Témata
Reklama

Měření tvrdosti odlitků dynamickou metodou

Článek se věnuje jedné z moderních metod měření tvrdosti přenosnými tvrdoměry, která je vhodná zejména pro měření hrubozrnných odlitků, popř. odlitků s nepříliš opracovaným povrchem. Popisuje princip metody a na jeho základě ukazuje na možné problémy při měření a pokouší se ukázat možné řešení.

Při měření tvrdosti přenosnými tvrdoměry může být výsledná hodnota ovlivněna mnoha vlivy a je na pracovníkovi, aby tyto vlivy dokázal rozpoznat a eliminovat. Při správném použití dává dynamická metoda nejen přesné výsledky, ale umožňuje měřit i tam, kde to dříve nebylo možné.
V průmyslové výrobě jsou materiály zkoušeny především ze dvou důvodů: buď jde o zjištění vlastností nového materiálu, nebo o ověření, zda daný materiál odpovídá požadované specifikaci. Tvrdost můžeme definovat jako odolnost materiálu proti vniku cizího tělesa. Při zkouškách je vnikací těleso vtlačováno do povrchu testovaného materiálu určitým specifickým zatížením po definovanou dobu a měří se hloubka nebo rozměr vpichu.
Reklama
Reklama
Reklama

Zkoušky tvrdosti

Nejrozšířenější je statická zkouška tvrdosti, ve které kulička, kužel nebo jehlan vnikají do testovaného materiálu. Vztah mezi zatížením a plochou nebo hloubkou vpichu odpovídá hodnotě tvrdosti - dle Brinella, Rockwella, Vickerse. Odlišné metody a jinak tvarovaná vnikací tělíska používaná např. při zkoušce podle Brinella a Rockwella dávají na stejném testovaném materiálu odlišné výsledky. Převáděcí tabulky mezi hodnotami HRC a HB jsou pouze přibližné - není zde žádný přesný matematický vztah pro převod z jedné stupnice tvrdosti do druhé. Tzv. konverzní tabulky musejí být určeny prakticky změřením specifického testovaného materiálu různými metodami. Pro srovnání tvrdosti dvou různých vzorků musejí být oba měřeny stejnou metodou - ve stejné stupnici tvrdosti, nebo jedna stupnice musí být převedena do druhé.

Vlivy na měření

Měření tvrdosti ovlivňují nejrůznější vnější vlivy. Především je to příprava povrchu materiálu, přičemž všeobecně platí, že čím větší hodnota drsnosti, tím větší nepřesnost měření. A tak právě hrubá struktura odlitků může způsobovat odchylky od správné hodnoty. Proto je v těchto případech nejvýhodnější volit takové metody, které zajistí pokud možno co největší vpich (otisk) zkušebního tělíska do materiálu, čímž se vliv drsnosti snižuje.
Dalším faktorem je struktura materiálu - v případě příliš malého vpichu můžeme u hrubozrnných materiálů (např. šedá litina) měřit na struktuře a výsledky mohou být opět nesprávné. Řešením je znovu co největší vpich.
V případě odlitků, např. ze šedé litiny, je někdy dále nutno uvažovat odlišnosti povrchové vrstvy od materiálu jádra. V případě měření s malým zkušebním zatížením může vpich zasahovat do jiné hloubky materiálu než při měření s větším zatížením. Někdy nemusí stačit pouze zvětšení zkušebního zatížení, ale je třeba povrchovou strukturu odbrousit.
Shrneme-li předchozí, dostaneme pro měření tvrdosti odlitků následující požadavky:
  • co největší vpich (otisk měřicího tělíska) pro eliminaci nepříznivého vlivu hrubého povrchu, popř. hrubé struktury materiálu;
  • obroušení plošky pro měření kvůli eliminaci vlivu odlišné povrchové struktury.
  • Měření po zkušebním zatížení a při zkušebním zatížení

    Při klasickém měření tvrdosti dle Brinella, Rockwella nebo Vickerse je nejdříve aplikováno zkušební zatížení na vnikací hrot a po odlehčení se odečítá velikost vpichu, a tedy hodnota tvrdosti. Tvrdost jsme dříve definovali jako odolnost materiálu proti vniku cizího tělesa. Vnik cizího tělesa můžeme definovat jako vratnou a nevratnou deformaci. Při měření některou z uvedených klasických metod tedy pochopitelně po odlehčení měříme pouze vliv nevratné deformace. Naproti tomu u moderních metod měření tvrdosti měříme (elektronicky) během zkušebního zatížení. Výsledkem je spojení vlivu nevratné i vratné deformace. To znamená, že měřená hodnota je ovlivněna druhem měřeného materiálu (vliv jeho modulu pružnosti) a přístroj musí být na tento materiál nastaven.

    Moderní metody měření tvrdosti

    V současné době pracují moderní přenosné tvrdoměry na dvou základních principech, jež využívají metody ultrazvukové a dynamické. Metoda ultrazvuková (UCI - Ultrasonic Compact Impedance) využívá k měření tvrdosti sondu s Vickersovým diamantovým hrotem umístěným na tyčince kmitající ve směru svislé osy sondy. Po zatížení do materiálu jsou kmity tyčinky materiálem tlumeny úměrně ploše vpichu (jde tedy o tvrdost) a modulu pružnosti (který zahrnuje vliv materiálu). Metoda je vynikající pro měření tvrdosti jemnozrnných materiálů s dobře připraveným povrchem. Z hlediska přístupu k měřenému místu umožňuje často úspěšně měřit dříve neřešitelné úkoly. Není příliš ovlivněna požadavky na hmotu měřeného materiálu, dají se tedy měřit i velmi malé nebo tenké výrobky. Díky příliš malému vpichu je metoda nevhodná pro měření na hrubším povrchu nebo v případě hrubozrnných materiálů. Pro měření tvrdosti odlitků se tedy všeobecně nejeví jako optimální.

    Dynamická (odrazová) metoda měření tvrdosti

    Měření je prováděno pomocí tvrzené kuličky vystřelené směrem k testovanému objektu. Na povrch naráží definovanou rychlostí, resp. kinetickou energií. Nárazem vzniká deformace povrchu, díky které vnikací tělísko ztrácí část své energie. Ztráta energie je tím větší, čím větší je deformace, tedy čím je materiál měkčí. Jako vnikací tělísko se používá kulička ze slinutých karbidů, popř. u velmi tvrdých materiálů kulička diamantová, která je vystřelena k testovanému povrchu pružinou.
    Rychlosti kuličky před a po dopadu jsou obě měřeny nekontaktně. V pouzdru vnikacího tělíska je proto umístěn permanentní magnet, který indukuje napětí při průchodu cívkou umístěnou ve spodní části sondy. Toto indukované napětí je úměrné rychlosti.
    Vynálezce metody D. Leeb definoval svou vlastní jednotku tvrdosti - hodnotu Leeb. Hodnota tvrdosti dle Leeba, HL, je spočítána jako poměr rychlosti vnikacího tělíska před dopadem vR a rychlosti po dopadu vI na testovaný povrch:
    Můžeme si položit otázku, kdo vlastně potřebuje měřit hodnotu tvrdosti v jednotkách HL (Leeb). Odpověď zní, že každý, kdo používá dynamickou odrazovou metodu měření tvrdosti, protože hodnota HL je podle uvedené rovnice vyjádřením tvrdosti touto metodou. Avšak minimum uživatelů skutečně používá jednotku tvrdosti Leeb (HL) ve svých specifikacích nebo zkušebních zprávách. Jednotka HL je většinou konvertována do požadované stupnice tvrdosti (HV, HB, HS, HRC, HRB, N.mm-2). Tedy pouze konverze (převod) jednotek může vnést dynamickou odrazovou metodu do praxe. Proto by měly být konverzní tabulky uloženy v paměti každého přístroje (jako např. od firmy Krautkramer). Tyto převodní tabulky (křivky) jsou experimentálně určeny pro každý materiál samostatně na vzorcích odlišných tvrdostí měřených dynamickou metodou a metodou dle Rockwella.

    Kompenzace směru měření (gravitace)

    Sonda používá k pohonu vnikacího tělíska směrem k povrchu testovaného materiálu pružinu. V průběhu letu k testovanému povrchu magnet obsažený v pouzdru vnikacího tělíska generuje signál v cívce umístěné okolo spodní části sondy. Po dopadu se tělísko odráží a generuje druhý signál v cívce. Přístroje počítají hodnotu tvrdosti pomocí poměru napětí indukovaného v cívce. Ale pozor, na vyhodnocení hodnoty tvrdosti má samozřejmě vliv směr měření. V případě měření z boku výrobku nebo dokonce ze spodní části je výsledek zkreslen vlivem tíhového zrychlení (gravitace). To lze napravit třemi způsoby:
  • ruční opravou měřených hodnot dle tabulek, což je ovšem nepřesné, pomalé a zdrojem možných chyb;
  • ručním zadáním směru měření do přístroje, což je nutné provést před měřením, ovšem v případě odchylky od definovaného směru je měření nepřesné;
  • automatickou kompenzací, která je velmi přesná a uživatel přitom nemusí vliv směru měření vůbec uvažovat.
  • Automatickou kompenzací vlivu gravitace na měření jsou v současné době vybaveny pouze dynamické tvrdoměry firmy Krautkramer. Při průletu vnikacího tělíska cívkou se nejen měří velikost indukovaných napětí, ale analyzuje se i jejich fáze právě pro automatickou kompenzaci změny orientace.

    Aplikační možnosti

    Aplikační možnosti jsou určeny počáteční silou úderu a druhem vnikacího tělíska. Podívejme se na nabídku přístrojů firmy Krautkramer, které na náš trh dodává společnost Testima. Uživatel může volit přístroj DynaMIC a tři různé modely sond (Dyna D, Dyna E a Dyna G), nebo může zvolit přístroj DynaPocket.
    Dynamická odrazová metoda může být používána na větších dílech, hrubozrnných materiálech, výkovcích a všech typech odlitků, protože sférický tvar vnikacího tělíska má dostatečně velký vpich, a proto se hodí pro strukturu odlitků. Tělísko Dyna D pokrývá standardní aplikace. Dyna G, které má nárazovou energii téměř devětkrát vyšší a používá kuličku o větším průměru, je navržena pro zkoušení především pevných větších dílů. Dyna E je doporučena pro části s tvrdostí nad 650 HV, resp. 56 HRC a má kuličku z diamantu místo karbidu wolframu.

    Požadavky na zkoušené těleso

    Pro srovnání hodnoty měřené dynamickou metodou a metodou klasickou (např. dle Brinella) nebo tzv. Poldi kladívkem je dobré znát přibližnou hloubku vtisku zkušebního tělíska. Je nutné si uvědomit, že dynamická metoda měří v jiné hloubce než zmíněné klasické metody, tzn. naměřené hodnoty se mohou i značně odlišovat. Řešením je odbroušení povrchové vrstvy.
    Všechny metody měření tvrdosti vyžadují hladký povrch bez oxidů, barvy, maziv, plastových povlaků proti korozi nebo kovových povlaků pro lepší elektrickou vodivost. Hloubka vpichu by měla být větší ve srovnání s nerovnostmi povrchu. Pokud je povrch upravován, je třeba dbát na to, aby se tvrdost nezměnila např. přehřátím povrchu.
    Dynamická metoda působí velkou silou po krátkou dobu během nárazu. Tenké a lehké díly se mohou ohýbat (rozkmitat) a způsobit tak chybné měření. Řešením pro zkoušku menších částí jednoduchých tvarů je podpora zadní části měřeného objektu, která zpevní součást proti rozkmitání. Extrémně tenké materiály mohou vyžadovat také akustické spojení s podporou pomocí maziva nebo pasty. Tabulka 5 obsahuje orientační údaje pro určení požadavků na podepření měřených částí. Efektivnost podepření je dána tím, jak přesně podpora přiléhá k obrysu zadní strany měřeného dílu.

    Tloušťka stěny

    Kritickou vlastností materiálu pro měření přenosnými tvrdoměry je tloušťka stěny trubek, ventilů nebo pístů. Navzdory malým rozměrům vnikacího tělíska sond dynamické metody a nízké nárazové energii působí na testovaný povrch velké síly okolo 900 N v krátkém okamžiku nárazu. Tato síla v případě tloušťky stěny menší než 10 ÷ 20 mm způsobuje vibrace a tenká stěna tak začne po nárazu tělíska sondy dynamického tvrdoměru kmitat podobně jako blána bubnu. Vibrace mohou způsobit měření menších hodnot tvrdosti a větší rozptyl hodnot. Hodnota 10 mm je přitom pouze orientační a záleží na konkrétní geometrii. Uspokojivých výsledků bylo dosaženo např. na trubce o ? 300 mm a tloušťkách stěny 10 ÷ 15 mm. Příliš malá tloušťka stěny tak může negativně ovlivnit naměřenou hodnotu tvrdosti dokonce i při měření pevné součásti o hmotnosti několik tun.

    Vedení sondy a kalibrace přístroje

    Sonda musí být přiložena kolmo k povrchu s max. povolenou odchylkou od svislé osy 2 až 3 stupně.
    Opěrné testovací nástavce - kroužky a prisma - zlepšují přesnost a opakovatelnost měření (snižují rozptyl). Standardní opěrné testovací nástavce - kroužky pro sondy Dyna D a Dyna E - jsou používány pro konvexní i konkávní zakřivení testovaného dílu o poloměru větším než 30 mm. Větší průměr nástavce sondy Dyna G vyžaduje zakřivení o poloměru větším než 50 mm. Pro sondy Dyna D a Dyna E jsou dostupné nástavce/prisma pro poloměry r = 10 ÷ 30 mm pro měření na vnějším i vnitřním povrchu válcových i kulových dílů (Dyna 41 a Dyna 42).
    Modul pružnosti (Youngův modul) je materiálová vlastnost, která může ovlivnit kalibraci přístroje. Provedení kalibrace je proto pro zajištění přesnosti výsledků vyžadováno! Při kalibraci přístroje DynaMIC (popř. DynaPocket) musí uživatel nejprve vybrat jednu z 9 materiálových skupin podle tabulky 6. Výběrem příslušného materiálu je provedena tzv. hrubá kalibrace a připojením jedné z možných sond jsou také určeny příslušné konverze jednotek. Mnohem přesnější kalibraci je možné provést v případě použití vzorku o známé tvrdosti. V tomto případě uživatel provede několik měření a zobrazená průměrná hodnota je opravena (zkalibrována) na známou skutečnou hodnotu tvrdosti, čímž je provedena přesná kalibrace přístroje. Přístroj přiřadí specifickou bezrozměrnou konstantu příslušnou danému materiálu, a tato konstanta může být použita v budoucnu pro překalibrování přístroje.
    Velkou výhodou přístrojů Krautkramer DynaMIC DL je možnost uložení provedené kalibrace včetně kompletního nastavení na datovou kartu. V případě několika různých použití na jednom pracovišti tak má každá aplikace svoji kartu. Po zasunutí příslušné karty do přístroje má obsluha okamžitě k dispozici nastavený přístroj a může začít měřit.

    Přesnost měření, kontrola, životnost

    Ověření přístroje DynaMIC se provádí pěti měřeními na testovacím bloku certifikovaném dle Leeba. Průměr 5 měření by měl ležet uvnitř tolerance ± 6 HL certifikované hodnoty testovacího bloku. Testovací blok MIC D62 má nominální hodnotu přibližně 765 HL (podle konkrétního bloku). Po převodu do stupnice HRC je to 55 HRC s tolerancí ±0,5 HRC.
    Životnost vnikacího tělíska je závislá na měřené tvrdosti. Čím je měřený materiál měkčí, tím je životnost vyšší. Pro ilustraci: Při tvrdosti materiálu přibližně 30 HRC (300 HB) je životnost kuličky z karbidu wolframu přibližně 20 000 měření a více, ale při tvrdosti nad 56 HRC (615 HV) může životnost činit až 1/10 z této hodnoty i méně. Právě pro tyto tvrdé materiály je určena sonda Dyna E s diamantovou kuličkou. Životnost se ověřuje na testovacím bloku MIC D62 nebo MIC G38 dle předchozího odstavce. Pro usnadnění kontroly životnosti zobrazuje přístroj DynaMIC po zapnutí počet měření daný právě připojenou sondou.
    Měření tvrdosti odlitků není vždy jednoduchou záležitostí a zahrnuje celou řadu vlivů. Nejdříve je třeba zvolit správnou metodu. Při požadavku měření na značně velkých dílech, kdy je nutné přijít s přístrojem k materiálu, je často právě dynamická odrazová metoda nejvhodnější (nebo dokonce jediná použitelná) i přes některé nepříznivé vlivy. Odpovědní pracovníci pak na základě základních vlastností metody musí najít takový postup, aby se tyto vlivy uplatnily co nejméně. Při nesprávném výsledku se často jedná pouze o nesprávný způsob použití, nikoliv o nesprávnou aplikaci.
    Reklama
    Vydání #6
    Kód článku: 20642
    Datum: 12. 06. 2002
    Rubrika: Trendy / Měření
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Měření v rámci celého výrobního řetězce

    Na cestě k aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 se měřicí a kontrolní technologie čím dál víc používají jako řídící nástroj ve výrobě. V rámci plnění této nové role ale potřebují pružněji a rychleji zachytit kvalitativní údaje na různých místech: v měřicí laboratoři, v těsné blízkosti výrobní linky, stejně tak jako přímo v ní.

    Přesné měření libovolného materiálu nebo povrchu

    Společnost Keyence uvedla na trh řadu konfokálních snímačů polohy CL-3000 pro vysoce přesné měření na jakémkoliv materiálu nebo povrchu. Tyto vysoce kompaktní koaxiální laserové snímače polohy pomáhají s takovými úkoly, jako je zlepšování kvality, prevence dodávek nevyhovujících dílů a zvyšování objemu výroby.

    Měřicí technologie pro Průmysl 4.0 v Nitře

    Průmysl 4.0 závisí na propojení systémů schopných spolu komunikovat, schopných získávat, vyhodnocovat a sdílet data a na takto zpracované informace reagovat v reálném čase. Údaje z měření jsou nezbytné pro shromažďování informací, které mají být použity při inteligentním rozhodování za účelem zabránit nežádoucím procesním změnám.

    Související články
    Měřicí přístroje pro efektivní výrobu

    Jestliže jsou nástroje přesně zaměřeny a seřízeny ještě před samotným obráběním mimo obráběcí stroj, lze následně zkrátit vedlejší neproduktivní časy na stroji a zvýšit tak celkovou efektivitu výroby. Přístroje pro měření a seřizování nástrojů mohou v samotném procesu třískového obrábění zajistit zvýšení produktivity až o 25 %, a to při velmi dobrém poměru cena/výkon. Úspěšné obrábění tedy vyžaduje nejen výkonné stroje, ale i přesně seřízené nástroje.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Velmi přesný měřicí stroj pro výpočetní tomografii

    Nový model TomoCheck S HA (High Accuracy) 200 společnosti Werth Messtechnik GmbH se senzorem pro výpočetní tomografii je aktuálně nejpřesnějším souřadnicovým měřicím strojem na světě.

    Měřicí technika se stává součástí výrobních strojů

    Vzhledem k tomu, že jednou z aktivit České metrologické společnosti, z. s., je mimo jiné také sledování prezentace aktuálních metrologických novinek, trendů vývoje a zastoupení metrologie na veletrzích pořádaných v České republice i v zahraničí, navštívili jsme mimo jiné veletrh Toolex 2017, který se již po desáté konal v polském městě Sosnowiec na třetím největším výstavišti v Polsku – Expo Silesia.

    Konfirmace měřidel

    Příspěvek se zabývá problematikou zajištění návaznosti měření a rozebírá obvyklé metrologické čin-nosti, které jsou za tím účelem prováděny. Zákon o metrologii i běžná praxe zmiňují jako základní postupy kalibraci nebo ověření stanovených měřidel. Kalibrace je postup vedoucí k dosažení způsobilého měřidla ve dvou logických krocích podle definice VIM. Vždy musí být zjištěn aktuální stav měřidla – provádí se zkouškou, která ověří, zda je měřidlo způsobilé plnit dané specifikace, či nikoliv. Nezpůsobilé měřidlo se musí kalibrovat nebo vyřadit. O výsledku je vydán doklad (kalibrační certifikát), jímž je potvrzena způsobilost z dřívější kalibrace nebo způsobilost dosažená kalibrací novou. Zvláštní pozornost je věnována kalibraci měřidel řízených softwarem, např. u souřadnicových měřicích strojů.

    Průmysl 4.0 v měření aneb Kvalita 4.0

    V souvislosti s postupující mírou digitalizace a automatizace výroby se často hovoří o Průmyslu 4.0 neboli čtvrté průmyslové revoluci. Tento trend se pochopitelně nevyhýbá ani oboru měření. Objevuje se dokonce nový pojem – Kvalita 4.0. Co si pod tím představit?

    Ochrana provozních měřidel tlaku před mechanickým namáháním

    Při měření tlaku v potrubních systémech a v nádobách se setkáváme s nepříznivými mechanickými vlivy, které mají původ v měřeném procesu. Jedná se o tlakové rázy, pulzace, otřesy či vibrace, a někdy také o přetížení nad rámec měřicího rozsahu přístroje. Pulzace tlaku v potrubí zpravidla pochází od čerpadel, případně od rotujících míchadel v nádobách. Tlakové rázy jsou způsobovány setrvačností sloupce kapaliny pohybující se v potrubí; na jejich vzniku se podílí i činnost ventilů a škrticích orgánů. Destruktivní účinky mohou mít i bubliny par a plynů v tekutině proudící přes ventily. Otřesy a vibrace jsou způsobovány zpravidla rotujícími částmi strojů, prouděním tekutin, pulzacemi a tlakovými rázy v potrubí. Tento článek si klade za cíl shrnout způsoby, jak lze tlakoměry před uvedenými vlivy ochránit.

    Revoluční linka pro měření kvality

    Je to takový český "americký sen". Začínal jako soustružník, dnes Miroslav Dušek vlastní strojírenskou firmu s mnohamilionovým obratem. Láska k poctivému řemeslu se u něj potkává s vynalézavostí, která ho nyní dovedla k vývoji revoluční linky pro měření kvality.

    Měření energie je důležité ve všech oborech

    Spotřeba a ve velké míře i kvalita energií je v poslední době stále více sledovanou veličinou. Měřicími systémy od přehledových měřičů spotřeby až po systémy, kde je měření, zobrazování, ukládání a grafické prezentování veličin integrováno do větších systémů lze získávat přehled o spotřebě kdykoli je to potřeba.

    Vestavné přístroje pro měření v silnoproudé síti

    Řadou vestavných přístrojů SIRAX se doplňují přístroje s vysokým výkonem SINEAX a završují tak portfolio v této oblasti. Přístroje série SIRAX se vyznačují základní funkčností převodníku elektrických veličin za dodržení velmi dobrého poměru cena/výkon. Přístroje BM1200 a BM1400 představují jednoduché a cenově výhodné monitory silnoproudé sítě. Pro vyšší stupeň vizualizace a komfortnější koncept obsluhy jsou vhodné multifunkční monitorovací přístroje, které byly označeny MM1200 a MM1400, jsou vybaveny TFT displejem a lze je na základě přehledného menu též konfigurovat.

    Měřím, měříš, měříme…na obráběcím stroji

    V moderních výrobních systémech složených z CNC obráběcích strojů je měření a kontrola nástrojů pro preventivní zajištění kvality nepostradatelná. Změřená data nástrojů nebo změřené hodnoty obrobků jsou potom použity k automatickému výpočtu kompenzačních hodnot v probíhajícím výrobním procesu. Pomocí automatické kompenzace rozměrů nástrojů nebo případnou výměnou nástrojů zůstávají výsledky obrábění stabilní.

    Multisenzorová technologie a počítačová tomografie

    Výběr vhodného měřicího přístroje pro účely rozměrové kontroly je velmi důležitý. Běžný přístup je takový, že daná aplikace určí vhodný typ senzoru. Pro správné rozhodnutí potřebuje vzít uživatel v úvahu několik aspektů.

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit