úvodní stránka
KALIBRACE
+420 546 451 998
OBCHODNÍ ODDĚLENÍ
+420 546 434 700
Úvod  Aktuality    Návody a postupy    Měření tvrdosti odlitků
Návody a postupy

Měření tvrdosti odlitků

 

Měření tvrdosti odlitků dynamickou metodou

Při měření tvrdosti přenosnými tvrdoměry může být výsledná hodnota ovlivněna mnoha vlivy a je na pracovníkovi, aby tyto vlivy dokázal rozpoznat a eliminovat. Při správném použití dává dynamická metoda nejen přesné výsledky, ale umožňuje měřit i tam, kde to dříve nebylo možné.

V průmyslové výrobě jsou materiály zkoušeny především ze dvou důvodů: Buď jde o zjištění vlastností nového materiálu, nebo o ověření, zda daný materiál odpovídá požadované specifikaci. Tvrdost můžeme definovat jako odolnost materiálu proti vniku cizího tělesa. Při zkouškách je vnikací těleso vtlačováno do povrchu testovaného materiálu určitým specifickým zatížením po definovanou dobu a měří se hloubka nebo rozměr vpichu.

Zkoušky tvrdosti

Nejrozšířenější je statická zkouška tvrdosti, ve které kulička, kužel nebo jehlan vnikají do testovaného materiálu. Vztah mezi zatížením a plochou nebo hloubkou vpichu odpovídá hodnotě tvrdosti - dle Brinella, Rockwella, Vickerse. Odlišné metody a jinak tvarovaná vnikací tělíska používaná např. při zkoušce podle Brinella a Rockwella dávají na stejném testovaném materiálu odlišné výsledky. Převáděcí tabulky mezi hodnotami HRC a HB jsou pouze přibližné, není zde žádný přesný matematický vztah pro převod z jedné stupnice tvrdosti do druhé. Tzv. konverzní tabulky musejí být určeny prakticky změřením specifického testovaného materiálu různými metodami. Pro srovnání tvrdosti dvou různých vzorků musejí být oba měřeny stejnou metodou - ve stejné stupnici tvrdosti, nebo jedna stupnice musí být převedena do druhé.

Vlivy na měření

Měření tvrdosti ovlivňují nejrůznější vnější vlivy. Především je to příprava povrchu materiálu, přičemž všeobecně platí, že čím větší hodnota drsnosti, tím větší nepřesnost měření. A tak právě hrubá struktura odlitků může způsobovat odchylky od správné hodnoty. Proto je v těchto případech nejvýhodnější volit takové metody, které zajistí pokud možno co největší vpich (otisk) zkušebního tělíska do materiálu, čímž se vliv drsnosti snižuje.

Dalším faktorem je struktura materiálu - v případě příliš malého vpichu můžeme u hrubozrnných materiálů (např. šedá litina) měřit na struktuře a výsledky mohou být opět nesprávné. Řešením je znovu co největší vpich.

V případě odlitků, např. ze šedé litiny, je někdy dále nutno uvažovat odlišnosti povrchové vrstvy od materiálu jádra. V případě měření s malým zkušebním zatížením může vpich zasahovat do jiné hloubky materiálu, než při měření s větším zatížením. Někdy nemusí stačit pouze zvětšení zkušebního zatížení, ale je třeba povrchovou strukturu odbrousit.

Shrneme-li předchozí, dostaneme pro měření tvrdosti odlitků následující požadavky:

  • co největší vpich (otisk měřicího tělíska) pro eliminaci nepříznivého vlivu hrubého povrchu, popř. hrubé struktury materiálu
  • obroušení plošky pro měření kvůli eliminaci vlivu odlišné povrchové struktury

Měření po zkušebním zatížení a při zkušebním zatížení

Při klasickém měření tvrdosti dle Brinella, Rockwella nebo Vickerse je nejdříve aplikováno zkušební zatížení na vnikací hrot a po odlehčení se odečítá velikost vpichu, a tedy hodnota tvrdosti. Tvrdost jsme dříve definovali jako odolnost materiálu proti vniku cizího tělesa. Vnik cizího tělesa můžeme definovat jako vratnou a nevratnou deformaci. Při měření některou z uvedených klasických metod tedy pochopitelně po odlehčení měříme pouze vliv nevratné deformace. Naproti tomu u moderních metod měření tvrdosti měříme (elektronicky) během zkušebního zatížení. Výsledkem je spojení vlivu nevratné i vratné deformace. To znamená, že měřená hodnota je ovlivněna druhem měřeného materiálu (vliv jeho modulu pružnosti) a přístroj musí být na tento materiál nastaven.

Moderní metody měření tvrdosti

V současné době pracují moderní přenosné tvrdoměry na dvou základních principech, jež využívají metody ultrazvukové a dynamické. Metoda ultrazvuková (UCI - Ultrasonic Compact Impedance) využívá k měření tvrdosti sondu s Vickersovým diamantovým hrotem umístěným na tyčince kmitající ve směru svislé osy sondy. Po zatížení do materiálu jsou kmity tyčinky materiálem tlumeny úměrně ploše vpichu (jde tedy o tvrdost) a modulu pružnosti (který zahrnuje vliv materiálu). Metoda je vynikající pro měření tvrdosti jemnozrnných materiálů s dobře připraveným povrchem.

Z hlediska přístupu k měřenému místu umožňuje často úspěšně měřit dříve neřešitelné úkoly. Není příliš ovlivněna požadavky na hmotu měřeného materiálu, dají se tedy měřit i velmi malé nebo tenké výrobky. Díky příliš malému vpichu je metoda nevhodná pro měření na hrubším povrchu nebo v případě hrubozrnných materiálů. Pro měření tvrdosti odlitků se tedy všeobecně nejeví jako optimální.

Dynamická (odrazová) metoda měření tvrdosti

Měření je prováděno pomocí tvrzené kuličky vystřelené směrem k testovanému objektu. Na povrch naráží definovanou rychlostí, resp. kinetickou energií. Nárazem vzniká deformace povrchu, díky které vnikací tělísko ztrácí část své energie. Ztráta energie je tím větší, čím větší je deformace, tedy čím je materiál měkčí. Jako vnikací tělísko se používá kulička ze slinutých karbidů, popř. u velmi tvrdých materiálů kulička diamantová, která je vystřelena k testovanému povrchu pružinou.

Rychlosti kuličky před a po dopadu jsou obě měřeny nekontaktně. V pouzdru vnikacího tělíska je proto umístěn permanentní magnet, který indikuje napětí při průchodu cívkou umístěnou ve spodní části sondy. Toto indukované napětí je úměrné rychlosti.

Vynálezce metody D. Leeb definoval svou vlastní jednotku tvrdosti - hodnotu Leeb. Hodnota tvrdosti dle Leeba, HL, je spočítána jako poměr rychlosti vnikacího tělíska před dopadem vR a rychlosti po dopadu vI na testovaný povrch:

Můžeme si položit otázku, kdo vlastně potřebuje měřit hodnotu tvrdosti v jednotkách HL (Leeb). Odpověď zní, že každý, kdo používá dynamickou odrazovou metodu měření tvrdosti, protože hodnota HL je podle uvedené rovnice vyjádřením tvrdosti touto metodou. Avšak minimum uživatelů skutečně používá jednotku tvrdosti Leeb (HL) ve svých specifikacích nebo zkušebních zprávách. Jednotka HL je většinou konvertována do požadované stupnice tvrdosti (HV, HB, HS, HRC, HRB, N.mm-2). Tedy pouze konverze (převod) jednotek může vnést dynamickou odrazovou metodu do praxe. Proto by měly být konverzní tabulky uloženy v paměti každého přístroje. Tyto převodní tabulky (křivky) jsou experimentálně určeny pro každý materiál samostatně na vzorcích odlišných tvrdostí měřených dynamickou metodou a metodou dle Rockwella.

Kompenzace směru měření (gravitace)

Sonda používá k pohonu vnikacího tělíska směrem k povrchu testovaného materiálu pružinu. V průběhu letu k testovanému povrchu magnet obsažený v pouzdru vnikacího tělíska generuje signál v cívce umístěné okolo spodní části sondy. Po dopadu se tělísko odráží a generuje druhý signál v cívce. Přístroje počítají hodnotu tvrdosti pomocí poměru napětí indukovaného v cívce. Ale pozor, na vyhodnocení hodnoty tvrdosti má samozřejmě vliv směr měření. V případě měření z boku výrobku nebo dokonce ze spodní části je výsledek zkreslen vlivem tíhového zrychlení (gravitace). To lze napravit třemi způsoby:

  • ruční opravou měřených hodnot dle tabulek, což je ovšem nepřesné, pomalé a zdrojem možných chyb
  • ručním zadáním směru měření do přístroje, což je nutné provést před měřením, ovšem v případě odchylky od definovaného směru je měření nepřesné
  • automatickou kompenzací, která je velmi přesná a uživatel přitom nemusí vliv směru měření vůbec uvažovat

Automatickou kompenzací vlivu gravitace na měření jsou v současné době vybaveny pouze dynamické tvrdoměry firmy Krautkramer. Při průletu vnikacího tělíska cívkou se nejen měří velikost indukovaných napětí, ale analyzuje se i jejich fáze právě pro automatickou kompenzaci změny orientace.

Aplikační možnosti

Aplikační možnosti jsou určeny počáteční silou úderu a druhem vnikacího tělíska. Podívejme se na nabídku přístrojů firmy Krautkramer, které na náš trh dodává společnost Testima. Uživatel může volit přístroj DynaMIC a tři různé modely sond (Dyna D, Dyna E a Dyna G), nebo může zvolit přístroj DynaPocket.

Dynamická odrazová metoda může být používána na větších dílech, hrubozrnných materiálech, výkovcích a všech typech odlitků, protože sférický tvar vnikacího tělíska má dostatečně velký vpich, a proto se hodí pro strukturu odlitků. Tělísko Dyna D pokrývá standardní aplikace. Dyna G, které má nárazovou energii téměř devětkrát vyšší a používá kuličku o větším průměru, je navržena pro zkoušení především pevných větších dílů. Dyna E je doporučena pro části s tvrdostí nad 650 HV, resp. 56 HRC a má kuličku z diamantu místo karbidu wolframu.

Požadavky na zkoušené těleso

Pro srovnání hodnoty měřené dynamickou metodou a metodou klasickou (např. dle Brinella) nebo tzv. Poldi kladívkem je dobré znát přibližnou hloubku vtisku zkušebního tělíska. Je nutné si uvědomit, že dynamická metoda měří v jiné hloubce než zmíněné klasické metody, tzn. naměřené hodnoty se mohou i značně odlišovat. Řešením je odbroušení povrchové vrstvy.

Všechny metody měření tvrdosti vyžadují hladký povrch bez oxidů, barvy, maziv, plastových povlaků proti korozi nebo kovových povlaků pro lepší elektrickou vodivost. Hloubka vpichu by měla být větší ve srovnání s nerovnostmi povrchu. Pokud je povrch upravován, je třeba dbát na to, aby se tvrdost nezměnila např. přehřátím povrchu.

Dynamická metoda působí velkou silou po krátkou dobu během nárazu. Tenké a lehké díly se mohou ohýbat (rozkmitat) a způsobit tak chybné měření. Řešením pro zkoušku menších částí jednoduchých tvarů je podpora zadní části měřeného objektu, která zpevní součást proti rozkmitání. Extrémně tenké materiály mohou vyžadovat také akustické spojení s podporou pomocí maziva nebo pasty. Tabulka 5 obsahuje orientační údaje pro určení požadavků na podepření měřených částí. Efektivnost podepření je dána tím, jak přesně podpora přiléhá k obrysu zadní strany měřeného dílu.

Tloušťka stěny

Kritickou vlastností materiálu pro měření přenosnými tvrdoměry je tloušťka stěny trubek, ventilů nebo pístů. Navzdory malým rozměrům vnikacího tělíska sond dynamické metody a nízké nárazové energii působí na testovaný povrch velké síly okolo 900 N v krátkém okamžiku nárazu. Tato síla v případě tloušťky stěny menší než 10 ÷ 20 mm způsobuje vibrace a tenká stěna tak začne po nárazu tělíska sondy dynamického tvrdoměru kmitat podobně jako blána bubnu. Vibrace mohou způsobit měření menších hodnot tvrdosti a větší rozptyl hodnot. Hodnota 10 mm je přitom pouze orientační a záleží na konkrétní geometrii. Uspokojivých výsledků bylo dosaženo např. na trubce o ? 300 mm a tloušťkách stěny 10 ÷ 15 mm. Příliš malá tloušťka stěny tak může negativně ovlivnit naměřenou hodnotu tvrdosti dokonce i při měření pevné součásti o hmotnosti několik tun.

Brinellova zkouška

Na  druhém mezinárodním kongresu pro zkoušení materiálu v Paříži v roce 1900 předložil švédský inženýr Brinell svoji metodu určování tvrdosti, která se velmi rychle rozšířila a je dnes ve všech průmyslových státech normována (ČSN 42 0371). Podstatou Brinellovy zkoušky je zatlačování ocelové kalené kuličky průměru D  do vyleštěné plochy zkoušeného kovu konstantním zatížením. obr.č. 1. 

Tvrdost je pak vyjádřena vztahem: HB=F S

Je-li d průměr  a h hloubka vtisku, pak je jeho plocha dána vztahem: S= πDh = πD 0,5 [D-(D2-d2)0,5]                                  

Po provedení zkoušky je třeba změřit průměr nebo hloubku vtisku. Měření průměru je pomocí měřícího mikroskopu, tzv. Brinellovy lupy, možné až na setiny mm, kdežto přesné změření hloubky je mnohem obtížnější. Při sériových zkouškách je měření mikroskopem zdlouhavé, proto jsou tvrdoměry konstruovány tak, že lze tuto hloubku odečíst přímo na přístroji. S ohledem na možnost vytvoření valu v okolí vtisku je tento postup vhodný pouze při poměrném stanovování tvrdosti. Pro přesné určení hodnoty tvrdosti je třeba vycházet z průměru vtisku.  Zkušební podmínky je nutno dodržovat z důvodu srovnatelnosti naměřených výsledků. Na výsledek má vliv zejména velikost zatížení, které se volí s ohledem na průměr použité kuličky a měřený materiál. Průměry kuliček: 10; 5; 2,5; 1,25; 0,625 mm Zatížení se volí dle vztahu F= KD2 Koeficient K je volen pro ocel K 30 pro neželezné kovy a slitiny k = 10 pro měkké neželezné kovy a kompozice K = 2,5. Bližší hodnoty koeficientu K jsou uvedeny v tabulce č. I.  Doba zatěžování se volí u ocelí a litin 10 až 15 s, u neželezných kovů může být podle měřeného materiálu 10 až 180 s. Výsledek zkoušky za normálních podmínek, tj. při ∅ D = 10 mm, F= 29 430 N (300kp) a době zatížení 10 až 15 s,  se označuje pouze číslem tvrdosti a písmeny HB, tedy např. HB= 280. Jestliže byly podmínky zkoušky jiné, uvádějí se za označením HB v pořadí: ∅ D (mm), F (kp), doba zatěžování (s), např. HB 5/750/20=280.

Jak již bylo uvedeno, povrch zkoušeného předmětu musí být rovný, hladký, bez okují a nečistot. Tloušťka předmětu nesmí být menší než osminásobek hloubky vtisku. Vzdálenost středu vtisku od okraje vzoru má být minimálně 2,5d u ocelí a litin, 3d u neželezných kovů. Velikost vtisku musí být mezi hodnotami 0,25D a 0,6D. Mezi tvrdostí HB a pevností v tahu Rm (MPa)  je přímá závislost dle vztahu Rm= k*HB Koeficient k je závislý na materiálu, u ocelí je k v rozsahu 3,1 až 4,1. Litý bronz má k= 2,3, hliník k=2,6.

Ludwikova zkouška

Přes rychlé rozšíření Brinellovy zkoušky byla pociťována její velká nevýhoda v tom, že tvrdost je závislá na velikosti zatížení. (V roce 1885 vyslovil Kick známý zákon o úměrnosti přetvárné práce a příslušného deformovaného objemu. Tento zákon pro Brinellovu zkoušku neplatí, neboť poměry napjatosti se při změně zatížení mění složitějším způsobem.) Tento nedostatek odstranil Ludwik v roce 1907 náhradou kuličky kuželem, kde zůstává při všech zatíženích poměr tangenciálního a normálního napětí stejný  a hodnota tvrdosti je na zatížení nezávislá. Ludwik   použil kužele z     kalené ocele s     vrcholovým úhlem 120, 90 a 60°   z praktických důvodů se zaoblenými vrcholy s poloměrem 0,2 mm. Williams zkoušel na mědi zpevnění materiálu v okolí vtisku v souvislosti s vrcholovým úhlem. Při 120° je měď nejvíce zpevněna při dně vtisku a ke kraji její tvrdost zcela rovnoměrně ubývá. Při 90° je tvrdost rozdělena rovnoměrněji, s tím, že ve dně je podstatně menší a  okraj je naopak více zpevněn, než v předešlém případě. Při 60° tento trend pokračuje, dno je minimálně zpevněno zatímco deformace v okolí vtisku jsou do značné vzdálenosti výrazné. Tato metoda se i přes svoje nesporné výhody neujala. Měla však velký vliv na rozvoj dalších metod zjišťování tvrdosti. Přestože tato metoda ukázala nevýhody Brinellovi zkoušky, používá se Brinellova metoda dodnes, zatímco Ludwikova metoda se používá pouze ve speciálních případech.

Rockwellova  zkouška

Rockwellova zkouška je založena na principu Ludwikovy zkoušky. Rockwell však použil indentoru z diamantu a zatížení podstatně menšího než Ludwik (9,8 – 49 kN). Protože tření při vnikání indentoru je tím menší, čím větší je jeho vrcholový úhel, volil Rockwell diamantový kužel s     vrcholovým úhlem 120°   se zaoblením poloměrem 0,2 mm. Metoda je vypracována pro sériové kontrolní zkoušky kalených, zušlechťovaných nebo jinak tepelně zpracovaných ocelí. Tato zkouška tvrdosti nevyžaduje upravený povrch, neboť hloubka vtisku se měří tak, že při zatížení 98 N se ustaví hloubkoměr na nulu, zatíží se hlavní silou viz tab. č. II. Po odlehčení na hodnotu původních 98 N se odečte hloubka vtisku. Kdyby se odečítalo při plném zatížení, jevila by se tvrdost značně menší nejen o pružné deformace vtisku, ale také o veškeré pružné deformace stojanu stroje, podložky apod. Obr.č. 3 – Princip měření HRC tvrdosti Celková měřitelná hloubka při použití  kuželového indentoru je 0,2 mm. Tato hloubka je rozdělena na 100 dílků viz tab. č. II.. Tvrdost materiálu je rovna tvrdosti diamantu v případě, že  se hrot po odlehčení na 10 N vrátí do původní, nulové polohy obr.č.3 Nejměkčí kov, který se dá touto metodou zkoušet odpovídá pevnosti v tahu 80 MPa. Metodu HRC lze dle naší normy použít od minimální tvrdosti HRC 20.  Doporučuje se ji však používat až od HRC 30, neboť při menších tvrdostech jsou naměřené tvrdosti málo přesné. Pro měkčí materiály je nutno použít namísto diamantového kužele ocelovou kuličku s menším zatížením viz tab. č. II. U nejtvrdších materiálů, např. slinutých karbidů, je nebezpečí, že při zatížení 1471 N dojde k poškození diamantového indentoru. Z tohoto důvodu se u nejtvrdších materiálů používá zatížení pouze 588 N (HRA).

Vickersova zkouška

Ve stejné době jako v Americe vznikla Rockwellova metoda vznikla v Anglii jiná vnikací zkouška, kterou popsali Smith a Sandland. V Evropě je tato zkouška známa podle tvrdoměru firmy Vickers. V USA je obvykle označována diamond pyramid hardness test. Indentorem je čtyřboký diamantový jehlan s  vrcholovým úhlem stěn 136°, takže vznikají pravidelné čtyřhranné vtisky. Tento úhel je volen tak, aby tření co nejméně ovlivňovalo výsledek a dále proto, aby se hodnoty tvrdosti příliš neodlišovaly od tvrdosti stanovené metodou dle Brinella. Po provedení vtisku se měří jeho úhlopříčka. Její hodnota je pak dosazena do vztahu HV=0,189 F u2 F – zátěžná síla [N], u – průměrná hodnota úhlopříčky [mm].

Obvyklá zatížení dle normy ČSN 42 0374 jsou 9,8; 29,4; 49;  98; 294 a  490 N. Vickersova zkouška je ze všech dosavadních metod jediná, která splňuje všechny teoretické požadavky. Dává jednotnou stupnici tvrdosti od nejměkčích kovů až po nejtvrdší kalené ocele. Hodnoty tvrdosti jsou na velikosti zatížení prakticky nezávislá.  Přesto je-li zatížení jiné než dříve používaných 30 kp (29,4 N) je třeba toto zatížení uvést spolu s naměřenou hodnotou, např. HV10 – zatížení 10 kp. Následkem rozdílného zpevnění při hranách jehlanu a uprostřed ploch nemusí být průmět vtisku přesně čtvercový, nýbrž strany mohou být buď vyduté u měkkých materiálů A, nebo naopak vypouklé u zpevněných materiálů B.

Výhodou této metody je, že naměřené hodnoty tvrdosti jsou velmi přesné. Vtisky jsou poměrně malé, takže se ani čistě obrobená plocha příliš nepoškozuje. Jen u kovů hrubozrnných nebo nehomogenních, jako je šedá litina, ložiskové kompozice apod., je malý vtisk nevýhodný a nelze obdržet jednoznačné výsledky. Dalším záporem této metody je, že lze použít pouze povrch, který má na určitou drsnost opracovanou plochu. Knoopova zkouška V roce 1939 byla v americkém National Bureau of Standards vypracována nová metoda zkoušky tvrdosti, jež se od metody Vickersovy odlišuje tvarem indentoru. Zkušební tělísko je rovněž diamantový jehlan, jehož základnou však není čtverec, ale velmi protáhlý kosočtverec. Vtisk má tvar kosočtverce s poměrem úhlopříček asi 1:7. U tohoto vtisku se proměřuje pouze delší rozměr úhlopříčky.

Výhodou Knoopova indentoru je, že deformace jsou relativně největší u krátké úhlopříčky a v tomto směru je tedy největší odpružení při odlehčení. Ve směru dlouhé úhlopříčky je odpružení zanedbatelné. Další výhodou je, že lze vtisky vytvořit tak, že lze s velkou přesností změřit tvrdost u úzkých součástí např. drátů. Klade-li se delší úhlopříčka rovnoběžně s povrchem lze u cementovaných popř. nitridovaných povrchů zachytit podstatně citlivěji změny tvrdosti, než Vickersovým indentoremm. S ohledem na malou hloubku průniku indentoru, lze tuto metodu s výhodou použít i u materiálů se slabou povrchovou vrstvou. Tvrdost se stanoví podle vztahu HK=1,451F l2.         

Kontaktujte nás

M & B Calibr, spol. s r.o.
Ke Karlovu 62/10, 664 91 Ivančice
Česká republika

Provozní doba

Kalibrace: Po – Pá: 7.00 – 16.00 hodin
Obchod: Po – Pá: 7.30 – 16.00 hodin
(lze i mimo pracovní dobu po tel dohodě)

Sledujte nás na Facebooku    YouTube

M&B Calibr, spol. s r. o. – prodej, oprava a kalibrace měřidel

Top