MAŠINSKI

FAKULTET

UNIVERZITET U ZENICI

Gačić Emrah T-207/10

POSTUPAK MJERENJA TVRDOĆE

Uvod

Tvrdoća je sposobnost materijala da se odupre dejstvu spoljne sile koja je posljedica kontakta sa nekim drugim mekšim ili tvrđim predmetom.

Tvrdoća se može mjeriti po Mosovoj skali ili drugim različitim skalama. Skale koje se najčesće koriste u inženjerske svrhe su Rokvelova, Vikersova, i Brinelova i mogu se međusobno porediti preko konverzionih tabela.

tvrdoća mineral hemijska formula

1 talk (Mg3Si4O10(OH)2)2 gips (CaS04-2H20)3 kalcit (CaC03)4 fluorit (CaF2)5 apatit (Ca5(P04)3(OH-,Cl-,F-))6 ortoklas

(feldspat)(KAlSi308)

7 kvarc (Si02)8 topaz (Al2Si04(OH-,F-)2)9 korund (A1203)10 dijamant (C)

Tabela1. Mosova skala tvrdoće

Uvod

Tvrdoća se može odrediti statičkim, dinamičkim i specijalnim metodama.

Kod statičkih metoda sila ispitivanja koja deluje na utiskivač postepeno raste do maksimalne vrijednosti.

Kod dinamičkih ispitivanja sila na utiskivaču se ostvaruje udarom, ili se tvrdoća određuje na osnovu elastičnog odskoka utiskivača od površine koja se ispituje. Statičke metode: Brinel (Brinell) metoda HBS, HBW Vikers (Vickers) metoda, HV Rokvel (Rockwell) metoda, HRC Knup (Knoop) metoda, HK

Dinamičke metode: Poldi (Poldy) metoda, HP Skleroskopska metoda (po Šoru(Shore)),HSh Duroskopska metoda, HD

Statičke metode• Brinel (Brinell) metoda HBS, HBW

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

Brinel metoda• Prema tome, tvrdoća po Brinelu je:

gde je:A, mm2 - površina otiska kalote F, N - sila utiskivanja

Ispitivanje tvrdoće po metodi Brinel se izvodi do tvrdoće HB= 450 (čelična kuglica - HBS), a kada se primjenjuju utiskivači od tvrdih metala i do HB= 650 Za mjerenje tvrdoće po Brinelu utiskivač je čelična kuglica prečnika 10, 5 i 2.5 mmPri izboru prečnika kuglice, zavisno od debljine materijala, preporučuje se

Materijal kuglice je okaljeni čelik tvrdoće 850 HV.

AF

HB

Prečnik kuglice D, mm

Debljina materijala s, mm

10 65 3-6

2.5 i 2 31 površinsko

Brinel metodaVrijeme utiskivanja

t1 - vrijeme porasta opterećenja do maksimalne vrijednosti (min 2 s, max 8 s),t2 - vrijeme trajanja dejstva punog opterećenja. Ovo vrijeme se unosi u oznaku pri obilježavanju tvrdoće i zavisi od vrste materijala i t3 - vrijeme rasterećenja.

Vrsta materijala Vrijeme utiskivanja pod opterećenjem t2, s

Čelik Rm<1100 MPa 30Rm > 1100 MPa 15Rm > 1100 MPa 10

Bakar i legure bakra 10-15Aluminiium i alumijumske legure 30Olovo 60Magnezijum i magnezijumove legure 120Ležišne legure 180

Brinel metodaUslovi ispitivanjaPri mjerenju tvrdoće ovom metodom potrebno je da budu zadovoljeni sljedeći uslovi:• Debljina uzorka mora biti najmanje 8 odnosno 10 puta veća od dubine otiska (a>8 h = 8 F/D

TTHBS, mm);• Na poleđini uzorka nasuprot otiska poslije mjerenja se ne smiju vidjeti nikakvi tragovi

deformacije;• Odstojanje od sredine otiska do ivice uzorka, na kome se mjeri tvrdoća, kao i odstojanje

između dva susjedna centra otiska zavisi od vrste ispitivanog materijala;• Otisak, koji ostavlja utiskivač, mora da bude takav da obezbjedi što tačnija mjerenja,

odnosno mora da se ispuni uslov d = (0.24 - 0.6) D, tj. da centralni ugao bude oko 60°;• Ugao između ose utiskivača i površine uzorka mora biti 90°, što znači da pravac dejstva sile

mora biti uvijek upravan na površinu uzorka, što se ostvaruje obradom površine i izborom postolja. Uzorak mora biti stabilan i čist.

Brinel metodaTok rada pri ispitivanju• Bira se utiskivač u zavisnosti od debljine materijala;• Utiskivač se pričvršćuje u nosač aparata;• Uključi se lampa i osvjetli površina uzorka;• Uzorak se postavlja na postolje i priteže uz nosač utiskivača;• Slika površine uzorka mora jasno da se projektuje na ekranu;• Aktivira se aparat (pritiskom na taster) i započinje utiskivanje;• Poslije predviđenog vremena utiskivanja poluga se spušta i izvodi rasterećenje;• Izvodi se mjerenje otiska.Mjerenje prečnika otiskaZa mjerenje otiska mogu se koristiti različita mjerna 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 mjeri pomoću projekcionog ekrana i odgovarajućeg optičkog sistema i mehanizma (tačnost merenja 1/1000 mm).

• Shematski prikazi: pravilnog ’’a’’ i nepravilnog otiska: (b - prevelika sila utiskivanja, c - otisak vrlo tvrdih materijala)

Brinel metoda

Princip mjerenja pomoću lenjira i shema merenja pomoću lupe

Aparat za ispitivanje tvrdoće

Vikers (Vickers) metoda HV Tvrdoća po Vikersu se definiše kao količnik sile kojom se deluje na dijamantski utiskivač u obliku pravilne četverostrane piramide sa uglom pri vrhu od 136° i površine otiska utiskivača na površini predmeta koji se mjeri.

gde je:F - sila utiskivanja u N,A - površina otiska u obliku četvorostrane piramide sa kvadratnom osnovom u mm2

d – dijagonala otiska u mm.Zavisno od veličine sile utiskivanja metode mjerenja tvrdoće po Vikersu mogu biti:• Sila utiskivanja iznosi od 49 do 980 N:

HV5 , HVio, HV20 , HV30 , HV50 i HV100 ;• Sila utiskivanja iznosi od 1.96 do 49 N:

HV0.2 , HV0.3 , HV0.5 , HVi, HV2 i HV3 ;• Mjerenje mikrotvrdoće (sila utiskivanja manja od 1.96 N):

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

Vikers metoda

Vikers metodaMjerenje tvrdoće po Vikersu omogućava mjerenje tvrdoće svih metalnih materijala, bez ograničenja u pogledu veličine tvrdoće, od najmekših do najtvrđih materijala.

Utiskivač je izrađen od dijamanta u obliku pravilne četvorostrane piramide sa uglom pri vrhu 136°±0.5°.

Veličina sile utiskivanja pri mjerenju tvrdoće po Vikersu zavisi od vrste i debljine materijala, kao i od veličine tvrdoće koja se očekuje .

Potrebno vrijeme utiskivanja utiskivača u površinu uzorka materijala mora da obezbedi ravnomjerni prirast sile do odabrane vrijednosti. Ovo vrijeme nanošenja sile iznosi 10-15 s. Pri mjerenju po ovoj metodi neophodno je ispunjavanje sljedećih uslova:• Debljina uzorka mora biti veća 1.5 puta od dijagonale otiska;• Odstojanje centra otiska od ivice uzorka, ili do konture bilo kog drugog otiska, ne smije biti

manja od dijagonale otiska;• Utiskivač mora biti upravan na površinu uzorka;

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

Vikers metoda

Rokvel (Rockwell) metoda HRCTok mjerenja se sastoji u sljedećem:• Odabira se odgovarajući utiskivač (čelična kuglica ili dijamantska kupa);• Odabira se sila glavnog opterećenja (Fi u zavisnosti od tipa skale);• Uzorak se postavlja na postolje i zavojnim vretenom dovodi u kontakt sa utiskivačem;• Okretanjem zavojnog vretena mora se mala kazaljka dovesti u položaj reperne crte, a velika

kazaljka na nulu čime je nanijeto predopterećenje F0;• Izvodi se oslobađanje poluge čime se aktivira nanošenje glavnog opterećenja F i;• Po isteku potrebnog vremena veća kazaljka se zaustavi i tada se izvodi rasterećenje

utiskivača od glavnog opterećenja Ft;• Veličina tvrdoće direktno se očitava na odgovarajućoj skali aparata;• Pozavršenom ispitivanju uzorak se oslobadja utiskivača spuštanjem zavojnog vretena.

Kao utiskivač se koristi čelična kuglica prečnika: D=1/16", 1/8", 1/4" i 1/2" ili dijamantska kupa sa uglom konusa od 120° sa zaobljenjem pri vrhu r = 0.2 mm.

Utiskivanje po Rokvelu

Rokvel metodaKod ove metode postupak mjerenja tvrdoće odvija se u tri faze:• Prva faza utiskivanja otklanja uticaj površinskih neravnina primjenom odgovarajućeg

predopterećenja Fo, koje dovodi do prodiranja utiskivača na dubinu h1.• Druga faza u kojoj se utiskivač utiskuje na dubinu h2. Tada nastaju elastične he i plastične hp

deformacije, usljed dejstva glavnog opterećenja F1, (dodatog na predopterećenje Fo).• Treća faza je rasterećenje, tj. otklanjanje glavnog opterećenja F1 i elastičnih deformacija u

uzorku nastalih u drugoj fazi.

Postupak mjerenja tvrdoće po Rokvelu

Rokvel metodaProces usjecanja

Dubina otiska je: gde je:

h3-h1, mm – dubina utiskivanja i 0.002, mm – jedna Rokvelova jedinica

Rokvel metodaTvrdoća po Rokvel metodi određena je pomoću izraza:

• Za skalu B:

• Za skalu C:

Uređaji za mjerenje tvrdoće po Rokvelu

Uporedna tabela statičkih metodaPrečnik utiskivanja po Brinelu, mm

Tvrdoća po Brinelu, HB

Tvrdoća po Vikersu, HV

C skala tvrdoće po Rokvelu, HRC

Rm, t/in2 Rm, kg/mm2 Rm, N/mm2

2.50 (601) 640 57 - - -2.55 (578) 615 56 - - -2.60 (555) 591 54.5 - - -2.65 (534) 569 53.5 - - -2.70 (514) 547 52 - - -3.00 415 440 44.5 92 145 1422

3.05 401 425 43 88 139 1363

3.10 388 410 42 85 134 1314

3.15 375 396 40.5 82 129 1265

3.20 363 383 39 80 126 1236

4.00 229 241 20.5 50 79 7754.05 223 235 - 49 77 7554.10 217 228 - 48 76 7454.15 212 223 - 46 73 7164.20 207 216 - 45 71 6964.30 197 208 - 43 68 6674.40 187 197 - 41 65 6375.10 137 144 - 31 49 4815.20 131 138 - 30 47 4615.30 126 133 - 29 46 4515.40 121 127 - 28 44 431

Dinamičke metodePoldi (Poldy ) metoda HPIspitivanje tvrdoće ovom metodom koristi se u slučajevima kada se ne može izvesti mjerenje tvrdoće statičkim metodama (npr. zbog nedostatka aparata, djela velikih dimenzija, kada je nekorisno razaranje uzorka i sl.).Mjerenje tvrdoće je zasnovano na udarnom dejstvu utiskivača i omogućuje izračunavanje tvrdoće slično tvrdoći po Brinel-metodi. Odnosno, Poldi metoda je u principu modifikovana Brinel metoda.Aparat za ispitivanje tvrdoće"Poldijev čekić" jednovremeno utiskuje utiskivač u površinu ispitivanog djela i etalon (šipku) poznate tvrdoće. Kao utiskivač koristu se čelična kuglica prečnika D=10 mm.

Poldi metodaMjerenjem prečnika otiska, pomoću Iupe, određuje se tvrdoća ispitivanog predmeta pomoću tabela datih uz aparat.

Karakteristike:• Prečnik utiskivača je uvijek D=10 mm;• Sila kojom se deluje na utiskivač je dinamičkog karaktera (udar ručnim čekićem);• Ostvareni prečnici otisaka mora da leže u granicama d=2-4 mm;• Površina mjerenja mora da je čista i obrađena mašinskom obradom;• Osa udara mora biti upravna na površinu predmeta;• Maksimalna tvrdoća mjerne površine predmeta mora biti manja od 450 HBS;• Tvrdoća etalon predmeta (čelične šipke) mora biti ravnomerna po cijelom presjeku i

određena po Brinel metodi, a što bliže tvrdoći koju očekujemo da ima mjereni materijal.

Poldi metodaTok rada pri ispitivanju• Poldijev čekić se pripremi za rad postavljanjem etalon-šipke u odgovarajući otvor, pri čemu

etalon naleže na utiskivač zahvaljujući pritisku opruge;• Na pripremljenu površinu koja se mjeri postavi se Poldijev čekić tako da njegova osa bude

upravna na površinu;• Odgovarajućim udarom ručnim čekićem izvodi se utiskivanje kuglice u površinu etalona i

materijala;• Dobijeni otisci na površini predmeta i etalona se mjere pomoću lupe sa linearnim mjerilom;• Ako su prečnici otiska veći od 4 mm ili manji od 2 mm ispitivanje se mora ponoviti;• Na osnovu poznatog izraza ili pomoću tabela određuje se tvrdoća po Poldiju.

Skleroskopska metoda (po Šoru - Shore) HShPrincip mjerenja tvrdoće, po ovoj metodi, zasnovan je na elastičnom odskoku i na vizuelnom mjerenju visine njegovog prvog odskoka.Aparat za ispitivanje tvrdoće

Aparat se sastoji iz jedne staklene cijevi dužine 245 mm, podeljene na 130 podioka, u kojoj se nalazi pokretni utiskivač mase 2.5 g sa dijamantskim kupastim vrhom.

Skeleroskopska metodaUslovi ispitivanja• Primenjuje se pri mjerenju tvrdoća čelika i tvrdih livova tvrdoće 225 do 940 HV;• Na istom mjestu uzorka izvodi se samo jedno mjerenje;• Vrijednost tvrdoće uzorka je srednja vrijednost iz najmanje 5 pojedinačnih mjerenja visina

prvih odskoka utiskivača;• Temperatura pri ispitivanjuje sobna (izuzetno i do 10-35°C);• Masa postolja, na koju se postavlja uzorak mora biti najmanje 2-5 kg.Tok rada pri merenju• Aparat za mjerenje - Šorov skleroskop, čvrsto se postavlja na površinu uzorka ili radnog

predmeta, pri čemu se kontrola upravnosti provjerava libelom;• Podiže se utiskivač u najviši položaj;• Oslobađa se utiskivač da slobodno pada (pritiskom na dugme);• Pažljivo se prati odskok utiskivača i registruje visina odskoka;• Na osnovu srednje vrednosti elastičnog odskoka utiskivača može se tvrdoća po Šoru

preračunati u tvrdoću po Vikersu.

Duroskopska metoda HDDuroskop (sklerograf) je prost, lahk aparat, malih dimenzija i primenjuje se za brza mjerenja tvrdoća, posebno vertikalnih površina.

Uslovi ispitivanja• Primenjuje se pri mjerenju tvrdoća malih i komplikovanih delova, kao i delova u završnoj fazi

mašinske obrade (zupčanici, radilice i dr.);• Mogu se ispitivati kako metalni tako i nemetalni materijali, keramika i sl.• Na istom mjestu uzorka izvodi se samo jedno mjerenje;• Vrijednost tvrdoće uzorka je srednja vrijednost iz najmanje 5 pojedinačnih mjerenja visina

prvih odskoka utiskivača;• Temperatura pri ispitivanju je sobna (izuzetno i 10-35°C).

Duroskopska metodaTok rada pri mjerenju• Klatno se postavlja (podiže) u gornji položaj okretanjem odgovarajuće navrtke na zadnjoj

strani aparata;• Aparat se prislanja uz vertikalnu površinu predmeta;• Pomoću libele aparat se postavlja u horizontalni položaj;• Pritiskom na taster za aktiviranje oslobađa se malj sa klatnom koji pada na utiskivač (ne

smije doći do pomjeranja aparata);• Na lučnoj skali, koja je podjeljena na 70 podioka, očitava se broj duroskopskih jedinica na

mjestu zaustavljanja kazaljke;• Prevođenje duroskopskih jedinica u tvrdoću po Vikersu, izvodi se preko dijagrama

Ostale metode• KNOOP: utisnuti dijamant u obliku piramide u ravni sa rombičnom osnovicom i fiksnim

uglovima između međusobno suprotnih ravni je pritisnut u uzorak, i dužu dijagonalu koja ostaje na površini nakon test sile F naknadno izmjeriti.

• MARTENS: kontinualno opažanje usled dejstva sile F, do dubine h, omogućuje određivanje tvrdoće.

• IRHD (International Rubber Hardness Degree)