Keménység

1. 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.

2. 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

3. A statikus mérések elve 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 képezett számmal (HR) jellemezzük a keménységet. A terhelést lassan adjuk rá a benyomó szerszámra, ezért a módszereket statikus keménység méréseknek nevezzük.

4. 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.

5. Brinell keménységmérésMSZ EN ISO 6506-1(mérés)-2 (ellenőrzés, kalibrálás) • A mérés során D átmérőjű keményfém golyótF terhelő erővel belenyomunk a darabon legtöbbször köszörüléssel előkészített sík felületbe Ezáltal d átmérőjű, h mélységű gömbsüveg alakú lenyomat képződik.

6. A Brinell keménység értelmezése • Brinell keménységen az F terhelő erő és a lenyomat felületének hányadosát értjük. • Jele: HB. A gömbsüveg felülete Dh. Ezzel a keménység számértéke: • A keménység mértékegység nélküli szám!

7. 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.

8. Mi kell megválasztani és hogyan? • 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 .D2N. K a terhelési tényező (a mérendő anyag keménységétől függ!

9. K terhelési tényező

10. A mérés elvégzése • A vizsgálandó felületet fémesre tisztítjuk (köszörülés) • 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 0,001mm pontossággal. • A két érték átlagának, és a terhelő erőnek a függvényében a keménységet táblázatból keressük ki.

11. 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= 3000 kp azaz 29430 N és 30 másodperc. Pl. 185HB2,5/187,5 A mérés D=2,5mm golyóval, 187,5 kp azaz 1840 N terheléssel történt, és a darab keménysége 185 HB

12. 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)

13. Összefüggés a HB és az Rm között • Az összefüggés közelítő, célszerű a vasalapú ötvözetek keménységi értékek összehasonlítására szolgáló szabvány használata!(MSZ 15191-2)

14. Vickers keménységmérésMSZ 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

15. Vickers keménység mérőszáma • 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.

16. 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. Megjegyzés: A terhelés változtatásával a lenyomat felülete közel arányosan változik, ezért a Vickers keménység bizonyos határon belül a terhelő erőtől független

17. A mérés elvégzése • A vizsgálandó felületet fémesre tisztítjuk (köszörülés) • 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.

18. Kisterhelésű keménységmérés Vickers szerint • 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 m pontossággal kell mérni.

19. Kisterhelésű keménységmérés Knoop szerint • 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.

20. 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

21. A Rockwell keménységmérés elve

22. Rockwell keménységmérési eljárások • HRA • HRB, • HRC A benyomó szerszám: 1,59 mm (1/16 ") átmérőjű edzett acél golyó (HRB) 120  csúcsszögű gyémánt kúp ( HRA és HRC).

23. Rockwell eljárások(terhelés, alkalmazási terület)

24. Keménységmérő gépek

25. A keménységmérő gépek kalibrálása, hitelesítése • A keménységmérő gépek ellenőrzésére ismert keménységű etalonokat használnak. A gépeket legalább évente egyszer az arra feljogosított szervezettel ( OMH stb.) hitelesítetni kell.

26. A különböző anyagok keménységi értékei

27. Az ismételt igénybevétellel szembeni ellenállás • Azt a jelenséget, amikor egy anyag az ismételt igénybevételek során bevitt, halmozódó károsodások hatására a folyáshatárnál kisebb terhelés esetén eltörik kifáradásnak nevezzük. • Az anyag kifáradása törésként jelentkezik, de a kifáradás folyamata legszorosabban a képlékeny alakváltozással kapcsolatos. • Nagyon lényeges, mert a törési káresetek kb. 70-80 %-a a kifáradással kapcsolatos. A járműveknél ez az arány több is lehet!

28. A fáradt töret jellege két részből, egy kagylós, barázdált és egy szemcsés ridegen tört részből áll

29. Fáradt töretJellegzetes fáradt töret forgattyús tengelyen • A repedés a feszültséggyűjtő helytől indult. A ridegen tört rész relatíve kicsi.

30. Fáradt töretBelső anyaghibából kiinduló fáradt töret(tányérkerék fog) • A repedés a feszültséggyűjtő helytől indult. A ridegen tört rész relatíve kicsi. A károsodás kiindulása

31. A kifáradásnál három részfolyamatot különböztethetünk meg • repedés keletkezés • repedés terjedés (lassú) • instabil repedés terjedés, törés Az ismételt igénybevételnél a feszültség általában kisebb, mint a folyáshatár  Rp0,2

32. Kifáradás vizsgálata A jelenségre a múlt század második felében vasúti tengelyek hosszabb idejű üzemelése után bekövetkező jellegzetes törése hívta fel a figyelmet. A jelenséget Wöhler a vasúti tengelyek igénybevételének modellezésével vizsgálata.

33. Az igénybevétel • A kifáradás során a feszültség az időben változik és sokszor ismétlődik. • A vizsgálatok során a feszültség legtöbbször szinusz görbe szerint, de más jelalak szerint is változhat.

34. Vizsgálati módok

35. Wöhler görbe A görbe aszimptotikusan közelít egy értékhez, így a terhelő feszültség csökkentésével , az acélokra meghatározható egy olyan jellemző feszültség, amellyel az akár végtelen sokszor terhelhető anélkül, hogy eltörne. Ezt a feszültséget az acél kifáradási határának nevezzük. Jele: D.

36. Acélok Wöhler görbéje A Wöhler görbe két jól elkülöníthető szakaszból áll. Az első ferde , meredeken eső szakaszt élettartam szakasznak, a vízszintes részt, pedig kifáradási szakasznak nevezzük. A két egyenes acéloknál 2 - 5. 106 igénybevételnélmetszi egymást.

37. Meghatározható-e minden anyagnál kifáradási határ? nem minden anyagnak vankifáradási határa. Alumínium ötvözetek, saválló acélok, nagyszilárdságú acélok esetében a Wöhler görbe második szakasza nem vízszintes, így kifáradási határ nem értelmezhető.

38. A szerkezeti anyagok viselkedése ismételt igénybevétel során • Polimerek, a fémekhez hasonló, bár az anyagban zajló mikroszkópos folyamatok mások • kerámiák, ridegek, esetükben kifáradásról nem beszélhetünk

39. A fárasztó vizsgálatokkal meghatározott eredmények értékelése, használata • A kifáradás sztohasztikus folyamat, nem lehet átlagolni! Az egy feszültségszinten végzett mérés nem a törést okozó igénybevételi számot, csak annak egy lehetséges értékét adja meg. • Sok a véletlen tényező

40. Mi a megoldás? A mérési eredményeket matematikai statisztikai módszerekkel kiértékelve adott törési illetve túlélési valószínűséggel adhatjuk meg az adott terheléshez tartozó ismétlési számot. A matematikai statisztikai kiértékeléshez sok, feszültségszintenként legalább 10 próbatest szükséges.

41. Az eredmények megadása

42. A kifáradást befolyásoló tényezők • a terheléstől, külső körülményektől függő tényezők • a darabtól függő tényezők

43. A z igénybevétel típusának hatása Az igénybevétel típusának a hatása fontos, mert jelentős eltérést eredményez. az anyag kifáradási határa a legkedvezőbb váltakozó hajlító (1), kisebb húzó-nyomó (2) és még kisebb váltakozó csavarás (3) esetén..

44. Korróziós környezet A korrozív közeg a felületet károsítja, ezért jelentősen befolyásolja a kifáradást is

45. A darabtól függő befolyásoló tényezőkA darab felülete • A fáradt törés csírája a felület. A darab felületén lévő hibák, feszültség koncentrátorok elősegítik a darab kifáradását. • Fontos! A felület rontó hatása a nagyobb szilárdságú anyagoknál erőteljesebb!

46. A felület hatása • A különböző mechanikus felületi kezelések, amelyek a darab felületének közelében nyomófeszültséget eredményeznek pl. a felület görgőzése, szemcseszórás, sörétezés stb. a kifáradási határt növelik. Szintén jelentősen javítják a fáradási tulajdonságokat a felületi hőkezelések pl. a betétedzés , de különösen a nagyon vékony, kemény felületi kérget biztosító nitridálás ill. nikotrálás.