Logisztikai és Gyártástechnikai Intézet Helyszíni műszerezett keménységméréssel meghatározható anyagjellemzők és azok reprodukálhatósága Lenkeyné dr. Biró Gyöngyvér Rózsahegyi Péter Köves Tibor Szávai Szabolcs BAY-LOGI Logisztikai és Gyártástechnikai Intézet

Vázlat Alkalmazható berendezések: laboratóriumi illetve hordozható műszerezett keménységmérő Erő-benyomódás görbe kiértékelésének elméleti háttere, kiértékelhető anyagjellemzők Vizsgálati program, vizsgálati eredmények Mérési bizonytalanság elemzése és csökkentési lehetőségei Összefoglalás

Mac-Tech Unihard S3 hordozható berendezés Műszerezett keménységmérő berendezések Mac-Tech Unihard S3 hordozható berendezés Terhelés: 50-500 N (0,05 N felbontás) Elmozdulás: max. 180 mm (0,05 mm) Erő és útmérés pontossága: <1% Behatolótestek:, WC kúp 120°, gömbfelület r = 1 mm

Hordozható műszerezett keménységmérő rögzítése helyszíni mérésekhez Szénacél esetén 4 vagy 2 db állandó mágnessel Rozsdamentes acél esetén 2 db hevederrel Elmozdulás mérés elve F behatolótest Útadó (mérő-bélyeges) távtartó Terhelés ráadás kézi mozgatású eszközzel Biztosítani kell, hogy a mérőeszköz ne emelkedjen el a felülettől, ellenkező esetben az útmérés pontatlan lesz.

Helyszíni keménységmérés folyamata Felület előkészítés: csiszolás, polírozás (Ø50-120 mm) Műszerezett keménységmérés (3-5 mérési pontban) Ellenőrzési lehetőségek: Lenyomat átmérők mérése (digitális mérőmikroszkóppal) Ellenőrzési lehetőség: Dinamikus keménységmérés (EQUOTIP dinamikus keménységmérővel)

Lenyomat és benyomódási görbe jellegzetes pontjai F =a•hb vagy Teljes benyomódási mélység: ht= hr + he Kontakt felülethez tartozó magasság: hc Kontakt felület átmérője: a =[(R2-(R-hc)2]0,5 Kontakt felület nagysága: A(hc)=•hc•(2R-hc) Vetített kontakt felület nagysága: Ap(hc)=•a hc=ht-he/2 (Doerner-Nix modell) hc=ht-0,75•Fmax/S (Oliver and Pharr modell)

Meghatározható anyagjellemzők Rugalmassági modulus – E Folyáshatár – Rp0,2 Szakítószilárdság – Rm Valódi feszültség – valódi nyúlás diagram (K, n)

Rugalmassági modulus meghatározása Redukált rugalmassági modulus: A minta rugalmassági modulusa: Ahol: - Redukált rugalmassági modulus: - Behatolótest rugalmassági modulusa: (650 000 MPa WC esetén) - Minta Poisson tényezője: (0,3 acélok esetén) - Behatolótest Poisson tényezője: (0,24 WC esetén)

Valódi feszültség - valódi nyúlás értékek meghatározásának elvi alapja A képlékeny alakváltozás mértéke golyó behatoló test esetén: Behatolótest átmérője: Lenyomat átmérője a terhelés megszűnése után: A feszültség értéke arányos a Meyer’s keménységgel: Meyer’s keménység: Ap(hc) - Vetített kontakt felület nagysága Tabor igazolta, hogy az ily módon meghatározott feszültség-nyúlás értékek megegyeznek az egytengelyű feszültség-nyúlás görbével a teljes képlékeny tartományban 32. Balatoni Ankét, Siófok, 2011. október 13-15.

ABIT (Automated Ball Intendation Test) módszer (Draft ASTM Standard, ISO standardisation is in progress) A mérés sematikus ábrája Benyomódás rugalmas része (Doerner-Nix, Oliver and Pharr modellből): hei=3Fi/2Si A benyomódás képlékeny része: hri = h ti - hei Módosított módszer A rugalmassági modulus (Es) ismeretében a leterhelés meredeksége (S) iterálással meghatározható minden pontban.

ABIT módszer si – valódi feszültség (MPa) ei – valódi képlékeny nyúlás (mm/mm) dri – lenyomat átmérője a terhelés megszűnése után (mm) D – behatolótest átmérője (mm) Fi – alkalmazott terhelés (N) hri – a hti benyomódási mélység képlékeny része (mm) Ei – behatolótest rugalmassági modulusa (MPa) Es – a vizsgált anyag rugalmassági modulusa (MPa) am – nyúlási sebesség érzékenységi index. Alacsony nyúlási sebesség érzékenységű anyagokra am =1. dri értékeket iterálással lehet meghatározni a fenti képletek felhasználásával, ezzel si értékek számíthatók

Folyáshatár meghatározása Szakítószilárdság becslése ABIT módszer Folyáshatár meghatározása Szakítószilárdság becslése A teljes mélységhez tartozó lenyomatátmérő: , pontokra függvény illesztése: e - természetes logaritmus alapja n - keményedési kitevő K - folyásgörbe paramétere A - a vizsgált anyagra jellemző paraméter Bm egy anyagra jellemző konstans, amelyet kísérletileg lehet meghatározni, nagyszámú minta felhasználásával – irodalmi adatok: Bm =0,2285 (szénacélokra) Bm =0,191 (ausztenites acélokra)

Laboratóriumi vizsgálatok Cél: a rendelkezésünkre álló műszerezett keménységmérő berendezés és az ABIT módszer alkalmazhatóságának vizsgálata mechanikai anyagjellemzők meghatározására Vizsgált anyagminőségek ausztenites acélok, ausztenites öntvények, ferrites acélok (határozott folyáshatárral, illetve határozott folyáshatár nélkül), ferrites öntvények. Keménységmérés Szakítóvizsgálat 10-10 próbatest Val. fesz. – val. képl. nyúlás diagram Val. fesz. – val. nyúlás diagram Rp0.2 és Rm Benyomódási görbe (500 N) 10-10 mérési pontban, Val. fesz. – val. képl. nyúlás diagram Val. fesz. – val. nyúlás diagram Rp0.2 és Rm

Vizsgált anyagminőségek Határozott folyáshatárral rendelkező szénacél anyagok 22K (gőzfejlesztő) S355 (szerkezeti acél, homogenizált, feszültségcsökkentett, etalonnak használt anyag) 20MnMoNi55 (alacsony ötvözésű hőálló acél)  Határozott folyáshatárral nem rendelkező szénacél anyag 15H2MFA (reaktor tartály) 15H2MFA edzett és 35 órán át megeresztett  Ausztenites acélok X6CrNiTi18-10 (etalonnak használt anyag) 08H18N12T (primerköri csővezeték anyag). A rendelkezésre álló minták: Kolai vezetékből, 100 000 h után kivett minták (KO3, KO5 jelölésű TPB25 törésmechanikai próbatest maradékok) Plattírozás (SZV08H19N10G2)

Vizsgálati eredmények Anyagminőség Szakítóvizsgálat ABI Rp0.2 (MPa) Rm K n 22K 250 (1,8%) 436 (2,3%) 792 (2,5%) 0,2326 (3,0%) 282 (4,7%) (5,3%) 772 (10,9%) 0,2317 (17,8%) S355 457 564 (0,8%) 906 (0,3%) 0,1679 (1,6%) 398 (5,1%) 601 (5,5%) 1026 (12,6%) 0,2082 (23,3%) 20MnMoNi55 479 620 (0,1%) 1012 (0,0%) 0,1653 433 (3,8%) 633 (3,2%) 1000 (6,7%) 0,1620 (13,0%) 15H2MFA 498 (0,5%) 617 (0,2%) 853 (0,4%) 0,0988 441 641 (4,6%) (11,3%) 0,1546 (25,7%) edzett és 35 óra megeresztett 777 (0,7%) 873 - 652 (3,5%) 845 (2,4%) X6CrNiTi18-10 305 582 937 0,2619 281 (8,2%) 523 (10,6%) 948 (21,3%) 0,2462 (31,6%) Plattírozás 583 806 1240 0,1529 513 (7,6%) 790 (8,4%) 1258 (18,6%) 0,1651 (34,7%) KO3 (08H18N12T) 299 (4,2%) 536 898 0,2495 (6,8%) 274 (4,9%) 506 (5,9%) 913 (11,9%) 0,2442 (19,4%) KO5 (08H18N12T) 296 540 (2,8%) 907 (4,0%) 0,2414 (2,1%) 275 510 (6,4%) 938 (10,8%) 0,2591 (14,5%) A műszerezett keménységmérésből meghatározott anyagjellemzők szórása nagyobb, mint a szakítóvizsgálati eredményeké – 500 N terhelésnél és 1 mm-es golyóátmérőnél

Mérés szórásának csökkentési lehetőségei Speciális labormérés Golyóátmérő és terhelés növelésének hatása

Folyáshatár értékek összehasonlítása Ez alapján az adott készülékre érvényes, anyagspecifikus korrigált Bm és b értékek határozhatók meg

Szakítószilárdság értékek összehasonlítása Gyakorlatilag nincs szükség korrekcióra

Keménységmérési eredmények összehasonlítása VEM-mel A szakítóvizsgálati eredményeket felhasználva meghatároztuk végeselemes számítással a benyomódási görbét Jó egyezést mutatott a VEM-mel meghatározott görbe a műszerezett keménységmérővel mért benyomódási görbével – különösen a felfutó ágban

Mért benyomódási görbék

Vizsgálati eredmények: Valódi feszültség–valódi nyúlás görbék

Érzékenységvizsgálatok – anyagvizsgálatokkal és VEM analízissel Tényező Jelölés Vizsgálatok VEM A szakítóvizsgálat mérési bizonytalansága usz X A keménységmérésből meghatározott értékek (Rm, Rp0.2) szórása uk A keménységmérésből meghatározott értékek átlagának eltérése a szakítóvizsgálati eredményektől ue A mérőkészülék merőlegességének hatása um A keménységmérő berendezés mérőrendszeréből származó bizonytalanság ub Behatolótest felületi hibája uf Behatolótest geometriai hibája ugh Vizsgálati sebesség hatása us Mérési felület görbületének hatása ug

Műszerezett keménységmérés bizonytalansága A típusú bizonytalanság – statisztikai értékelésen alapul: - A szakítóvizsgálat mérési bizonytalansága (usz) - A keménységmérésből meghatározott értékek szórása(uk) - A keménységmérésből meghatározott értékek átlagának eltérése a szakítóvizsgálati eredményektől (ue) B típusú bizonytalanság – egymástól független tényezők alapján: Tényező Jelölés Behatolótest felületi hibája uf Behatolótest geometriai hibája ugh Mérési felület görbületének hatása ug A mérőkészülék merőlegességének hatása um Vizsgálati sebesség hatása us A keménységmérő berendezés mérőrendszeréből származó bizonytalanság ub

Bizonytalanság csökkentésének lehetőségei ue- a szakítóvizsgálati eredmények és az ABIT mérési eredmények átlagos eltérésének csökkentése – korrekcióval 0-ra csökkenthető uf – a behatolótest felületi hibája – megfelelő ellenőrzéssel 0-ra csökkenthető ugh – a behatolótest geometriai hibája – max. 0,5 %-os elliptikus hiba elérhető és ellenőrizhető, ezzel 1,55%-ra illetve 1,7 %-ra csökkenthető ug – a mérési felület görbületi átmérőjének hatása – 500 mm-nél nagyobb átmérőt feltételezve max. 0,2 % elérhető um – A mérőkészülék merőlegestől való eltérésének hatása – a merőlegességet biztosító megbízható módszer híján nem lehet csökkenteni us – a vizsgálati sebesség hatása – elhanyagolható mértékű 0% ill. 1%. ub – a keménységmérő berendezés mérőrendszeréből származó bizonytalanság – készülék gyári jellemzői, nem csökkenthető, csak más készülékkel

A típusú mérési bizonytalanság csökkentési lehetőségei anyagminőségenként A szilárdsági paraméterekre vonatkozó, A típusú eredő mérési bizonytalanság átlagosan 20 ill. 50 %-kal csökkenthető: uA(Rp0.2) = 6,3 % uA(Rm) = 6,4 %

B típusú mérési bizonytalanság csökkentési lehetőségei anyagminőségenként A szilárdsági paraméterekre vonatkozó, alapanyag független B típusú eredő mérési bizonytalanság, mely az ABIT módszer vizsgálattechnikai bizonytalanságát a legjobban jellemzi – átlagosan 60 ill. 50%-kal csökkenthető: uB(Rp0.2) = 3,4 % uB(Rm) = 3,9 %

Összefoglalás Az elvégzett laboratóriumi ellenőrző vizsgálatok eredményei és tapasztalatai alapján, a következő megállapítások tehetők: Korábbi vizsgálatok igazolták, hogy a műszerezett keménységméréssel, a módosított ABIT módszert alkalmazva, a meghatározott valódi feszültség – valódi nyúlás diagramok jó egyezőséget mutatnak a szakítóvizsgálattal meghatározott görbével. Többféle anyagminőségen elvégzett nagyszámú mérés alapján megállapítható, hogy az alkalmazott ABIT módszer elsősorban a magas folyáshatárral rendelkező anyagok esetén alábecsli a folyáshatárt, a szakítószilárdság értékek viszont jól becsülhető. Az elvégzett mérések alapján korrekciós módszert dolgoztunk ki a Bm és b paraméterek meghatározására az adott mérőberendezésre, különböző anyagokra. Számszerűen meghatároztuk a mérési bizonytalanságot befolyásoló tényezők hatását és ez alapján meghatároztuk a mérési bizonytalanság csökkentésének lehetőségeit. Többféle atomerőművi anyagra meghatároztuk a műszerezett keménységmérés kiértékelésénél alkalmazandó speciális anyagi paramétereket, amelyek alkalmazásával a mérési bizonytalanság jelentősen csökkenthető.

Köszönöm a figyelmet!