OVMT Zkoušky tvrdosti

OVMT Zkoušky tvrdosti Tvrdost materiálu je společně s pevností a houževnatostí jednou ze základních mechanických vlastností. Tvrdost je definována jako odpor materiálu proti vnikání cizího tělesa. Rozdělení metod zkoušení tvrdosti Metody zkoušení tvrdosti jsou rozdělovány obvykle podle způsobu zatěžování (statické nebo dynamické) a podle typu deformace zkoušeného povrchu (elastické nebo plastické). Tab. 1. Staticko-plastické Brinell (HB) Vickers (HV) Rockwell (HRA, HRB, HRC)

Dynamicko-plastické Poldi kladívko Baumannovo kladívko

Dynamicko -elastické Shoreho skleroskop Duroskop

Projekt č.: CZ.1.07/1.1.02/04.0004 OVMT – Odborné vzdělávání s moderní technikou Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

1

OVMT Zkoušky tvrdosti podle Brinella (ČSNEN 10003-1, dříve ČSN 42 0359)

Obr. 1. Schéma Brinellova tvrdoměru 1 – zdroj světla, 2 – kondenzor, 3 – objektiv, 4 – zkoušený předmět, 5 – okulár, 6, 7 – zrcadla

Podstata zkoušky je pozvolné vtlačování ocelové kalené kuličky (o průměrech D=10; 5; 2,5; 2;1 mm) do povrchu zkoušeného tělesa. Po odlehčení zůstane v materiálu otisk. Tvrdost se určuje výpočtem jako poměr zkušebního zatížení k ploše vtisku vytlačené kuličkou (má tedy povahu napětí) nebo se odečte z tabulek.

Obr. 2. Brinellův vtisk kuličky

Vzorec:


2

OVMT Zkušební zatížení Zatížení a průměry kuliček je třeba volit tak, aby průměr vtisku byl v mezích od d=0,2 D až 0,7 D. Čím měkčí jsou materiály, tím menší musí být zvoleno zatížení. Stupeň zatížení:

Zatížení se volí jako násobek čtverce průměru kuličky. F=30 2,5

1

; 10

;5

;

(Pozn.: síla je udávána v kp)

Pro materiály s tvrdostí menší než 350HB se používá ocelová kulička. Pro materiály s tvrdostí menší než 650HB se používá kulička z tvrdokovu. Za základní zkoušku se považuje zkouška kuličkou o průměru 10 mm a zatížení ), v časovém rozmezí 10 až 15 sekund. 29 430 N (F=30 9,81 V tomto případě se zápis provádí stručně například 180 HB. V ostatních případech je třeba uvést průměr kuličky, zatížení a dobu zátěže ). (např. 96 HB 5/750/30) zatížení ( Nevýhodou Brinellovy metody je omezení na zkoušky nízkých a středních tvrdostí. Výhodou je určitá empirická závislost mezi pevností a tvrdostí. Vztah:

Tab. 2. Závislost mezi tvrdostí HB a pevností v tahu některých slitin

Materiál

Pevnost(MPa)

Uhlíkové oceli o pevnosti 294 až 981 MPa

3,6 HB

Měď,nikl,bronz, po zpracování za studena

4,0 HB

Slitina Al-Mg

4,4 HB

Šedá litina

2,0 HB - 130


3

OVMT Zkoušky tvrdosti podle Rockwella

Obr. 3. Tvrdoměr Rockwell

Při Rockwellově metodě se do zkoušeného předmětu zatlačuje zkušební tělísko, kterým je buď diamantový kužel o vrcholovém úhlu 120 nebo ocelová kalená kulička o průměru 1/16‘‘=1,58mm HRA je tvrdost určená diamantovým kuželem při celkovém ztížení F=600N. Používá se k určování tvrdosti pro křehké materiály a tenké povrchové vrstvy (např. slinuté karbidy). HRB je tvrdost určená ocelovou kalenou kuličkou při celkovém zatížení F=1000N.Používá se k určování tvrdostí měkkých slitin. HRC je tvrdost určená diamantovým kuželem při celkovém zatížení F=1500N. Doporučuje se tvrdost HRC v rozsahu 20 až 67. Při větší naměřené tvrdosti HRC >67 může být např. poškozený diamantový kužel.


4

OVMT Postup zkoušky: Zkušební tělísko se předběžným základním zatížením F=100N pomalu vtlačí do povrchu hladkého a čistého zkoušeného materiálu a pronikne tak pod nerovnosti povrchu. Tato hodnota nesmí být překročena. Pak se nastaví stupnice hloubkoměru do počáteční polohy a zatížení se zvolna zvětšuje na hodnotu předepsanou normou. Po odlehčení zpět na základní zatížení (F=100N) se odečte hlouba v tisku přímo na stupnici tvrdosti.

Obr. 4. Schéma zkoušky tvrdosti podle Brinella


5

OVMT Zkouška tvrdosti podle Vickerse (ČSN EN ISO 6507-1,dříve ČSN 420374)

Obr. 5. Tvrdoměr Vickers

Podstatou zkoušky je vtlačování diamantového vnikacího tělíska ve tvaru pravidelného čtyřbokého jehlanu s vrcholovým úhlem mezi protilehlými stěnami α =136⁰ do povrchu tělesa. Do materiálu se zkušební tělísko vtlačuje rovnoměrnou silou. Zkušební zatížení se volí přibližně v rozmezí (10 až 1000) N a to podle tloušťky vzorku, jež má být 1,5krát větší než úhlopříčka vtisku d. Běžné zatížení 294N(30kp) se do symbolu tvrdosti nezapisuje a také doba působení zátěže (10 až 15)sekund se neudávají. Tvrdost, která se značí HV, se určuje výpočtem jako poměr zkušebního zatížení a povrchu vtisku (má tedy povahu napětí). Nebo se změří délka úhlopříček vtisku d1 a d2 ,z nich se vypočítá aritmetický průměr a hodnota tvrdosti se následně určí pomocí tabulek. Výhodou Vickersovy metody je možnost měření velmi tenkých a velmi tvrdých vrstev při nepatrné stopě vtisku.


6

OVMT

Obr. 6. Vtisk jehlanu do materiálu podle Vickerse

Výpočet tvrdosti HV 

F F  0,189  2 (bez rozměru) A d

d

d1  d 2  10 3 2

[m]

d1, d2 – průměr vtisku v úhlopříčkách


7

OVMT Zkouška tvrdosti Poldi kladívkem

Obr. 7. Poldi kladívko

Je to mobilní tvrdoměrné zařízení používané často ve výrobních procesech. Součásti kladívka je etalonová tyč vyrobená z materiálu o stanovené tvrdosti. Úderem dílenského kladiva do Poldi kladívka dojde k současnému vtlačení vnikacího tělíska ve tvaru kuličky do povrchu zkušebního tělesa a do etalonu. Měří se průměry vtisku dmat a detal, které zůstanou na povrchu zkušebního materiálu a etalonu. Tvrdost se určuje jako poměr zkušebního zatížení a povrchu vtisku. Vnikací tělísko je ocelová kalená kulička  D = 10 [mm]. Určení tvrdosti materiálu Změří se dva kolmé průměry vtisku ve zkoušeném materiálu dmat1 [mm], dmat2 [mm], z nich se vypočítá aritmetický průměr dmat [mm], změří se dva kolmé průměry vtisku v etalonu detal1 [mm], detal2 [mm], z nich se vypočítá aritmetický průměr detal [mm], tvrdost materiálu je určena pomocí hodnot dmat a detal z tabulek.


8

OVMT Zkouška tvrdosti Baumannovým kladívkem

Obr. 8. Baumannovo kladívko

Je to mobilní tvrdoměrné zařízení používané často ve výrobních procesech. Odjištěním a spuštěním pružiny, která je součásti kladívka, dojde k úderu razníku na vnikací tělísko ve tvaru kuličky a k jeho vtlačení do povrchu zkušebního tělesa. Měří se průměr vtisku dmat , který zůstane na povrchu zkušebního materiálu. Vnikací tělísko je ocelová kalená kulička  D = 10 [mm]. Určení tvrdosti materiálu: změří se dva kolmé průměry vtisku ve zkoušeném materiálu d1 [mm] a d2 [mm], z nich se vypočítá aritmetický průměr d [mm], tvrdost materiálu je určena pomocí hodnoty d z tabulek.


9

OVMT Zkouška tvrdosti Shoreho skleroskopem Definované zkušební tělísko se spustí z výšky H na zkoušený materiál. Sleduje se výška h, do níž zkušební tělísko po dopadu odskočí. Vzhledem k tomu, že zkouška je založena na elastické deformaci zkoušeného povrchu, nemohou být na tělese patrny viditelné stopy deformace.

Zkouška tvrdosti Duroskopem Definované zkušební tělísko se spustí z úhlu α na svislou stěnu zkoušeného materiálu. Sleduje se úhel α, do něhož zkušební tělísko po dopadu odskočí. Vzhledem k tomu, že zkouška je založena na elastické deformaci zkoušeného povrchu, nemohou být na tělese patrny viditelné stopy deformace.

Obr. 9. Schéma odrazových zkoušek


10

OVMT Zkouška tvrdosti tvrdoměrem Hardmatic

Obr. 10. Tvrdoměr Hardmatic

Tvrdoměr Hardmatic je přenosný tvrdoměr s přímým odečítáním tvrdosti. Přístroj zahrnuje stupnice tvrdosti podle: Vickerse HV Brinella HB Rockwella HRB, HRC Shore HS Měření pevnosti N/mm2

Vztah mezi drsností povrchu a minimální tloušťkou obrobku. Povrch obrobku by měl mít hodnotu Rmax 1,5 až 1.7um.Minimální tloušťka materiálu musí tvořit více než trojnásobek vnikové hloubky.


11

OVMT Název úlohy: Měření tvrdosti materiálů Zadání úlohy a) U zkušebních vzorků zjistěte povrchovou tvrdost danými tvrdoměry b) Podle zjištěné tvrdosti HB na přístroji WP300 vyhledejte ve strojnických tabulkách materiály (ocel tř. 10-19), odpovídající zjištěné tvrdosti

Nákres součásti Nakreslete a zakótujte součásti

Použitá měřidla  Univerzální testovací zařízení WP300 (tvrdost podle Brinella)  Tvrdoměr Rockwell  Přesný tvrdoměr Vickers  Přenosný tvrdoměr Hardmatic  Tvrdoměr – Poldi kladívko  Posuvné měřidlo


12

OVMT Postup měření a) Měření tvrdosti podle Rockwella (HRB, HRA)

Stůl

Ruční kolo

Obr. 11. Tvrdoměr Rockwell

 Vložte vzorek na stůl tvrdoměru.  Ručním kolem otáčejte tak dlouho, až se zkoušený vzorek dotkne kalené kuličky.  Dalším otáčením kola vytvořte tzv. před zátěž 100N, kterou nepřekročte.  Správnost nastavení před zátěže ukazuje malá ručička indikátoru, která má být uprostřed červeného kolečka.


13

OVMT

Obr. 12. Indikátor

 Touto před zátěží vnikající tělísko – kulička pronikla do nerovnosti povrchu.  Nastavte číselník indikátoru tak, aby velká ručička ukazovala na 0 černé stupnice (30 červená stupnice).  Na držák závaží umístěte závaží 1000N, které bude představovat zatížení.  Uvolněte závaží pomocí páky, která je zaaretována západkou.  Nechte sílu působit přibližně 10s, kdy velká ručička již nevykazuje pokračující plastickou deformaci.  Vraťte páku do původní polohy (odlehčení zátěže).  Velká ručička se vlivem pružné deformace vrátí o malý úsek zpět.  Tam, kde se velká ručička zastaví je skutečná tvrdost HRB zkoušeného vzorku.  Tvrdost odečtěte z číselníkového úchylkoměru indikátoru. Hodnota tvrdosti je hloubka vtisku.  Otáčením ručního kola uvolněte zkoušený vzorek.


14

OVMT b) Měření tvrdosti tvrdoměrem Poldi – Poldi kladívko

Obr. 13. Měření tvrdosti Poldi kladívke

 Zasuňte porovnávací tyčinku mezi úderník a vnikací tělísko (kuličku) tvrdoměru.  Tvrdoměr přiložte kuličkou kolmo na zkoušený vzorek materiálu.  Úderem kladiva na úderník vznikne vtisk ve zkoušeném vzorku i v porovnávací tyčince.  Vytáhněte porovnávací tyčinku z tvrdoměru a pomocí Brinellovy lupy změřte průměry vtisku ve dvou vzájemně kolmých směrech ve zkoušeném vzorku i v porovnávací tyčince.


15

OVMT

Obr. 14. Měření otisku lupou

Obr. 15. Otisk kuličky

Obr. 16. Měření průměru vtisku pomoci Brinellovy lupy


16

OVMT  Vypočítejte aritmetické průměry z těchto naměřených hodnot Vzorec: Zkoušený materiál

Porovnávací tyčinka

 Z tabulky tvrdosti podle Brinella vyhledejte podle vypočítaných hodnot dv a dt příslušnou tvrdost HB a pevnost σpt zkoušeného vzorku.  Zjistěné hodnoty tvrdosti a pevnosti vynásobte opravným koeficientem, který je vyražen na porovnávací tyčince.

Opravný koeficient

Obr. 17. Porovnávací tyčinka

Pevnost


17

OVMT c) Měření tvrdosti na Univerzálním stroji WP300

Obr. 18. Univerzální stroj WP300

Budete testovat vzorky ze čtyř různých materiálů. Pro všechny materiály je vybrán součinitel zatížení K=10. Protože je tvrdost vzorku oceli podle Brinella bezpochyby nižší než HB 315, je použití součinitele zatížení 10 stále povoleno. Tab.3. Testovací tlaková síla

 Nastavte v programu na PC zkoušený materiál (ocel, měď atd.) a součinitel zatížení K=10, tím je určena zatěžující síla F=9800N.  Vložte zkoušený vzorek mezi testovací kuličku a stlačovací desku.  Opatrně přibližte otáčením ručního kola testovací kuličku s průměrem D=10mm k vzorku.


18

OVMT

Obr. 19. Zkouška tvrdosti podle Brinella

 Pomalu a plynule otáčejte ručním kolem a zvyšte zatěžující sílu na 9800N.K dosažení maximální testovací síly je zapotřebí nejméně 5 sekund. 

Nechte působit sílu na vzorek po dobu 10 sekund a poté zátěž uvolněte.


19

OVMT

Obr. 20. Číselníkový indikátor

 Odejměte vzorek a změřte průměry v tisku ve dvou vzájemně kolmých směrech Brinellovou lupou.  Hodnoty zaznamenejte do PC a vyhodnoťte tvrdost HB.

Obr. 21. Měření otisku kuličky

 Vypočítejte tvrdost podle Brinella ze vztahu:

HB 

0,1102  F

-konstanta

0,5  D( D  D  d ) 2

2

F - Zatěžující síla - 9 800N D - průměr kuličky d - průměr vtisku – arit. průměr


20

OVMT d) Měření tvrdosti tvrdoměrem Vickers Tento způsob je z uvedených metod zjišťování tvrdosti nejpřesnější. Přesnost metody však vyžaduje vzhledem k malým rozměrům vtisku úpravu povrchu (nejlépe broušením). Vnikacím tělískem je pravidelný čtyřboký jehlan s vrcholovým úhlem 135°.

1

2

3

Obr. 22. Tvrdoměr Vickers 1 - Optická část, 2 - Tubus s optikou, 3 - Tubus s vnikacím tělískem

 Vložte zkoušený vzorek na pracovní stůl tvrdoměru.  Nastavte výškově tubus s vnikacím tělískem asi 5mm nad zkoušený vzorek pomocí šroubu a zajistěte aretačním šroubem.  Stlačte páku na doraz a držte po dobu 20 sekund. Protože je pružina stlačována vždy o stejný zdvih, je zatěžující síla konstantní.  Po odlehčení natočte kolem svislého sloupce otočnou část tvrdoměru tak, aby tubus s optikou spočinul nad otiskem ve vzorku (konec rotačního pohybu).


21

OVMT  Spusťte tubus s optikou na dotek se zkoušeným vzorkem.

Obr. 23. Měření otisku

 V okuláru objektivu uvidíte otisk.

Obr. 24. Obraz vtisku v okuláru


22

OVMT  Otočte optickou část nebo součást tak, aby úhlopříčka vtisku byla s vodorovnou osou stupnice.

1 3

2

Obr. 25. Optická část Vickersova tvrdoměru: 1 – Okulár, 2 – Šroub pro posouvání stupnice, 3 – Mikrometrický šroub

Postup zjištění tvrdosti HV  Otáčejte šroubem (2) tak dlouho, až se svislá osa stupnice dotýká levého bodu úhlopříčky vtisku.  Otáčejte mikrometrickým šroubem (3), posouváte clonu a to k poslední svislé ose, která je uvnitř vtisku.  Na mikrometrickém šroubu odečtěte hodnotu úhlopříčky u1 a zapište.  Otočte optickou část o 90° a změřte stejným způsobem úhlopříčku u2.


23

OVMT Příklad výpočtu:

Obr. 26. Ukázka vtisku pro změření úhlopříčky U1

Výpočet úhlopříčky U1:


24

OVMT

Obr. 27. Ukázka vtisku pro změření úhlopříčky U2

Výpočet úhlopříčky U2:

 Z vypočítané délky úhlopříčky u (aritmetickým průměrem) vyhledejte v tabulkách příslušnou tvrdost. Příklad: Délka úhlopříčky u = 0,322 mm Ve sloupci označeném d najdete délku v setinách mm (0,32 mm) V řádku označeném d najdete délku vtisku v tisícinách mm (0,002 mm) Odpovídající tvrdost je HV 537  Podle vztahu vypočítejte velikost tvrdosti HV.


25

OVMT e) Měření tvrdosti přenosným tvrdoměrem Hardmatic

Obr. 28. Tvrdoměr Hardmatic

 Zapněte tvrdoměr tlačítkem ON/OFF a přiložte na zkoušený materiál.  Zatlačte tvrdoměrem na materiál (tím se vysune vnikací tělísko) po dobu 5s.  Tvrdoměr automaticky vyhodnotí tvrdost podle HB, HRC, HRA, HS, pevnost.  Přepínáním tlačítka se objeví na displeji velikost jednotlivých tvrdostí. Závěr  Porovnejte hodnoty tvrdosti HB zjištěné na jednotlivých tvrdoměrech.  Porovnejte jednotlivé metody – výhody, nevýhody, Uveďte, pro které materiály je vhodné jednotlivé zkoušky použít.


26

OVMT Použité zdroje archiv autora ADOLF FRISCHHERZ, Paul Skop. Technologie zpracování kovů: Základní poznatky. Brno: Exprint - Kocián, 1993. ISBN 80-901-6572-9. MARTINÁK, Milan. Kontrola a měření: Učebnice pro 3. ročník stř. prům. škol strojnických. 1. vyd. Překlad Jindřich Klůna. Praha: SNTL, 1989, 214 s. ISBN 80-030-0103-X. Mechanické vlastnosti. ATeam [online]. 2013 [cit. 2013-02-01]. Dostupné z: http://www.ateam.zcu.cz/mechvlast.html Součinitel bezpečnosti. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-02-01]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Sou%C4%8Dinitel_bezpe%C4%8Dnosti ŠULC, Jan. Technologická a strojnická měření: pro SPŠ strojnické. Praha: SNTL, 1982. Vlastnosti materiálů - pružnost a pevnost. Strojírenství [online]. 2007 [cit. 201302-01]. Dostupné z: http://www.strojirenstvi.wz.cz/stt/rocnik1/06a_pruznost_pevnost.php Metallhärteprüfer nach Baumann-Hammer PrinzipPCE-HBX 05. PCE [online]. 2013 [cit. 2013-02-25]. Dostupné z: http://www.warensortiment.de/technischedaten/baumann-hammer-pce-hbx-05.htm


27

OVMT Zkoušky tvrdosti

Recommend Documents