Zkoušky tvrdosti

Zkoušky tvrdosti
Tvrdost - odolnost povrchových oblastí materiálu proti místnímu porušení cizím tělesem.
Tvrdost však není žádnou fyzikálně definovatelnou vlastností, nýbrž je výslednicí celé řady
vlastností hmoty, a to zejména vlastností povrchu.
Podle způsobu porušení povrchu zkoušeného kovu se dělí zkoušky tvrdosti na:
1) Statické – indentor se vtlačuje klidnou silou ve směru kolmém ke zkoušenému povrchu.
Tyto zkoušky jsou označované jako „zkoušky vnikací“. Jsou nejčastější pro svoji přesnost,
jednoduchost a dobou reprodukovatelnost.
2) Dynamické – indentor proniká do zkoumaného povrchu rázem vedeným kolmo
– tzv. „rázové zkoušky“
3) Porušení je dosaženo pohybem ostrého nástroje rovnoběžně s povrchem zkoušeného kovu
tak, aby se vytvořil vryp. Tento způsob zatížení se volí u křehkých materiálů, zvláště u
minerálů.
Zkoušky vnikací
Odolnost proti vnikání cizího tělesa je dána velikostí sil, jimiž jsou atomy kovu navzájem
vázány. Při vazbě kovové, umožňující plastickou deformaci, vznikají deformace tím snáze,
čím jsou vazební síly vyrovnanější. Rozhodujícími činiteli jsou hlavně:
a) Tvar krystalových elementů
b) Jemnost krystalizace - jemnozrnná struktura má v objemu více krystalografických
rozhraní, které více odolávají vnikání cizích těles a z tohoto důvodu vykazuje jemnozrnná
struktura větší tvrdost
c) Teplota – čím větší teplota, tím se vlivem roztahování stávají vazby méně pevné a kov je
měkčí. Teplotu je nutno uvažovat relativně s ohledem na bod tání (kovy s nízkým bodem
tání jsou při stejné krystalizaci za normální teploty měkčí než kovy tající při vysoké
teplotě).
d) Cizí příměsi – všechny příměsi snižují plasticitu kovu, a tím zvětšují jeho tvrdost.
e) Vnitřní pnutí – tvrdost zvětšují různá pnutí, způsobená např. Tvářením za studena, tepelná
pnutí od nestejného ochlazování, pnutí způsobená nestabilními fázemi atd.
Historie vývoje vnikacích zkoušek
Kirsch (1891) navrhl zatlačování válcového indentoru zvětšující se silou až do okamžiku,
kdy se objevil první trvalý vtisk. Příslušné tlakové napětí bylo mírou tvrdosti. Protože bylo
skutečné zjištění tohoto napětí spojeno s jistými nepřesnostmi, bylo doporučeno čelní plochu
bombírovat velkým poloměrem. Další vývoj směřoval ke zjištění souvislosti mezi tvrdostí
a mezí kluzu. Z tohoto důvodu bylo prováděno např. několikastupňové zatěžování kuličkou
ve stejném místě, přičemž po zatížení bylo provedeno rekrystalizační žíhání. Tento cyklus se
opakoval dokud se vtisk již více nezvětšoval. Z dosaženého rozměru vtisku pak byla určena
tvrdost – Hanriot 1912. Na začátku 20. století byla vyvinuta celá řada podobných metod,
které však pro svoji zdlouhavost, ale i nepřesnost nenašly uplatnění.
Podle požadavků praxe se rozšířilo několik druhů vnikacích zkoušek, které se od sebe liší
tvarem a materiálem indentoru, velikostí zatížení a způsobem vyhodnocení. Budou uvedeny
v chronologickém pořadí vzniku.
1
Brinellova zkouška
Na druhém mezinárodním kongresu pro zkoušení materiálu v Paříži v roce 1900 předložil
švédský inženýr Brinell svoji metodu určování tvrdosti, která se velmi rychle rozšířila a je
dnes ve všech průmyslových státech normována (ČSN 42 0371).
Podstatou Brinellovy zkoušky je zatlačování ocelové kalené
kuličky průměru D
do vyleštěné plochy zkoušeného kovu
konstantním zatížením. obr.č. 1.
Tvrdost je pak vyjádřena vztahem:
HB=
F
S
Obr.č.1
– Zkouška dle Brinella
Je-li d průměr a h hloubka vtisku, pak je jeho plocha dána vztahem:
S= πDh = πD 0,5 [D-(D2-d2)0,5]
Po provedení zkoušky je třeba změřit průměr nebo hloubku vtisku. Měření průměru je
pomocí měřícího mikroskopu, tzv. Brinellovy lupy, možné až na setiny mm, kdežto přesné
změření hloubky je mnohem obtížnější. Při sériových zkouškách je měření mikroskopem
zdlouhavé, proto jsou tvrdoměry konstruovány tak, že lze tuto hloubku odečíst přímo na
přístroji. S ohledem na možnost vytvoření valu v okolí vtisku je tento postup vhodný pouze
při poměrném stanovování tvrdosti. Pro přesné určení hodnoty tvrdosti je třeba vycházet
z průměru vtisku.
Zkušební podmínky je nutno dodržovat z důvodu srovnatelnosti naměřených výsledků. Na
výsledek má vliv zejména velikost zatížení, které se volí s ohledem na průměr použité kuličky
a měřený materiál.
Průměry kuliček: 10; 5; 2,5; 1,25; 0,625 mm
Zatížení se volí dle vztahu F= KD2
Koeficient K je volen pro ocel K 30 pro neželezné kovy a slitiny k = 10 pro měkké
neželezné kovy a kompozice K = 2,5. Bližší hodnoty koeficientu K jsou uvedeny
v tabulce č. I. Doba zatěžování se volí u ocelí a litin 10 až 15 s, u neželezných kovů může být
podle měřeného materiálu 10 až 180 s.
Výsledek zkoušky za normálních podmínek, tj. při ∅ D = 10 mm, F= 29 430 N (300kp)
a době zatížení 10 až 15 s, se označuje pouze číslem tvrdosti a písmeny HB, tedy
např. HB= 280. Jestliže byly podmínky zkoušky jiné, uvádějí se za označením HB v pořadí: ∅
D (mm), F (kp), doba zatěžování (s), např. HB 5/750/20=280.
Jak již bylo uvedeno povrch zkoušeného předmětu musí být rovný, hladký, bez okují
a nečistot. Tloušťka předmětu nesmí být menší než osminásobek hloubky vtisku. Vzdálenost
středu vtisku od okraje vzoru má být minimálně 2,5d u ocelí a litin, 3d u neželezných kovů.
Velikost vtisku musí být mezi hodnotami 0,25D a 0,6D.
2
Mezi tvrdostí HB a pevností v tahu Rm (MPa) je přímá
závislost (obr.č. 2) dle vztahu
Rm= k*HB
Koeficient k je závislý na materiálu, u ocelí je
k v rozsahu 3,1 až 4,1. Litý bronz má k= 2,3, hliník k=2,6.
Obr.č. 2 – Srovnání jednotlivých tvrdostí
S ohledem na materiál kuličky, na její poloměr a zátěžnou sílu je Brinellova zkouška
vhodná pouze pro měkké a heterogenní materiály např. neželezné kovy, šedé litiny apod.
Tab. č. I
Tvrdost HB Analyzovaný materiál
Κ
Oceli (96−650ΗΒ), litiny a slitiny niklu, titan atd. (>140 HB)
měď a její slitiny (>200 HB)
30
96−600
15
50-325
Měď a její slitiny (50-300 HB) slitiny lehkých kovů a ložiskové slitiny
(>50 HB)
10
32-200
Litiny, slitiny niklu, titanu, kobaltu apod. (>140HB), měď a její slitiny
(35-200 HB), slitiny lehkých kovů a jejich slitiny (>80 HB)
5
16-100
Měď a její slitiny (<35 HB), lehké kovy a jejich slitiny, ložiskové
kompozice (35-80 HB)
2,5
8-50
1,25
1
4-25
3,2-20
Lehké kovy a jejich slitiny, ložiskové kompozice (<35 HB)
Cín, olovo, ložiskové kompozice a jiné slitiny (<20 HB)
Ludwikova zkouška
Přes rychlé rozšíření Brinellovy zkoušky byla pociťována její velká nevýhoda v tom, že
tvrdost je závislá na velikosti zatížení. (V roce 1885 vyslovil Kick známý zákon o úměrnosti
přetvárné práce a příslušného deformovaného objemu. Tento zákon pro Brinellovu zkoušku
neplatí, neboť poměry napjatosti se při změně zatížení mění složitějším způsobem.) Tento
nedostatek odstranil Ludwik v roce 1907 náhradou kuličky kuželem, kde zůstává při všech
zatíženích poměr tangenciálního a normálního napětí stejný a hodnota tvrdosti je na zatížení
nezávislá.
Ludwik použil kužele z kalené ocele s vrcholovým úhlem 120, 90 a 60° z praktických
důvodů se zaoblenými vrcholy s poloměrem 0,2 mm.
Williams zkoušel na mědi zpevnění materiálu v okolí vtisku v souvislosti s vrcholovým
úhlem. Při 120° je měď nejvíce zpevněna při dně vtisku a ke kraji její tvrdost zcela
rovnoměrně ubývá. Při 90° je tvrdost rozdělena rovnoměrněji, s tím, že ve dně je podstatně
3
menší a okraj je naopak více zpevněn, než v předešlém případě. Při 60° tento trend
pokračuje, dno je minimálně zpevněno zatímco deformace v okolí vtisku jsou do značné
vzdálenosti výrazné.
Tato metoda se i přes svoje nesporné výhody neujala. Měla však velký vliv na rozvoj
dalších metod zjišťování tvrdosti. Přestože tato metoda ukázala nevýhody Brinellovi zkoušky,
používá se Brinellova metoda dodnes, zatímco Ludwikova metoda se používá pouze ve
speciálních případech.
Rockwellova zkouška
Rockwellova zkouška je založena na principu Ludwikovy zkoušky. Rockwell však použil
indentoru z diamantu a zatížení podstatně menšího než Ludwik (9,8 – 49 kN). Protože tření při
vnikání indentoru je tím menší, čím větší je jeho vrcholový úhel, volil Rockwell diamantový
kužel s vrcholovým úhlem 120° se zaoblením poloměrem 0,2 mm.
Metoda je vypracována pro sériové kontrolní zkoušky kalených, zušlechťovaných nebo
jinak tepelně zpracovaných ocelí. Tato zkouška
tvrdosti nevyžaduje upravený povrch, neboť
hloubka vtisku se měří tak, že při zatížení 98 N se
ustaví hloubkoměr na nulu, zatíží se hlavní silou
viz tab. č. II. Po odlehčení na hodnotu původních
98 N se odečte hloubka vtisku. Kdyby se odečítalo
při plném zatížení, jevila by se tvrdost značně
menší nejen o pružné deformace vtisku, ale také o
veškeré pružné deformace stojanu stroje, podložky
apod.
Obr.č. 3 – Princip měření HRC tvrdosti
Celková měřitelná hloubka při použití kuželového indentoru je 0,2 mm. Tato hloubka je
rozdělena na 100 dílků viz tab. č. II.. Tvrdost materiálu je rovna tvrdosti diamantu v případě,
že se hrot po odlehčení na 10 N vrátí do původní, nulové polohy obr.č.3
Nejměkčí kov, který se dá touto metodou zkoušet odpovídá pevnosti v tahu 80 MPa.
Metodu HRC lze dle naší normy použít od minimální tvrdosti HRC 20. Doporučuje se ji však
používat až od HRC 30, neboť při menších tvrdostech jsou naměřené tvrdosti málo přesné.
Pro měkčí materiály je nutno použít namísto diamantového kužele ocelovou kuličku s menším
zatížením viz tab. č. II.
U nejtvrdších materiálů, např. slinutých karbidů, je nebezpečí, že při zatížení 1471 N dojde
k poškození diamantového indentoru. Z tohoto důvodu se u nejtvrdších materiálů používá
zatížení pouze 588 N (HRA).
4
Tab.č. II
Stupnice
Indentor
F0
C
98,07
A
D
15N
30N
45N
Diamantový
kužel
29,42
B
G
F
15T
30T
45T
H
E
K
Ocelo- 98,07
vá
kulička
∅ 1,588 29,42
mm
Ocelová
kulička 98,07
Zatížení [N]
F1
Fc
1373
490,3
882,6
117,7
264,8
411,9
1471
588,4
980,7
147,1
294,2
441,3
882,6
1373
490,3
980,7
1471
588,4
117,7
264,8
411,9
147,1
294,2
441,3
490,3
882,6
1373
588,4
980,7
1471
Rozsah měřitelné stupnice
Počet
Hloubka
[mm]
0,20
100
0,10
130
0,26
100
0,10
130
∅ 1,588
mm
0,26
Použití
Tepelně zpracované
ocele a litiny
Slabé průřezy
tvrdých kovů, slinuté
karbidy
Velmi tenké součásti,
povrchové vrstvy
Neželezné kovy
a oceli bez tepelného
zpracování
Měkké oceli,
neželezné kovy
Velmi tenké součásti
měkké povrchy
Hliník, cín, olovo
Litiny, hliníkové
slitiny, ložiskové
materiály a jiné
měkké materiály
Vickersova zkouška
Ve stejné době jako v Americe vznikla Rockwellova metoda vznikla v Anglii jiná vnikací
zkouška, kterou popsali Smith a Sandland. V Evropě je tato zkouška známa podle tvrdoměru
firmy Vickers. V USA je obvykle označována diamond pyramid hardness test.
Indentorem je čtyřboký diamantový jehlan s vrcholovým úhlem stěn 136° obr.č.4, takže
vznikají pravidelné čtyřhranné vtisky. Tento úhel je volen tak, aby tření co nejméně
ovlivňovalo výsledek a dále proto, aby se hodnoty tvrdosti příliš neodlišovaly od tvrdosti
stanovené metodou dle Brinella. Po provedení vtisku se měří jeho úhlopříčka. Její hodnota je
pak dosazena do vztahu
F
HV =0,189 2
u
F – zátěžná síla [N], u – průměrná hodnota úhlopříčky [mm]
5
Obvyklá zatížení dle normy ČSN 42 0374 jsou 9,8; 29,4; 49; 98; 294 a 490 N. Vickersova
zkouška je ze všech dosavadních metod jediná, která splňuje všechny teoretické požadavky.
Dává jednotnou stupnici tvrdosti od nejměkčích kovů až po nejtvrdší kalené ocele. Hodnoty
tvrdosti jsou na velikosti zatížení prakticky nezávislá. Přesto je-li zatížení jiné než dříve
používaných 30 kp (29,4 N) je třeba toto zatížení uvést spolu s naměřenou hodnotou, např.
HV10 – zatížení 10 kp.
Následkem rozdílného zpevnění při hranách jehlanu a uprostřed ploch nemusí být průmět
vtisku přesně čtvercový, nýbrž strany mohou být buď vyduté u měkkých materiálů A, nebo
naopak vypouklé u zpevněných materiálů B viz obr.č.5.
Obr.č. 4 – Schéma zkoušky dle Vickerse
Obr.č. 5 – Deformace vtisku
Výhodou této metody je, že naměřené hodnoty tvrdosti jsou velmi přesné. Vtisky jsou
poměrně malé, takže se ani čistě obrobená plocha příliš nepoškozuje.
Jen u kovů hrubozrnných nebo nehomogenních, jako je šedá litina, ložiskové kompozice
apod., je malý vtisk nevýhodný a nelze obdržet jednoznačné výsledky. Dalším záporem této
metody je, že lze použít pouze povrch, který má na určitou drsnost opracovanou plochu.
Knoopova zkouška
V roce 1939 byla v americkém National Bureau of Standards vypracována nová metoda
zkoušky tvrdosti, jež se od metody Vickersovy odlišuje tvarem indentoru. Zkušební tělísko je
rovněž diamantový jehlan, jehož základnou však není čtverec, ale velmi protáhlý kosočtverec
obr.č. 6.. Vtisk má tvar kosočtverce s poměrem úhlopříček asi 1:7. U tohoto vtisku se
proměřuje pouze delší rozměr úhlopříčky.
Obr.č. 6 – Indentor dle Knoopa
6
Výhodou Knoopova indentoru je, že deformace jsou relativně největší u krátké úhlopříčky
a v tomto směru je tedy největší odpružení při odlehčení. Ve směru dlouhé úhlopříčky je
odpružení zanedbatelné. Další výhodou je, že lze vtisky vytvořit tak, že lze s velkou přesností
změřit tvrdost u úzkých součástí např. drátů. Klade-li se delší úhlopříčka rovnoběžně
s povrchem lze u cementovaných popř. nitridovaných povrchů zachytit podstatně citlivěji
změny tvrdosti, než Vickersovým indentoremm. S ohledem na malou hloubku průniku
indentoru, lze tuto metodu s výhodou použít i u materiálů se slabou povrchovou vrstvou.
Tvrdost se stanoví podle vztahu
F
2
l
F – zátěžná síla [N], l – hodnota delší úhlopříčky [mm]
Zatížení se volí od 1,96; 2,94; 4,9; 9,8 N. Tvrdost dle Knoopa se značí jako HK 0,2;
HK0,3; HK0,5 nebo HK1.
Knoopova metoda zdomácněla hlavně v USA. V posledních letech však nachází rovněž
uplatnění v evropských zemích.
HK =1, 451
Další metodou, která se vyvinula s Vickersovy metody je Bierkovičova zkouška tvrdosti.
Jako indentor je zde volen pravidelný diamantový jehlan jehož základnou je rovnostranný
trojúhelník. Vrcholový úhel tohoto jehlanu je 65°. U této metody se měří velikost výšek
jednotlivých stran.
Tato metoda našla největší uplatnění hlavně u velmi tvrdých materiálů, např. slinutých
karbidů.
Zkoušky mikrotvrdosti
Název mikrotvrdost se ustálil pro tvrdost určenou použitím zcela malých zatížení, tak aby
vznikly vtisky nepatrné velikosti. Často se uvádí 19,8N jako hranice mezi makro
a mikrotvrdostí. Mikrotvrdost nelze určovat obvyklými tvrdoměry, neboť vyžaduje
nesrovnatelně větší přesnost jak při zatěžování, tak i při proměřování vtisku. Nejpřesnější je
přímé zatěžování závažím nebo přesně cejchovanou pružinkou. K proměřování vtisku slouží
přesná optika.
Pro zkoušky mikrotvrdosti jsou použitelné jedině vnikací metody s diamantovým
indentorem. Prakticky přichází v úvahu pouze metoda Vickersova, Knoopova nebo
Bierkovičova.
Jednou z nejpřesnějších konstrukcí je u nás používaný Hanemannův mikrotvrdoměr (1940)
obr.č.7 (str. 8). Vnikací tělísko – Vickersův jehlan – je usazeno přímo do speciálního
objektivu, který se vloží místo normálního objektivu do metalografického mikroskopu.
Objektiv je zavěšen na pružných membránách, které dovolují pohyb ve směru optické osy.
Prohnutí membránových pružin, kterému odpovídá zatížení působící na diamant, se měří na
obrazu zatěžovací stupnice uvnitř objektivu. Po odlehčení a zaostření na strukturu se pomocí
měřícího okuláru změří vytvořený vtisk. Odpovídající mikrotvrdost se vypočítá dle vztahu:
F
HV =0,189 2
u
F – zátěžná síla [N], u – průměrná hodnota úhlopříčky [mm].
Podle použitého zatížení se mikrotvrdost značí např. HV 0,05 (0,49 N – 50g) obr.č. 8.
7
Obr. č. 7 – Hanemannův mikrotvrdoměr
Hodnoty mikrotvrdosti jsou
vždy vyšší než makrotvrdosti. Je to
způsobeno zmenšením vtisku po
odlehčení o elastickou deformaci, jejíž
podíl na celkové velikosti vtisku se
zvětšuje s klesající jeho velikostí.
Obr.
č. 8 – Mikrotvrdost stanovená
Hanemannovo
mikrotvrdoměrem
Nanoindentační zjištění mechanických hodnot
Nanotvrdost je termín pro hodnoty mikrotvrdosti zjištěné při extrémně nízkých hodnotách
zatížení (až 0,01 g). Takto vytvořené vtisky mají často rozměry menší než 100 nm (10-4mm).
Z důvodu požadované přesnosti naměřených hodnot mikrotrdosti jsou schopny užívané
přístroje (nanoindentory) měřit hloubku proniknutí indentoru
h
s přesností
až 0,2 nm - obr.č. 9.
8
Obr.č. 9 - Indentační křivka elasticko-plastického materiálu Lmax . (Pmax) je maximální
zatížení indentoru, hmax je maximální hloubka proniknutí indentoru, hf je hloubka proniknutí
indentoru po odlehčení S je sklon počátečního úseku odlehčovací křivky
Z hloubky průniku se stanoví veličina, která se označuje termínem dynamická
tvrdost DHV. Z indentační křivky lze získat množství informací a parametrů pro kvantifikaci
a porovnání deformačního chování materiálu např. maximální zatížení indentoru; hloubku
proniknutí indentoru při maximálním zatížení indentoru Lmax.
Dynamické zkoušky tvrdosti
V podstatě je třeba rozlišovat rázové zkoušky dvojího druhu. Buď je to zkouška
vnikací, u níž je avšak klidné zatěžování nahrazeno rázem, nebo zkouška založená na principu
měření velikosti odrazu indentoru spuštěného na zkoušený vzorek určitou energií.
Dynamické vnikací zkoušky jsou prováděny pomocí Kladívka Poldi nebo Baumanova
kladívka.
Měření kladívkem Poldi obr.č. 10
je založeno na srovnávací metodě.
Kladívko s vloženou porovnávací
tyčkou se přiloží na zkoušený
povrch a úderem kladívka na
úderník vznikne zároveň vtisk ve
zkoušeném
materiálu
a
v porovnávací
tyčce
známé
tvrdosti. Z velikosti obou vtisků se
v tabulce odečte tvrdost.
Obr. č. 10 – Dynamická zkouška tvrdosti Poldi kladívkem
Baumanovo kladívko pracuje na principu vyvolání rázové energie k vytvoření vtisku
pružinou, která má definovanou tuhost. Proto je kuličky vždy stejnou energií vtiskována do
zkoušeného materiálu.
9
Metoda pružného odrazu je založena na měření tvrdosti na základě
pružného odrazu standardního tělesa, padajícího z určité výše na
povrch kovu. Výška, nebo úhel odrazu tohoto standardního tělesa
charakterizuje tvrdost zkoušeného materiálu.
V principu se měří rozdíl pádem indentoru dodané energie
a energie získané útlumem pružných deformací. Celková energie je
součtem trvalých a pružných energií. Poměr těchto energií je pak
ukazatelem tvrdosti materiálu.
Shoreho skleroskop se skládá z kalibrované trubky, ve které se
pohybuje malé válcové těleso o váze asi 2,5 g zakončené na spodní
části kulovitě zabroušeným diamantem (obr.č. 11)Těleso volně padá
z výšky 254 mm (10“). Tato výška je rozdělena na 140 dílků. Stupnice
je volena tak, že HSH 100 odpovídá kalené oceli. Výška odrazu závisí
na modulu pružnosti materiálu, proto lze přesně srovnávat pouze
výsledky u materiálů s přibližně stejným modulem pružnosti.
Duroskop, který je méně používán než předchozí přístroj, se skládá
z kladívka s ocelovým kulovým vrchlíkem na čele. Toto kladívko
dopadá z určité výše na zkoušený předmět. Opět výška odrazu je
ukazatelem tvrdosti zkoušeného povrchu.
Obr.č. 11- Shoreho skleroskop
Zkoušky vrypové
Zkoušení tvrdosti kovů vrypem je založeno na myšlence Mohsovy stupnice pro zkoušení
minerálů. V této stupnici je seřazeno 10 nerostů, z nichž každý následující je schopen vyrýt do
všech předcházejících nerostů vryp. Sestavení nerostů dle Mohsovy stupnice je v tab. č. III.
Tab.č. III
1. mastek
2. sůl kamenná
3. vápenec
4. kazivec
5. apatit
6. živec
7. křemen
8. topas
9. korund
10. diamant
Pořadí materiálu používaného ve strojírenství
Grafit 0,5 cín 1,5 olovo 1,5 hliník 2 zlato 2,5
Stříbro 2,5 antimon 3,5 čisté železo 4,5 platina 4,5
Měkká ocel 5 iridium 6 tvrdá ocel 8,5
nitridovaný povrch 9 slinuté karbidy 9,8
Citlivost této stupnice je však velmi malá, proto se u kovů a jejich slitin určuje tvrdost na
základě šířky vytvořeného vrypu.
K určování této tvrdosti se používá přístroj, který zavedl Martens a pracuje na následujícím
principu. Po vyhlazené ploše zkoušeného kovu pojíždí diamantový kužel s vrcholovým úhlem
90°, který lze zatížit silou až 19,8 N. Vytvořený vryp se měří pomocí optického mikroskopu.
Číslem tvrdosti dle Martense je zatížení , které vytvoří vryp šířky 0,01 mm. Druhou možností
je, že se při stejném zatížení vytvoří vryp a porovnává se šířka vrypu.
Způsob zjišťování tvrdosti vrypovou metodou je značně nepřesný, a proto se velmi málo
používá. Jediné současné praktické využití vrypové zkoušky je možno nalézt při studiu velmi
tvrdých povrchových několik mikronů tenkých vrstev nitridů popř. karbidů kovů. V literatuře
se tato zkouška nazývá scratch test.
V tomto případě je zátěžná síla proměnná. Na určité délce se vytvoří vryp s narůstající
silou, např. od 0 do 1,96 N. U těchto vrstev se pak analyzuje jejich adhezivně-kohezivní
chování, tj. odezva vrstvy na pronikající pohybující se indentor. Indentor je opět diamantový
10
kužel avšak s vrcholovým úhlem 120° s poloměrem zaoblení vrcholu 0,2 mm. V tomto
případě se pak určuje kritické zatížení Lc, které mělo za následek adhezní odtržení vrstvy.
Obr.č 12 - Schématické znázornění vrypové
Standardní rychlost posuvu vzorku dx/dt má hodnotu 10 mm/min
a rychlost zvyšování síly dL/dt = 100 N/min. Hodnota drsnosti Ra měřeného povrchu by
neměla překročit hodnotu 0,25 µm.
Přístroj scratch testu zaznamenává průběh normálové Fn a tangenciální Ft síly působící
na indentor, případně i hodnoty frikčního koeficientu µ= Ft/Fn a signál akustické emise, který
vzniká při rozvoji a šíření vnitřních trhlinek vlivem vnějšího zatěžování obr.č.12. Po
provedení zkoušky se povrch vrypu vyhodnocuje pomocí optického popř. řádkovacího
elektronového mikroskopu. Sledují se lokality s adhezním i kohezním porušením vrstvy.
Všechna tato porušení vrstvy se vyhodnocují v korelaci s výsledky signálu akustické emise.
Zjištěné hodnoty se udávají v závislosti zatížení Lc a jsou plně uznávány jako veličiny
charakterizující adhezní vlastnosti systému tenká vrstva-substrát (obr. č. 13).
Obr.č. 13 – Koncová část vrypu zachycena řádkovacím elektronovým mikroskopem
11
Tab. č. IV – Možnosti použití jednotlivých analýz tvrdosti u různých strojních součástí
Zkoušený předmět
Žiletka, tenká planžeta
Hliníková fólie
Velký ocelový odlitek nebo
výrobek
Velký, povrchově tvrzený válec
Řezný nástroj (fréza ..)
Odlitek ze šedé litiny
Výstelka kluzného ložiska
Pochromovaná součást
Součásti s 5 µm tenkou vrstvou
nitridu kovu
Vhodná metoda
HM
HM
Poldi kladívko
Důvod volby
Velká tvrdost, malá tloušťka
Malá tloušťka, malá tvrdost
Velké rozměry
Shoreho skleroskop
HV, HRC
HB
HB, HRB, HRT
HM, Knoop, HRN
HM, nanoindentor
Scratch test
Velká tvrdost, velké rozměry
Velká tvrdost
Heterogenita struktury
Malá tvrdost, heterogenita
Malá tloušťka vrstvy, tvrdost
Velmi malá tloušťka, veliká tvrdost
Obr. č. 14 – Shrnutí základních metod měření mikrotvrdosti
Použitá literatura:
Pluhař J. et. all: Nauka o materiálech, Praha 1989.
Pluhař J., Korytta J.: Strojírenské materiály, Praha 1977.
Dobrzanski L. A.: Metaloznawstwo, Warszawa 1999.
Jareš V.: Základní zkoušky kovů a jejich teorie, Praha 1966.
Píšek F.: Nauka o materiálu II/1, Praha 1959.
Zedník V.: Zkoušení Kovů, Praha 1957.
12