Vztahy mezi čísly tvrdosti HRC, HRA, HB a HV.

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

Limity měření tvrdost podle Rockwella: stupnice A (HRA) 70. 85 jednotek (tvrdé slitiny, výrobky s vysokou povrchovou tvrdostí); stupnice C (HRC) 20. 67 jednotek (konečná tepelně zpracovaná ocel). Brinellova metoda testuje materiály s tvrdost, nepřesahující 450 HB. Vickersova metoda umožňuje určit tvrdost nitridovaných, cementovaných a karbonitrovaných povrchů a také tenkých plechových materiálů.

Na základě hodnot tvrdosti můžete např. odhadnout dočasný odpor (pevnost v tahu), mez kluzu, modul pružnosti atd. Experimentální vztah mezi HB a pevností v tahu pro konstrukční uhlíkové a nízkolegované oceli je téměř lineární, tzn. můžeme předpokládat, že pevnost v tahu σ_в je přibližně rovna 0,345•HB (pro ocel s HB větším nebo rovným 150) a mezní pevnost σ_0,2 ≈ 0,367•HB. Při tvrdosti HB < 150, pevnosti v tahu σ_в se mírně zvětší než hodnota 0,345•HB a σ_0,2 ≈ 0,2•HB.

Níže uvedená tabulka ukazuje přibližné vztahy mezi čísly tvrdosti HRC, HRA, HB a HV. Na základě výsledků zkoušky tvrdosti lze pomocí výpočtů stanovit souvislost s údaji jiných zkoušek souvisejících s destrukcí materiálu.