Tehnologia materialelor 13

LUCRAREA NR. 3.

DETERMINAREA DURITĂŢII PRIN METODA ROCKWELL

1. Scopul lucrării.

Însuşirea unei metode pentru determinarea durităţii unor materiale ca: metale dure, oţeluri călite, oţeluri îmbunătăţite, oţeluri netratate, metale şi aliaje neferoase, fonte, etc., atât în fluxul tehnologic de producţie, cât şi în laboratoare de încercări ale materialelor. 2. Consideraţii generale.

Condiţiile de încercare a durităţii după această metodă sunt stabilite în standardele STAS 493-91 şi STAS 8251-82.

Încercarea constă în apăsarea unui penetrator (con de diamant sau bilă de oţel) cu o sarcină iniţială F0 şi apoi cu o sarcină F1 şi măsurarea adâncimii remanente de pătrundere (e) după îndepărtarea suprasarcinii, menţinându-se aplicată sarcina iniţială. Unitatea de măsură pentru (e) este de 0,002 mm (fig. 3.1)

Prin apăsarea unui penetrator pe suprafaţa unui metal se produce o deformaţie elastico-plastică măsurabilă, de exemplu, prin adâncimea de pătrundere. Prin îndepărtarea sarcinii care apasă penetratorul, deformaţia elastică dispare, rămânând numai cea plastică (remanentă), adică adâncimea de pătrundere a penetratorului se reduce. Cu cât un corp este mai dur, cu atât deformaţiile plastice sunt mai mici în comparaţie cu cele elastice. În felul acesta adâncimea remanentă de pătrundere (e) a penetratorului este o mărime care se află într-un raport invers proporţional cu duritatea materialului de încercat. Pentru a exprima cifrele de duritate într-o scară direct crescătoare, se ia ca valoare a durităţii diferenţa dintre o constantă E şi valoarea adâncimii remanente de pătrundere a penetratorului (e) care a fost apăsat cu o forţă determinată.

Deci, duritatea Rockwell reprezintă diferenţa dintre o adâncime convenţională dată (E) şi adâncimea pătrunderii remanente (e) a penetratorului sub o sarcină F1, adâncime măsurată faţă de poziţia penetratorului sub sarcina iniţială F0.

Fig. 3.1. Schema de principiu a măsurării durităţii prin metoda Rockwell a – cu penetrator con de diamant b – cu penetrator bilă de oţel

14 Îndrumar de laborator Scările şi domeniile de aplicare sunt cele prezentate în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1. Scara

durităţii Rockwell

Simbolul durităţii

Tipul penetratorului Sarcina iniţială

F0

Supra sarcina

F1

Sarcina totală

F

Domeniul de aplicare (intervalul

de durităţi)

A HRA con de diamant *) 98,07 N 490,3 N 588,4 N 20… 88 HRA

B HRB bilă de oţel 1,5875 mm 98,07 N 882,6 N 980,7 N 20…100 HRB

C HRC con de diamant *) 98,07 N 1,373 kN 1,471 kN 20… 70 HRC

D HRD con de diamant *) 98,07 N 882,6 N 980,7 N 40… 77 HRD

E HRE bilă de oţel 3,175 mm 98,07 N 882,6 N 980,7 N 70…100 HRE

F HRF bilă de oţel 1,5875 mm 98,07 N 490,3 N 588,4 N 60…100 HRF

G HRG bilă de oţel 1,5875 mm 98,07 N 1,373 kN 1,471 kN 30 … 94 HRG

H HRH bilă de oţel 3,175 mm 98,07 N 490,3 N 588,4 N 80…100 HRH

K HRK bilă de oţel 3,175 mm 98,07 N 1,373 kN 1,471 kN 40…100 HRK

*)cu unghiul la vârf de 1200 şi raza de la vârf de 0,200 mm.

Pentru indicarea durităţii Rockwell se foloseşte simbolul HR precedat de valoarea durităţii şi urmat de o literă corespunzătoare scării. De exemplu: 59 HRC - duritate Rockwell de 59, măsurată pe scara C. Duritatea se exprimă prin numere întregi, făcându-se rotunjirea cu o precizie de ± 0,5 HR.

Metoda Rockwell de determinare a durităţii foloseşte ca penetrator: • con de diamant cu unghiul între generatoare de 1200 ± 0,50, terminat

cu o calotă sferică cu raza de 0,2 mm (încercările A şi C) • bilă din oţel călit fie cu diametrul de 1,5875 (1/16") ± 0,035 mm, fie de

3,175 (1/8") ± 0,035 mm, duritatea minimă a bilei fiind de 850 HV şi la a cărei determinare s-a ţinut cont de curbura ei.

Succesiunea operaţiilor pe fazele încercării este următoarea:

• Faza I: Penetratorul încărcat cu sarcina F0 se aplică lent şi fără şocuri, perpendicular pe suprafaţa piesei de încercat.

• Faza II: Se aduce reperul zero al cadranului în dreptul acului indicator şi apoi se aplică suprasarcina F1. Viteza de aplicare a suprasarcinii sau viteza de deplasare a suprasarcinii înainte de a se aşeza pe penetrator trebuie să fie cuprinsă între 0,8 ÷1 mm/s.

• Faza III: Se îndepărtează suprasarcina F1 (păstrând sarcina iniţială F0). Se citeşte pe cadranul aparatului duritatea piesei în unităţi HR (corespunzătoare HRA, HRB, HRC, HRF sau HRG) dată de relaţia:

HR = E - e

3. Utilaj, aparatură şi materiale folosite. Epruveta sau piesa a cărei duritate se doreşte să se măsoare, trebuie să îndeplinească cerinţele prevăzute de STAS 493 -91. Astfel, suprafaţa probei trebuie să fie netedă, cu o rugozitate Ra de maximum 1,6, lipsită de oxizi, impurităţi, lubrifianţi sau defecte de suprafaţă. La prelucrarea suprafeţei probei trebuie să se evite ecruisarea şi încălzirea la temperaturi ce ar putea provoca modificări de structură ale materialului.

Tehnologia materialelor 15 Încercarea se va efectua pe suprafeţe plane sau curbe cu diametrul mai mare de 25 mm. Grosimea piesei - b - sau a stratului superficial de încercat trebuie să fie de cel puţin de zece ori mai mare decât adâncimea remanentă de pătrundere - e. După încercare, suprafaţa piesei opusă celei căreia asupra căreia se aplică forţele nu trebuie să prezinte nici un fel de deformaţii datorate încercării. Încercarea se execută la temperatura ambiantă în limitele 10...35°C. În cazuri deosebite sau de litigiu, încercarea se efectuează la temperatura de 23 ± 5°C.

Aparatele de încercare a durităţii Rockwell se deosebesc de aparatele Brinell şi Vickers, atât prin faptul că încărcarea se desfăşoară în două trepte (mai întâi sarcina iniţială F0 şi apoi sarcina totală F), cât şi prin faptul că dispozitivul de măsurare face parte integrantă din aparat. Aparatele de încercare a durităţii, penetratorul (con de diamant sau bilă de oţel) şi dispozitivul de măsurare a adâncimii de penetrare trebuie să îndeplinească condiţiile din STAS 7169/3-88.

În fig.3.2. este prezentată schema simplificată a unui aparat Rockwell. În interiorul carcasei metalice 1 a aparatului, se găseşte mecanismul de încărcare, compus din pârghia de încărcare 4, greutăţile 3, amortizorul 2 şi arcul 5 pentru realizarea sarcinii iniţiale. Pârghia de încărcare acţionează asupra penetratorului 8 ghidat în carcasa 7.

Adâncimea de penetrare este măsurată cu ajutorul ceasului comparator 6. Epruveta sau piesa de încercat se aşează pe platoul de reazem 10, care se poate

regla în înălţime cu ajutorul roţii de manevrare 11, care acţionează asupra şurubului de ridicare 12.

4. Modul de lucru.

Încercările de duritate Rockwell cuprind următoarele operaţii: 1. Pregătirea piesei de încercat; se face conform celor arătate la punctul precedent. 2. Aşezarea piesei de încercat pe platoul de reazem 10, cu îndeplinirea următoarelor

cerinţe: - să se asigure un contact bun între suprafaţa de aşezare a piesei şi

platoul de reazem; - să se evite deformarea piesei sub sarcină;

Fig. 1.4. Schema cinematică a aparatului pentru măsurarea

durităţii prin metoda Rockwell, de tip "Balanţa" Sibiu.

1 - carcasa aparatului; 2 – amortizor; 3 - greutăţi; 4 - pârghia de încărcare; 5 - arc; 6 - ceas comparator; 7 - carcasă; 8 - penetrator; 9 - bec de semnalizare; 10 - platou de reazem; 11 - roată de manevrare; 12 - şurub de ridicare; 13 - întrerupător; 14 - manetă de armare; 15 - manetă de deblocare; 16 - clichet.

16 Îndrumar de laborator

- să se asigure perpendicularitatea aplicării sarcinii pe suprafaţa de încercat;

- să se asigure imobilitatea piesei fixate sub sarcină. 3. Alegerea condiţiilor de încercare, adică:

- alegerea felului încercării (A, B, C, F sau G); - alegerea mărimii suprasarcinii şi a penetratorului.

4. Reglarea aparatului pentru condiţiile prescrise la încercarea respectivă, ceea ce se realizează prin:

- montarea dispozitivului penetrator în capul de prindere al axului penetratorului, astfel încât să se asigure imobilitatea acestuia;

- aplicarea greutăţilor corespunzătoare pe placa pentru suspendarea greutăţilor, astfel încât să se asigure suprasarcina dorită;

- reglarea duratei de menţinere a suprasarcinii pe piesa de încercat (indicată prin aprinderea becului 9), prin rotirea rozetei de la tija amortizorului.

5. Stabilirea contactului dintre penetrator şi suprafaţa pregătită a piesei de încercat şi aplicarea sarcinii iniţiale se face prin ridicarea platoului de reazem 10 până în momentul când becul de semnalizare 9 se stinge, ceea ce înseamnă că s-a aplicat sarcina iniţială F0.

6. Aplicarea sarcinii F1, menţinerea sarcinii totale F0 + F1 pe durata prescrisă conform tabelului 3.2 în funcţie de natura materialului şi descărcarea suprasarcinii F1. Suprasarcina corespunzătoare se aplică prin apăsarea uşoară în jos a manetei de deblocare 15, prin care se eliberează mecanismul de comandă. În acest moment un electromagnet de pe pârghia de încărcare 4 cuplează pârghia cu dispozitivul de indicare, acul indicator al comparatorului 6 fiind pe reperul zero.

Tabelul. 3.2

Timp de menţinere

[s] Natura materialului

1…3 Materiale care în condiţiile de încercare nu prezintă nici o deformare plastică în timpul aplicării sarcinii totale F

1…5 Materiale care în condiţiile de încercare prezintă o deformare plastică în timpul aplicării sarcinii totale F

10…15 Materiale care în condiţiile încercării prezintă importante deformări plastice în timpul aplicării sarcinii totale F

Sub acţiunea sarcinii totale, penetratorul pătrunde în piesa de încercat, în timp ce acul indicator se deplasează pe cadranul comparatorului în sens invers acelor de ceasornic. În momentul în care suprasarcina apasă asupra piesei de încercat, se aprinde becul de semnalizare 9, care rămâne aprins atât timp cât suprasarcina acţionează asupra piesei de încercat. În timpul descărcării suprasarcinii, acul indicator se deplasează în sensul acelor ceasornicului, oprindu-se într-o poziţie intermediară care depinde de duritatea piesei. În timpul efectuării încercării, maneta de armare 14 execută o mişcare în sus, care nu trebuie să fie împiedicată. După oprirea manetei, pe piesă rămâne numai sarcina iniţială de 98,07 N.

7. Stabilirea durităţii, respectiv a adâncimii urmei remanente - lucru care se realizează prin citirea poziţiei acului indicator pe scara corespunzătoare a comparatorului gradat în unităţi de duritate Rockwell.

Tehnologia materialelor 17 8. Coborârea platoului şi scoaterea piesei, după care se apasă pe maneta de armare 14 în

jos în timp ce maneta de blocare 15 revine în poziţia iniţială. Electromagnetul pârghiei de încărcare 4 decuplează legătura dintre pârghie şi dispozitivul indicator, iar acul indicator se opreşte în dreptul reperului zero. În felul acesta, aparatul este pregătit pentru o nouă determinare.

Distanţa între contururile a două amprente alăturate sau de la conturul amprentei

la margine trebuie să fie de minimum patru ori diametrul amprentei, dar nu mai puţin de 2 mm. Distanţa de la centrul amprentei la marginea probei trebuie să fie de minimum 2,5 ori diametrul amprentei. Înaintea încercării propriu-zise se efectuează 1 - 2 încercări de probă, fără a se lua în considerare rezultatele, în scopul asigurării unui contact perfect între penetrator şi tija port penetrator, cât şi între suportul probei şi măsuţa aparatului.

Duritatea Rockwell se determină prin mai multe încercări al căror număr, dispersie, amplasament şi interpretare se prevăd în standardele de produs.

5. Prelucrarea şi interpretarea rezultatelor. Concluzii.

Pe baza măsurătorilor de duritate toate rezultatele obţinute se vor trece sub formă

tabelară, conform modelului de mai jos. Se vor trage concluzii privind mărimea durităţii Rockwell a diferitelor materiale.

Tabelul 3.3

Condiţii de încercare DURITATE ROCKWELL Nr. crt.

Calitatea materialului

încercat F0 F Penetra-

tor HR1 HR2 HR3 HRm

Indicarea durităţii

18 Îndrumar de laborator