11

TEHNITEHNIČČKI MATERIJALIKI MATERIJALI

MEHANIMEHANIČČKA SVOJSTVA MATERIJALAKA SVOJSTVA MATERIJALA

Ispitivanje tvrdoIspitivanje tvrdoććee

Prof.Prof.drdr..scsc. Ivica . Ivica KladariKladarićć

22

Uvod

Ispitivanje tvrdoće jedna je od najraširenijih metoda ispitivanja materijala.

Ispitivanje se lako i brzo provodi, nisu potrebni ispitni uzorci, a rezultati ispitivanja

mogu poslužiti za procjenu drugih mehaničkih svojstava (npr. vlačne čvrstoće ili

otpornosti na abrazijsko trošenje).

Postoji više definicija tvrdoće, no osnovna koja je i primijenjena u glavnim

tehničkim metodama mjerenja tvrdoće glasi:

Tvrdoća je otpornost materijala prema prodiranju stranog tijela u njegovu površinu.

Metode mjerenja tvrdoće su:

� statičke (Brinellova, Vickersova i Rockwellova)

� dinamičke (Poldi i Shore)

- za grubu procjenu tvrdoće, uređaji su prijenosni i lako se

određuje tvrdoća u svim uvjetima (npr. velike konstrukcije)

- za točno određivanje tvrdoće, zahtijevaju bolju pripremu

površine, a uređaji su im stabilni

- sila ispitivanja koja djeluje na penetrator postepeno raste do

maksimalne vrijednosti

- sila na penetratoru ostvaruje se udarom ili se tvrdoća

određuje na osnovi elastičnog odskoka penetratora od

površine koja se ispituje

Brinellova metoda

Ova metoda se koristi za meke i srednje tvrde materijale.

Kod ove metode penetrator je kuglica od kaljenog čelika (za

tvrdoće do 450 HB) ili od tvrdog metala (za tvrdoće do 650 HB)

promjera D koja se utiskuje silom F u površinske slojeve materijala.

U ispitivanom materijalu nastaje otisak u obliku

kalote promjera baze d i dubine h.

Tvrdoća po Brinellu (oznaka HB) je omjer primijenjene sile F (N)

i površine kalote otiska S (mm2):

hD

F

S

FHB

⋅⋅

⋅=

⋅=

π

102,0102,0

Budući se Brinellovom metodom ne mjeri dubina prodiranja

kuglice h nego promjer kalote d (mm), izraz za izračun

tvrdoće je:

( )22

204,0

dDDD

FHB

−−⋅⋅

⋅=

π

Johan August Brinell

1849. – 1925.

švedski inženjer

44

Brinellova metoda

Prednosti:- jednostavna priprema površine - lako mjerenje promjera otiska

Normirani promjeri kuglice D su 10, 5, 2,5, 2 i 1 mm,

a mjerenje je valjano ako promjer otiska d iznosi 0,25 do 0,6 D,

pa u ovisnosti o tvrdoći materijala treba varirati i silu F.

2

102,0

D

FX

⋅=Stoga je uveden stupanj opterećenja:

Nedostaci:- ne mogu se mjeriti tvrdoće ≥ 650 HB- tvrdoća je ovisna o opterećenju i prema X (stupnjuopterećenja) potrebno je izabrati odgovarajuću silu F

- nakon mjerenja otisak je velik i ostavlja vidljiv trag Primjer: 128 HB 5/250/15

gdje su: 128 - iznos tvrdoće, 5 - D u mm, 250 - F u N pomnožena s 0,102 i

15 - vrijeme utiskivanja u s

Vrijednosti stupnja opterećenja X za pojedine grupe metalnih materijala:

Vickersova metoda

Ova metoda je slična Brinellovoj metodi. Razlika je u tome što

je penetrator četverostrana istostranična dijamantna piramida

s vršnim kutom 1360.

Po definiciji, tvrdoća po Vickersu jednaka je onoj po Brinellu,

a izračunava se po izrazu:

S

FHV

102,0⋅=

Kod Vickersove metode površina otisnuća se računa pomoću

dijagonale d=(d1+d2)/2 (mm):

2

189,0

d

FHV

⋅=

Ova metoda je univerzalna i primjenjuje se za tvrde i meke

materijale.

Kod Vickersove metode uklonjena su dva osnovna nedostatka

Brinellove metode: ograničenost područja mjerenja i ovisnost

tvrdoće o sili utiskivanja.

66

Vickersova metoda

Primjer: 430 HV10

gdje su: 430 - iznos tvrdoće, 10 – ispitna sila F u N pomnožena s 0,102

Trajanje opterećenja iznosi 10 do 15 s, a iznimno za mekane materijale može se

produžiti.

Prednosti:

- univerzalna metoda

- moguće je mjerenje vrlo tankih i

vrlo tvrdih materijala

Nedostaci:

- potrebna posebna priprema ispitne površine

- potreban mjerni mikroskop za očitavanje

dijagonala otiska

- mogućnost loma dijamantne piramide.

Razine ispitnih sila Vickersove metode:

1,961 ≤ F < 49

49 ≤ F < 980

0,098 ≤ F < 1,961

Smanjivanjem sile utiskivanja povećava se rasipanje rezultata, što je posebno

izraženo kod ispitivanja mikrotvrdoće.

Rockwellova metoda

Za razliku od Brinellove i Vickersove metode, kod Rockwellove se metode ne

mjeri veličina otisnuća, nego dubina prodiranja penetratora.

Upotrebljava se više vrsta penetratora:

- za meke materijale upotrebljava se mala čelična

kuglica (HRB metoda),

- za tvrde materijale dijamantni stožac (HRC

metoda).

Kod ove metode se vrijednost tvrdoće očitava

neposredno na skali tvrdomjera nakon rasterećenja.

Trajanje jednog ispitivanja je 10 sekundi.

Dijamantni stožac ima vršni kut 1200 i radijus

zaobljenja 0,2 mm, dok promjeri čeličnih kuglica

iznose 1/16 “, 1/8 “, 1/4 “ i 1/2“.

Uređaj za mjerenje tvrdoće

Rockwell metodom

Rockwellova HRB metodaRockwell HRB-metoda se koristi za meke i srednje tvrde materijale (aluminij,

meki čelik, Cu legure i sl.).

002,0130

eHRB −=

Dubina prodiranja penetratora:

Kod HRB metode ukupna moguća

dubina prodiranja penetratora iznosi

0,26 mm i podijeljena je na 130

dijelova, pa Rockwellova jedinica za

tvrdoću iznosi 0,002 mm.

Mjerno područje HRB-metode je od 35 do 100 HRB.

Postupak mjerenja tvrdoće odvija se u tri faze:Prva faza – predopterećenje F0= 98 N (10 kp), penetrator (čelična kuglica) prodire

na dubinu h0 koja predstavlja početni položaj za mjerenje dubine prodiranja.

Druga faza – glavno opterećenje F1= 883 N (90 kp) koje se dodaje na

predopterećenje (F0+F1= 981 N (100 kp)) utiskuje penetrator na dubinu h1.

Treća faza - rasterećenje, tj. otklanjanje glavnog opterećenja F1. Dolazi do povrata

elastičnih deformacija u uzorku nastalih u drugoj fazi i penetrator se zaustavlja na

dubini h2 (h2<h1).

mmhhe ,02 −=

Tvrdoća po HRB metodi određuje se po izrazu:

99

Rockwellova HRC metoda

Rockwell HRC-metoda se koristi za tvrde materijale (npr. toplinski obrađeni čelici).

Postupak mjerenja tvrdoće odvija se u tri faze:

Prva faza – predopterećenje F0= 98 N (10 kp), penetrator (dijamantni stožac)

prodire na dubinu h0 tj. početni položaj mjerenja.

Druga faza – glavno opterećenje F1= 1373 N (140 kp) koje se dodaje na

predopterećenje (F0+F1= 1471 N (150 kp)) utiskuje penetrator na dubinu h1.

Treća faza - rasterećenje, tj. otklanjanje glavnog opterećenja F1. Dolazi do povrata

elastičnih deformacija u uzorku nastalih u drugoj fazi i penetrator se zaustavlja na

dubini h2 (h2<h1).

Dubina prodiranja penetratora:

Kod HRC metode ukupna moguća

dubina prodiranja penetratora iznosi

0,2 mm i podijeljena je na 100

dijelova, pa Rockwellova jedinica za

tvrdoću iznosi 0,002 mm.

mmhhe ,02

−=

002,0100

eHRC −= Mjerno područje HRC-metode je od 20 do 70 HRC.

Tvrdoća po HRC metodi određuje se po izrazu:

1010

Rockwellova metoda

Prednosti:

- veća brzina mjerenja tvrdoće

- neposredno očitavanje tvrdoće na uređaju

- plitak otisak

Nedostaci:

- mogućnost loma dijamantnog stošca

- nepreciznost ± 2 HRB/HRC.

Primjer: 98 HRB

gdje je: 98 - iznos tvrdoće izmjeren Rockwellovom HRB metodom

Primjer: 59 HRC

gdje je: 59 - iznos tvrdoće izmjeren Rockwellovom HRC metodom

1111

Dinamičke metode mjerenja tvrdoće

Ove metode zasnovane su na dinamičkom djelovanju sile na penetrator, odnosno

na udarno-elastičnom odskoku penetratora od predmeta čija se tvrdoća mjeri.

Mjerenja tvrdoće su jednostavna, brza i jeftina, ali je smanjena točnost

mjerenja.

Primjenjuju se kod ispitivanja tvrdoće na dijelovima velike mase (dimenzija) i

složene geometrije, ili kada na ispitnim dijelovima nije dozvoljena bilo kakva

deformacija (npr. valjci valjaoničkih stanova, batovi kovačkih čekića, rezni alati i

dr.).

Ispitivanje tvrdoće ovim metodama koristi se u slučajevima kada se ne može

izvesti mjerenje tvrdoće statičkim metodama (npr. zbog nedostatka statičkih

uređaja, kada nije dozvoljeno razaranje uzorka i sl.).

1212

Dinamičke metode mjerenja tvrdoće – Poldi metoda

Mjerenje tvrdoće je zasnovano na udarnom djelovanju

penetratora i omogućuje izračunavanje tvrdoće slično tvrdoći

po Brinellovoj metodi. Poldi metoda je u principu

modificirana Brinellova metoda.

Ova metoda daje rezultate koji za praksu imaju zadovoljavajuću točnost.

"Poldijev čekić" istovremeno utiskuje penetrator u površinu

ispitnog uzorka i etalon (šipku) poznate tvrdoće.

Kao penetrator koristi se čelična kuglica promjera 10 mm.

Mjerenjem promjera otiska (pomoću Iupe)

određuje se tvrdoća ispitnog uzorka korištenjem

usporednih tablica.

Tvrdoća se može odrediti i analitički mjerenjem

promjera otiska (kalote) u ispitnom uzorku i

etalonu, na osnovi poznate tvrdoće etalona (HB),

prema izrazu:

Gdje je: HB – Brinellova tvrdoća etalona, D - promjer penetratora (kuglice) u mm, de - promjer otiska u etalonu u mm i dm - promjer otiska u ispitnom uzorku u mm.

22

22

m

e

dDD

dDDHBHP

−−

−−⋅=

Razlika izmjerenih vrijednosti tvrdoća po Brinellovoj i Poldi metodi nije veća od 2%.

Dinamičke metode mjerenja tvrdoće – Shore metoda

Princip mjerenja tvrdoće, po ovoj metodi, zasnovan je na elastičnom

odskoku penetratora i na mjerenju visine prvog odskoka.

Visina odskoka ovisna je od vrste materijala, njegove tvrdoće,

modula elastičnosti, stanja površine, mase predmeta.

Uređaj za mjerenje tvrdoće (skleroskop) se sastoji iz jedne

staklene cijevi duljine 245 mm, podijeljene na 130 dijelova, u kojoj

se nalazi penetrator mase 2.5 g sa dijamantnim stožastim vrhom.

Pri mjerenju tvrdoće penetrator slobodno pada

bez trenja kroz staklenu cijev na površinu

ispitnog uzorka.

Visina prvog odskoka penetratora izražena u

dijelovima mjerne skale predstavlja mjeru

odskočne tvrdoće.

Vrijednost tvrdoće ispitnog uzorka računa se kao

aritmetička sredina 5 pojedinačnih mjerenja.

Na osnovi srednje vrijednosti elastičnog

odskoka penetratora može se tvrdoća po

Shoru preračunati u tvrdoću po Vickersu.