo-wych głęboko utwardzonych przez nawęglanie, twardych odlewów żeliwnych, perlitycznego żeliwa ciągliwego, tytanu oraz innych materiałów i stopów o twardości 20÷67 HRC
do cienkich wyrobów stalowych, przedmiotów stalowych średnio głęboko utwardzonych przez nawęglanie, perlitycznego żeliwa ciągliwego
do odlewów żeliwnych, aluminium, stopów magnezu, metali i stopów . łożyskowych
do stali węglowych i stopowych w stanie zmiękczonym lub normalizowa-nym, wyżarzonych stopów miedzi oraz innych stopów metali nieżelaznych, do miękkich blach cienkich o twardości 60÷100 HRF
do żeliwa ciągliwego, stopów niklowych i stopów miedziowo-cynkowych; w celu uniknięcia spłaszczenia kulki należy ograniczyć do góry zakres pomiaru do 92 HRG
do aluminium, cynku i ołowiu
do metali i stopów łożyskowych oraz innych bardzo miękkich i cienkich materiałów metalowych
29 Odległość środków dwóch sąsiednich odcisków powinna odpowiadać co najmniej czterokrotnej średnicy odcisku, lecz nie powinna być mniejsza niż 2 mm. Odległość między środkiem odcisku a krawędzią próbki powinna odpowiadać co najmniej dwu i półkrotnej średnicy odcisku, lecz nie powinna być mniejsza niż 1 mm.
Czas obciążenia wgłębnika siłą główną F1 powinien wynosić:
1 —3 s - dla metali nie wykazujących postępującego odkształcenia plas
tycznego pod obciążeniem F1 (wyraźne zatrzymanie wskazań urządzenia pomiarowego).
10 — 15 s - dla metali, które wykazują postępujące odkształcenie plastyczne pod obciążeniem F1.
Wartości twardości Rockwella odczytuje się bezpośrednio z odpowiednio wyskalowanej tarczy czujnika zegarowego po zdjęciu obciążenia głównego.
W większości twardościomierzy na tarczy czujnika naniesione są dwie skale przesunięte względem siebie o 30 działek. Skali zewnętrznej (czarnej) używa się do prób, w których wgłębnikiem jest stożek diamentowy, a wewnętrznej (czerwonej) do prób, w których wgłębnikiem jest kulka stalowa.
2.3.4. Zasada zapisu twardości
Symbol jednostki twardości Rockwella HR uzupełnia się literą, określającą skalę, wg której wykonano pomiar: A, B, C, D, E, F, G, H, K oraz - na początku zapisu - liczbowym wynikiem pomiaru.
Np.: 62 HRC - twardość Rockwella 62 zmierzona w skali C (przy za
stosowaniu wgłębnika diamentowego w postaci stożka), 88 HRB - twardość Rockwella 88 zmierzona w skali B (przy zastoso
waniu wgłębnika w postaci kulki stalowej).
2.3.5. Wady i zalety pomiaru twardości sposobem Rockwella Wady:
• niemożliwość bezpośredniego porównania poszczególnych skal,
• duży wpływ niepoprawnego ustawienia przedmiotu oraz czystości badanej powierzchni na wynik pomiaru,
• mniejsza dokładność pomiarów niż w innych metodach.
Zalety:
• szybkość wykonania pomiaru,
• szeroki zakres pomiarowy - dla metali miękkich i twardych,
• możliwość automatyzacji pomiarów,
• prostota wykonywania pomiarów.
2 . 4 Pomiar twardości metali sposobem Poldi
Najbardziej rozpowszechnionym dynamicznym sposobem pomiaru twar-dości metali jest sposób opracowany przez Hutę Poldi.
b)
Próbka wzorcowa
Badany przedmiot
Rys. 2.7. Pomiar twardości sposobem Poldi: a) młotek, b) schemat pomiaru; 1 - uchwyt, 2 - oprawka kulki, 3 - płytka wzorcowa, 4 - sworzeń, 5 - sprężyna
Młotek Poldi (rys. 2.7) składa się z obudowy, w której jest umieszczony ruchomy sworzeń, oparty jednym końcem o płytkę wzorcową. Z drugiej strony płytka wzorcowa oparta jest na stalowej kulce o średnicy 10 mm. Pomiar twardości polega na równoczesnym wykonaniu odcisków w badanym materia-le i płytce wzorcowej przez uderzenie młotkiem o masie 500 g w ruchomy sworzeń. Po zmierzeniu średnic odcisków, d - w badanej próbce i dw w próbce wzorcowej, szukana twardość może być obliczona w skali Brinella z zależności:
(2.6) gdzie: HBW - twardość próbki wzorcowej.
Młotek Poldi ma zastosowanie wszędzie tam, gdzie nie można zastosować statycznych metod pomiaru twardości, np. w magazynach stali lub dla przedmiotu bardzo dużych.
a ) 4
5
1
3 2
90o
d2
90°
31
Twardość metali jest funkcją wielu czynników zewnętrznych, a w szczegól-ności zależy od kształtu i wymiarów zastosowanego wgłębnika. Stąd wyniki pomiarów twardości przeprowadzonych różnymi metodami mogą być porów-nywane między sobą tylko przy zastosowaniu tablic przeliczeniowych lub wykresów uzyskanych doświadczalnie. Takie porównanie ma zaledwie charak-ter orientacyjny i należy je stosować tylko w przypadkach, gdy nie można bezpośrednio zmierzyć twardości wymaganym sposobem. Tablice porównaw-cze twardości Brinella, Vickersa i Rockwella dla stali i staliwa są znor-malizowane i zamieszczone w PN-93/H-04357. Na rys. 2.8; 2.9; 2.10 przed-stawiono najważniejsze wykresy porównawcze skal twardości. Pola zakres-kowane ukazują rozrzut porównywanych wartości. Rys. 2.11 przedstawia zakres twardości podstawowych materiałów konstrukcyjnych wyrażony w róż-nych skalach.
Rys. 2.8. Porównanie skal twardości Vickersa i Brinella