Sveuilini studijski centar za strune studije

MATERIJALI I

ISPITIVANJE TVRDOEvjeba br. 12

Tvrdoa materijala Tvrdoa je mehaniko svojstvo materijala, tj. otpor kojim se jedno tijela opire prodiranju drugog tijela u njegovu povrinu. Tvri materijal moe ostaviti trag u mekem materijalu. Tvrdoa predstavlja mjeru odraza faznog sastava i strukture u metalu. Poveanjem tvrdoe poveava se otpornost troenju. Kod nelegiranih elika temeljem poznate tvrdoe moe se priblino odrediti vlana vrstoa materijala. Tvrdoa nema apsolutnu vrijednost kao vrstou, ve se izraava prema nainu mjerenja.

Najstariji tehniki nain odreivanja tvrdoe je usporedba razliitih tvari meusobnim grebanjem tvari o tvar. Prema Mohs-ovoj skali ovako se mjeri tvrdoa minerala. Najtvri je dijamant, s brojem 10, a najmeki je talk, s brojem 0. Skala je nelinearna i u strojarstvu se ne koristi. U strojarstvu se esto koristi mogunost utiskivanja tvre tvari u meku kao mjerilo tvrdoe. Najpoznatije metode su mjerenja tvrdoe po Brinell-u, Vickersu. U svim sluajevima se standardnom silom utiskuje penetrator u ispitivani materijal i mjeri povrina otiska. Omjer izmeu primijenjene sile i povrine otiska daje tvrdou, koja se uz mjernu jedinicu oznaava i oznakom metode ispitivanja.

Diamond Corundum Topaz Quartz Orthoclase (Feldspar) Apatite Fluorite Calcite Gypsum Talc Mohs-ova skala tvrdoe

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

U svakom ispitivanju penetrator treba biti znatno tvri od ispitivanog materijala da se sam ne deformira prilikom ubadanja. Povrina mjerenja prije ispitivanja treba biti glatka da se omogui oblikovanje pravilnog otiska i oitavanje promjera. Metode odreivanja tvrdoe: - statika; - dinamika. Kod statikih metoda sila koja djeluje na penetrator postepeno raste do maksimalne vrijednosti. Kod dinamikih ispitivanja sila na penetrator se ostvaruje udarom, ili se tvrdoa odreuje temeljem elastinog odskoka penetratora od ispitivane povrine.

PenetratorKuglica od elika ili volfram karbida

Izgled penetratora

Brinell

Vickers

Dijamantna piramida

Knoop

Dijamantna piramida

Rockwell A C D B F G

Dijamantni stoacelina kuglica promjera 1/16 elina kuglica promjera 1/8

Ispitivanje tvrdoe po Brinell-u (HB) Tvrdoa po Brinell-u je mjera otpornosti ispitivanog materijala prodiranju kuglice standardnog promjera D pritiskane standardnom silom F. Tvrdoa HB je omjer izmeu sile i povrine otiska, tj. kugline kalote.Sila

F

Penetrator za ispitivanje po Brinell-u je zakaljena elina kuglica standardnog promjera. Standardni promjeri su razliiti (10, 5 i 2.5 mm), kao i standardne sile (29420, 7355, 187,5 [N]), da se pokrije iri raspon tvrdoa materijala. Ovom metodom ispituju se meki i srednje tvrdi materijali (konstrukcijski elik, obojeni metali).

Kod standardnih aparata sila pritiska raste do nazivne F kroz 2 8 [s], a njeno djelovanje traje 10 - 15 [s]. Nakon rastereenja oita se pripadajui promjer otiska d.

Shema ispitivanja

Izvod izraza za tvrdou po Brinell-u: Openito je povrina kugline kalote:HB = F A

A= Dh

D h= 2

D2 d 2 4 4

h=

D 1 D2 d 2 2 2

(D D2 d ) A = D 2 2 F HB = D (D D2 d 2 )

(D D 2 d 2 ) h= 2 2

Napomena: Formulu prilagoavamo starim mjerama (sila u kilopondima)!HB = 2 F 9,81 D ( D D 2 d 2 ) = 0.204 F

D (D D2 d 2 )

Najbolji rezultati mjerenja su oni pri kojem je promjer otiska d 0,3 0,4 D

Suvremeni tvrdomjer

Mjerenje promjera u dva okomita smjera zbog anizotropnosti

Fotografija otiska kuglice

Za elike se moe iz poznate Brinell-ove tvrdoe priblino odrediti njegova vrstoa Rm[MPa]: za ugljini elik: za elik legiran kromom: Rm = 3 ,6 HB Rm = 3 ,5 HB

za krom niklal legirane elike: Rm = 3 ,4 HB

Etaloni

Brinell penetratori

Ispitivanje tvrdoe po Vickers-u (HV) Metoda ispitivanja po Vickers-u koristi se za srednje tvrde i tvrde materijale. Penetrator je dijamantna etverostrana piramida s pravokutnom bazom vrnog kuta 136. Tvrdoa HV dobije se iz omjera standardne sile F[N] i povrine otiska A[mm2] etverostrane piramide. Dakle, tvrdoa po Vickers-u je mjera otpornosti materijala prodiranju etverostrane dijamantne piramide. Predstavlja omjer standardne sile optereenja i povrine otiska etverostrane piramide: F HV = A

Izvod izraza za tvrdou po Vickers-u:d a= 2v= a d = 2 sin 68o 2 2 sin 68o

d d av d2 2 2 2 sin 68o = A1 = = 2 2 8 sin 68o

d2 d2 A = 4 A1 = 4 = 8 sin 68o 2 sin 68oF F 2 sin 68o F HV = = = 1,8544 2 A d2 d

Napomena: Formulu prilagoavamo starim mjerama (sila u kilopondima)!

F 2 sin 68o F HV = = 0,189 2 2 9,81 d d

Shematski prikaz mjerenja tvrdoe po Vickers-u Zbog anizotropije materijala mjere se obje dijagonale, a u tablice se ulazi sa njihovom srednjom vrijednou:d = d sr =

Optereenje F je standardizirano i moe biti razliito: (5, 10, 20, 30, 50, 100) x 9,81[N] a bira se ovisno o tvrdoi ispitivanog materijala (otisak ne smije biti ni premalen ni prevelik).

d1 + d 2 2

Debljine ispitivanih uzoraka moraju iznositi najmanje 1,5 d . Ovim postupkom se mogu ispitivati mikrotvrdoe, ali u tom sluaju optereenje je reda veliine do samo nekoliko [N], a dijagonale se mjere na istom aparatu pomou poveala s ugraviranom mjernom skalom i tonou od 0,001 mm.

Vickers penetratori

Suvremeni tvrdomjer

Tvrdoa po Vickers-u HV do vrijednosti 250HV brojana odgovara Brinell-ovoj tvrdoi, dok iznad ove vrijednosti Vickersova tvrdoa ima vee vrijednosti od Brinell-ove.

Suvremeni tvrdomjer

Ispitivanje tvrdoe po Poldy Poldy je usporedna metoda ispitivanja koja se temelji na ispitivanju po Brinell-u. Otisak se dobije udarcem ekia po drau kuglice preko etalona od materijala poznate tvrdoe, po ispitivanom materijalu. Promjeri otisaka se izmjere i iz tablica oita vrijednost tvrdoe preraunata u Brinell-e. Unutar razumnih raspona sile udarca postupak nije osjetljiv na razlike te veliine u pojedinim udarcima. Postoje i drai s osiguraima od zakaljenog elika koji pucaju pod udarcem i time daju standardnu silu udarca za otisak.

Ureaj je jednostavan i prenosiv, a mjerenje se moe provoditi u svim poloajima. Penetrator je zakaljena elina kuglica promjera D=10mm koja se utiskuje istovremeno u povrinu uzorka materijala kojem mjerimo tvrdou s donje strane i u etalon poznate vrstoe s gornje strane. Ovim postupkom se zapravo mjeri tvrdoa uzorka po Brinell-u HBuz uz poznatu tvrdou etalona HBet koje stoje u omjeru:0,204 F2 2 HBuz D (D D d 1 ) = 0,204 F HBet D (D D 2 d 2 ) 2

HBuz = HBet

2 D D 2 d2

D D2 d2 1

Standardni etalon ima vrstou tvrdou HBet= 197.

Rm = 70 9,81 = 686.7 [N/mm2],

tj.

Kako svi etaloni (probni tapovi) nemaju istu vrstou, uveden je korekcioni faktor f koji je omjer stvarne i standardne vrstoe etalona:f= Rm stvarni_et. Rm standardni_et.

kojim mnoimo vrijednost tvrdoe oitane iz tablica!