Zkoušky tvrdosti Tvrdost - odolnost povrchových oblastí materiálu proti místnímu porušení cizím tělesem. Tvrdost však není žádnou fyzikálně definovatelnou vlastností, nýbrž je výslednicí celé řady vlastností hmoty, a to zejména vlastností povrchu. Podle způsobu porušení povrchu zkoušeného kovu se dělí zkoušky tvrdosti na: 1) Statické – indentor se vtlačuje klidnou silou ve směru kolmém ke zkoušenému povrchu. Tyto zkoušky jsou označované jako „zkoušky vnikací“. Jsou nejčastější pro svoji přesnost, jednoduchost a dobou reprodukovatelnost. 2) Dynamické – indentor proniká do zkoumaného povrchu rázem vedeným kolmo – tzv. „rázové zkoušky“ 3) Porušení je dosaženo pohybem ostrého nástroje rovnoběžně s povrchem zkoušeného kovu tak, aby se vytvořil vryp. Tento způsob zatížení se volí u křehkých materiálů, zvláště u minerálů.
Zkoušky vnikací Odolnost proti vnikání cizího tělesa je dána velikostí sil, jimiž jsou atomy kovu navzájem vázány. Při vazbě kovové, umožňující plastickou deformaci, vznikají deformace tím snáze, čím jsou vazební síly vyrovnanější. Rozhodujícími činiteli jsou hlavně: a) Tvar krystalových elementů b) Jemnost krystalizace - jemnozrnná struktura má v objemu více krystalografických rozhraní, které více odolávají vnikání cizích těles a z tohoto důvodu vykazuje jemnozrnná struktura větší tvrdost c) Teplota – čím větší teplota, tím se vlivem roztahování stávají vazby méně pevné a kov je měkčí. Teplotu je nutno uvažovat relativně s ohledem na bod tání (kovy s nízkým bodem tání jsou při stejné krystalizaci za normální teploty měkčí než kovy tající při vysoké teplotě). d) Cizí příměsi – všechny příměsi snižují plasticitu kovu, a tím zvětšují jeho tvrdost. e) Vnitřní pnutí – tvrdost zvětšují různá pnutí, způsobená např. Tvářením za studena, tepelná pnutí od nestejného ochlazování, pnutí způsobená nestabilními fázemi atd. Historie vývoje vnikacích zkoušek Kirsch (1891) navrhl zatlačování válcového indentoru zvětšující se silou až do okamžiku, kdy se objevil první trvalý vtisk. Příslušné tlakové napětí bylo mírou tvrdosti. Protože bylo skutečné zjištění tohoto napětí spojeno s jistými nepřesnostmi, bylo doporučeno čelní plochu bombírovat velkým poloměrem. Další vývoj směřoval ke zjištění souvislosti mezi tvrdostí a mezí kluzu. Z tohoto důvodu bylo prováděno např. několikastupňové zatěžování kuličkou ve stejném místě, přičemž po zatížení bylo provedeno rekrystalizační žíhání. Tento cyklus se opakoval dokud se vtisk již více nezvětšoval. Z dosaženého rozměru vtisku pak byla určena tvrdost – Hanriot 1912. Na začátku 20. století byla vyvinuta celá řada podobných metod, které však pro svoji zdlouhavost, ale i nepřesnost nenašly uplatnění. Podle požadavků praxe se rozšířilo několik druhů vnikacích zkoušek, které se od sebe liší tvarem a materiálem indentoru, velikostí zatížení a způsobem vyhodnocení. Budou uvedeny v chronologickém pořadí vzniku.
1
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
Obr.č.1 – Zkouška dle Brinella 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.
2
Mezi tvrdostí HB a pevností v tahu Rm (MPa) je přímá závislost (obr.č. 2) 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.
Obr.č. 2 – Srovnání jednotlivých tvrdostí S ohledem na materiál kuličky, na její poloměr a zátěžnou sílu je Brinellova zkouška vhodná pouze pro měkké a heterogenní materiály např. neželezné kovy, šedé litiny apod. Tab. č. I Tvrdost HB Analyzovaný materiál Κ Oceli (96−650ΗΒ), litiny a slitiny niklu, titan atd. (>140 HB) měď a její slitiny (>200 HB) 30 96−600
15
50-325
Měď a její slitiny (50-300 HB) slitiny lehkých kovů a ložiskové slitiny (>50 HB)
10
32-200
Litiny, slitiny niklu, titanu, kobaltu apod. (>140HB), měď a její slitiny (35-200 HB), slitiny lehkých kovů a jejich slitiny (>80 HB)
5
16-100
Měď a její slitiny (<35 HB), lehké kovy a jejich slitiny, ložiskové kompozice (35-80 HB)
2,5
8-50
1,25 1
4-25 3,2-20
Lehké kovy a jejich slitiny, ložiskové kompozice (<35 HB) Cín, olovo, ložiskové kompozice a jiné slitiny (<20 HB)
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 3
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).
4
Tab.č. II Stupnice
Indentor
F0
C 98,07 A D 15N 30N 45N
Diamantový kužel
29,42
B G F 15T 30T 45T H E K
Ocelo- 98,07 vá kulička ∅ 1,588 29,42 mm
Ocelová kulička 98,07
Zatížení [N] F1
Fc
1373 490,3 882,6 117,7 264,8 411,9
1471 588,4 980,7 147,1 294,2 441,3
882,6 1373 490,3
980,7 1471 588,4
117,7 264,8 411,9
147,1 294,2 441,3
490,3 882,6 1373
588,4 980,7 1471
Rozsah měřitelné stupnice Počet Hloubka [mm]
0,20 100 0,10
130
0,26
100
0,10
130
∅ 1,588 mm
0,26
Použití Tepelně zpracované ocele a litiny Slabé průřezy tvrdých kovů, slinuté karbidy Velmi tenké součásti, povrchové vrstvy
Neželezné kovy a oceli bez tepelného zpracování Měkké oceli, neželezné kovy Velmi tenké součásti měkké povrchy Hliník, cín, olovo Litiny, hliníkové slitiny, ložiskové materiály a jiné měkké materiály
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° obr.č.4, 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 F HV =0,189 2 u F – zátěžná síla [N], u – průměrná hodnota úhlopříčky [mm]
5
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 viz obr.č.5.
Obr.č. 4 – Schéma zkoušky dle Vickerse
Obr.č. 5 – Deformace vtisku
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 obr.č. 6.. Vtisk má tvar kosočtverce s poměrem úhlopříček asi 1:7. U tohoto vtisku se proměřuje pouze delší rozměr úhlopříčky.
Obr.č. 6 – Indentor dle Knoopa
6
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
F 2 l F – zátěžná síla [N], l – hodnota delší úhlopříčky [mm] Zatížení se volí od 1,96; 2,94; 4,9; 9,8 N. Tvrdost dle Knoopa se značí jako HK 0,2; HK0,3; HK0,5 nebo HK1. Knoopova metoda zdomácněla hlavně v USA. V posledních letech však nachází rovněž uplatnění v evropských zemích. HK =1, 451
Další metodou, která se vyvinula s Vickersovy metody je Bierkovičova zkouška tvrdosti. Jako indentor je zde volen pravidelný diamantový jehlan jehož základnou je rovnostranný trojúhelník. Vrcholový úhel tohoto jehlanu je 65°. U této metody se měří velikost výšek jednotlivých stran. Tato metoda našla největší uplatnění hlavně u velmi tvrdých materiálů, např. slinutých karbidů. Zkoušky mikrotvrdosti Název mikrotvrdost se ustálil pro tvrdost určenou použitím zcela malých zatížení, tak aby vznikly vtisky nepatrné velikosti. Často se uvádí 19,8N jako hranice mezi makro a mikrotvrdostí. Mikrotvrdost nelze určovat obvyklými tvrdoměry, neboť vyžaduje nesrovnatelně větší přesnost jak při zatěžování, tak i při proměřování vtisku. Nejpřesnější je přímé zatěžování závažím nebo přesně cejchovanou pružinkou. K proměřování vtisku slouží přesná optika. Pro zkoušky mikrotvrdosti jsou použitelné jedině vnikací metody s diamantovým indentorem. Prakticky přichází v úvahu pouze metoda Vickersova, Knoopova nebo Bierkovičova. Jednou z nejpřesnějších konstrukcí je u nás používaný Hanemannův mikrotvrdoměr (1940) obr.č.7 (str. 8). Vnikací tělísko – Vickersův jehlan – je usazeno přímo do speciálního objektivu, který se vloží místo normálního objektivu do metalografického mikroskopu. Objektiv je zavěšen na pružných membránách, které dovolují pohyb ve směru optické osy. Prohnutí membránových pružin, kterému odpovídá zatížení působící na diamant, se měří na obrazu zatěžovací stupnice uvnitř objektivu. Po odlehčení a zaostření na strukturu se pomocí měřícího okuláru změří vytvořený vtisk. Odpovídající mikrotvrdost se vypočítá dle vztahu: F HV =0,189 2 u F – zátěžná síla [N], u – průměrná hodnota úhlopříčky [mm]. Podle použitého zatížení se mikrotvrdost značí např. HV 0,05 (0,49 N – 50g) obr.č. 8.
7
Obr. č. 7 – Hanemannův mikrotvrdoměr Hodnoty mikrotvrdosti jsou vždy vyšší než makrotvrdosti. Je to způsobeno zmenšením vtisku po odlehčení o elastickou deformaci, jejíž podíl na celkové velikosti vtisku se zvětšuje s klesající jeho velikostí.
Obr. č. 8 – Mikrotvrdost stanovená Hanemannovo
mikrotvrdoměrem
Nanoindentační zjištění mechanických hodnot Nanotvrdost je termín pro hodnoty mikrotvrdosti zjištěné při extrémně nízkých hodnotách zatížení (až 0,01 g). Takto vytvořené vtisky mají často rozměry menší než 100 nm (10-4mm). Z důvodu požadované přesnosti naměřených hodnot mikrotrdosti jsou schopny užívané přístroje (nanoindentory) měřit hloubku proniknutí indentoru h s přesností až 0,2 nm - obr.č. 9.
8
Obr.č. 9 - Indentační křivka elasticko-plastického materiálu Lmax . (Pmax) je maximální zatížení indentoru, hmax je maximální hloubka proniknutí indentoru, hf je hloubka proniknutí indentoru po odlehčení S je sklon počátečního úseku odlehčovací křivky Z hloubky průniku se stanoví veličina, která se označuje termínem dynamická tvrdost DHV. Z indentační křivky lze získat množství informací a parametrů pro kvantifikaci a porovnání deformačního chování materiálu např. maximální zatížení indentoru; hloubku proniknutí indentoru při maximálním zatížení indentoru Lmax. Dynamické zkoušky tvrdosti V podstatě je třeba rozlišovat rázové zkoušky dvojího druhu. Buď je to zkouška vnikací, u níž je avšak klidné zatěžování nahrazeno rázem, nebo zkouška založená na principu měření velikosti odrazu indentoru spuštěného na zkoušený vzorek určitou energií. Dynamické vnikací zkoušky jsou prováděny pomocí Kladívka Poldi nebo Baumanova kladívka. Měření kladívkem Poldi obr.č. 10 je založeno na srovnávací metodě. Kladívko s vloženou porovnávací tyčkou se přiloží na zkoušený povrch a úderem kladívka na úderník vznikne zároveň vtisk ve zkoušeném materiálu a v porovnávací tyčce známé tvrdosti. Z velikosti obou vtisků se v tabulce odečte tvrdost. Obr. č. 10 – Dynamická zkouška tvrdosti Poldi kladívkem Baumanovo kladívko pracuje na principu vyvolání rázové energie k vytvoření vtisku pružinou, která má definovanou tuhost. Proto je kuličky vždy stejnou energií vtiskována do zkoušeného materiálu. 9
Metoda pružného odrazu je založena na měření tvrdosti na základě pružného odrazu standardního tělesa, padajícího z určité výše na povrch kovu. Výška, nebo úhel odrazu tohoto standardního tělesa charakterizuje tvrdost zkoušeného materiálu. V principu se měří rozdíl pádem indentoru dodané energie a energie získané útlumem pružných deformací. Celková energie je součtem trvalých a pružných energií. Poměr těchto energií je pak ukazatelem tvrdosti materiálu. Shoreho skleroskop se skládá z kalibrované trubky, ve které se pohybuje malé válcové těleso o váze asi 2,5 g zakončené na spodní části kulovitě zabroušeným diamantem (obr.č. 11)Těleso volně padá z výšky 254 mm (10“). Tato výška je rozdělena na 140 dílků. Stupnice je volena tak, že HSH 100 odpovídá kalené oceli. Výška odrazu závisí na modulu pružnosti materiálu, proto lze přesně srovnávat pouze výsledky u materiálů s přibližně stejným modulem pružnosti. Duroskop, který je méně používán než předchozí přístroj, se skládá z kladívka s ocelovým kulovým vrchlíkem na čele. Toto kladívko dopadá z určité výše na zkoušený předmět. Opět výška odrazu je ukazatelem tvrdosti zkoušeného povrchu.
Obr.č. 11- Shoreho skleroskop Zkoušky vrypové Zkoušení tvrdosti kovů vrypem je založeno na myšlence Mohsovy stupnice pro zkoušení minerálů. V této stupnici je seřazeno 10 nerostů, z nichž každý následující je schopen vyrýt do všech předcházejících nerostů vryp. Sestavení nerostů dle Mohsovy stupnice je v tab. č. III. Tab.č. III 1. mastek 2. sůl kamenná 3. vápenec 4. kazivec 5. apatit
6. živec 7. křemen 8. topas 9. korund 10. diamant
Pořadí materiálu používaného ve strojírenství Grafit 0,5 cín 1,5 olovo 1,5 hliník 2 zlato 2,5 Stříbro 2,5 antimon 3,5 čisté železo 4,5 platina 4,5 Měkká ocel 5 iridium 6 tvrdá ocel 8,5 nitridovaný povrch 9 slinuté karbidy 9,8
Citlivost této stupnice je však velmi malá, proto se u kovů a jejich slitin určuje tvrdost na základě šířky vytvořeného vrypu. K určování této tvrdosti se používá přístroj, který zavedl Martens a pracuje na následujícím principu. Po vyhlazené ploše zkoušeného kovu pojíždí diamantový kužel s vrcholovým úhlem 90°, který lze zatížit silou až 19,8 N. Vytvořený vryp se měří pomocí optického mikroskopu. Číslem tvrdosti dle Martense je zatížení , které vytvoří vryp šířky 0,01 mm. Druhou možností je, že se při stejném zatížení vytvoří vryp a porovnává se šířka vrypu. Způsob zjišťování tvrdosti vrypovou metodou je značně nepřesný, a proto se velmi málo používá. Jediné současné praktické využití vrypové zkoušky je možno nalézt při studiu velmi tvrdých povrchových několik mikronů tenkých vrstev nitridů popř. karbidů kovů. V literatuře se tato zkouška nazývá scratch test. V tomto případě je zátěžná síla proměnná. Na určité délce se vytvoří vryp s narůstající silou, např. od 0 do 1,96 N. U těchto vrstev se pak analyzuje jejich adhezivně-kohezivní chování, tj. odezva vrstvy na pronikající pohybující se indentor. Indentor je opět diamantový
10
kužel avšak s vrcholovým úhlem 120° s poloměrem zaoblení vrcholu 0,2 mm. V tomto případě se pak určuje kritické zatížení Lc, které mělo za následek adhezní odtržení vrstvy.
Obr.č 12 - Schématické znázornění vrypové Standardní rychlost posuvu vzorku dx/dt má hodnotu 10 mm/min a rychlost zvyšování síly dL/dt = 100 N/min. Hodnota drsnosti Ra měřeného povrchu by neměla překročit hodnotu 0,25 µm. Přístroj scratch testu zaznamenává průběh normálové Fn a tangenciální Ft síly působící na indentor, případně i hodnoty frikčního koeficientu µ= Ft/Fn a signál akustické emise, který vzniká při rozvoji a šíření vnitřních trhlinek vlivem vnějšího zatěžování obr.č.12. Po provedení zkoušky se povrch vrypu vyhodnocuje pomocí optického popř. řádkovacího elektronového mikroskopu. Sledují se lokality s adhezním i kohezním porušením vrstvy. Všechna tato porušení vrstvy se vyhodnocují v korelaci s výsledky signálu akustické emise. Zjištěné hodnoty se udávají v závislosti zatížení Lc a jsou plně uznávány jako veličiny charakterizující adhezní vlastnosti systému tenká vrstva-substrát (obr. č. 13).
Obr.č. 13 – Koncová část vrypu zachycena řádkovacím elektronovým mikroskopem
11
Tab. č. IV – Možnosti použití jednotlivých analýz tvrdosti u různých strojních součástí Zkoušený předmět Žiletka, tenká planžeta Hliníková fólie Velký ocelový odlitek nebo výrobek Velký, povrchově tvrzený válec Řezný nástroj (fréza ..) Odlitek ze šedé litiny Výstelka kluzného ložiska Pochromovaná součást Součásti s 5 µm tenkou vrstvou nitridu kovu
Vhodná metoda HM HM Poldi kladívko
Důvod volby Velká tvrdost, malá tloušťka Malá tloušťka, malá tvrdost Velké rozměry
Shoreho skleroskop HV, HRC HB HB, HRB, HRT HM, Knoop, HRN HM, nanoindentor Scratch test
Velká tvrdost, velké rozměry Velká tvrdost Heterogenita struktury Malá tvrdost, heterogenita Malá tloušťka vrstvy, tvrdost Velmi malá tloušťka, veliká tvrdost
Obr. č. 14 – Shrnutí základních metod měření mikrotvrdosti Použitá literatura: Pluhař J. et. all: Nauka o materiálech, Praha 1989. Pluhař J., Korytta J.: Strojírenské materiály, Praha 1977. Dobrzanski L. A.: Metaloznawstwo, Warszawa 1999. Jareš V.: Základní zkoušky kovů a jejich teorie, Praha 1966. Píšek F.: Nauka o materiálu II/1, Praha 1959. Zedník V.: Zkoušení Kovů, Praha 1957.
12
