Műszerezett keménységmérés alkalmazhatósága a gyakorlatban Rózsahegyi Péter laboratóriumvezető Tel: (46) 560-137 Mob: (30) 370-0029 Műszaki Kockázatmenedzsment Osztály Mechanikai Anyagvizsgáló Laboratórium

Műszerezett keménységmérő Meghatározható anyagtulajdonságok Tartalom Műszerezett keménységmérő Meghatározható anyagtulajdonságok Berendezés kalibrálása Összehasonlító vizsgálatok és eredményei Összefoglalás

Műszerezett keménységmérő Típus: Romolus WorkStation + Alexandra I. műszerezett keménységmérő Gyártó: Quad Group Benyomódási mélység tartomány: 600 mm Benyomódás felbontása: 0,156 mm Benyomódás mérés hibája: <1% Maximális terhelés: 220 N Erőmérés felbontása: 0,06 N Erőmérés hibája: <1% Terhelési sebesség: 1 N/sec Behatolótest típus: Vickers, Rockwell C Maximális próbatest vastagság: 2,54 cm

Meghatározható anyagi paraméterek Műszerezett keménységmérő Meghatározható anyagi paraméterek Rugalmassági modulus (E) Keménység (HV, HRC) Folyáshatár (közelített érték) Keményedési kitevő (közelített érték) Feszültség-nyúlás diagram (közelített érték)

A Romolus Workstation további vizsgáló moduljai Műszerezett keménységmérő A Romolus Workstation további vizsgáló moduljai Hajlító vizsgálat modul Szakító vizsgálat modul Csavaró vizsgálat modul Tépő vizsgálat modul Nyíróvizsgálat modul Bevonati réteg tapadás vizsgáló modul

Műszerezett keménységmérés (Vickers) As(h)=26,43 . h2 Ap(h)=24,50 . h2 Martens keménység Benyomódási keménység hc = hmax - e (hmax - hr), (e = 0,75) Vickers keménység: As(hp)=26,43 . hp2

Műszerezett keménységmérés (Vickers) hr meghatározás: - Lineáris extrapoláció F = ah+b - Power Law Módszer F = K(h - hp)m C = mK(hmax- hp)m-1 meredekség (hmax) F = Ch+ b Rugalmassági modulus meghatározása: ns – próbatest poisson tényezője ni – behatolótest poisson tényezője (0,07) Ei – behatolótest rug. Modulusza (1,14.106) Ap(hc) = 24,50hc2 – érintkező felület vetülete C – lefutó görbe meredeksége a hmax pontban benyomodás rug. modulus

Mérést befolyásoló tényezők Felületi érdesség h≥20Ra (Ramax = 4 mm /alumínium/, 2,2 mm /acél/, 0,8 mm /keményfém/) – 100 N-os terhelésnél Párhuzamosított felületek (max. 1°-os eltérés) Alátámasztás tisztasága (tiszta, pormentes felület) Erő és benyomódás értékekre kerülő elektromos zaj (szünetmentes táp alkalmazása vagy digitális szűrés) Próbatest inhomogenitása, szemcseméret (növelheti a szórást) F – h görbe kiinduló pontjának meghatározása (jelentősen befolyásolja a mérési eredményeket) Vizsgálati hőmérséklet stabilitás Próbatest vastagság (min. 10hmax vagy 3dmax)

F- h görbe kiinduló pontjának meghatározása Rosszul megválasztott kiindulási pont jelentősen befolyásolja a keménység és rugalmassági modulus értékeket! Erőnövekedésre indul az F – h görbe rögzítése - A kezdeti bizonytalanságok és az elektromos zaj miatt növeli a szórást 0 pont meghatározás közelítő görbével (Fmax 5-10%-a között) Kiküszöböli a kezdeti bizonytalanságokat Egységesen F=0,1 N  h0 meghatározható m,b – konstans

Digitális szűrés

Berendezés kalibrálása Erő mérés kalibrálása (gyári kalibrálás) Útmérés kalibrálás és gép merevség meghatározás (közvetett módon) Keménység meghatározás Rugalmassági mod. meghatározás Kalibrálás Vickers etalonnal (HV10=317, E=210000 MPa)

Berendezés kalibrálása Kalibrálás menete: I. hI = k . h II. hII = hI – F . c k: konstans F: terhelő erő C: gép merevsége k = 1,09 c = 0,028 mm/N

Berendezés kalibrálása Mérési eredmények: Mérési pont Mérőmikroszkóp Alexandra (eredeti) (kalibrált) HV10 E (MPa) 1 313 338 89 114 318 212 041 2 321 365 80 239 329 208 440 3 326 364 87 286 328 200 199 4 317 339 89 976 308 222 363 5 322 360 92 936 330 220 095 Átlag: 320 353 87 910 323 212 627 Szórás: 4,9 (1,5%) 13,4 (3,8%) 4 748 (5,4%) 9,6 (3%) 8 984 (4,2%)

Összehasonlító vizsgálatok (szakítóvizsgálat) Vizsgálati körülmények: Meghatározott paraméterek: Rugalmassági modulus (E) Szakító szilárdság (Rm) Egyezményes folyáshatárt (Rp0.2) Vizsgáló berendezés: INSTRON 8803 Vizsgálati mód: útvezérlés Vizsgálati sebesség: 3 mm/perc Extensométer jeltáv: 10 mm Tárolt paraméterek: erő(F), alakváltozás (DL) Vizsgált anyagminőségek: acél, alumínium, réz, titán

Szakítóvizsgálati eredmények

Összehasonlító vizsgálatok (műszerezett keménységmérés) Vizsgálati paraméterek: Vezérlési mód: erővezérlés Terhelési sebesség: 1N/sec Maximális terhelés: 100 N

Benyomódási görbék

Vizsgálati eredmények összehasonlítása Rm= 612 MPa Rp0.2 = 408 MPa Acél Mérési pont Mérőmikroszkóp Szakítóvizsgálat Alexandra HV10 E (MPa) 1 190,5 207 160 199 212 574 2 175,1 210 070 179 202 787 3 177,3 210 600 168 215 759 4 173,6 - 169 181 618 5 193,5 178 230 754 Átlag: 182,0 209 277 208 699 Szórás: 9,3 (5,1%) 1 852 (0,9%) 12,4 (6,9%) 18 163 (8,7%)

Vizsgálati eredmények összehasonlítása Rm= 440 MPa Rp0.2 = 328 MPa Titán Mérési pont Mérőmikroszkóp Szakítóvizsgálat Alexandra HV10 E (MPa) 1 191 113 130 166 104 300 2 169 99 485 172 104 338 3 147 105 620 165 121 729 4 179 - 189 130 416 5 184 186 115 768 Átlag: 174 106 078 115 310 Szórás: 17,3 (9,9%) 6 834 (6,4%) 12,4 (6,9%) 11 305 (9,8%)

Vizsgálati eredmények összehasonlítása Rm= 254 MPa Rp0.2 = 243 MPa Alumínium Mérési pont Mérőmikroszkóp Szakítóvizsgálat Alexandra HV10 E (MPa) 1 64 77 971 60 76 335 2 69 73 434 68 89 910 3 70 - 67 90 633 4 88 708 5 63 93 046 Átlag: 75 703 65 87 726 Szórás: 2,4 (3,5%) 3 208 (4,2%) 3,8 (5,8%) 6 562 (7,5%)

Vizsgálati eredmények összehasonlítása Rm= 623 MPa Rp0.2 = 507 MPa Réz Mérési pont Mérőmikroszkóp Szakítóvizsgálat Alexandra HV10 E (MPa) 1 217 121 500 205 116 928 2 206 115 170 182 95 395 3 216 118 190 203 84 103 4 211 - 158 102 161 5 214 165 97 055 Átlag: 213 118 287 99 128 Szórás: 4,5 (2,1%) 3 166 (2,7%) 21,7 (11,9) 11 938 (12%)

Összefoglalás A vásárolt műszerezett keménységmérő eddigi használata és kalibrálása során szerzett tapasztalatok alapján a következő megállapítások tehetők: A műszer a makro terheléstartományba sorolható (szabvány szerint: 2 N ≤ F ≤ 30 kN) – Makrotulajdonságok mérésére használható. Sok a vizsgálati eredményt befolyásoló tényező, ezért körültekintő vizsgálat előkészítést igényel (zajmentesség, próbatest polírozás, párhuzamosítás, pormentesség, biztosítani kell a légmentes felfekvést, stb.) A vizsgálatok azt mutatták, hogy acél alapanyagok keménységének és rugalmassági modulusának megállapítására alkalmas, de több mérés szükséges a magas szórás miatt. Titán, réz és alumínium vizsgálatánál ismerni kell a lenyomat alakját, torzulását, annak függvényében lehet következtetni a keménységre és a rugalmassági modulusra. További vizsgálatok szükségesek ezen a területen. A benyomódási görbéből különböző módszerekkel meghatározható még a folyáshatár és a valódi feszültség - valódi nyúlás diagram. A műszerezett keménységmérésnek ez az egyik legfontosabb előnye. Az így meghatározott anyagjellemzők összehasonlítását a hagyományos módszerekhez meghatározott anyagjellemzőkhöz, különböző anyagokra a közeljövőben tervezzük.

Hivatkozások MSZ EN ISO 14577-1:2003 – Metallic Materials – Instrumented indentation test for hardness and materials parameters – Part 1: Test method Marta Mata Burgeroas: Continuum analysis of sharp indentation experiments in metallic materials: theory and finite element simulation. December 2004 Eduard Kimmari and Lembit Kommel: Application of the continuous indentation test method for the characterisation of mechanical properties of B4C/Al composits Varga Ferenc, Tóth László, Guy Pluvinage: Anyagok károsodása és vizsgálata különböző üzemi körülmények között. Keménységmérés. Miskolc, 1999 Nurot Panich, Sun Yong: Improved Method to Determine the Hardness and Elastic Moduli using Nano Indentation. KMITL Sci. J. Vol. 5 No. 2 Jan-Jun 2005