Műszerezett keménységmérés alkalmazhatósága a gyakorlatban

Átírás

1 Műszerezett keménységmérés alkalmazhatósága a gyakorlatban Rózsahegyi Péter laboratóriumvezető Tel: (46) Mob: (30) Műszaki Kockázatmenedzsment Osztály Mechanikai Anyagvizsgáló Laboratórium

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

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

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

5 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

6 Műszerezett keménységmérés (Vickers) A s (h)=6,43. h A p (h)=4,50. h F HM = As(h) 1 1 HM = = m A (h)/h m 6,43 H IT = Fmax A (h p c s ) Martens keménység Lenyomat keménység h c = h max - ε. (h max -h r ), (ε = 0,75) Vickers keménység: HV = Fmax A (h s p ) A s (h p )=6,43. h p

7 Műszerezett keménységmérés (Vickers) h r meghatározás: - Lineáris extrapoláció F = ah+b - Power Law Módszer F = K(h - h p ) m F = b a C = mk(h max -h p ) m-1 meredekség (h max ) h r max F = Ch max + h r h r = F Ch max Rugalmassági modulus meghatározása: E r = C π A p E IT (h c = ) 1 E r 1 ν s 1 ν E i i lenyomodás rug. modulus ν s próbatest poisson tényezője ν i behatolótest poisson tényezője (0,07) E i behatolótest rug. Modulusza (1, ) A p (h c ) = 4,50h c

8 Mérést befolyásoló tényezők Felületi érdesség h 0Ra (R amax = 4 μm /alumínium/,, μm /acél/, 0,8 μm /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. 10h max vagy 3d max )

9 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 1 0 pont meghatározás közelítő görbével (F max 5-10%-a között) F = (h b) m - Kiküszöböli a kezdeti bizonytalanságokat m,b konstans - Egységesen F=0,1 N h 0 meghatározható

10 Digitális szűrés

11 Berendezés kalibrálása Erő mérés kalibrálása (gyári kalibrálás) Útmérés kalibrálás és gép merevség meghatározás (közvetett módon) Keménység meghatározás HV = Fmax A (h s p ) Rugalmassági mod. meghatározás E r = C π A p (h c ) E IT = 1 E r 1 ν s 1 ν E i i Kalibrálás Vickers etalonnal (HV10=317, E=10000 MPa)

12 Berendezés kalibrálása Kalibrálás menete: I. h I = k. h II. h II = h I F. c k: konstans F: terhelő erő C: gép merevsége k = 1,09 c = 0,08 μm/n

13 Berendezés kalibrálása Mérési eredmények: Mérési pont Mérőmikroszkóp HV10 HV10 Alexandra (eredeti) E (MPa) HV10 Alexandra (kalibrált) E (MPa) Átlag: Szórás: 4,9 13, ,

14 Összehasonlító vizsgálatok (szakítóvizsgálat) Vizsgálati körülmények: Vizsgáló berendezés: INSTRON 8803 Vizsgálati mód: útvezérlés Vizsgálati sebesség: 3 mm/perc Extensométer jeltáv: 10 mm Tárolt paraméterek: erő(f), alakváltozás (ΔL) Vizsgált anyagminőségek: acél, alumínium, réz, titán Meghatározott paraméterek: Rugalmassági modulus (E) Szakító szilárdság (R m ) Egyezményes folyáshatárt (R p0. ) R = F S ϕ = ln 0 (1+ ε) L L 0 n R = Kϕ

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

16 Vizsgálati eredmények összehasonlítása Acél R m = 61 MPa R p0. = 408 MPa Mérési pont Mérőmikroszkóp HV10 Szakítóvizsgálat E (MPa) Alexandra HV10 E (MPa) 1 190, , , , , Átlag: 18, Szórás: 9, ,

17 Vizsgálati eredmények összehasonlítása Titán R m = 440 MPa R p0. = 38 MPa Mérési pont Mérőmikroszkóp HV10 Szakítóvizsgálat E (MPa) Alexandra HV10 E (MPa) Átlag: Szórás: 17, ,

18 Vizsgálati eredmények összehasonlítása Alumínium R m = 54 MPa R p0. = 43 MPa Mérési pont Mérőmikroszkóp HV10 Szakítóvizsgálat E (MPa) Alexandra HV10 E (MPa) Átlag: Szórás:, ,8 6 56

19 Vizsgálati eredmények összehasonlítása Réz R m = 63 MPa R p0. = 507 MPa Mérési pont Mérőmikroszkóp HV10 Szakítóvizsgálat E (MPa) Alexandra HV10 E (MPa) Átlag: Szórás: 4, ,

20 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: 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.

21 Hivatkozások MSZ EN ISO :003 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 004 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. Jan-Jun 005