Test twardości Rockwella i wpływ obróbki na stal

Badanie twardości jest prostym i stosunkowo niedrogim testem. Szybsza i mniej niszcząca niż próba rozciągania, jest uważana za jedną z najbardziej uniwersalnych prób mechanicznych dostępnych dla inżynierów.

Wartości badań twardości są empiryczne, a mimo to wyniki zapewniają bardzo dobrą korelację z wytrzymałością materiału w szerokim zakresie materiałów. Gdy w próbie twardości przykładana jest znana siła, wielkość odkształcenia plastycznego, jakiemu ulega materiał, określa wartość twardości.

W testach typu Rockwella obciążone wgłębniki o różnych rozmiarach i kształtach mierzą twardość. W tym eksperymencie zmierzymy i porównamy twardość stali nieobrobionej i poddanej obróbce cieplnej za pomocą testu twardości Rockwella.

Kilka popularnych metod pomiaru twardości metali to twardość Brinella, Vickersa, Knoopa i twardość Rockwella BNC. Każda z tych metod wykorzystuje penetrator w kształcie kuli, stożka lub diamentowej piramidy.

W powierzchni metalu wykonuje się wgłębienie i wyświetlany jest odczyt twardości. Z tej listy test twardości Rockwella jest najpopularniejszy dla stali konstrukcyjnych. Standardowy ręczny tester Rockwella składa się z systemu dźwigni do przykładania obciążenia i analogowego odczytu pokazującego liczbę twardości.

W typowym teście Rockwella ustala się punkt zerowy w celu uwzględnienia zmian powierzchni poprzez przyłożenie obciążenia wstępnego i pomiar początkowej głębokości penetracji. Następnie główne obciążenie jest przykładane do wgłębnika. Na koniec ładunek jest usuwany i mierzona jest końcowa głębokość penetracji. Czujnik zegarowy na górze urządzenia wykorzystuje różnicę między tymi dwiema wartościami do wyświetlenia wartości twardości Rockwella. Im twardszy materiał, tym mniej wgłębnik będzie penetrował, co skutkuje wyższą wartością twardości Rockwella. W związku z tym wartości twardości Rockwella B i Rockwella C są oparte na głębokości penetracji, dlatego maszyny testowe są często kalibrowane przy użyciu bloków testowych kalibracyjnych dla określonych zakresów twardości.

Badanie twardości Rockwella może być wykorzystane do oceny, w jaki sposób zmienia się wytrzymałość materiału w procesach takich jak obróbka cieplna lub walcowanie na zimno. Walcowanie na zimno ma tendencję do powstawania mocniejszych, twardszych materiałów. Obróbka cieplna może skutkować bardziej miękkimi materiałami poprzez ogrzewanie, ale twardszymi strukturami poprzez hartowanie.

Na przykład w teście Jominy End Quench Test, cylindryczna próbka jest równomiernie podgrzewana. Jeden koniec jest następnie gaszony strumieniem wody. Zmiany na długości próbki od końca hartowanego do końca niehartowanego można zaobserwować w wartościach twardości, które są reprezentatywne dla zmian w mikrostrukturze.

W następnej sekcji zmierzymy twardość na całej długości stalowej próbki do hartowania końcówek Jominy, aby obserwować przejście od stali nieobrobionej do poddanej obróbce cieplnej za pomocą testu twardości Rockwella.

Zanim zaczniesz, zapoznaj się z maszyną testującą. Kowadło, które można podnosić lub opuszczać za pomocą pokrętła kabestanu, podtrzymuje próbkę pod wymiennym wgłębnikiem.

Obciążenie testowe wybiera się za pomocą selektora z boku maszyny i przykłada się je poprzez przekręcenie dźwigni obciążenia z pozycji rozładunku do pozycji załadunku. Prawidłowe ładowanie wstępne i końcowe pomiary są określane za pomocą czujnika zegarowego umieszczonego na górze maszyny.

Przed włożeniem próbki do badań upewnij się, że wgłębnik stożkowy Rockwell C jest zainstalowany, a obciążenie testowe jest ustawione na 150 kilogramów. Przymocuj próbkę w maszynie płaską powierzchnią do kowadła. Do tej demonstracji użyjemy próbki Jominy End Quenched, która została poddana chłodzeniu wodnemu.

Przesuń dźwignię obciążenia do pozycji rozładunku, a następnie podnieś kowadło, aby zbliżyć próbkę do wgłębnika. Dostosuj pozycję próbki tak, aby wgłębnik znajdował się w odległości jednej szesnastej cala od końca. Gdy pozycja jest prawidłowa, ponownie zabezpiecz próbkę, aby nie poruszała się podczas badania. Teraz ponownie podnieś próbkę, aż igła na przedniej tarczy zacznie się lekko poruszać, wskazując, że kontakt z wgłębnikiem został nawiązany.

Zastosuj obciążenie wstępne, kontynuując powolne podnoszenie próbki, aż igła na tarczy wykona trzy pełne obroty. Zatrzymaj się, gdy igła zakończy trzeci obrót. Wyreguluj zewnętrzny pierścień czujnika zegarowego tak, aby początkowy odczyt wynosił zero. Następnie przesuń dźwignię obciążenia do pozycji załadunku, aby zastosować obciążenie testowe. Igła osiądzie do nowej wartości w miarę przykładania obciążenia. Poczekaj, aż przestanie się poruszać, a następnie przesuń dźwignię załadunku z powrotem do pozycji rozładunku.

Zapisz twardość Rockwella C z czujnika zegarowego, a następnie opuść kowadło, aby odsunąć próbkę od wgłębnika. Powtórzyć to badanie na całej długości próbki. Wytyczne ASTM-A255 określają, że odczyty powinny być dokonywane w odstępach co szesnaste cala dla pierwszego pół cala i w odstępach co jedną ósmą cala dla następnych pół cala.

Wykreślić twardość próbki w skali Rockwella w funkcji położenia wzdłuż próbki. Twardość wyraźnie maleje wraz ze wzrostem odległości od hartowanego końca.

Test twardości Rockwella został wykorzystany do wykazania, że ze względu na szybkość chłodzenia, zmiana wewnętrznej struktury materiału wpłynęła na twardość materiału, co z kolei wskazuje na wytrzymałość materiału.

Teraz, gdy doceniasz test twardości ze względu na jego łatwość użycia, przyjrzyjmy się, jak jest on stosowany, aby zapewnić jakość produktów codziennego użytku.

Wartości twardości można łatwo przeliczyć na wartości wytrzymałości za pomocą wykresów pochodzących z równań empirycznych. Zgodnie z oczekiwaniami, miękkie materiały mają niższe wartości wytrzymałości, a twardsze materiały mają wyższe wartości wytrzymałości. Z tego powodu wartości twardości mogą być stosowane zamiast bardziej kosztownych prób rozciągania, aby przewidzieć wytrzymałość rzeczy, których używamy na co dzień.

Wystarczy rozejrzeć się po przydomowym grillu, aby zobaczyć wiele produktów, które są uważane za bezpieczne ze względu na testy twardości. Metalowe krzesła ogrodowe, ruszty na grillu w szerokim zakresie temperatur, noże ze stali hartowanej i metalowa drabinka basenowa w warunkach wodnych. Wszystkie zostały prawdopodobnie przetestowane pod kątem twardości, aby zapewnić bezpieczeństwo konsumentów.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do testu twardości Rockwella. Powinieneś teraz zrozumieć, dlaczego testy twardości są powszechnie stosowane, jak wykonywać testy twardości i jak analizować uzyskane wyniki.

Dzięki za oglądanie!