Napady

Tvrdost kovu: co to je a jak se měří

Cíl práce: seznámit se se stávajícími metodami stanovení tvrdosti, získat praktické dovednosti při určování tvrdosti konstrukčních materiálů a přepočítávání čísel tvrdosti stanovených různými metodami (pomocí aparátu matematické statistiky); naučit se statisticky spolehlivě odhadovat hodnotu pevnosti v tahu materiálu bez zničení vzorku. Osvojit si principy fungování tvrdoměrů jako TV 5004 (Brinell) a TK (Rockwell) a získat dovednosti při určování tvrdosti materiálů podle Brinella, Rockwella a Vickerse.

I. POTŘEBNÉ NÁSTROJE A VYBAVENÍ

1. Brinellův přístroj (tvrdoměr TB 5004)

2. Rockwellův přístroj (tvrdoměr TK)

II. TEORETICKÉ ZÁKLADY PRÁCE

Tvrdost je vlastnost materiálu odolávat pronikání jiného tvrdšího tělesa (indentoru), které neprochází zbytkovou deformací. Zapuštěný (lisovaný) indentor má určitý tvar a rozměry a neměl by být vystaven zbytkové deformaci působením statických nebo dynamických zatížení, která na něj působí. Měření tvrdosti je jednou z nejběžnějších a nejdostupnějších metod mechanického zkoušení, která je široce využívána pro výzkumné účely a jako prostředek (metoda) pro kontrolu kvality vlastností materiálů ve výrobě. Na rozdíl od jiných zkoušek tvrdosti jsou velmi různorodé a liší se od sebe tvarem použitého indentoru, podmínkami aplikace zatížení, metodami výpočtu hodnoty tvrdosti, dobou zatěžování, tvrdostí zkoušeného materiálu, rozměry díl (vzorek), tloušťka vrstvy, jejíž tvrdost je třeba měřit atd. e. V závislosti na těchto faktorech může tvrdost charakterizovat elastické a elasticko-plastické vlastnosti, odolnost vůči malým nebo velkým deformacím a také lom. Společným bodem pro ně je působení zatížení při kontaktu mezi indentorem a testovaným materiálem. Podmínky stanovení tvrdosti, požadavky na zařízení, přístroje a vzorky atd. upravují státní normy (GOST).

Tvrdost se posuzuje tzv čísla tvrdosti, jehož rozměr je určen principem měření. Čísla tvrdosti jsou sekundární, odvozené charakteristiky mechanických vlastností, závislé na primárních, základních – modul pružnosti, pevnost v tahu atd., na době trvání zatížení, na zkušební metodě a výpočtu tvrdosti. Proto se při přísné regulaci zkušebního postupu, který je často definován normou, získávají srovnatelné výsledky i v rámci stejné metody. Ukazuje se, že čísla tvrdosti pro stejný materiál, stanovená různými metodami, se liší jak velikostí, tak rozměrem. Pomocí speciálních tabulek, nomogramů nebo empirických vzorců lze přepočítat čísla tvrdosti.

V současné době existuje asi 30 druhů zkoušek tvrdosti, nejrozšířenější jsou však tři z nich – jedná se o metody tvrdosti podle Brinella, Rockwella, Vickerse a také o metodu mikrotvrdosti. Ve všech případech se kontakt provádí zalisováním indentoru určitého tvaru a velikosti se stupněm deformace 30. 40 %. V tomto případě je realizován stav všestranně nerovnoměrného stlačení s koeficientem „měkkosti“ α >2, což umožňuje posoudit tvrdost téměř všech, včetně velmi křehkých materiálů.

Vezmeme-li v úvahu nevyhnutelný rozptyl hodnot tvrdosti v důsledku jak chyb měření, tak heterogenity mechanických vlastností materiálu, je obvykle testováno několik vzorků a na každém vzorku je provedeno několik zářezů. Poté se provede statistické zpracování výsledků testu, bez kterého nelze vyvodit spolehlivé závěry. V tomto případě se počet měření obvykle nazývá „vzorek“.

Zkoušení tvrdosti je jednoduchá nedestruktivní zkušební metoda. Experimentálně bylo prokázáno, že jeho výsledky korelují se statistickými charakteristikami mechanických vlastností, např. je možné statisticky spolehlivě, tzn. s určitou statistickou chybou – směrodatnou chybou určete dočasný odpor σ _в . Slouží také k nepřímému úsudku s určitou přesností o dalších vlastnostech materiálu – mez kluzu, pevnost v tahu, sklon k tečení atd.

Měření tvrdosti se rozšířilo jak v tovární praxi, tak ve vědeckém výzkumu. Tyto testy se používají pro následující účely:

— posoudit tvrdost slitin jako charakteristiku, která nepřímo odráží mechanické vlastnosti;

— kontrolovat kvalitu tepelného zpracování, které způsobuje změny vlastností v povrchové vrstvě, například nauhličování, povrchové kalení, elektromechanické zpracování atd.;

— sledovat změny mechanických vlastností v průběhu provozu (například sledování stavu potrubí).

Zkoušky tvrdosti jsou méně složité a nejsou drahé: umožňují stanovení mechanických vlastností v malých objemech, umožňují průběžné sledování výrobků během výroby a provozu, neovlivňují jejich výkonnost a co je zvláště cenné, jsou nedestruktivní metody mechanického zkoušení .

Stanovení tvrdosti podle Brinella.

Brinell nebo Brinell ( Brinell ) Johan August (1849-1925), švédský inženýr. Práce na metalurgii oceli a stanovení tvrdosti kovů a slitin. Metoda pro stanovení tvrdosti kovů, pojmenovaná po něm, byla navržena v roce 1900.

Brinellova metoda měření tvrdosti kovů zahrnuje lisování ocelového nebo tvrdého indentoru (kuličky) o průměru D do vzorku (výrobku) působením síly působící kolmo na povrch vzorku po určitou dobu a měřením průměru vtisku d po odstranění síly (obr. 1).

Obr. 1. Pohled na deformovaný vzorek

po stisknutí míče

Měření tvrdosti metodou Brinell se provádí na tvrdoměru typu TV 5004 v souladu s GOST 23677-79. Kuličky o průměru 1; 2,5; 5,0 a 10 mm, vyrobené z tepelně zpracované oceli s vysokým obsahem uhlíku s povrchovou úpravou třídy dvanáct (GOST 2789-73). Výběr průměru koule, zatížení a doby zatížení se provádí podle tabulky 1.

Ukazatelem tvrdosti je číslo tvrdosti podle Brinella, označované HB, což je poměr síly F k ploše koule segmentu A:

kde h – hloubka vtisku, mm,

D – průměr kuličky, mm.

kde d je průměr tisku, mm.

Potom se číslo tvrdosti HB vypočítá podle vzorce:

HB = 2 F π∙D∙ D – D2-d2. (5)

Tvrdost podle Brinella se udává v kg/mm2, ale podle normy se rozměr většinou neuvádí. Zároveň se v soustavě SI označuje jako MPa. Horní hranice měření tvrdosti touto metodou je HB 450, protože při zkoušení tvrdších materiálů se kulička deformuje nad normovanou toleranci.

Pro získání stejných hodnot tvrdosti při zkoušení stejného kovu s vnikovými tělísky různých průměrů je nutné, aby byl dodržen vztah mezi velikostí kuličky a zatížením, které na ni působí. K = F/D2. Postoj К se vybírá z řady hodnot uvedených v GOST s přihlédnutím k vlastnostem zkoušeného kovu tak, aby poměr mezi průměry koule a otisku byl v určitém rozmezí (d / D = 0,24. 0,6). Například pro oceli a vysokopevnostní slitiny GOST doporučuje použít poměr K = 30, pro neželezné kovy a slitiny K = 10 a pro velmi měkké kovy K = 2,5 (slitiny ložisek) nebo K = 1 (olovo, cín).

V praxi podle průměru d vytisknout najít číslo tvrdosti HBpomocí tabulek sestavených pro každý z doporučených poměrů F a D. Moderní vybavení umožňuje zjistit tvrdost jiným způsobem – určením hloubky h vložení kuličky (viz obr. 1).

Plastická deformace materiálu v blízkosti zavedeného indentoru je spojena se strukturálními změnami, ke kterým dochází v kovu. Doba trvání těchto změn závisí na vlastnostech materiálu. Pro železné kovy stačí 10 sekund expozice pod zátěží, pro většinu neželezných kovů – 15 sekund. V některých případech je pro dokončení plastického toku nastaveno 30 sekund nebo jsou specificky specifikovány testovací podmínky.

Když je tvrdost testovaného kovu srovnatelná s tvrdostí indentoru – ocelové kuličky, pak vlivem deformace kuličky dochází ke zkreslení tvaru vtisku, což má vliv na přesnost výsledků. Aby se předešlo významným chybám (v důsledku drcení kuliček), je obvykle zavedeno omezení na použití metody Brinell: testují se materiály s tvrdostí nepřesahující 450. HB. Pro testování tvrdších materiálů se používá buď karbidová kulička nebo jiné metody, například Vickers nebo Rockwell, kde indentorem je diamant, nejtvrdší materiál známý v přírodě.

Tvrdost podle Brinella je označena symbolem HB (Hardness Brinell) nebo HBW ( Tvrdost Brinell wolfram karbid ):

— HB – při použití ocelové kuličky (tvrdost součásti je menší než 450 jednotek);

– HBW při použití kuličky z tvrdé slitiny (tvrdost součásti je více než 450 jednotek).

Symbol HB ( HBW) předchází číselná hodnota tvrdosti (zaokrouhlená na tři platné číslice) a za symbolem je uveden průměr kuličky [mm], hodnota působící síly [kgf] a doba působení [s], pokud je se liší od 10 nebo 15 sekund.

Příklady notace:

– 250 HB 5/750 – Tvrdost podle Brinella 250, měřeno ocelovou kuličkou o průměru 5 mm, při zatížení 750 kgf (7355 N) a době výdrže 10-15 s;

— 575 HBW 2,5/187,5/30 – Tvrdost podle Brinella 575, měřeno kuličkou z tvrdé slitiny o průměru 2,5 mm, při zatížení 187,5 kgf (1839 N) a době výdrže při zatížení 30 s.

Při stanovení tvrdosti ocelovou kuličkou (nebo karbidovou kuličkou) o průměru 10 mm při zatížení 3000 kgf (29420 N) a době držení 10. 15 sekund je tvrdost podle Brinella udávána pouze číselnou hodnotou tvrdosti a symbolu HB nebo HBW (například 300 HB).

Tabulka 1. Stanovení tvrdosti různých materiálů metodou podle Brinella

Rozsah čísel tvrdosti

Tvrdost kovů je kvalita, která ovlivňuje vše od každodenního použití až po high-tech aplikace. Od automobilů po mosty hraje tvrdost kovů rozhodující roli v odolnosti a funkčnosti. Ale co je tvrdost ve skutečnosti a jak ji změříme?

Pojem tvrdosti

Odolnost vůči deformaci: Tvrdost přímo souvisí s odolností materiálu vůči trvalé nebo dočasné deformaci.
Odolnost proti opotřebení: Vysoká tvrdost často koreluje s odolností materiálu vůči oděru.
Odolnost proti poškození: Tvrdé materiály jsou odolnější vůči vnějšímu poškození, jako jsou škrábance nebo promáčkliny.

Složení kovu a jeho tepelné zpracování může výrazně ovlivnit tvrdost. Například přidání uhlíku do železa zvyšuje tvrdost oceli a tepelné zpracování, jako je kalení, může toto číslo dále zvýšit.

Jednotky měření tvrdosti

K měření tvrdosti kovů se používají různé stupnice, z nichž každá má své vlastní charakteristiky a používá se v závislosti na druhu materiálu a zkušebních podmínkách.

Brinellova stupnice (HB)

Popis: Používá ocelovou nebo tvrdokovovou kuličku, která je vtlačena do povrchu materiálu pod určitou zatěžovací silou.
Použití: Široce používané pro měření tvrdosti měkkých a středně tvrdých kovů.

Vickersova stupnice (HV)

Popis: Zahrnuje zalisování diamantového jehlanu s vrcholovým úhlem 136 stupňů do materiálu.
Použití: Vhodné pro měření tvrdosti měkkých i velmi tvrdých materiálů včetně tenkých povlaků.

Rockwellova stupnice (HRC, HRB)

Popis: Na základě měření hloubky průniku diamantového kužele (HRC) nebo ocelové kuličky (HRB) do materiálu.
Použití: Používá se pro rychlé a pohodlné měření tvrdosti ve výrobě, zejména u hotových výrobků.

Tvrdost obecných kovů a slitin

Tvrdost kovů a slitin je kritickým parametrem, který ovlivňuje jejich použití v různých průmyslových oblastech. Od leteckého průmyslu po stavebnictví, od lékařských přístrojů po domácí spotřebiče závisí výběr kovu nebo slitiny do značné míry na jeho tvrdosti.

Neželezné kovy

Neželezné kovy, jako je měď, hliník, titan, nikl a zinek, mají různé úrovně tvrdosti, které lze upravit přidáním legujících prvků nebo tepelným zpracováním.

Hliník je lehký a relativně měkký kov s tvrdostí podle Brinella (HB) obvykle v rozmezí 15-90 HB. Díky nízké hustotě a dobré plasticitě je ideální pro aplikace v leteckém, automobilovém a obalovém průmyslu. Hliník má také vynikající odolnost proti korozi a vodivost. Hliníkové slitiny lze vyrobit podstatně tvrdší než čistý kov přidáním prvků, jako je měď, hořčík nebo zinek.
Měď je další důležitý neželezný kov s tvrdostí asi 35 HB v čisté formě. Má vynikající elektrickou a tepelnou vodivost, takže je nezbytný pro elektrotechnický průmysl. Slitiny mědi jako je mosaz (slitina mědi a zinku) a bronz (slitina mědi a cínu) mají vyšší tvrdost (až 150 HB) a používají se ve stavebnictví, hudebních nástrojích a dekoračních předmětech.
Titan vyniká mezi neželeznými kovy vysokou tvrdostí a pevností při relativně nízké hustotě. Tvrdost titanu může dosáhnout 160 HV a vyšší v závislosti na slitině a tepelném zpracování. Tento kov má vysokou odolnost proti korozi a biokompatibilitu, takže je ideální pro použití v leteckém průmyslu, medicíně (například pro výrobu implantátů) a vojenských aplikacích.

Železné kovy

Železné kovy, včetně železa a jeho slitin, jsou obecně tvrdší než neželezné kovy.

Železo ve své čisté formě má relativně nízkou tvrdost, asi 80 HB (na Brinellově stupnici). Jeho největší význam však spočívá ve schopnosti tvořit slitiny, především různé druhy ocelí, což výrazně zvyšuje jeho tvrdost a mechanické vlastnosti.
Tvrdost uhlíkové oceli závisí na obsahu uhlíku: čím vyšší obsah, tím tvrdší ocel. Například nízkouhlíkové oceli mají tvrdost kolem 120-150 HB, zatímco vysoce uhlíkové oceli mohou dosáhnout hodnot 600 HB a vyšších, zejména po tepelném zpracování, jako je kalení.
Přidání legujících prvků, jako je chrom, nikl, molybden, vanad a další, umožňuje dodatečné zvýšení tvrdosti a dalších mechanických vlastností oceli. Například nerezové oceli obsahující chrom mají tvrdost 150 až 600 HB v závislosti na složení a zpracování. Legované oceli se používají ve vysoce zatěžovaném a agresivním prostředí, např. v energetice, chemickém průmyslu a stavebnictví.
Litina, další důležitá slitina na bázi železa, se dodává v různých jakostech s různým stupněm tvrdosti. Bílá litina má vysokou tvrdost (až 400-450 HB), zatímco šedá litina je měkčí a odolná proti oděru.

Inconel: Slitina na bázi niklu známá svou vysokou teplotní odolností, má tvrdost kolem 200-250 HV.
Hastelloy: Další slitina niklu používaná v extrémních podmínkách, s tvrdostí asi 230 HV.

Význam tvrdosti v aplikacích

Tvrdost kovu přímo ovlivňuje jeho schopnost odolávat mechanickému namáhání, otěru a korozi. Vysoká tvrdost je často doprovázena nižší tažností a houževnatostí, se kterou je nutné počítat při navrhování dílů. Například tvrdé slitiny jsou ideální pro řezné nástroje, zatímco měkčí kovy jsou vhodnější pro tváření a ohýbání.

Tvrdost kovů a slitin je multifaktoriální parametr, který závisí na složení, mikrostruktuře, zpracování a provozních podmínkách. Pochopení a správné použití tohoto parametru je rozhodující pro výběr vhodného materiálu pro konkrétní aplikaci.

Vliv tepelného zpracování na tvrdost

Základní procesy tepelného zpracování jako žíhání, kalení a popouštění mají významný vliv na mikrostrukturu kovů, což má za následek změny jejich tvrdosti a dalších vlastností.

Žíhání je proces zahřívání kovu na určitou teplotu, po kterém následuje pomalé ochlazování. Tento proces se používá ke snížení vnitřních pnutí, zlepšení tažnosti a snížení tvrdosti. Například žíhaná ocel snižuje její tvrdost a zvyšuje její plasticitu, což usnadňuje mechanické zpracování. Tvrdost žíhané uhlíkové oceli se obvykle pohybuje v rozmezí 120-150 HB.
Kalení je proces, při kterém se kov zahřeje na vysokou teplotu a poté se rychle ochladí, obvykle ve vodě, oleji nebo jiném médiu. Tento proces má za následek tvorbu martenzitu, tvrdé a křehké fáze v oceli, která výrazně zvyšuje její tvrdost. Například tvrdost oceli s vysokým obsahem uhlíku po kalení může dosáhnout 600-700 HB.
Temperování je proces, při kterém se kalený kov zahřeje na teplotu pod kritickou teplotou a poté se pomalu ochladí. Tento proces se používá ke snížení křehkosti kaleného kovu, zvýšení jeho houževnatosti a tažnosti při částečném zachování zvýšené tvrdosti. Například zušlechtěná ocel má tvrdost v rozmezí 200-600 HB v závislosti na teplotě popouštění a složení oceli.

Metody měření tvrdosti

Měření tvrdosti kovů je klíčovým procesem v metalurgii a nauce o materiálech, protože nám umožňuje posoudit jejich schopnost odolávat deformaci, otěru a dalším typům mechanického nárazu. Existuje několik metod měření tvrdosti, z nichž každá má své vlastní charakteristiky a používá se v závislosti na typu kovu a požadované přesnosti.

Brinellův test

Brinellova zkouška je jednou z nejstarších a nejčastěji používaných metod měření tvrdosti. Tato metoda zahrnuje vtlačení ocelové nebo karbidové kuličky standardní velikosti (obvykle o průměru 10 mm) do kovového povrchu při specifikované zatěžovací síle. Tvrdost podle Brinella (HB) se vypočítá jako poměr působícího zatížení k ploše vtisku. Tato metoda je ideální pro měkké až středně tvrdé kovy jako je surový hliník, bronz, železo.

Vickersův test

Vickersův test používá diamantovou pyramidu s vrcholovým úhlem 136 stupňů. Při zatížení je tato pyramida vtlačena do povrchu kovu. Tvrdost podle Vickerse (HV) je definována jako poměr aplikovaného zatížení k ploše prohlubně zanechané pyramidou. Tato metoda je vhodná pro měření tvrdosti jak velmi měkkých, tak velmi tvrdých materiálů, včetně tenkých povlaků a povrchů s vysokou přesností.

Rockwellův test

Rockwellova metoda je rychlejší a méně destruktivní způsob měření tvrdosti. Jedná se o použití diamantového kužele (pro tvrdé materiály stupnice HRC) nebo ocelové kuličky (u měkčích materiálů stupnice HRB). Tvrdost podle Rockwella se určuje na základě hloubky vniknutí indentoru (hrotu) při dané zatěžovací síle. Tato metoda je preferována pro hotové výrobky a součásti, protože má minimální dopad na zkušební vzorek.

Výběr metody měření tvrdosti kovů a slitin

Volba metody měření tvrdosti kovů a slitin je klíčovým krokem k zajištění přesnosti a spolehlivosti výsledků. Závisí na řadě faktorů včetně vlastností materiálu, jeho stavu, tloušťky vzorku a požadované přesnosti měření.

Typ kovu nebo slitiny

Měkké kovy (např. hliník, měď): Pro tyto kovy jsou vhodné metody testování s nižší zátěží a větší plochy, jako je Brinellův test.
Tvrdé slitiny (např. kalená ocel, slinuté karbidy): Zde je vhodné použít metody schopné měřit vysokou tvrdost, jako je Rockwellův nebo Vickersův test.

Lité materiály: Mají nestejnoměrnou strukturu, což může vyžadovat metody schopné kompenzovat tuto nerovnoměrnost, jako je Brinellovo testování.
Kované nebo obráběné materiály: Jednotnější, což umožňuje použití přesnějších metod, jako je testování podle Vickerse nebo Rockwella.

Tenké vzorky a povrchové nátěry: Vyžadujte metody s nízkým nárazem, aby nedošlo k poškození materiálu. Vickersův test může být v tomto případě nejvhodnější.
Tlusté, masivní vzorky: Mohou být testovány jakoukoli metodou včetně Rockwell a Brinell, protože hloubka vniknutí indentoru nebude mít významný vliv na materiál.

Požadovaná přesnost měření

Vysoká přesnost: Vickersův test zajišťuje vysokou přesnost měření i na malých plochách a je vhodný pro výzkum a laboratorní testování.
Standardní průmyslová přesnost: Metody Rockwell a Brinell jsou vhodné pro rychlá, méně přesná měření často používaná ve výrobních prostředích.

Nehomogenita materiálu: Některé metody se lépe vyrovnávají s nehomogenitou materiálu, zatímco jiné mohou poskytovat nepřesné výsledky.
Destruktivní nebo nedestruktivní povaha testování: Například Rockwellův test je považován za méně destruktivní než Brinellův test.

Při výběru metody zkoušení tvrdosti je důležité zvážit všechny tyto faktory, aby bylo zajištěno co nejpřesnější a nejspolehlivější měření, které bude vyhovovat potřebám konkrétní aplikace.

Zveřejněno 03.11.2023
Máte nějaké dotazy? Rádi na ně odpovíme!

Vaše přihláška byla úspěšně odeslána.
Brzy vás budeme kontaktovat

Něco se pokazilo. Zkus to znovu

Jaký je rozdíl mezi výztuží A500 a A500C? 14. 07. 2025 Výztuž A500 a A500C se používá ve stavebnictví ke zvýšení pevnosti prefabrikovaných a monolitických železobetonových konstrukcí.
Rozdíl mezi trubkou tvarovanou za studena a trubkou tvarovanou za tepla 02-07-2025 Při výrobě válcovaných kovových trubek se používají různé technologie, které určují vlastnosti, charakteristiky a oblasti použití hotových výrobků. Při nákupu materiálů je důležité pochopit, .
Způsoby spojování profilových trubek 16 Profilové trubky jsou duté ocelové výrobky podlouhlého tvaru s oválným, čtvercovým nebo obdélníkovým průřezem.

196084, Petrohrad, Ligovský pr. 254 lit. V úřadu. 300

Tvrdost kovu: co to je a jak se měří

Pojem tvrdosti

Jednotky měření tvrdosti