Hardness Measurement of Welded Materials by Micro-Vickers Hardness Tester

Význam tématu

Weldování je klíčová technologická operace v automobilovém, stavebním a energetickém průmyslu, kde heterogenní tepelný vstup způsobuje lokální změny mikrostruktury a mechanických vlastností. Měření tvrdosti v okolí svaru poskytuje rychlý a spolehlivý indikátor pevnosti, houževnatosti a náchylnosti k praskání; mapování tvrdosti napomáhá identifikovat oblast teplem ovlivněnou (HAZ), lokálně ztvrdlé nebo změkčené zóny a nejednotnosti svarového kovu.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo demonstrovat použití mikrovickersova tvrdoměru HMV-G31-FA pro prostorové mapování tvrdosti v oblasti svaru mezi nerezovou ocelí SUS304 a konstrukční ocelí SS400 svařenými pomocí TIG elektrody TG308. Studie představuje proceduru pro hromadné, automatizované vícebodové měření, vizualizaci výsledků jako mapy rozložení tvrdosti a interpretaci získaných rozdílů v kontextu mikrostrukturálních změn indukovaných svařováním.

Použitá instrumentace

HMV-G31-FA Micro-Vickers Hardness Tester s motorickým XYZ stolkem a ovládacím softwarem umožňujícím dálkové řízení posuvu, ostření a nastavení měřícího vzoru. Využitý indenter: Vickers. Software nabízí funkce stage viewer (celkový náhled vzorku), pattern setting (nastavení mřížky měření) a automatické čtení velikosti vtisku.

Použitá metodika

Vzorek: dvoumateriálový svar mezi SUS304 a SS400, svar proveden metodou TIG s výplňovou elektrodou TG308 (průměr 1,2 mm). Délka vzorku cca 36 mm, šířka 4 mm, tloušťka 3 mm; vzorek byl zalité do pryskyřice a povrch vybroušen do zrcadlového lesku pro snadné čtení vtisků.

Testovací podmínky (klíčové parametry):

• Typ indenteru: Vickers
• Zatížení: 980.7 mN (HV 0.1)
• Doba zatížení: 14 s
• Počet bodů: 1111 (101 bodů v X × 11 řad v Y)
• Rozteč mřížky: 200 µm

Měření probíhalo automaticky podle předem nastaveného mřížkového vzoru; software pořídil celkový obraz vzorku, posouval stůl na souřadnice jednotlivých bodů, provedl vtisk a automaticky vyhodnotil rozměr vtisku pro výpočet HV.

Hlavní výsledky a diskuse

Hlavní zjištění:

• Hardness map ukázala diferencované oblasti: SUS304 s hodnotami přibližně HV 300–350, SS400 s hodnotami přibližně HV 200–250 a svarový kov TG308 okolo HV 200.
• V oblasti svaru byly v blízkosti rozhraní s oběma základními materiály pozorovány lokálně zvýšené hodnoty tvrdosti, což koreluje s lokálními mikrostrukturálními změnami způsobenými vysokou rychlostí ohřevu a ochlazování během svařování.
• V sousedství svaru v obou základních materiálech se pozorovalo mírné snížení tvrdosti odpovídající heat-affected zone; toto snížení je připisováno zrněnému nárůstu a změnám zbytkového napětí.

Grafy profilů tvrdosti podél několika řad ukázaly systematické průběhy: vyšší tvrdost na jedné straně (u SUS304) a snížení v centrální oblasti svaru, s lokálními vrcholy tvrdosti v některých bodech svarového kovu. Snímky vtisků po automatickém načtení potvrdily konzistentní rozmístění a kvalitu vtisků bez interferencí díky volené rozteči 200 µm.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda automatizovaného vícebodového měření mikrotvrdosti přináší řadu praktických výhod:

• Rychlé a reprodukovatelné mapování tvrdosti přes celé průřezy svarů pro účely kontroly kvality a výzkumu.
• Identifikace HAZ, lokálních tvrzených zón a heterogenit, které by mohly ovlivnit únosnost nebo iniciaci trhlin.
• Možnost integrace výsledků s mikrostrukturálními analýzami (optická mikroskopie, SEM, EBSD) pro komplexní interpretaci změn materiálu způsobených svařováním.
• Využití v procesu kvalifikace svarů, vývoji svařovacích parametrů a porovnání materiálových kombinací.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a aplikací této přístrojové a metodické kombinace zahrnují:

• Další automatizace a zrychlení měření včetně vyšší hustoty bodů pro lepší rozlišení tenkých zón HAZ.
• Kombinace s obrazovou analýzou a strojovým učením pro automatickou klasifikaci zón (např. identifikace typů mikrostruktur podle profilu tvrdosti).
• Integrované pracovních postupy napojující mikrotvrdostní mapy na mikrostrukturální techniky (SEM/EBSD) pro korelaci tvrdosti a krystalografických parametrů.
• Vývoj prostranných a 3D map tvrdosti v tenkých vrstvách nebo předfrézovaných průřezech svarových spojů.
• Standardizace postupů pro průmyslové audity svarů a automatické reportování výsledků.

Závěr

Ukázalo se, že HMV-G31-FA poskytuje efektivní nástroj pro detailní mapování tvrdosti v oblastech svarů mezi různými materiály. Automatizované vícebodové měření a softwarové funkce (stage viewer, pattern setting, automatické čtení vtisku) umožňují rychlé získání kvantitativních map tvrdosti, které usnadňují identifikaci HAZ a lokálně tvrzených či změkčených zón. Tyto informace jsou prakticky využitelné pro řízení kvality svarů, optimalizaci svařovacích parametrů a propojování s dalšími analytickými metodami při hodnocení spolehlivosti svárů.

Reference

1. Matsushita T., Yamamoto T., Yano F.: Hardness Measurement of Welded Materials by Micro-Vickers Hardness Tester, Shimadzu Application News, First Edition Mar. 2026.
2. Shimadzu Corporation: Three-Point Bending Fatigue Tests of Welded Material Using the SEM Servopulser, Application News No. 01-00792.