KURZUS: Anyagismeret

MODUL: A szerkezeti anyagok tulajdonságai és vizsgálatuk

5. lecke: Keménységmérés

|  | A keménység fogalma Brinell keménységmérés elve, mit és hogyan kell megválasztani, alkalmazási területe Vickers keménységmérés elve, mit és hogyan kell megválasztani, alkalmazási területe Rockwell keménységmérés elve, mit és hogyan kell megválasztani, alkalmazási területe
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | definiálni a keménység fogalmát felsorolni a keménységmérés alkalmazásának indokait rendszerezni a keménységmérési eljárásokat párosítani a keménységmérési eljárásokat a megfelelő benyomószerszámokkal kiválasztani a keménységmérési eljárások szabványos mértékegységeit kiválasztani az anyagjellemzőknek megfelelő keménységmérési eljárásokat
|  | Keménység
|  | Az anyagok egyik legfontosabb tulajdonsága a keménységük. A fémek és ötvözetek keménységmérése nagyon elterjedt.
|  | A keménység alatt a fémnek azt az ellenállását értjük, amelyet a fém egy nála keményebb test behatolásával szemben kifejt.
|  | Miért olyan elterjedt a keménységmérés?
|  | a mérés gyors, egyszerű a darabon "roncsolásmentesen" elvégezhető az eredményekből kísérletileg meghatározott összefüggések alapján egyéb anyagjellemzőkre is következtethetünk a technológiai folyamatba beilleszthető
|  | A keménységmérő eljárások osztályozása
1. Az egyes eljárások után visszamaradó lenyomat kicsi, és csaknem minden esetben található a darabokon olyan hely, ahol a lenyomat nem zavarja a későbbi felhasználást. 2. Pl. a hőkezelő üzemben a gyártási folyamat közben ellenőrizhető a keménység. |  |
|  | Az alakváltozás létrehozásával mérő vagy (klasszikus) eljárások
|  | Az alakváltozás előidézésének módja szerint
|  | Statikus eljárások szúró karcoló dinamikus
|  | A külső behatásra bekövetkező alakváltozás mérésének módja:
|  | a lenyomat felületét meghatározó (átló-, átmérő méréssel) benyomódási mélységet mérő
|  | A statikus mérések elve
|  | A meghatározásból következően az, hogy egy szabványos anyagú, alakú és méretű kemény testet (benyomó szerszám) meghatározott ideig ható terheléssel a mérendő anyag felületébe nyomunk, és vagy a terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosával, (HB, HV) vagy a benyomódás mélységéből képzett számmal (HR) jellemezzük a keménységet. A terhelést lassan adjuk rá a benyomó szerszámra, ezért a módszereket statikus keménység méréseknek nevezzük.

|  | Brinell keménységmérés MSZ EN ISO 6506-1(mérés)-2 (ellenőrzés, kalibrálás)
|  | A mérés során D átmérőjű keményfém golyót F terhelő erővel belenyomunk a darabon legtöbbször köszörüléssel előkészített sík felületbe. Ezáltal d átmérőjű, h mélységű gömbsüveg alakú lenyomat képződik.
1. ábra. A Brinell keménységmérés elve
2. ábra. Keménységmérő gép
|  | A Brinell keménység értelmezése
|  | Brinell keménységen az F terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosát értjük.
|  | Jele: HB [-]
|  | A lenyomat egy gömbsüveg, ennek a felülete D π h . Ezzel a keménység számértéke:
HB = 0,102 ∗ F A = 0,102 ∗ 2 F D π ( D − D 2 − d 2 )
|  | A keménység mértékegység nélküli szám!
3. ábra. A Brinell keménység értelmezése
|  | Mi kell megválasztani és hogyan?
|  | A golyó A mérésnél használt golyó keményfém (wolfram karbid) (régebben edzett acél) átmérője D 10; 5; 2,5; 2 és 1 mm méretét a mérendő anyag vastagságának, és a mérési körülményeknek (keménységmérő gép) megfelelően választjuk meg. Figyelembe kell vennem tehát, hogy a rendelkezésemre álló géppel az adott erő létrehozható vagy nem. pl. D=5 mm golyóátmérő esetén acéloknál a szükséges terhelés 7355 N (750 kp). A legtöbb keménységmérő gép pedig F= 2450 N terhelés létrehozására alkalmas. Ebben az esetben vagy D=2,5 mm átmérőjű golyót választok, vagy olyan gépet kell választani amellyel a mérés elvégezhető. A terhelő erő A mérendő anyag és a golyóátmérő függvényében választhatjuk meg, úgy, hogy lenyomat d mérete 0,25 és 0,6D közé essen.
F = 9,81 ∗ K ∗ D 2 [ N ]
|  | K a terhelési tényező (a mérendő anyag keménységétől függ!
|  | A K terhelési tényező értékét a szabvány tartalmazza, kisebb keménységű anyagok esetében kisebb, míg keményebb anyagnál nagyobb.
4. ábra. K terhelési tényező értéke az MSZ EN ISO 6506-1 szabvány alapján
|  | A mérés elvégzése
|  | A vizsgálandó felületet fémesre tisztítjuk (köszörülés) Egy darab keménységének a meghatározásához legalább három mérést kell elvégezni. Ezek átlagaként adhatjuk meg a keménységet. Fontos, hogy a lenyomatok ne legyenek túl közel, mert a keménységmérés lényegében képlékeny alakítás, ezért a lenyomat közvetlen környezetében az anyag felkeményedik. Ha ide kerül a következő lenyomat, a mért érték a tényleges értéknél nagyobb lesz. Ha a lenyomat túl közel van a darab széléhez, a deformációnak (a golyó benyomódása) kisebb az akadálya, tehát a darabot puhábbnak mérem a ténylegesnél. Ezek elkerülésére írja elő a szabvány a lenyomatok egymáshoz és a darab széléhez szükséges helyzetét. A lenyomatok a darab szélétől és egymástól legalább 2,5d - 3d távolságra legyenek.
|  | A terhelés megszüntetése után a lenyomat két egymásra merőleges átmérőjét (d) mérjük a keménységmérő gépre szerelt mérőberendezés segítségével 0,001 mm pontossággal.
5. ábra. Brinell lenyomat és a lenyomat méretének meghatározása
|  | A HB Brinell keménységet a két mért érték átlagának, és a terhelő erőnek a függvényében táblázatból keressük ki.

|  | A mérés jegyzőkönyvezése
|  | A HB keménység mérőszáma kismértékben függ a terhelő erőtől és a golyóátmérőjétől!
|  | Ezért a mért érték mellett fel kell tüntetni a golyóátmérőt, a terhelő erőt és a terhelés idejét, ha az nem D=10 mm F=29430 N azaz 3000 kp és 30 másodperc.
|  | Pl. 185HB2,5/187,5/20. A mérés D=2,5mm golyóval, F=1840 N azaz 187,5 kp terheléssel 20 másodperc terhelési idővel történt, és a darab keménysége 185 HB
|  | Alkalmazási területe, korlátok
|  | Elsősorban öntöttvasak, könnyű- és színesfémek, kisebb keménységű, lágyított normalizált acélok mérésére használják A Brinell keménységmérés acél golyó esetén 450 HB-nél keményfém esetén 650 HB-nél keményebb anyagok mérésére nem alkalmas, mert a golyó esetleges deformációja a mérést meghamisítja. Nem alkalmas vékony lemezek mérésére, (túl nagy a benyomódás)
|  | Összefüggés a HB és az Rm között
|  | A Brinell keménység és a szakítószilárdság között összefüggés van. Az összefüggés azonban csak közelítő, célszerű a vasalapú ötvözetek keménységi értékek összehasonlítására szolgáló szabvány használata! (MSZ 15191-2)
|  | Vizsgálat növelt hőmérsékleten
A keménység a magasabb hőmérsékleten általában kisebb. |  | A magasabb hőmérsékleten üzemelő alkatrészek pl. melegalakító szerszámok, kokillák, belsőégésű motorok dugattyúi keménységének meghatározását teszi lehetővé
6. ábra. A növelt hőmérsékleten végzett Brinell keménységmérés elve
|  | Vickers keménységmérés MSZ EN ISO 6507-1(mérési elv)-2 ellenőrzés, kalibrálás
|  | A Vickers keménységmérés során 136° csúcsszögű négyzet alapú gyémánt gúlát nyomunk F terheléssel a próbadarab felületébe.
7. ábra. A Vickers keménységmérés elve

|  | Vickers keménység mérőszáma HV
|  | A Vickers keménység a Brinellhez hasonlóan a terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosa. A lenyomat felületének meghatározásához a terhelés megszüntetése után a négyzet alakú lenyomat átlóit (d) mérjük.
HV = 0,102 ∗ 1,854 ∗ F d 2
8. ábra. A Vickers keménység mérőszámának meghatározása
9. ábra. A Vickers lenyomat méretének meghatározása
|  | Az (1) üvegablak az alsó (2) csavar segítségével elmozdítható. A lenyomat bal sarkához igazítjuk a (3) skála egyik vonalát, majd a mikrométer csavarral (5) a (4) skála egyik vonalát állítjuk a másik (jobb) csúcshoz. A leolvasásánál számoljuk a teljes skála osztásközök számát, majd annak 10 részre osztott skáláján (6) a következő tizedesjegyet, végül a mikrométercsavar palástján (7) az ezredeket.
|  | A Vickers mérés univerzális, csaknem minden anyag, lágy és kemény mérésére alkalmas.
|  | Mi kell megválasztani és hogyan?
|  | terhelés
|  | A terhelő erő 9,8 - 980 N azaz 1 - 100 kp között választható az anyagminőség és a vastagság függvényében. A terhelés megválasztásánál azt kell figyelembe venni, hogy lágyabb anyagnál célszerű kisebb terhelés, hogy ne legyen túl nagy a lenyomat. A gyakorlatban acéloknál legtöbbször a F=294 N (30 kp) terhelést használjuk.
|  | Megjegyzés: A terhelés változtatásával a lenyomat felülete közel arányosan változik, ezért a Vickers keménység bizonyos határon belül a terhelő erőtől független.
|  | A mérés elvégzése
|  | A vizsgálandó felületet fémesre tisztítjuk (köszörülés) Egy darab keménységének a meghatározásához legalább három mérést kell elvégezni. Ezek átlagaként adhatjuk meg a keménységet. Fontos, hogy a lenyomatok ne legyenek túl közel, mert a keménységmérés lényegében képlékeny alakítás, ezért a lenyomat közvetlen környezetében az anyag felkeményedik. Ha ide kerül a következő lenyomat, a mért érték a tényleges értéknél nagyobb lesz. Ha a lenyomat túl közel van a darab széléhez, a deformációnak (a golyó benyomódása) kisebb az akadálya, tehát a darabot puhábbnak mérem a ténylegesnél. Ezek elkerülésére írja elő a szabvány a lenyomatok egymáshoz és a darab széléhez szükséges helyzetét. Azaz a lenyomatok a darab szélétől és egymástól legalább 2,5d - 3d távolságra legyenek. A terhelés megszüntetése után a lenyomat két egymásra merőleges átlóját (d) mérjük a keménységmérő gépre szerelt mérőberendezés segítségével 0,001mm pontossággal. A két érték átlagának, és a terhelő erőnek a függvényében a keménységet táblázatból keressük ki. (Lásd az ábrát )
|  | Kisterhelésű keménységmérés Vickers szerint
Megjegyzés: Gyakran mikrokeménységmérőnek nevezik. |  | Bizonyos esetekben szükség van arra, hogy a darab felületén a lenyomat nagyon kicsi legyen, vagy nagyon kis felületeken kell mérni. Erre alkalmas a kisterhelésű Vickers keménységmérés.
|  | Különféle felületi hőkezelések után az edzett darabok felületi kérgében, vagy vékony lemezeken, bevonatokon stb.kis terheléssel (5 - 19,62 N azaz 0,5-2 kp) is végezhetünk Vickers keménységmérést. A mért értéknél mindig fel kell tüntetni a terhelés nagyságát pl. 783 HV 1,0 A darabot a méréshez csiszolással és polírozással kell előkészíteni. A lenyomatot 0,2 μ m pontossággal kell mérni.
10. ábra. Kisterhelésű Vickers keménységmérő gép

|  | Kisterhelésű keménységmérés Knoop szerint
|  | A kisterhelésű keménységmérés elvégezhető Knoop szerint is. Ebben az esetben a benyomószerszám alakja más.
|  | (A gyémánt benyomó szerszám, élszöge egyik irányban 130°, a másik irányban 172°30'. A benyomódás felülnézetben rombusz. Ez a Knoop-féle módszer. A terhelés 0,98- 49 N azaz 0,1- 5 kp között változhat. A keménységet a terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosa adja.)
11. ábra. Knoop-féle keménységmérő gyémánt
12. ábra. Vickers és Knoop lenyomat
|  | Rockwell keménységmérés (MSZ EN ISO 6508-1 (mérési elv) -2 ellenőrzés, kalibrálás)
|  | A mérés különbözik az eddig ismertetett HB és HV módszerektől, mivel a különböző benyomó szerszámokkal létrehozott lenyomat mélységéből következtet a keménységre.
|  | Rockwell keménységmérési elve
|  | A benyomó szerszám 1,59 mm (1/16") átmérőjű edzett acél golyó (HRB) vagy 120° csúcsszögű gyémánt kúp ( HRA és HRC). A terhelést két fokozatban adjuk. Az előterhelés (mindhárom esetben 98 N azaz 10 kp) szerepe, hogy a szerszám megbízhatóan érintkezzen a darabbal. A főterhelés (a különböző a HRA, HRB és HRC esetében) megszüntetése után a lenyomat leolvasható a Rockwell keménységmérő gépre szerelt mérőóráról.
|  | A Rockwell keménység mérőszáma:
|  | HRA és HRC esetében = 100 - e HRB esetében = 130 - e
|  | ahol e a benyomódás maradó mélysége a főterhelés levétele után 0,002 mm egységben kifejezve.
Jelölések az ábrán: Fo előterhelés F1 főterhelés ho az előterhelés hatására kialakuló benyomódás (nem mérjük, itt nullázzuk a mérőórát) h1 az Fo és F1 hatására kialakuló benyomódás (rugalmas+ maradó) e a maradó benyomódás mm értéke osztva 0,002 mm-el |  |
13. ábra. A Rockwell keménységmérés elve (HRC)
|  | Rockwell keménységmérési eljárások
A három féle módszer közül a HRC a legelterjedtebb. Kemény anyagok, elsősorban edzett acélok keménységének mérésére használják. A HRA lágyacélok, keményfémek, kerámiák, a HRB pedig kisebb keménységű anyagok pl. acélok mérésére alkalmas. |  | HRA HRB HRC
|  | A benyomó szerszám 1,59 mm (1/16") átmérőjű edzett acél golyó (HRB) vagy 120° csúcsszögű gyémánt kúp (HRA és HRC).
|  | Rockwell eljárások (terhelés, alkalmazási terület)

|  | Keménységmérő gépek
14. ábra. Univerzális keménységmérő gép
|  | A keménységmérő gépek kalibrálása, hitelesítése
|  | A keménységmérő gépek ellenőrzésére ismert keménységű etalonokat használnak. A gépeket legalább évente egyszer az arra feljogosított szervezettel (OMH stb.) kalibráltatni kell.
A gyártó cég garantálja, hogy az etalondarab felületén adott módszerrel mérve a keménység a felületen feltüntetett érték. Ezzel lehet ellenőrizni a benyomótestek illetve a gép állapotát. |  |
15. ábra. Keménységmérő etalon
|  | Dinamikus keménységmérések
|  | Szúrószerszámmal mérő Poldi Rugalmas visszapattanás elvén Shore durométer Equotip
|  | Poldi féle dinamikus keménységmérés
|  | Vas és nem vas fémek és ötvözeteik összehasonlító mérésére szolgál. A mérés során egy 10 mm átmérőjű golyó hoz létre lenyomatot egy ismert keménységű etalonon és a vizsgált darabon. A mérés fizikai elve megegyezik a Brinellel. D=10 mm Az erőt a készülékre mért kalapácsütéssel hozzuk létre. A keménység az alábbiak alapján határozható meg:
A 2-es a vizsgált darab, az 1 jelzésű az ismert keménységű etalon. Lásd a 16. ábrát! |  |
HB 2 HB 1 = ( d 1 d 2 ) 2
|  | a vizsgált darab keménysége: HB 2 = HB 1 d 1 2 d 2 2
16. ábra. Poldi keménységmérés

|  | Rugalmas visszapattanás elvén végzett keménységmérés
|  | Shore vagy szkleroszkóp
|  | A függőlegesen leejtett és visszapattanó tárggyal mér. A visszapattanás magasságát mérjük, mely egy önkényesen megállapított skálán az anyag keménységére jellemző számot ad.
17. ábra. Shore keménységmérő
|  | A mérőeszköz egy üveg henger (2), amelyben egy mérőfej (1) van rögzítve (3). Az üveghenger 250 mm magas, és osztással van ellátva. A mérőfej kioldása után az ráesik a mérendő darab (4) felületére és visszapattan. Visszapattanáskor magával visz egy vonszoltmutatót, amely mutatja a keménységet (h).
|  | Hordozható keménységmérő EQUOTIP
|  | Az első szabványosított dinamikus keménységmérés
18. ábra. Equotip hordozható keménységmérő
|  | A vizsgálat elve
|  | A mérőfejet ráállítva a mérendő tárgy felületére és megnyomva az indító gombot az ütőtest becsapódik és visszapattan. A készülék méri a tárgy felülete felett 1 mm-re mind a becsapódási(A), mind a visszapattanási (B) sebességet.
19. ábra. A keménység HL mérőszámának meghatározása
|  | Az Equotip keménységmérés alkalmazási területe
|  | Mérési pontosság ± 0,5 rel% (ASTM A 956-96)
Az ábrán látható angol szavak jelentése: Hardness value L keménység érték Brass sárgaréz Bronzes bronzok Cast iron öntöttvas Heat treatable steel nemesíthető acél High strengh steel nagy szilárdságú acél Tool and high speed steel szerszámacél gyorsacél Extremely hard steels nagyon kemény acélok |  |
20. ábra. Az Equotip keménységmérés alkalmazási lehetőségei
|  | Figyelje meg az ábrán, különböző mérőfejekkel (DC, DL C stb.) csaknem minden anyag mérhető.
|  | Megjegyzés
|  | A különböző, néha eltérő fizikai hatásokon alapuló eljárások mérőszámai csak korlátozott módon, bizonyos megszorítások figyelembevételével hasonlíthatók össze. Alapvetően megállapítható, hogy minden eljárásnak megvan a maga elsődleges és leggyakrabban használt területe.

|  | Ellenőrző kérdések
| Jelölje be az egyetlen helyes megoldást!
| 1. Milyen benyomószerszámot használunk a Brinell keménységmérésnél?
| 136°-os csúcsszögű gyémánt gúla
| keményfém golyó,
| edzett acél, vagy keményfém golyó
| 120°-os gyémánt kúp
| 2. Milyen anyagok keménységmérésére használjuk a Brinell keménységmérést?
| 450 HB-nél kisebb keménységű anyagokat, kivéve az öntöttvasakat
| kemény, edzett anyagokat
| 450 HB-nél kisebb keménységű acélok, öntöttvasak, könnyű-és színesfémek
| bármilyen anyag, nincs megkötés
| 3. Mi a szabványos mértékegysége a Brinell keménységnek?
| N/mm2
| MPa
| kp/mm2
| nincs mértékegysége
| 4. Hogyan választjuk meg a terhelő erőt Brinell keménységmérésnél?
| a szabvány által előírt határok között tetszőlegesen
| a benyomószerszámnak megfelelően kötelezően előírt
| szabvány által előírt összefüggés alapján az anyagtól és a benyomó szerszám méretétől függően
| 98-980 N között de a benyomószerszámot figyelembe kell venni
| 5. Hogyan választjuk meg a terhelő erőt a Rockwell keménységméréshez?
| F = K D2
| F = 30 kp (294 N) ajánlott
| az erő előirt betartása kötelező
| Két fokozatban tetszőlegesen választható 98-980 N között
| 6. Milyen benyomószerszámot használunk a Rockwell C keménységmérésnél, és milyen anyagokat mérhetünk vele?
| 136°-os csúcsszögű gyémánt gúla kemény, edzett anyagokat
| edzett acélgolyó, kemény, edzett anyagokat
| 120°-os gyámánt kúp, kemény, edzett anyagokat
| keményfém golyó, kemény anyagokat
| 7. Milyen anyagok keménységének mérésére használjuk a Vickers keménységmérést és milyen tartományba eshet a meghatározott keménység?
| kemény, edzett acélok, 30 - 70 (max 100)
| kisebb keménységű anyagok, könnyű és színesfémek, acélok, öntöttvasak max. 450
| lágy fémek, kivéve az öntöttvasat max. 450
| bármilyen anyag, nincs megkötés (20-3000)
| 8. Milyen benyomószerszámot használunk a Vickers keménységmérésnél?
| 1,59 mm átmérőjű edzett acél golyót
| 136°-os gyémánt gúlát
| 120°-os gyémánt kúpot
| Edzett acél golyót

|  | A függelék
| Részlet a keménységek összehasonlítására vonatkozó MSZ 15191-2:1993 szabványból.
| B fügelék
| A Brinell keménység meghatározására szolgáló táblázat részlete. A táblázatban adott D golyóátmérő és a terhelés esetén érvényes.
| C függelék
| A Vickers keménység meghatározására szolgáló táblázat részlete. A táblázat F=294 N azaz 30 kp terhelésre vonatkozik.