Měření tvrdosti v kostce - metoda Rockwell

Tento článek je pokračováním cyklu Měření tvrdosti v Kostce. První článek byl zaměřen na metodu Vickers. Nyní se zaměříme na metodu Rockwell, kde shrneme zajímavosti a důležité předpisy.

Měření tvrdosti podle Rockwella má oproti metodám Brinell, Vickers a Knoop zcela rozdílné vyhodnocení tvrdosti. Zatímco metody Brinell, Vickers a Knoop jsou vyhodnoceny opticky, tak metoda Rockwell se vyhodnocuje zcela rozlišně, a to z hloubky vtisku. 

Obecný úvod k měření tvrdosti

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. 

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 v kostce metoda Vickers

• Měření tvrdosti v kostce metoda Brinell

• Měření tvrdosti v kostce metoda Rockwell

K tomu, aby bylo možné tvrdost metodou Rockwell vyhodnotit, musí být tvrdoměr vybaven přesným odměřováním hloubky. Tyto tvrdoměry se tedy označují jako tvrdoměr Rockwell, případně jako univerzální tvrdoměry.

Naše tvrdoměry QATM používají jeden z nejkvalitnějších systémů pro měření hloubky vtisku HEIDENHAIN. Navíc odměřování hloubky je přímo na ose vnikacího tělesa, takže nevznikají další chyby a odchylky jako u levnějších konkurenčních tvrdoměrů, které mají odměřování přes různé mechanismy a páky.

MĚŘENÍ TVRDOSTI METODOU ROCKWELL

Měřením tvrdosti kovových materiálů podle Rockwella se zabývají normy:

ČSN EN ISO 6508-1 - část 1: Zkušební metoda

ČSN EN ISO 6508-2 - část 2: Ověřování a kalibrace zkušebních strojů a vnikacích těles

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

Vnikací těleso, které má určitý tvar (kužel nebo kulička různých průměrů), se vtlačuje do povrchu měřeného vzorku dvěma zatíženími dle definovaných podmínek.

1. provede se předběžné zatížení F₀ a změří se hloubka vtisku (nebo vynuluje hloubkoměr)
   
   

2. přidá se předepsané přídavné zatížení F₁ – celkové zatížení tedy je F₀ + F₁
   
   

3. provede se odlehčení na hodnotu předběžného zatížení F₀
   
   

4. výsledkem je konečná hloubka vtisku - h
   
   

5. hodnota tvrdosti metody Rockwell se odvodí z rozdílu počáteční a konečné hloubky vtisku a konstant N a S
   
   

pozn.: velikost jednotlivých zatížení se volí dle typu zkoušky

Legenda

X    čas

Y    poloha vnikacího tělesa

1. hloubka vtisku pod předběžným zkušebním zatížením F_o       
2. hloubka vtisku pod přídavným zkušebním zatížením F1
3. elastické dopružení bezprostředně po odlehčení přídavného zkušebního zatížení F₁
4. trvalá hloubka vtisku h
5. povrch zkoušeného vzorku
6. referenční rovina měření
7. poloha vnikacího tělesa
8. křivka: hloubka vtisku versus čas

Výpočet tvrdosti podle Rockwella

Obecný vzorec:

tvrdost podle Rockwella  

N – konstanta celkového rozsahu  

s – konstanta stupnice

h – rozdíl hloubek – hl. po odlehčení – hl. po předběžném zatížení

   Tvrdost dle Rockwella se tedy vypočítá:

   Metoda HRA, HRC, HRD

   Běžná tvrdost podle Rockwella  

   Metoda HRBW, HREW, HRFW, HRGW, HRHW, HRKW

   Běžná tvrdost podle Rockwella 

   Metoda HRN, HRTW

   Běžná tvrdost podle Rockwella 

Stupnice běžné tvrdosti podle Rockwella

Stupnice povrchové tvrdosti podle Rockwella

V naší nabídce máme k dispozici velký sortiment vnikacích těles ne jen pro metodu Rockwell, ale i pro Brinell, Vickers a Knoop. Všechna vnikací tělesa mají certifikaci dle DAkkS / ASTM

Zkušební doby zatížení:

Jednotlivá zatížení je také nutné nechat působit v časech minimálně uváděných normou.

Předběžné zatížení F₀ – doba aplikace předběžného zatížení nemá překročit 2 s. Výdrž na předběžném zatížení by pak měla být v rozsahu 1 - 4 s

Přídavné zatížení F₁ na celkové zatížení F – mělo by být aplikováno do 8 s, přičemž nejkratší doba aplikace je 1s. U metod HRN a HRTW se aplikuje do 4 s. Výdrž by pak měla být v rozsahu 2-6 s.

Odlehčení na hodnotu F₀ – po odlehčení přídavného zatížení F1 se musí do 1-5 s odečíst změřená hloubka vtisku.

 Vyhodnocení tvrdosti

U starších a levnějších typů tvrdoměru se tvrdost metody Rockwell vyhodnocuje z analogového hloubkoměru, kde se na „budíku“ odečte hloubka vtisku a z toho se následně vypočítá příslušná tvrdost dle Rockwella.

Tento proces může být místem pro tvorbu chyb při měření tvrdosti, proto moderní tvrdoměry mají proces odečtu hloubky vtisku a výpočet tvrdosti zcela automatizován a u moderních tvrdoměrů se po provedení zkoušky objeví na displeji stroje přímo již změřená tvrdost Rockwell.

Zápis hodnoty tvrdosti

Hodnota tvrdosti Rockwell se zapisuje v tomto tvaru:

60 HR 30T W

60 – je hodnota tvrdosti

HR – zkratka tvrdosti

30T – značka stupnice tvrdosti (viz předchozí tabulky)

W – označení typu použití kuličky (kompozit karbidu Wolframu)

Pro měření tvrdosti metodou Rockwell je nutné vybírat či definovat vždy takový vzorek, který je vůbec možné měřit touto metodou a splňuje podmínky uvedeny níže. 

Z praxe:

Bohužel v praxi ne vždy tomu tak bývá. Lze se setkat s případy, kdy je požadavek na měření tvrdosti HRC, ale měřený vzorek není touto metodou měřitelný. Často se to pak obchází tak, že tento vzorek se měří jinou metodou, nejčastěji metodou Vickers a pomoci přepočtů se pak uvede požadovaná hodnota tvrdosti HRC. Toto ale není správně. Jedná se pouze o orientační přepočet, ale ne o skutečnou hodnotu tvrdosti HRC.

Zde je doporučeno si vyjasnit problematiku měření tvrdosti se zadavatelem a minimálně ho o této skutečnosti informovat.

Požadavky na vzorky

• Čistota povrchu - metoda Rockwell vyhodnocuje z hloubky vtisku, takže i malá vrstva nečistot (olejová vrstva, okuje) může ovlivnit měření, proto je vhodné vzorek očistit a odmastit před samotným měřením

• Příprava měřeného povrchu – příprava se musí provádět vždy takovým způsobem, aby nedošlo k poškození a tepelnému ovlivnění měřené plochy. Ideálním způsobem je broušení za mokra pomocí diamantových brusných disků. Jedná-li se o větší vzorky, lze použít na přípravu povrchu i přenosnou brusku Qpol30.

• Stabilita vzorků při měření – při měření musí být vzorek velmi stabilní. Pokud není možné zajistit stabilitu vzorku pouze položením na měřící stůl, je nutné používat vhodné upínací přípravky a podložky. Zde je nutné brát zřetel na to, že oproti metodě Vickers se zde pracuje s výrazně vyšším zatížením až 150 kg. Tomu musí odpovídat i volba upínacích přípravků.

Upínací doraz 

Tvrdoměry QATM jsou vybaveny upínacím dorazem, kterým je možné vzorek pevně upnout, případně lze takto měřit i dlouhé tyče

• Minimální tloušťka vzorků – minimální tloušťka vzorku nebo měřené vrstvy musí odpovídat 10násobku hloubky vtisku u diamantového vnikacího tělesa a 15násobku hloubky vtisku u vnikacích těles s kuličkou.

• Na zakřivených plochách je nutné používat korekce.

Příklady minimální tloušťky:

60 HRC – minimální tloušťka vzorku nebo měřené vrstvy by měla být 0,8 mm

30 HRC – minimální tloušťka vzorku nebo měřené vrstvy by měla být 1,4 mm

70 HRBW – minimální tloušťka vzorku nebo měřené vrstvy by měla být 1,8 mm

40 HRBW – minimální tloušťka vzorku nebo měřené vrstvy by měla být 2,7mm

Minimální tloušťku měřeného vzorku nebo vrstvy lze vypočítat nebo jednodušeji odečíst z grafu, viz norma o měření tvrdosti podle Rockwella - ČSN EN ISO 6508-1 - PŘÍLOHA B

Kalibrace tvrdoměrů

Tímto bodem se zabývá celá část normy ČSN EN ISO 6508-2 - část 2: Ověřování a kalibrace zkušebních strojů a vnikacích těles.

Vnikací tělesa se doporučují kalibrovat
nebo vyměnit jednou za dva roky.

Kalibraci lze ale rozdělit do dvou kategorií:

• Přímá kalibrace a ověřování – ověřuje se zde zkušební zatížení, hloubkoměr a vnikací těleso – nejčastěji toto provádí kalibrační firmy. Interval je stanoven – před prvním uvedením do provozu, po servisním zásahu (došlo k ovlivnění zatížení, měřícího systému nebo zkušebního cyklu), po selhání nepřímého ověřování nebo uplynulo více než 13 měsíců od posledního přímého odečítání.

• Nepřímá kalibrace a ověření – ověřuje se prostřednictvím zkoušek na tvrdoměrných destičkách. Interval je stanoven – alespoň jednou za 12 měsíců a vždy po přímém ověřování. U vysoce používaných tvrdoměrů se doporučuje mít kratší intervaly.

Z praxe:

V praxi se kalibrace nejčastěji řeší tak, že jednou za rok se provede kalibrace od kalibrační firmy, která zkontroluje zatížení a provede nepřímé ověření. Uživatel si většinou pak jen každý den nebo před měřím provede periodické ověřování a o této skutečnosti si vede zápis.

Zdroje:

ČSN EN ISO 6508-1 - část 1: Zkušební metoda

ČSN EN ISO 6508-2 - část 2: Ověřování a kalibrace zkušebních strojů a vnikacích těles

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

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