Zkoušky tvrdosti

Statické zkoušky tvrdosti

Tvrdost můžeme definovat jako odpor materiálu proti vnikání cizího tělesa.

Tvrdost je velmi důležitou mechanickou vlastností konstrukčních i nástrojových materiálů.

Tvrdost můžeme měřit i na hotových výrobcích, protože dochází sice k poškození povrchu součásti, ale jen ve velmi malém měřítku.     Ze zjištěné tvrdosti lze přibližně vypočítat i pevnost v tahu a posoudit i obrobitelnost příslušného materiálu.

Zkoušky tvrdosti provádíme většinou vtlačováním zkušebního tělesa (kuličky, kužele nebo jehlanu) do povrchu zkoušeného materiálu, přičemž "měříme odpor", který klade proti jeho vnikání.

Podle způsobu provedení zkoušky tvrdosti rozdělujeme na:

• vrypové
• vnikací

Zkoušky vnikací rozdělujeme na:

• zkoušky tvrdosti podle Brinella (HB)
• zkoušky tvrdosti podle Vickerse (HV)
• zkoušky tvrdosti podle Rockwella  (HRA, HRB, HRC)

 

 

 

Zkouška vrypová

Používá se pro zkoušení tvrdých a křehkých materiálů (sklo, porcelán). V technické praxi se používá zkouška podle Martense (HMa), případně pomocí Mohsovy stupnice tvrdosti.

 

Tvrdost podle Martense HMa zjišťujeme přitlačováním kuželového diamantového hrotu měnitelným tlakem na leštěný povrch zkušebního předmětu, kterým pohybujeme určitou rychlostí.  Mírou tvrdosti je pak síla F, potřebná ke vzniku vrypu širokého 0,01 mm.

 

Mohsova stupnice tvrdosti

První stupnici tvrdosti sestavil v roce 1822 Fridrich Mohs. Materiálem s vyšším číslem lze udělat vryp do materiálu s číslem nižším. Určení tvrdosti podle Mohsovy stupnice tvrdosti se provádí vrypem do zkoušeného materiálu.

Tab. 1: Mohsova stupnice tvrdosti

Mohsova stupnice tvrdosti - tabulka tvrdosti
Tvrdost	Látka	Chemický název	Chemický vzorec
1	mastek	kyselý metakřemičitan hořečnatý	H2Mg3(SiO3)4
2	sůl kamenná	chlorid sodný	NaCl
3	kalcit (vápenec)	uhličitan vápenatý	CaCO3
4	fluorit (kazivec)	fluorid vápenatý	CaF2
5	apatit		Ca5(PO4)3(OH-, Cl-, F-)
6	živec (ortoklas)	křemičitan hlinitodraselný	KAlSi3O8
7	křemen	oxid křemičitý	SiO2
8	topaz		Al2SiO4
9	korund	oxid hlinitý	Al2O3
10	diamant	uhlík	C

Metoda se používá v mineralogii. Pro měření technických materiálů není příliš vhodná. Stupně Mohsovy stupnice jsou poměrně velké a nerovnoměrně rozdělené.

 

Zkoušky vnikací 

 

Při této zkoušce zatlačujeme do zkušebního materiálu velmi tvrdé těleso (kulička, kužel, jehlan) a měřítkem tvrdosti je velikost vzniklého vtisku  (průměr, hloubka nebo úhlopříčka).

 

           

Zkouška tvrdosti podle Brinella  (ČSN 42 0371)

Používá se především pro zkoušení tvrdosti měkké oceli, šedé litiny, neželezných kovů (Cu, Sn, Pb, Al) a jejich slitin.                   Tvrdost zjišťujeme vtlačováním kalené ocelové kuličky o průměru D = 1; 2,5; 5 nebo 10 mm                                                                plynule zvyšovanou  silou F = 25 . D²;  50 . D²;  100 . D²;  300 . D²   Newtonů ,                                                                                po dobu t = 10; 30; 120; 180 sekund   do lesklé rovné plochy zkušebního vzorku nebo zkoušené součásti.

Zkouší se na Brinellově tvrdoměru.

Tvrdost určujeme podle průměru vtisku d, který měříme dvakrát (kolmo na sebe), abychom vyloučili chyby vzniklé nepřesností vtisku. Výsledný průměr je pak aritmetickým průměrem naměřených hodnot.

                                                         

                                                    

Obr. 1: Princip zkoušky tvrdosti podle Brinella

Pro praktickou potřebu jsou sestaveny tabulky, ve kterých podle průměru vtisku d a velikosti použité síly F najdeme přímo odpovídající tvrdost. 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 šik­mou zlomkovou čarou (např. HB 5/7 500/30 = 320).

Pro nejběžnější podmínky, tj. HB 10/30 000/10, používáme jen označení HB (např. HB = 210).

Norma stanovuje nejen zátěžnou F, průměry vnikacího tělíska, ale také geometrické omezení vpichů (min. vzdálenost mezi dvěmi vpichy, min. vzdálenost prvního vpichu od okraje a min. tloušťku materiálu).

Tvrdost se měří na seříznutých plochách, popř. na výbrusech

Tvrdost se určuje podle průměru vtisku vnikací kuličky

Přesnost měření závisí na správném proměření vtisku. U Brinellovy zkoušky je toto proměření obtížné a nepřesné, což je její nevýhodou. 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 již ocelová kulička vhodná a používá se kulička ze slinutých karbidů. Tato zkouška není vhodná pro kalené předměty.

Zkouška podle Brinella je důležitá hlavně proto, že mezi tvrdostí HB a pevností v tahu δ_Pt platí u kovových materiálů empiricky zjištěná přímá závislost daná vztahem:

δ_Pt = (0,31 až 0,41) HB.

Pro uhlíkové oceli platí:    δ_Pt = 0,36 HB

 

Zkouška tvrdosti podle Rockwella  (ČSN 42 0373)

Ke zkoušce se používá  Rockwellův tvrdoměr.

   

Obr. 2: Rockwellův tvrdoměr

Měří se rozdíl hloubky vtisku ocelové kuličky nebo diamantového kužele mezi dvěma stupni zatížení (předběžného a celkového).  Účelem předběžného zatížení je vyloučit z měřené hloubky nepřesnosti způsobené drsností povrchu zkoušeného materiálu.

Diamantový kužel nebo ocelovou kuličku, dotýkající se povrchu zkou­šeného předmětu, nejprve předběžně zatížíme silou 100 N, což je výchozí poloha pro měření hloubky vtisku. Potom zvolna zvětšujeme zatěžovací sílu tak, abychom za 3 až 6 sekund dosáhli zatížení předepsaného normou (např. předběžné zatíž1ení silou 100 N + zkušební zatížení silou 1 400 N = celkové zatížení silou 1 500 N).

Pak zatěžující sílu opět zmenšujeme až na 100 N a v tomto stavu zjistíme přírůstek h hloubky vtisku, který nastal proti výchozí poloze při 100 N.

 

Kužel má vrcholový úhel 120° a poloměr kulové části 0,2 mm (HRA, HRC).

 

 

Obr. 3: Princip zkoušky tvrdosti podle Rockwella HRB.  (Kulička má průměr 1,5875 mm).   

 

Tvrdost se neměří, na základě hloubky vtisku se odečítá ze stupnice

Tato metoda je primitivní, nejméně přesná, rychlá

Touto metodou můžeme měřit tvrdost na povrchu materiálu na jakémkoliv místě (hřídele..), nemusíme upravovat ani zarovnávat plochu

0,5 HR odpovídá 10 HV, což potvrzuje nepřesnost metody                                                                                                  

Většina přístrojů pro tuto zkoušku je upravena tak, že hloubku vtisku odečteme na číselníkovém úchylkoměru,  kde ukazovatel na číselníku ukazuje přímo tvrdost podle Rock­wella. Je to zkouška rychlá, snadná, vpichy (důlky) jsou velmi malé (max. hloubka 0,2 mm). Je vhodná pro běžnou kontrolu velkých sérií výrobků a tam, kde zkouška podle Brinella již není použitelná.

U nás jsou normalizovány tři zkoušky tvrdosti podle Rockwella. Tvrdost zjištěnou při těchto zkouškách označujeme HRA, HRB, HRC.

HRA je tvrdost určená diamantovým kuželem při celkovém zatížení 600 N       (pro křehké materiály a tenké povrchové vrstvy),

HRB je tvrdost určená ocelovou kuličkou při celkovém zatížení 1 000 N           (pro měkčí kovy),

HRC je tvrdost určená diamantovým kuželem při celkovém zatížení 1 500 N    (doporučuje se používat pro rozsah HRC = 20 až 67).

 

 

Zkouška tvrdosti podle Vickerse (ČSN 42 0374)

Ke zkoušce se používá  Vickersův tvrdoměr. Do materiálu vtlačujeme diamantový jehlan se čtvercovou zá­kladnou. Okulárem mikroskopu nebo projekcí pak zjišťujeme střední délku u obou úhlopříček.

                                                                    

Obr. 4: Princip zkoušky tvrdosti pole Vickerse

 

Zkušební zatěžující síla bývá od 10 do 1 000 N. Doba zatížení se volí od 10 do 180 s.                                                                      Použité zatížení píšeme do označení, např. HV 100 (HV 100 = 215).

Pro běžné zkušební zatížení 300 N používáme označení HV (např. HV = 250).

Norma stanovuje nejen zátěžnou F, průměry vnikacího tělíska, ale také geometrické omezení vpichů (min. vzdálenost mezi dvěmi vpichy, min. vzdálenost prvního vpichu od okraje a min. tloušťku materiálu).

Tvrdost se měří na seříznutých plochách, popř. na výbrusech

•edná se o nejpřesnější metodu měření tvrdosti

Tvrdost se určuje podle průměrné délky úhlopříček vtisku

Pro praktickou potřebu po­užíváme tabulky, ve kterých podle délky úhlopříčky u a použité síly F najdeme přímo odpovídající tvrdost. Této metody můžeme použít pro všechny tvrdosti. Je velmi přesná a není téměř závislá na zatížení.

Pro přesnější kontrolu tvrdosti se používá zdokonalených Vickersových tvrdoměrů, tzv. diatestorů. Obraz čtvercového vtisku je promítán ve zvětšeném měřítku na matnici. To umožňuje pohodlné a rychlé čtení délky úhlopříčky u.

 

Obr. 5: Vickersův tvrdoměr - diatestor

 

 

Zdroje

• www.fsiforum.cz/.../Podrabsky_DZM_ZKOUŠKY%20TVRDOSTI.ppt

• DORAZIL, E. a kolektiv. Nauka o materiálu I. Praha: SNTL, VUT FS, 1983. (zkráceno, upraveno)
• HLUCHÝ, Miroslav a kol. Strojírenská technologie1, Nauka o materiálu, Praha: SNTL, 1978
• MIKULČÁK a kolektiv. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy, Praha:SPN, 1988

Obrázky:

• Obr.1,3,4: www.fsiforum.cz/.../Podrabsky_DZM_ZKOUŠKY%20TVRDOSTI.ppt                                                    HLUCHÝ, Miroslav a kol. Strojírenská technologie1, Nauka o materiálu, Praha: SNTL, 1978
• Tab. 1: DORAZIL, E. a kolektiv. Nauka o materiálu I. Praha: SNTL, VUT FS, 1983.
• Pokud není uvedeno jinak, autorem obrázků je Ing.Dominik Budinský.

Přílohy