Tvrdost [H] je mechanická vlastnost, která je velmi důležitá v technické praxi především pro kovové materiály. Tvrdost lze zjistit velmi snadno pomocí řady mechanických zkoušek. Používané metody měření tvrdosti prakticky neporušují měřenou součást. Podle hodnoty tvrdosti lze odhadnout také další vlastnosti materiálu. V hojné míře se pro tyto účely používají empirické koeficienty. Definice tvrdosti Tvrdost je definována jako odpor, který klade materiál proti vnikání cizího tělesa. Hodnoty tvrdosti se uvádějí bezrozměrně, nebo jednotkou N.mm-2. Použití jednotky N.mm-2 může vést k záměně za pevnost. Proto se často tvrdost uvádí bezrozměrně s udáním způsobu měření nebo stupnice. Zkoušky tvrdosti rozdělujeme na: statické (tvrdost podle Brinella, Knoopa, Rockwella, Vickerse) dynamické (Poldi kladívko, Baumanovo kladívko, Shoreho skleroskop, duroskop) Další dělení: zkoušky vrypové (Martens), 1 / 14
vnikací (Brinell, Knoop, Rockwell, Vickers), odrazové (Shore). Tvrdost podle Shore - pro měření tvrdosti nekovových materiálů - patří mezi dynamicko-elastické zkoušky. Jedná se o zkoušku odrazem zkušebního tělesa, kdy se zjišťuje výška jeho odskoku od měřené plochy. Zkouška odrazem podle Shorea - touto metodou zjišťujeme tvrdost z velikosti odskoku závaží (kulička, diamantový hrot) spuštěného z určité výše od zkoušeného materiálu. Působením závaží dojde k plastické deformaci zkoušeného materiálu a ke spotřebování části energie závaží. To se pak neodrazí do původní výšky. Shoreův skleroskop je přístroj pro stanovení tvrdosti podle Shorea [HSh]. Tohoto způsobu zjišťování tvrdosti se používá velmi málo, většinou jen pro měření tvrdosti velkých výrobků, 2 / 14
konstrukcí apod. Skleroskop Shore (schéma) Empiricky sestavená stupnice skleroskopu udává přímo hodnotu tvrdosti. Tato metoda je oproti jiným způsobům zjišťování tvrdosti značně nespolehlivá. Stupnice Shore HSC - hmotnost pádového tělesa: 2,5 g - pádová výška: 254 mm HSC = (10 4 h) / (65 H) H - pádová výška [mm] 3 / 14
h - výška odskoku [mm] Stupnice Shore HSD - hmotnost pádového tělesa: 36,2 g - pádová výška: 19 mm HSD = (140 h) / H H - pádová výška [mm] h - výška odskoku [mm] Normy - ASTM D2240 - Standard Test Method for Rubber Property - Durometer Hardness. Tvrdost podle Brinella (ČSN 42 0371) se zjišťuje vtlačováním ocelové kalené kuličky o průměru D do zkušebního tělesa silou F, která směřuje kolmo k povrchu tělesa po stanovenou dobu. Následně po odlehčení se změří průměr vtisku d. Průměr D bývá 1 mm, 2,5 mm, 5 mm a 10 mm. Průměr kuličky závisí na tloušťce t měřeného materiálů. Platí, že minimální tloušťka materiálu je desetinásobek hloubky vtisku. V opačném případě by se mohla projevit tvrdost podložky. 4 / 14
Zkouška tvrdosti podle Brinella Doba působení síly o dané velikosti závisí na struktuře materiálu. Měkčí materiály se zatěžují delší dobu. U slitin železa je zatížení od 10 do 15 s. U neželezných slitin od 10 do 180 s. Přesnost měření závisí na správném proměření vtisku. U Brinellovy zkoušky je měření vtisku poměrně nepřesné. Vtisk bývá někdy nezřetelný a nesouměrný. Na průměr vtisku má velký vliv i vtažení materiálu po kraji vtisku (u materiálu nezpevněného) nebo naopak vytlačení obvodového valu (u materiálu zpevněného). Příčinou další chyby je deformace použité vtlačované kuličky (je z kalené oceli). Pro materiály tvrdší než HB=400 není ocelová kulička vhodná a používají se kuličky ze slinutých karbidů. Brinellův tvrdoměr Pro zkoušku se používá Brinellův tvrdoměr. Kulička vytvoří na zkušebním vzorku kulovitý vtisk. Tvrdost se určuje aritmetickým průměrem změřených průměrů vtisku měřených dvakrát kolmo na sebe. 5 / 14
Tvrdost podle Brinella HB = (0,102. F) / A F - síla v N A - povrch vtisku vytlačeného vrchlíku, který je považován za kulový. Pro praktickou potřebu jsou sestaveny tabulky. Označení tvrdosti se skládá ze značky tvrdosti HB a k ní připojených údajů podmínek zkoušky, tj. průměru kuličky D, síly F a doby zatížení t. Tyto údaje jsou od sebe odděleny lomítkem (např. HB 5/7500/30 = 320). Pro nejběžnější podmínky, tj. HB 10/30000/10, používáme jen označení HB (např. HB=210). Přesný převod tvrdosti podle Brinella na jiné stupnice neexistuje. Brinellův tvrdoměr má různou velikost a provedení. V laboratořích existují velké stabilní přístroje. Pro malé dílny, sklady, montáže nebo pro zkušební účely na stavbách byly zkonstruovány malé jednoduché přístroje. Nejpoužívanější z nich je ruční přenosný (kapesní) tvrdoměr Poldi. Principem je porovnání známé pevnosti materiálu porovnávací tyčinky s pevností zkoušeného materiálu. Pracuje se s ním tak, že tvrdoměr přiložíme ke zkoušenému předmětu a kladívkem udeříme na úderník. Ocelová kulička se úderem kladívka zatlačí do zkoušeného materiálu a vytvoří v něm vtisk. Zároveň se však kulička vtiskne i do porovnávací tyčinky. Lupou se změří průměry vtisků na zkoušeném materiálu i na porovnávací tyči. V tabulkách, které jsou ke každému tvrdoměru přiloženy, vyhledáme příslušné číslo tvrdosti podle velikosti vtisku. 6 / 14
Zdroj: [16], Pavel Kryštůfek (zkráceno, upraveno) Normy: - ČSN EN ISO 6506-1 - Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Brinella - Část 1: Zkušební metoda. - ČSN EN ISO 6506-2 - Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Brinella - Část 2: Ověřování a kalibrace zkušebních zařízení. - ČSN EN ISO 6506-3 - Kovové materiály. Zkoušení tvrdosti podle Brinella - Část 3: Kalibrace referenčních destiček. - ISO 6506-1 - Metallic materials. Brinell hardness test - Part 1: Test method. - ISO 6506-2 - Metallic materials. Brinell hardness test - Part 2: Verification and calibration of testing machines. - ISO 6506-3 - Metallic materials. Brinell hardness test - Part 3: Calibration of reference blocks. - ASTM E10 - Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. Tvrdost podle Rockwella (ČSN 42 0373) se zjišťuje na Rockwellově tvrdoměru jako rozdíl hloubky vtisku vnikacího tělesa (ocelová kulička, diamantový kužel) mezi dvěma stupni zatížení (předběžného a celkového). Účelem předběžného zatížení je vyloučit z měřené hloubky nepřesnosti povrchových ploch. Kužel má vrcholový úhel 120 a poloměr kulové části 0,2 mm (HRA, HRC). Kulička má průměr 1,5875 mm (HRB). Zkouška tvrdosti podle Rockwella (HRB, HRC) Diamantový kužel nebo ocelovou kulička, dotýkající se povrchu zkoušeného předmětu, se nejprve předběžně zatíží silou 100 N (výchozí poloha pro měření hloubky vtisku). Potom se pozvolna zvětšuje zatěžovací síla tak, aby se za 3 až 6 sekund dosáhlo zatížení předepsané normou (např. předběžné zatížení silou 100 N + zkušební zatížení silou 1400 N = celkové 7 / 14
zatížení silou 1500 N). Pak se zatěžují síla opět zmenšuje až na 100 N a v tomto stavu se zjistí přírůstek h hloubky vtisku, který nastal proti výchozí poloze při 100 N. Zkouška tvrdosti podle Rockwella je rychlá, snadná a vpichy (důlky) jsou velmi malé (max. hloubka 0,2 mm). J e vhodná pro běžnou kontrolu velkých sérií výrobků a tam, kde HB již není použitelná. Normalizované zkoušky tvrdosti U nás jsou normalizovány tři zkoušky tvrdosti podle Rockwella. Tvrdost zjištěnou při těchto zkouškách označujeme HRA, HRB, HRC. Volba Rockwellovy stupnice (tj. druhu vnikacího tělíska) zavisí hlavně na předpokládané tvrdosti zkoušeného materiálu. HRA - Tvrdost určená diamantovým kuželem při celkovém zatížení 600 N. - Pro slinuté karbidy a tenké povrchové vrstvy. HRB - Tvrdost určená ocelovou kuličkou (B = ball) při celkovém zatížení 1000 N. 8 / 14
- Pro měkčí kovy (25-100 HRB). HRC - Tvrdost určená diamantovým kuželem (C = cone) při celkovém zatížení 1500 N. - Doporučuje se používat pro rozsah HRC = 20-67. Zdroj: [16], Pavel Kryštůfek (zkráceno, upraveno) Normy: - ČSN EN ISO 6508-1 - Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Rockwella - Část 1: Zkušební metoda (stupnice A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). - ČSN EN ISO 6508-2 - Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Rockwella - Část 2: Ověřování a kalibrace zkušebních zařízení (stupnice A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). - ČSN EN ISO 6508-3 - Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Rockwella - Část 3: Kalibrace referenčních destiček (stupnice A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). - ISO 6508-1 - Metallic materials. Rockwell hardness test - Part 1: Test method (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). - ISO 6508-2 - Metallic materials. Rockwell hardness test - Part 2: Verification and calibration of testing machines (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). - ISO 6508-3 - Metallic materials. Rockwell hardness test - Part 3: Calibration of reference blocks (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). - ISO 3738-1:1982 - Hardmetals - Rockwell hardness test (scale A) - Part 1: Test method. - ISO 3738-2:1982 - Hardmetals - Rockwell hardness test (scale A) - Part 2: Preparation and calibration of standard test blocks. - ASTM E18 - Standard Test Method for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials. - ASTM E1842 - Standard Test Method for Macro-Rockwell Hardness Testing of Metallic Materials. - ASTM D785 - Standard Test Method for Rockwell Hardness of Plastic and Electrical Insulating Materials. Tvrdost podle Vickerse (ČSN 42 0374) 9 / 14
- do materiálu se vtlačuje pod zatížením silou F (působí kolmo na povrch vzorku) diamantový pravidelný čtyřboký jehlan o daném vrcholovém úhlu mezi protilehlými stěnami po danou dobu. Následně se změří střední délka u obou úhlopříček vtisku. Zkušební zatěžující síla bývá od 10 do 1000 N. Doba zatížení se volí od 10 do 180 s. Použité zatížení píšeme do označení, např. HV 100 (HV 100 = 215). Pro běžně zkušební zatížení 300 N a dobu od 10 do 15 s se používá označení HV. Zkouška tvrdosti podle Vickerse Tvrdost podle Vickerse Tvrdost podle Vickerse se vyjadřuje bezrozměrně. Tvrdost podle Vickerse je určena poměrem vtlačovací síly F a povrchu vtisku. 10 / 14
HV = 0,189. (F / d2) F - síla vtlačování d - úhlopříčka vtisku. Pro praktickou potřebu používáme tabulek, kde podle délky úhlopříčky d a použité síly F je uvedena odpovídající tvrdost. Metodu měření tvrdosti podle Vickerse lze použít pro všechny tvrdosti. Metoda je velmi přesná a je minimálně závislá na zatížení. Diatester Pro kontrolování tvrdosti po celou pracovní dobu se používá ve velkých závodech zdokonalených Vickersových tvrdoměrů, tzv. diatestorů. Obraz čtvercového vtisku je promítán ve zvětšeném měřítku na matnici. To umožňuje pohodlné a rychlé čtení délky úhlopříčky d. Zdroj: [16], Pavel Kryštůfek (zkráceno, upraveno) Normy - ČSN EN ISO 6507-1 - Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Vickerse - Část 1: Zkušební metoda. - ČSN EN ISO 6507-2 - Kovové materiály. Zkouška tvrdosti podle Vickerse - Část 2: Ověřování tvrdoměrů Vickers. - ČSN EN ISO 6507-3 - Kovové materiály. Zkoušení tvrdosti podle Vickerse - Část 3: Kalibrace tvrdoměrných destiček. - ČSN EN 23878 - Tvrdokovy. Zkouška tvrdosti podle Vickerse (ISO 3878:1983). 11 / 14
- ISO 6507-1 - Metallic materials. Vickers hardness test - Part 1: Test method. - ISO 6507-2 - Metallic materials. Vickers hardness test - Part 2: Verification of testing machines. - ISO 6507-3 - Metallic materials. Vickers hardness test - Part 3: Calibration of reference blocks. - ISO 3878:1983 - Hardmetals - Vickers hardness test. - ASTM E92 - Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials. Tvrdost podle Knoopa (HK) Do povrchu materiálu se vtlačuje pod zatížením silou F (působí kolmo na povrch vzorku) čtyř boký diamantový jehlan (poměr úhlopříček 7:1, úhly 130 a 172,5, poměr délky úhlopříčky k hloubce je 30). Metoda podle Knoopa patří mezi metody měření mikrotvrdosti. Metoda je vhodná pro tenké plastové desky, tenké kovovvé desky, křehké materiály nebo pro materiály, u kterých nesmí být použita síla větší než 3,6 kgf. Zátěžová síla u metody podle Knoopa pohybuje mezi 25-3600 gf. Otisky u metody podle Knoopa jsou při stejném zatížení téměř trojnásobně delší a mělčí než u zkoušky podle Vickerse - mělkost otisku může působit problémy při odčítání velikosti otisku. Při měření tvrdosti podle Knoopa jsou kladeny vysoké nároky na úpravu povrchu zkoušeného materiálu a na ostrost hran vnikacího tělesa. 12 / 14
Tvrdost podle Knoopa Tvrdost podle Knoopa se vyjadřuje bezrozměrně. HK = (1,4509. F) / l2 F - zatížení (působící síla) [N], l - délka delší úhlopříčky vtisku [mm]. Zdroj: Knoop Hardness (zkráceno, upraveno) Normy 13 / 14
- ČSN ISO 4545 - Kovové materiály. Zkouška podle Knoopa. - ČSN ISO 10250 - Kovové materiály. Zkouška tvrdosti. Tabulky hodnot tvrdosti podle Knoopa používané při zkouškách na rovných površích. - ISO 4545 - Metallic material - Hardness test - Knoop test. - ISO 4546 - Metallic material - Hardness test - Verification of Knoop hardness testing machines. - ISO 4547 - Metallic material - Hardness test - Calibration of standardized blocks to be used for Knoop hardness testing machines. 14 / 14