Vežba broj 8

ISPITIVANJE TVRDOĆE

Pod tvrdoćom podrazumevamo fizičko svojstvo, tj. otpor kojim se suprostavlja jedno telo ka prodiranju drugog tvrdjeg tela u njegovu površinu.

Tvrdoća se može odrediti: • statičkim,

• dinamičkim i

• specijalnim metodama. Kod statičkih metoda sila ispitivanja koja deluje na utiskivač postepeno raste do maksimalne

vrednosti. Kod dinamičkih ispitivanja sila na utiskivaču se ostvaruje udarom, ili se pak tvrdoća odredjuje na osnovu elastičnog odskoka utiskivača od površine koja se ispituje.

Najčešće u praksi korišćene metode (statičke i dinamičke) date su u sledećoj tablici.

Pregled metoda merenje tvrdoća

STATIČKE METODE DINAMIČKE METODE

• Brinel (Brinell) metoda HBS, HBW • Poldi (Poldy) metoda, HP • Vikers (Vickers) metoda, HV • Skleroskopska metoda (po Šoru (Shore)), HSh • Rokvel (RockweIl) metoda, HRC • Duroskopska metoda, HD • Knup (Knoop) metoda, HK

Izgled utiskivača Metoda Utiskivač Bočni pogled Pogled odozgo

Opterećenje Formula za izračunavanje tvrdoće

Brinel

Kuglica od čelika ili volfram karbida prečnika 10 mm

D

d

d F 2 2

2( )

FHBD D D dπ

=− −

Vikers Dijamantska piramida

136°

d 1 d1

F 2

1.854HVd

=

Knup Dijamantska kupa

t

l / b=7.11b / t=4.00

b

l F 2

14.2HKl

=

Rokvel A C D

Dijamantska kupa

120°

t

d

60 kg 150 kg 100 kg

HRA = HRC = HRD =

100-500 t

B F G

1/16" prečnika čelične kuglice

E 1/8" prečnika čelične kuglice

t d

100 kg 60 kg

150 kg 100 kg

HRB = HRF = HRG = HRE =

130-500 t

STATIČKE METODE

Johan August Brinell 1849 - 1925, Stockholm

Brinel metoda

Kao merilo tvrdoće po Brinelu usvaja se količnik sile, koja deluje na odgovarajuči utiskivač u obliku čelične kuglice i površine kalote otiska koju taj utiskivač ostavlja na površini predmeta.

Prema tome, tvrdoća po Brinelu je:

FHBA

=

gdeje:

A, mm - površina otiska kalote i

F, daN- sila utiskivanja.

Konačan izraz za izračunavanje veličine tvrdoće po Brinelu je:

( )2 2

0.103 2F FHBD h D D D dπ π

⋅ ⋅= =

⋅ ⋅ ⋅ − −

gdeje:

F, N – sila utiskivanja,

D, mm - prečnik kuglice - utiskivača i

d, mm - prečnik otiska.

h, mm – dubina kalote (otiska)

Shema merenja tvrdoće po Brinelu

Otisak u materijalu (kalota)

Ispitivanje tvrdoće po metodi Brinel se izvodi do tvrdoće HB= 450 sa čeličnom kuglicom (HBS), a kada se primenjuju utiskivači od tvrdih metala i do HB= 650 (pri čemu se izmerena tvrdoća označava -HBW). Preko ovih vrednosti nastaju deformacije kuglice, a time veći otisci i manje vrednosti tvrdoće.

Zavisno od utiskivača oznaka za tvrdoću po Brinelu može biti:

HBS – tvrdoća kada se koristi utiskivač čelična kuglica

HBW - tvrdoća kada se koristi utiskivač od tvrdog metala.

Brojna vrednost izmerene tvrdoće se unosi ispred oznake za tvrdoću, a iza ove oznake, u indeksu, unose se uslovi ispitivanja po redosledu: prečnik kuglice D u mm, sila utiskivanja F u daN i vreme utiskivanja τ2 u sekundama.

Primer oznake: 190 HBS 2.5/187.5/15 (197 HBS D/F/τ2)

190 HBS 2.5 / 187.5 / 15

Vrednost tvrdoće

Oznaka tvrdoće

Prečnik kuglice

Sila utiskivanja

Vreme utiskivanja

Utiskivač i sila utiskivanja Za ispitivanje tvrdoće po Brinelu utiskivač je čelična kuglica

prečnika 10, 5 i 2.5 mm. Izuzetno prečnik kuglice može biti 1 i 2 mm. Dozvoljeno odstupanje prečnika kuglice odgovara kvalitetu 6 prema ISO standardima.

Materijal kuglice je okaljeni čelik tvrdoće 850 HV.

Prečnik kuglice i sila utiskivanja pri ispitivanju tvrdoće po Brinelu određuje se iz uslova:

2 .F constD

=

Utiskivač u obliku kuglice

Preporuke za izbor odnosa F/D2 su: Vrsta materijala Odnos F/D2

Čelik 30 Liveno gvožđe: Tvrdoće do 140 HB Tvrdoće iznad 140 HB

10 30

Bakar i legure bakra: Tvrdoćedo35 HB Tvrdoće od 35 HB do 200 HB Tvrdoće iznad 200 HB

5

10 30

Laki metali i njliove legure: Tvrdoće do 35 HB Tvrdoće od 35 HB do 80 HB Tvrdoće iznad 80 HB

1.25, 2.5 5; 10, 15

10, 15 Olovo, kalaj 1, 1.25

Pri izboru prečnika kuglice, zavisno od debljine materijala, preporučuje se:

Prečnik kuglice, D, mm Debljina materijala, s, mm

10 6

5 3-6

2.5 i 2 3

1 površinsko

Vrcme utiskivanja Vreme trajanja utiskivanja zavisi od vrste materijala čija se tvrdoća meri. Opterećenje, s obzirom

na statički metod ispitivanja, povećava se postepeno.

τ1 τ3τ2

F, d

aN

Vreme, s

Dijagram nanošenja opterećenja

Oznake sa prethodne slike su:

τ1 - vreme porasta opterećenja do maksimalne vrednosti - min 2 s, max 8 s,

τ2 - vreme trajanja dejstva punog opterećenja. Ovo vreme se unosi u oznaku pri obeležavanju

tvrdoće i zavisi od vrste materijala i

τ3 - vreme rasterećenja. Preporučene vrednosti vremcna utiskivanja

Vrsta matcrijala Vreme utiskivanja pod opterećenjem, t2, s

Rm < 1100 MPa 30

Rm > 1100 MPa 15 Čelik

Rm > 1400 MPa 10

Bakar i legure bakra 10-15

Aluminijum i Al legure 30

Olovo 60

Magnezijum i Mg legure 120

Ležišne legure 180

Uslovi ispitivanja

Pri određivanju tvrdoće ovom metodom potrebno je da budu zadovoljeni sledeći uslovi:

Debljina uzorka mora biti najmanje 8 odnosno 10 puta veća od dubine otiska.

Materijal a Materijal A B

Čelik, sivi liv, bakar 2.5d 4d Čelik, sivi liv, aluminijum, olovo a ≥ 8h

Aluminijum 3d 6d Bakar a ≥ 8h Olovo 2.5d 6d

Na poledjini uzorka nasuprot otiska posle merenja se ne smeju videti nikakvi tragovi deformacije.

Minimalna debljina ispitivanog dela utvrđuje se:

a) Na osnovu poznate tvrdoće

8 8 FhD HB

δSπ

≥ = ⋅⋅ ⋅

b) Na osnovu poznate tvrdoće

Za odabrane parametre ispitivanja, na osnovu naredenog dijagrama može se približno odrediti minimalna debljina ispitivanog dela.

Minimalna debljina ispitivanog dela

c) Na osnovu očekivane tvrdoće (daje se tabelarno kao preporuka),

d) Na osnovu dobijenog otiska (takođe se daje se tabelarno kao preporuka).

Odstojanje od sredine otiska do ivice uzorka, na kome se meri tvrdoća, kao i odstojanje izmedju dva susedna centra otiska zavisi od vrste ispitivanog materijala (sl. 8.3);

Otisak, koji ostavlja utiskivač, mora da bude takav da obezbedi što tačnija merenja, odnosno mora

da se ispuni uslov d = (0.24 - 0.6)- D, tj. da centralni ugao bude oko 60°;

Ugao izmedju ose utiskivača i površine uzorka mora biti 90°, što znači da pravac dejstva sile mora

biti uvek upravan na površinu uzorka, što se ostvaruje obradom površine i izborom postolja.

Uzorak mora biti stabilan i čist.

Našim standardima (JUS C.A4.003 i dr.) za merenje tvrdoće se preporučuje najmanje tri merenja, pri čemu povećani broj merenja povećava tačnost merenja.

Temperatura ispitivanja je sobna, odnosno u granicama 10 do 35°C, a kada je u kontrolisanim uslovima 23±5°C.

Aparat za ispitivanje tvrdoće

Konstruktivna rešenja aparata za ispitivanje tvrdoće ostvaruju statičko dejstvo odgovarajućih sila na utiskivač koji se utiskuje, preko sistema poluga, u uzorak postavljen na postolje aparata.

Obično je isti aparat namenjen i za merenje tvrdoće po Vikersu, s tim što se menja utiskivač i izbor potrebnog opterećcnja.

Uređaj za merenje tvrdoće

Savremeni uređaji za merenje tvrdoće

Izgled savremenogi uređaja za merenje tvrdoće sa malim opterećenjima

Savremeni portabl uređaji za merenje tvrdoće

Povremeno je potrebno proveravati tačnost uređaja za merenje tvrdoće. To se izvodi pomoću posebnih etalom pločica čija je tvrdoća poznata.

Etalon za baždarenje uređaja Tok rada pri ispitivanju

Za merenje tvrdoće potrebno je izvršiti odgovarajuću pripremu površine na kojoj će se izvesti merenje. Površina mora biti čista, odmašćena i mašinski obradjena (struganjem, brušenjem, poliranjem).

Tok rada se sastoji iz sledećih faza:

o Bira se utiskivač u zavisnosti od debljine materijala,

o Utiskivač se postavi u nosač aparata,

o Električnim prekidačem se uključi lampa i osvetli površina uzorka,

o Pripremljeni uzorak se postavi na postolje i pritegne uz nosač utiskivača,

o Slika površine uzorka mora jasno da se projektuje na ekran,

o Pritiskom na taster aktivira se aparat i tada počinje utiskivanje utiskivača,

o Posle određenog vremena utiskivanja (τ2) pritiskom na polugu izvrši se rasterećivanje. Pri tome dolazi do automatske zamene utiskivača sa objektivom optičkog sistema, koji omogućava projekciju uvećanog otiska na ekranu aparata

o Vrši se merenje prečnika otiska.

Merenje prečnika otiska Kao što je već napomenuto, mera tvrdoće je veličina otiska koji je ostavio tvrđi utiskivač u

ispitivanu površinu pri delovanju odabrane sile u tačno odredjenom vremenu.

Prilikom određivanja tvrdoće potrebno je pravilno izabrati prečnik kuglice i silu utiskivanja kako bi se dobio pravilan otisak. U protivnom može da dođe do izobličenje otiska, a samim tim i do dobijanja netačnih vrednosti tvrdoće. Na sledećoj slici dati su shematski prikazi pravilnog (a) i nepravilnog (b i c) otiska (b-prevelika sila utiskivanja, c-otisak kod vrlo tvrdih materijala).

a) b) c)

Shematski prikazi pravilnog (a) i nepravilnog (b i c)

Tehnika merenja zavisna je od tačnosti merenja, ali tačnost ne sme biti manja od 0.25% prečnika utiskivača D.

Za merenje otiska mogu se koristiti različita merna sredstva: pomoću lenjira (tačnost 1/100 i 1/50 mm), pomoću lupe sa mikroskopom (tačnost 1/100 mm), ali se u našim uslovima prečnik otiska najtačnije meri pomoću projekcionog ekrana i odgovarajućeg optičkog sistema i mehanizma (tačnost merenja 1/1000 mm).

Projekcioni ekran, ravnomerno je podeljen vertikalnim podeonim linijama, čije međusobno rastojanje zavisi od uvećanja objektiva. Tako, za objektiv uvećanja 70×, vrednost jednog podeoka je 0.1 mm.

Merenje otiska izvodi se na sledeći način. Zavrtnjem A se grubo pomera glavna končanica do njenog dovođenja u središte otiska. Zatim se daljim pomeranjem jedna vertikalna končanica, koja jc najbliža ivici otiska, dovede prvo s leve strane da tangira konturu otiska. Mikrometarskim zavrtnjem B se fino pomcra druga konćanica (najbliža desnoj konturi otiska) tako da tangira otisak. Na ovaj način izvršeno je podešavanje končanica, pa se pristupa očitavanju otiska.

Veličina otiska nalazi se jednostavnim odbrojavanjem podeoka između kontura otiska, pri čemu treba voditi računa i o delu podeoka koji se očitava na nonijusnoj i mikrometarskoj skali. Npr. (kao na donjoj slici) uočavamo 8 celih podeoka (8×0.1 mm), 3 cela podeoka na nonijusu (3×0.01 mm) i 2 podcoka na mikrometarskoj skali (2×0.001 mm). Konačno, prečnik otiska u ovom slučaju je 0.832 mm.

Očitavanje prečnika otiska optičkom uređaju pomoću projekcionog ekrana

Ceo ekran tako je konstruisan da može meriti u svakom položaju (0 do 360°). Merenjem dva upravna prečnika omogućeno je određivanje tačnije vrednosti prečnika otiska d, kao aritmetičke sredine prema:

1 2 ,2

d dd += mm

U praksi radi što bržeg određivanja tvrdoće, vrlo često se tabelarno daju sračunate vrednosti tvrdoće po Brinelu prema veličini izmerenih prečnika otisaka i korišćenog prečnika kuglice i sile utiskivanja.

U sledećoj tabeli date su tvrdoće po Brinelu za neke materijale.

Materijal Tvrdoća

Meko drvo 1.6 HBS10/100

Tvrdo drvo 2.6 do 7.0 HBS1.6/10/100

Aluminijum 15 HB Bakar 35 HB Meki čelik 120 HB Nerđajući čelik 1250 HB Staklo 1550 HB

Vikers metoda

Tvrdoća po Vikersu se definiše kao količnik sile, kojom se deluje na dijamantski utiskivač u obliku pravilne četvorostrane piramide sa uglom pri vrhu od 136°, i površine otiska utiskivača na površini predmeta koji se meri.

2

1.854F FHVA d

⋅= ≈

2 242 2 sin(136 2) 1.854a h d dA ⋅ ⋅

= = ≈⋅ °

Gde je:

F, N – sila utiskivanja,

A, mm2 – površina otiska u obliku pravilne četvorostranične piramide sa kvadratnom osnovom,

d, mm – dijagonala otiska,

h, mm – dubina otiska,

a, mm – stranica kvadrata

Shema merenja tvrdoće po Vikersu

Metode merenja tvrdoće po Vikersu zavisno od veličine sile utiskivanja mogu biti:

a) Ispitivanje tvrdoće po Vikersu

Sila utiskivanja iznosi od 49 do 980 N, što se unosi u oznaku tvrdoće, i to:

HV5, HV10, HV20, HV30, HV50 i HVI00;

b) Ispitivanje tvrdoće po Vikersu sa malim opterećenjima

Sila utiskivanja iznosi od 1.96 do 49 N , što se unosi u oznaku tvrdoće, i to:

HV0.2, HV0.3, HV0.5, HV1, HV2 i HV3;

c) Ispitivanje mikrotvrdoće po Vikersu

Sila utiskivanja manja od 1.96 N, što se unosi u oznaku tvrdoće, i to:

HV0.15, HV0.1, HV0.05 i HV0.025

Treba istaći činjenicu da se smanjivanjem sile utiskivanja povećava rasipanje rezultata, posebno kod ispitivanja mikrotvrdoće.

Brojna vrednost izmerene tvrdoće se unosi ispred oznake za tvrdoću, a iza oznake, u indeksu, unose se uslovi merenja po redosledu:

o sila utiskivanja u daN i

o vreme utiskivanja u sekundama.

Primer oznake: 460 HV 30/20

460 HV 30 / 20

Vrednost tvrdoće

Oznaka tvrdoće

Sila utiskivanja

Vreme utiskivanja

U slučaju kada je vreme utiskivanja 10-15 sekundi onda se u oznaku unosi samo sila utiskivanja.

Utiskivač i sila utiskivanja Utiskivač je izrađen od dijamanta u obliku pravilne četvorostrane

piramide sa uglom pri vrhu 136°±0.5°. Stranice utiskivača moraju biti podjednako nagnute prema osi, tako da linija veze izmedju suprotnih stranica ne bude duža od 0.002 mm. Vrh i površine dijamantskog utiskivača moraju biti pravilno obradjene, bez površinskih grešaka, što se lupom povremeno proverava.

Veličina sile utiskivanja pri merenju tvrdoće po Vikersu zavisi od vrste i debljine materijala, kao i od veličine tvrdoće koja se očekuje (npr. za debljinu uzorka 0.3-0.5 mm ⇒ F= 5-10 daN, ..., za debljinu uzorka 2.0 do 4.0 mm ⇒ F= 20-50 daN itd.).

Prema nekim standardima postoje preporuke za optimalnu silu utiskivanja: za čelik 30 daN, a za aluminijum i njegove legure 10 daN i dr.

Vreme utiskivanja Potrebno vreme utiskivanja utiskivača u površinu uzorka materijala mora da obezbcdi ravnomerni

prirast sile do odabrane vrednosti. Ovo vrcme nanošcnja sile iznosi 10-15 s. Za slučaj prekoračenja ovog vremena neophodno jc naznačiti ga u oznaci.

Uslovi merenja Pri merenju po ovoj metodi neophodno je ispunjavanje sledećih uslova:

o Debljina uzorka mora biti veća 1.5 puta od dijagonale otiska;

o Odstojanje centra otiska od ivice uzorka, ili do konture bilo kog drugog otiska, ne sme biti manja od dijagonale otiska;

o Utiskivač mora biti upravan na površinu uzorka;

o Površina uzorka treba da bude ravna, glatka i čista (brušena i polirana).

Materijal a A B

Čelik, bakar, legure bakra 2.5 4

Laki metali

1.5

3 7

Uslovi ispitivanja

Minimalna debljina ispitivanog dela utvrđuje se, zavisno od sile utiskivanja, prema dijagramu na sledećoj slici.

Najmanja debljina ispitivanog dela za silu utiskivanja 49-980 N

Našim standardima (JUS C.A4.003, JUS C.A4.103 i dr.) za merenje tvrdoće se preporučuje najmanje tri merenja, ali povećani broj merenja samo povećava tačnost merenja. Temperatura ispitivanja je sobna, odnosno u granicama 10 do 35°C, a kada je u kontrolisanim uslovima 23±5°C.

Aparat za ispitivanje tvrdoce Konstruktivna rešenja aparata obezbedjuju statičko dejstvo opterećenja na utiskivač preko sistema

poluga. U največeij broju slučajeva se izvrši samo zamena utiskivača i opterećenja na aparatu koji se koristi za ispitivanje tvrdoće po Brinelu i ispituje tvrdoća po Vikersu.

Na sledećin slikama prikazani su izgledi nekih savremenih aparata za merenje tvrdoće Vikers metodom.

Savremeni uredjaji za merenje tvrdoće Vikers metodom

Tok rada priispitivanju Tok rada pri ispitivanju tvrdoće po Vikersu je po karakteru sličan ispitivanju tvrdoće po Brinelu.

Na uzorku pripremljenom na propisani način vrši se utiskivanje utiskivača odabranim opterećenjem. Tok rada je zavisan od vrste aparata za ispitivanje.

Izvrši se provera ispravnosti dijamantskog utiskivača i učvrsti u odgovarajući nosač. Pri radu posebno je potrebno voditi računa da ne dođe do oštećenja dijamantskog utiskivača usled nepažljivog rukovanja, nepravilne pripreme uzorka ili nepravilnog rada.

Naročita pažnja se mora obratiti na jasnoću projektovanja slike otiska na ekran, što se postiže podešavanjem navrtke.

Pritiskom na odgovarajući taster izabere se sila utiskivanja.

Na odgovarajuće postolje aparata postavlja se pripremljeni uzorak, odnosno radni predmet, čija se tvrdoća želi ispitati.

Zavojnim vretenom se pričvrsti uzorak ili radni predmet uz nosač utiskivača i pritiskom na dugme započne se utiskivanjem utiskivača.

Kada opterećenje postigne odabranu vrednost, što se uočava prestankom kretanja poluge, počinje se sa merenjem vremena trajanja opterećenja.

Po isteku ovog vremena izvrši se rasterećenje pomoću poluge njenim vraćanjem u početni položaj.

Na ekranu aparata, posle automatske zamene utiskivača lupom, projektuje se slika površine otiska. Na dobijenoj slici uvećanog otiska, mere se obe dijagonale otiska. Merenje se vrši pomoću optičkog sistema koji se nalazi na aparatu (rad na merenju otiska detaljno je opisan ranije).

Sa izmerenim veličinama dijagonala izračuna se njihova aritmetička sredina

1 2

2d dd +

=

a pomoću nje se odredi tvrdoća, analitički ili pomoću tabela.

Pri pravilnom izboru sile utiskivanja ostaje obično otisak pravilnog oblika.

U slučaju da se dobiju otisci nepravilnog oblika (konkavne i konveksne površine) potrebno izvršiti korekturu tvrdoće. Veličina tvrdoće se pri tome može sračunati po izrazu:

21.854

22

FHVd Z

⋅=

⎛ ⎞⋅ ±⎜ ⎟⎝ ⎠

Dva oblika odstupanja od pravilnog otiska