Mechanické zkoušky ZKOUŠKY TVRDOSTI MATERIÁLU

Transkript

1 Mechanické zkoušky ZKOUŠKY TVRDOSTI MATERIÁLU

2 Základní pojmy tvrdost - odpor, který klade materiál proti vnikání cizího tělesa tvrdost materiálů - mimořádná důležitost - zjišťuje se nejrychleji, nejlevněji, na předmětech nejmenších rozměrů - lze usuzovat další vlastnosti (pevnost v tahu, obrobitelnost,...) tvrdost označujeme.h hodnoty tvrdosti uvádíme bez jednotek [MPa]

3 Historie první měření tvrdosti - testování zlatých mincí zuby roku 1812 sestavil stupnici německý mineralog Friedrich Mohs tvrdost nerostu se určí podle toho, zda do něj lze učinit vryp nerostem známé tvrdosti označení tvrdosti HMo

4 Stupnice tvrdosti nerostů tvrdost látka chemický vzorec 1 mastek H 2 Mg 3 (SiO 3 ) 4 2 sůl kamenná NaC 3 vápenec (kalcit) CaCO 3 4 kazivec (fluorit) CaF 2 5 apatit Ca(PO 4 ) 3 6 živec (ortoklas) Si 3 O 8 7 křemen SiO 2 8 topaz Al 2 SiO 4 9 korund Al 2 O 3 10 diamant C

5 Rozdělení metod měření tvrdosti průnik cizího tělesa - elastická a plastická deformace materiálu měření po zkušebním zatížení (klasické metody) jen plastická deformace měření během zkušebního zatížení (ultrazvuková (UCI), dynamická metoda) plastická i elastická deformace

6 Rozdělení zkoušek tvrdosti z hlediska působení zátěžné síly, plast. deformace zkoušky tvrdosti statické zkoušky dynamické zkoušky metoda vrypová metoda vnikací

7 Rozdělení zkoušek tvrdosti z hlediska působení zátěžné síly, plast. deformace zkoušky tvrdosti statické zkoušky dynamické zkoušky metoda vrypová metoda vnikací

8 Statické zkoušky - metoda vrypová zkouška tvrdosti dle Martense (HMa) mírou tvrdosti je síla F potřebná k vytvoření vrypu širokého 0,01mm kuželovým diamantovým hrotem, zkoušený předmět se pohybuje konstantní rychlostí v použití - křehké, tvrdé materiály (porcelán, sklo, keramika )

9 Statické zkoušky - metoda vnikací nejpoužívanější zkoušky druhy zkoušky dle Brinella (HB) - ČSN EN ISO Rockwella (HR) - ČSN EN ISO Vickerse (HV) - ČSN EN ISO zkušební zařízení - tvrdoměry vnikací tělíska - dle druhu zkoušky zkušební vzorek malých rozměrů s přebroušenou plochou

10 Zkouška tvrdosti podle Brinella Johan August Brinell na světové výstavě v Paříži 1900 představil svůj tvrdoměr

11 Brinellův tvrdoměr

12 Brinellův tvrdoměr univerzální tvrdoměr pro zkoušky tvrdosti tvrdoměr s automatickým vyhodnocením tvrdosti

13 Brinellův tvrdoměr znázorňované údaje na LCD - hodnota tvrdosti - délka trvání zkoušky - zatěžovací síla - střední délka diagonály aj. automatické řízení zatěžovací síly doba zatěžování (2 až 995) vteřin

14 Plně automatický stolní mikroskop Brinell velmi snadná manipulace odečet hodnoty během několika sekund automatické uložení naměřených hodnot do počítače statistické zpracování dat nárazuvzdorná konstrukce mikroskopu

15 Podstata zkoušky zkušební zařízení - Brinellův tvrdoměr vnikací tělísko - kulička ød [mm] (10; 5; 2,5 a pro tenké vzorky 2 a 1 mm) - materiál tvrdokov (slinutý karbid) použití - pro tzv. měkké materiály (přejímka polotovarů )

16 Podmínky zkoušky povrch zkušebního vzorku - hladký a rovný tloušťka tělesa h min = 8 x hloubka vtisku doba působení - plné zkušební zatížení musí být v rozmezí t = (10 až 15)s velikost zátěžné síly - F F K.D 2 [kp], F = K konstanta.d 2 [N]

17 Podmínky zkoušky zatěžující síla F závisí na ød použité kuličky a zatěžovacím stupni K dle druhu zkoušeného materiálu zatížení a průměry kuliček voleny tak, aby průměr vtisku byl v mezích ød = (0,2 až 0,7)D čím měkčí materiál, tím menší zvolené zatížení

18 Velikost zkušebního zatížení ød [mm] poměr K (zatěžovací stupeň) ,5 1,25 1 [kn] [kp] [kn] [kp] [kn] [kp] [kn] [kp] [kn] [kp] [kn] [kp] [N] [kp] , , , , , , , , , , ,5 1, ,294 30

19 Vyhodnocení zkoušky odměření ød vtisku ve dvou vzájemně kolmých směrech stanovení aritmetického středu obou měření d1 d2 d 2 [mm]

20 Vyhodnocení zkoušky dle naměřeného ød vtisku z tabulek odečtena hodnota tvrdosti HBW (kulička z tvrdokovu) HBS (ocelová kalená kulička) R informativní přepočet tvrdosti na pevnost v tahu Rm k.hbw[mpa] k konstanta závislá na materiálu (pro ocel k 3,53) hodnoty pro další materiály viz.tab.

21 Brinellova tvrdost HB - pevnost v tahu R m oceli v žíhaném stavu oceli v zušlechtěném stavu měď tažená měď žíhaná mosaz válcovaný bronz hliníková slitina litina magnesiové slitiny R m = 3,6 HBW R m = 3,4 HBW R m = 4,0 HBW R m = 5,5 HBW R m = 4,0 HBW R m = 3,2 HBW R m = 3,5 HBW R m = 1,0 HBW R m = 4,3 HBW

22 Provedení zkoušky tvrdosti vtisk ve zkoušeném materiálu

23 Zápis zkoušky XXX HBW XX / XXX / XX hodnota tvrdosti symbol tvrdosti rozměr vnikacího tělesa velikost zkušebního zatížení doba působení zkušebního zatížení Př. 600 HBW 1 / 30 / 20

24 Příklad 600 HBW 1 / 30 / 20 tvrdost podle Brinella 600 kulička z tvrdokovu ød = 1mm zkušební zatížení F = 294,2N (30kp) doba zatížení t = 20s

25 Zkouška tvrdosti podle Vickerse Vickers Armstrong Ltd. - druhý největší britský koncern válečného průmyslu (2.sv.válka - letadla, lodě, těžké zbraně ) - vývoj materiálů - zkoušky tvrdosti Vickersův tvrdoměr

26 Vickersův tvrdoměr

27 Univerzální tvrdoměry

28 Mikrotvrdoměry použití - měření průběhu tvrdosti tvrzených vrstev - stanovení tvrdosti jednotlivých fází slitin zatížení ( )g zvětšení až 500x stolek s mikroposuvem ve dvou osách s přesností 0,01 µm

29 Podstata zkoušky zkušební zařízení - Vickersův tvrdoměr vnikací tělísko - diamantový jehlan se čtvercovou základnou - vrcholový úhel mezi protilehlými stěnami 136 použití - pro tzv. tvrdé materiály

30 Podmínky zkoušky povrch zkušebního vzorku - hladký a rovný teplota měření - t = (10 až 35) C, obvykle t = (23 5) C doba zatěžování - od počátku až do jeho plné hodnoty (2 až 8)s doba působení - plné zkušební zatížení musí být v rozmezí (10 až 15)s zkušebního zatížení - velikost F[N] dle tab.

31 Velikost zkušebního zatížení zkouška tvrdosti zkouška tvrdosti při nízkém zatížení zkouška mikrotvrdosti symbol tvrdosti zatížení F[N] symbol tvrdosti zatížení F[N] symbol tvrdosti zatížení F[N] HV 5 49,3 HV 0,2 1,961 HV 0,010 0,0891 HV 10 98,7 HV 0,3 2,942 HV 0,015 0,1471 HV ,1 HV0,5 4,903 HV 0,020 0,1961 HV ,2 HV 1,0 9,807 HV 0,025 0,2452 HV ,3 HV 2,0 19,610 HV 0,050 0,4903 HV ,7 HV3,0 29,420 HV 0,100 0,9807

32 Vyhodnocení zkoušky změří se úhlopříčky vtisku d 1 a d 2 stanoví se aritmetický střed obou měření d1 d2 d 2 [mm] dle úhlopříčky vtisku d se z tabulek odečte hodnota tvrdosti HV

33 Označení tvrdosti XXX HV XX / XX hodnota tvrdosti symbol tvrdosti zkušební zatížení doba působení zkušebníh o zatížení Př. 680 HV 30 / 20

34 Příklad 680 HV 30 / 20 tvrdost podle Vickerse 680 vnikací tělísko diamantový jehlan zkušební zatížení F = 294,2N (30kp) dobu zatížení t = 20s

35 Zkouška tvrdosti podle Rockwella zkušební zařízení Rockwellův tvrdoměr (americký technik P.A. Rockwell)

36 Rockwellův tvrdoměr

37 Rockwellův tvrdoměr model pro tenké povrchy, vhodný pro tvarově složité vzorky

38 Podstata zkoušky zkušební zařízení - Rockwellův tvrdoměr vnikací tělísko - kulička ocelová kalená ød (1/16, 1/8 ) - diamantový kužel s vrcholovým úhlem 120 použití - měkké i tvrdé materiály

39 Podmínky zkoušky povrch zkušebního vzorku - hladký a rovný teplota měření - t = (10 až 35) C, obvykle t = (23 5) C doba působení - plné zkušební zatížení musí být v rozmezí (10 až 15)s zkušebního zatížení - velikost F[N] dle tab. dle zkoušeného materiálu zvolit vhodné vnikací tělísko a zatěžující sílu

40 Podmínky zkoušky Symbol tvrdosti Typ vnikacího tělesa Fo [N] F [N] Oblast použití HRA diamantový kužel 98,07 588,42 (20 až 80) HRA HRB kulička ø1,5875mm 98,07 980,70 (20 až 100) HRB HRC diamantový kužel 98, ,05 (20 až 70) HRC HRD diamantový kužel 98,07 980,70 (40 až 77) HRD HRE kulička ø 3,175mm 98,07 980,70 (70 až 100) HRE HRF kulička ø1,5875mm 98,07 588,42 (60 až 100) HRF HRG kulička ø1,5875mm 98, ,05 (30 až 94) HRG HRH kulička ø 3,175mm 98,07 588,42 (80 až 100) HRH HRK kulička ø 3,175mm 98, ,05 (40 až 100) HRK

41 Postup vnikací tělísko (diamantový kužel či ocelová kulička) je postupně vtlačováno do povrchu zkoušeného materiálu po odlehčení zkušebního zatížení silou F se tvrdost určuje z hloubky trvalého vtisku hodnota tvrdosti se odečte na tvrdoměru příslušné stupnice

42 Princip zkoušky

43 Rockwellovy zkoušky v praxi Použitá stupnice A (černá) Ozn. tvrdosti HRA Vnikací tělísko F[kp] F [N] Použití diamantový kužel α = 120, r = ,4 tenké tvrdé vrstvy (nitridované,...) B (červená) HRB ocelová kulička ø 1/ ,7 měkké materiály C (černá) HRC diamantový kužel α = 120, r = ,1 tvrdé materiály

44 Označení tvrdosti XX hodnota tvrdosti H R X symbol tvrdosti vnikací tělísko, velikost zatížení Př HRC

45 Příklad 61 1 HRC hodnota tvrdosti s tolerancí HR Rockwellova tvrdost C...diamantový kužel α = 120, r = 0,2mm - předběžné zatížení F 0 = 98N ( 100N) - celkové zatížení F = 1471N ( 1500N) doba zatížení t = (10 až 15)s

46 Univerzální testovací přístroje

47 Vnikací tělíska

48 Dynamické zkoušky tvrdosti Poldi kladívko Shoreův skleroskop použití měkké materiály (přejímka polotovarů )

49 Poldi kladívko podstata - tvrdoměr v kolmé poloze na zkoušeném předmětu - vnikací tělísko rázem vtlačeno do materiálu i porovnávací tyčinky úderem kladiva na úderník tvrdoměru

50 Souprava Poldi kladívka vnikací tělísko - ocelová kulička (kalená) ød = 10[mm] porovnávací tyčinka - ocelová o pevnosti R m = 686,7 MPa (R m = 70 kpmm -2 ) brinellova lupa - měření vtisků ve zkoušeném materiálu ød K a porovnávací tyčince ød E

51 Postup tvrdoměr přiložen kolmo na zkoušený materiál kladivem se udeří na úderník - kulička vytvoří dva vtisky (ve zkoušeném materiálu ød k, v porovnávací tyčince ød E )

52 Vyhodnocení zkoušky změřeny průměry vtisků - ød E, ød K (střední hodnota půměrů ve dvou na sebe kolmých směrech) tabulka - odečtení tvrdosti HB a pevnosti R m øde [mm] v etalonu ødk [mm] ve zkoušeném kuse 2,4 2,5 2,6 2,7 2,3 2, ,5 Rm HB

53 Přenosný tvrdoměr Leeb měřenou hodnotu lze automaticky převést na tvrdost Brinell, Rockwell, Vickers, Shore hmotnost 0,67kg

54 Skleroskop Shorea podstata - hodnota tvrdosti se určí z výšky odrazu standardního tělíska (hmotnost 2,5g) - dopadá na zkoušený předmět z výšky (10 = 254mm) označení tvrdosti HSH popis skleroskopu 1 vodící lišta 2 tělísko 3 stupnice 4,5 tlačítka

55 Tvrdoměr Shorea

56 Příklad 1 měření tvrdosti slitiny (Cu + Zn - mosaz), vnikací kulička ød = 5mm, zatěžovací stupeň K = 10, doba působení 30s, zkušební síla (F = K.D 2 [kp]) F = 2450N po odlehčení vnikací kuličky byl odměřen vtisk ød 1 = 1,61mm, ød 1 = 1,59mm ød 1 = 1,60mm z tabulky tvrdosti určíme hodnotu HBW = 121 zápis tvrdosti 121 HBW 5 / 250 / 30

57 Příklad 2 tvrdost měřena na Vickersově tvrdoměru - zatěžovací síla F = 490,3 N - doba zatížení 30s - naměřeny hodnoty úhlopříček d 1 = 0,441mm, d 2 = 0,439mm d = 0,440mm odečtena hodnota tvrdosti z tabulek HV = 478 zápis tvrdosti 478 HV 50 / 30

58 Příklad 3 60 tzn HRC 2 hodnota tvrdosti s tolerancí HRC Rockwellova tvrdost zkoušena diamantovým kuželem α = 120, r = 0,2mm předběžné zatížení F 0 = 98N ( 100N) celkové zatížení F = 1471N ( 1500N) doba zatížení t = (10 až 15)s

59 Určete názvy nerostů

60 Provedení zkoušky tvrdosti určete tvrdost a pevnost neznámého ocelového vzorku zkušební zařízení - Brinellův hydraulický tvrdoměr HPO 3000 vnikací tělísko - kulička ød = 10mm (ocelová kalená) doba zatížení - t = 10s

61 Vyhodnocení zkoušky naměřené hodnoty průměrů vtisku d 1 = 3,22mm, d 2 = 3,20mm aritmetický průměr d = 3,21 mm odečtená tvrdost z tabulky dle ød HBS stanovená pevnost F= 3, = 882,5[MPa]

62 Zdroje Zkoušení materiálů I. Ing. St. Bohumínský Strojírenská technologie I. Ing.St.Hluchý a kol