Měření tvrdosti v kostce - metoda Vickers

Měření tvrdostí patří pří kontrole kvality a vlastností materiálů k velmi častým zkouškám, a to hlavně díky snadné proveditelnosti a rychlosti samotné zkoušky. Aby bylo měření korektní, je zde potřeba dodržovat určité předpisy, doporučení a normy. Jelikož se v praxi velmi často setkáváme s tím, že tomu tak nebývá, napadlo nás shrnout všechny zajímavosti a důležité předpisy o měření tvrdosti do třech článků, které budou postupně následovat:

• Měření tvrdosti v kostce metoda Vickers

• Měření tvrdosti v kostce metoda Brinell

• Měření tvrdosti v kostce metoda Rockwell

Pro mnohé z Vás to budou jistě známé věci (opakování je matka moudrosti), ale věřím, že pro některé by to mohlo být něco nového, zajímavého a hlavně něco, co posune měření tvrdosti vpřed.

Zajímavosti a informace uvedené v tomto článku jsou čerpány ze zkušeností, z praxe a samozřejmě i z Českých technických norem.

MĚŘENÍ TVRDOSTI METODOU VICKERS

Měřením tvrdosti kovových materiálů podle Vickerse se zabývají normy:

ČSN EN ISO 6507-1 - část 1: Zkušební metoda

ČSN EN ISO 6507-2 - část 2: Ověřování a kalibrace zkušebních strojů

ČSN EN ISO 6507-3 - část 3: Kalibrace referenčních destiček

ČSN EN ISO 6507-4 - část 4: Tabulky hodnot tvrdosti

Diamantové vnikací těleso, které má tvar čtyřbokého pravidelného jehlanu se čtvercovou základnou se vtlačuje do povrchu zkušebního vzorku definovanou silou po definovaný čas. Po odlehčení se pak měří velikosti úhlopříček vtisku.Naše tvrdoměry QATM (Qness) celý tento proces provedou zcela automaticky a zobrazí změřený vtisk a výslednou tvrdost na displeji. Není tedy potřeba ručně odečítat hodnoty v mikroskopu a počítat průměrnou hodnotu úhlopříček a pak odpovídající hodnotu hledat v tabulce hodnot tvrdosti.

F – Zkušební zatížení (N); α- průměrný úhel (nominálně 136°); d_{1, 2} – délka úhlopříček (mm)

Tvrdost podle Vickerse

Rozdělení zkušebního zatížení:

Zkušební zatížení se obecně rozdělují do tří kategorií dle jeho velikosti:

≥ HV 5                         zkouška tvrdosti podle Vickerse

HV 0,2 až < HV 5         zkouška tvrdosti podle Vickerse při nízkém zatížení

HV 0,001 až < HV 0,2  zkouška mikrotvrdosti podle Vickerse

Zápis hodnot tvrdosti:

Správné značení tvrdosti je velmi důležité, protože chybně zapsané výsledky nejsou vypovídající.  Naměřená tvrdost se musí značit dle normy tak, aby to bylo jednoznačné viz. následující příklad:

550 HV 10 / 20

550 - je hodnota tvrdosti

HV - metoda Vickers

10 - hodnota zkušebního zatížení 10kg (98,07N)

/ 20 – doba zatížení v sekundách. Hodnotu není potřeba uvádět, pokud leží v předepsaném rozsahu 10 až 15s

Jako s nejčastější chybou při zápisů výsledků se setkáváme s tím, že se neuvádí zkušební zatížení například hodnota 500HV. Hodnoty tvrdosti při různých zatíženích jsou odlišné. Přesné srovnání hodnot tvrdosti je tedy možné pouze při stejných zkušebních zatíženích a proto je nutné uvádět zápis správně, včetně zkušebního zatížení 500HV1.

Hodnota 500HV0,1 ≠ 500HV1 ≠ 500HV10

Aby byla zkouška proveditelná, tak je nutné dodržet následující:

• Tloušťka vzorku musí být minimálně 1,5násobek délky úhlopříčky vtisku. (pro představu: pro vzorek o tvrdosti 300HV10 musí být tloušťka vzorku 0,38mm)

• Měřený povrch vzorku je nutné před samotnou přípravou očistit a zbavit mastnoty.

• Je nutné připravit vhodnou drsnost povrchu a to broušením, případným leštěním. Je to z toho důvodu, aby měřený vtisk byl jasně viditelný a měřitelný. Pro větší zatížení jako např. HV10 stačí ve většině případů jen broušení diamantovými disky, které zachovají vysokou rovinnost a hranovou přesnost (brusný disk Galaxy modrý nebo Polaris M, Polaris H). Tyto moderní disky nahrazují původní způsob broušení SiC papíry zrnitost FEPA P600.

  Pro měření tvrdosti s nižšími zatíženími (1kg a méně) je nutné povrch leštit na 3µm a při velmi nízkých mikro zatíženích je nezbytné i leštění na 1µm a méně. Zde je nutné brát v potaz požadovanou rovinnost vzorku, proto bychom zde doporučili tvrdé lešticí plátno Delta či Sigma s diamantovou polykrystalickou suspenzí 3µm. Pro velmi malá zatížení pak finální leštění na plátně Zeta s diamantovou polykrystalickou suspenzí 1µm.

• Povrch je nutné připravovat tak, aby nedošlo ke změně jeho vlastností.

• Pokud se provádí zkoušky na zakřivených plochách je nutné použít korekce.

V praxi se setkáváme s tím,

že příprava povrchu neodpovídá danému měření – například hrubé broušení na metodu HV1. Ve většině případů si s tím vyhodnocovací systém tvrdoměrů QATM (Qness + ATM) poradí, ale samotné měření není zcela korektní, v souladu s normou a může být i horší opakovatelnost. Proto příprava povrchu pro metodu Vickers je velmi důležitá.

Tvrdoměr by měl být umístěn ve stálém pracovním prostředí na robustním stole a v místě bez vibrací. Zejména pro tvrdoměry s nižším a mikro zatížením se doporučuje tvrdoměr umístit i na antivibrační podložku.

Co se týká pracovního prostředí, doporučuje se teplota 10-35°C se vzdušnou vlhkostí maximálně 70% (nekondenzující). Tyto pracovní podmínky se nesmí měnit - musí být stálé. Zkoušky v řízených podmínkách musí být prováděny při teplotě 23±5°C. Pokud se teplota liší, musí se tato informace uvést do zkušebního protokolu.

Špatně umístěný tvrdoměr může vykazovat chyby při měření a vyhodnocení vtisků, případně se může snížit jeho přesnost nebo i jeho životnost.

Příklady z praxe špatně umístěných tvrdoměrů:

• Tvrdoměr těsně vedle trhačky nebo tvrdoměr v blízkosti lisu, bucharu – velké vibrace způsobující chyby v měření či vyhodnocení vtisku. Vlivem vibrací může dojít i ke snížení přesnosti a životnosti tvrdoměru.

• Tvrdoměr u okna – přímé sluneční světlo může způsobovat výraznou změnu teplot a také může docházet k nesprávnému nasvětlení vzorku.

• Tvrdoměr na nestabilním stole – vibrace, které způsobuje obsluha

Aby měření tvrdosti bylo co nejpřesnější a nebylo ovlivněno sousedními vtisky a okrajem vzorku, tak norma stanovuje předpis minimálních vzdáleností vtisků od sebe viz. následující obrázek

Legenda:

1 okraj zkušebního tělesa

2 ocel, měď a slitiny mědi

3 lehké kovy, olovo a cín a jejich slitiny

V případně tvrdoměru QATM (Qness + ATM) se o tento předpis nemusí uživatel starat, protože SW našich tvrdoměrů při zadávání šablony pohlídá tuto podmínku a upozorní Vás na případné malé rozestupy vtisků. Pokud i přesto je nutné měřit v rozestupech nižších, než uvádí norma, tak je možné rozmístit vtisky do dvojřad nebo trojřad.

Jedná se o jednu z nejdůležitějších úloh při měření tvrdosti. Zde je nutné dodržet normou stanovené předpisy. Velikost vtisku by měla být v rozmezí 25-75% zorného pole s tím, že u kamerových systémů lze využít i 100% zorného pole. Další podmínkou je, že rozdíl velikosti úhlopříček vtisku by neměl být vyšší než 5%. V jiném případě je to nutné uvést do zkušebního protokolu, nebo pokud je to možné, provést nové měření.

V minulosti bylo vyhodnocování vtisků velmi náročné pro obsluhu tvrdoměru, protože každý vtisk musel projít složitou procedurou, kterou si uživatelé moderních tvrdoměrů neumí ani přestavit:

Původní metoda měření vtisku

Moderní systémy

Ruční volba vyhodnocovacího objektivu tak, aby vtisk byl v rozmezí 25-75%  zorného pole.

Měřící SW automaticky doporučuje vhodné vyhodnocovací objektivy.

Ruční volba jasu a kontrastu.

Zcela automatické.

Ruční ostření vtisku – velmi důležitá úloha, protože špatné zaostření může způsobit chybu v měření.

Moderní tvrdoměry jsou vybaveny automatickým ostřením.

Ruční přeměření a odečtení úhlopříček pomoci mikrometru v okuláru tvrdoměru.

Bezobslužný proces, kde vyhodnocovací SW provede mnoho vyhodnocovacích algoritmů a vybere ten nejvhodnější.

Porovnání úhlopříček, jestli splňují podmínku rozdílu menších než 5%.

Automatické – v případě rozdílu je uživatel upozorněn.

Výpočet průměru uhlopříček a vyhledání odpovídající tvrdosti v tabulkách.

Zcela automatické. Uživateli se zobrazí vyhodnocený vtisk s příslušnou hodnotou tvrdosti a všech potřebných informací.

Není žádný záznam z měření.

Všechna data jsou uložena včetně všech vyhodnocených vtisků a snímků vtisků.

Této problematice se věnuje celá část normy ČSN EN ISO 6507-2 - část 2:

Ověřování a kalibrace zkušebních strojů. 

Bohužel, jak to tak bývá, v normě je tato část uvedena velmi vědecky, zastarale a některé předpisy jsou hodně tolerantní. Tuto část si většinou mnoho zákazníků přizpůsobí podle vlastních potřeb, samozřejmě za dodržení této normy.

Ověřování tvrdoměrů lze rozdělit do třech částí:

• Periodické ověřování

• Nepřímé ověřování

• Přímé ověřování

Periodické ověřování

Jedná se o pravidelnou kontrolu tvrdoměru, kde se musí kontrolovat:

• stav vnikacího tělesa - opticky na referenční destičce

• kontrola měřícího systému – přeměřením referenčních vtisků na referenční destičce (Popravdě toto se v praxi moc neprovádí, protože u moderních měřících systémů se předpokládá, že měřící systém se za normálních okolností nemůže rozladit.)

• zkouška tvrdosti na kalibrované tvrdoměrné destičce  - musí se provést nejméně dva vtisky na povrchu referenční destičky, přičemž vtisky musí být rovnoměrně rozmístěny a samozřejmě musí splňovat i podmínku minimálních rozestupů.
  Tvrdoměr se považuje za vyhovující, když procento systematické chyby b_rel vyhovuje podmínce dle normy – bližší informace o výpočtech jsou uvedeny v normě.

Jen pro představu:

měření 540HV 0,2 má rozptyl ± 9,52 % což je 540 ± 51 HV 1

měření 540HV 1 má rozptyl ± 5,08 % což je 540 ± 27 HV 1

měření 540HV 10 má rozptyl ± 3 % což je 540 ± 16 HV 1

Při měření v těchto tolerancích je tvrdoměr vyhovující.

Co se týká četností, tak toto norma přesně nedefinuje, ale zpravidla se tato kontrola provádí 1x denně a při nižším využití tvrdoměru před zahájím měření.

Ověření by se mělo provádět na certifikované kalibrační destičce podobné tvrdosti jako se měří. To znamená, že když se měří tvrdost 200HV10, tak by se měla použít podobně tvrdá destička, a ne provádět ověření na destičce 700 HV10.

Pro své zákazníky máme pro periodické ověřování zpracovaný speciální soubor (.xls), který hlídá všechny požadované hodnoty (i dle přísnější normy ASTM). Zákazník zadá pouze výrobní číslo kalibrační destičky QATM a všechny důležité informace se vyplní za něj.

Poté se už jen zadávají naměřená data. Pokud zákazník disponuje i automatickým tvrdoměrem od nás, tak je možné používat kalibrační manažer, který veškerou proceduru provede sám a zároveň dojde ke 100% využití tvrdoměrné destičky, což je obrovskou výhodou.

Naměřená data jsou pak automaticky exportována do tohoto souboru (.xls). Tento Excel soubor slouží i pro archivaci periodického ověřování a hlavně hlídá nadstandardní hodnoty jako opakovatelnost, střední hodnotu tvrdosti, přípustné chyby apod. Dále určuje i trend vývoje tvrdosti, ze kterého lze určit třeba opotřebení vnikacího tělesa, chybné měření nebo špinavé vnikací těleso.

Nepřímé ověřování

Musí se provádět jednou alespoň za 12 měsíců a po provedeném přímém ověření. Provádí se pomocí referenčních kalibrovaných destiček. Většina zákazníků tento proces nahrazuje dokonalejším přímým ověřováním.

Pokud se ověřuje více než jedno zkušební zatížení, musí se pro každé zatížení vybrat alespoň dvě referenční destičky tak, aby každá byla z jiného tvrdoměrné rozsahu (<250HV; 400 až 600 HV; >700HV)

Při kalibraci pouze jednoho zkušebního zatížení se musí použít tři destičky a každá musí mít jiný tvrdoměrný rozsah (<250HV; 400 až 600 HV; >700HV)

Pří této zkoušce se musí provádět:

• Kontrola měřícího systému – přeměřením referenčních vtisků na referenčních destičkách.

• Zkouška tvrdosti na kalibrovaných tvrdoměrných destičkách, kdy se musí provést pět vtisků na povrchu každé referenční destičky, přičemž vtisky musí být rovnoměrně rozmístěny a samozřejmě musí splňovat i podmínku minimálních rozestupů.

• Vyhodnocení výsledku – tímto se detailně zabývá norma 6507-2. Do vyhodnocení výsledků jsou zahrnuty střední hodnoty tvrdostí a úhlopříček, opakovatelnost, systematické chyby a nejistoty kalibrace a ověření. Pokud je vše toto splněno dle normy, tvrdoměr je nepřímo ověřen.

Přímé ověřování

Doporučuje se provádět přímé ověřování každých 12 měsíců, nebo když nastane následující:

• před prvním sestavením k činnosti
• po demontáži a montáži, pokud došlo k ovlivnění zatížení, měřícího systému nebo zkušebního cyklu
• nevychází nepřímé ověřování
• nepřímé ověřování je starší než 13 měsíců

Celá zkouška se skládá:

• kontrola zkušebního zatížení
• kontrola měřícího systému
• kontrola vnikacího tělesa
• celý proces nepřímého ověření pomocí referenčních destiček

Vnikací těleso musí mít přímé ověření při prvním použití (certifikát) a pak se doporučuje provést další přímé ověření po dvouletém užívání.

Referenční destičky

Slouží k nepřímému ověřování tvrdoměrů a musí vyhovovat normě ČSN EN ISO 6507-3.

Aby tvrdoměrná destička mohla získat certifikát a mohla být považována za referenční, je potřeba aby splnila následující:

• potřebná homogenita, strukturní stabilita, stálost povrchové tvrdosti a stabilita tvrdosti v čase
• tloušťka destičky nesmí být nižší než 5mm
• zkušební plocha destičky nesmí být vyšší než 40cm²

• nesmí být magnetická
• odchylka rovinnosti nesmí překročit 0,005mm.
• maximální chyba rovnoběžnosti nesmí překročit 0,01mm na délce 50mm
• zkušební povrch nesmí obsahovat rýhy, drsnost povrchu Ra nesmí být vyšší než 0,05µ
• v certifikátu uvedená tloušťka destičky s přesností 0,01mm nebo značka na zkušebním povrchu

Referenční destička je platná pouze pro stupnici, na kterou byla kalibrována. Doporučuje se, aby platnost kalibrace byla omezena na pět let. Pozornost je třeba věnovat zejména u slitin Al a Cu, kde kalibrační platnost se omezuje na dva až tři roky.

Zdroje:

ČSN EN ISO 6507-1. Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Vickerse: Část 1: Zkušební metoda. 1. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2018.

ČSN EN ISO 6507-2. Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Vickerse: Část 2: Ověřování a kalibrace zkušebních strojů. 1. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2018.

ČSN EN ISO 6507-3. Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Vickerse: Část 3: Kalibrace referenčních destiček. 1. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2018.

ČSN EN ISO 6507-4. Kovové materiály – Zkouška tvrdosti podle Vickerse: Část 4: Tabulky hodnot tvrdosti. 1. Praha: Česká agentura pro standardizaci, 2018.

Tento článek pro vás připravil náš zkušený kolega Ing. Petr Čvanda, kterého můžete kontaktovat v případě problémů, dotazů apod. na e-mail petr.cvanda@metalco.cz