Smjernice za ispitivanje tvrdoće

OPĆENITO O ISPITIVANJU TVRDOĆE

U usporedbi sa drugim ispitivanjima koja se provode u metalografskim laboratorijima, ispitivanje tvrdoće jedno je od najkompleksnijih. S jedne strane, postoje različite metode ispitivanja tvrdoće; s druge strane, potrebno je ispitati uzorke koji mogu biti veliki, mali, tvrdi, mekani, tanki ili debeli. Imajući na umu različite postupke ispitivanja i višestruke skale koje iskazuju rezultate, razumljivo je kako i iskusni ispitivači mogu imati poteškoća pri ispitivanju tvrdoće.

Razvoj elektronike doveo je do velikih napredaka u ispitivanju tvrdoće. Uz kompjuterski potpomognute uređaje za ispitivanje tvrdoće, preciznije očitavanje rezultata, mogućnost spremanja podataka, statistička analiza i grafički prikazi postali su standard pri provođenju ispitivanja.

Ipak, elektronika se još uvijek koristi samo za krajnje očitavanje rezultata (i prema potrebi, za automatizaciju i upravljanje mjerenjem), dok je samo ispitivanje mehanički postupak.

Općenito, u strojarskoj praksi najčešće se koriste tri različite metode ispitivanja tvrdoće: Rockwell, Brinell i Vickers.

Tvrdomjeri za
ispitivanje po
Brinellu
Tvrdomjeri za ispitivanje po Rockwellu
Tvrdomjeri za ispitivanje po Vickersu
Univerzalni
tvrdomjeri

Za razumijevanje postupaka ispitivanja, različitosti između metoda i prednosti, odnosno nedostataka svake pojedine metode, ključno je razumijevanje sljedećih pojmova:

 

  1. Opterećenje (Total test load)

Općenito pravilo glasi da se prilikom isptivanja koristi najveće moguće opterećenje. Ovo omogućuje veću preciznost (jer je ispitivanje manje osjetljivo na teksturu površine uzorka).

S druge strane, indentacija ne bi smjela biti dublja od 1/10 debljine uzorka.

Homogenost materijala je također važan kriterij pri određivanju opterećenja. Dobar primjer je lijevano željezo, koje se općenito ispituje pri maksimalnom dozvoljenom opterećenju, osim u slučajevima kada je indukcijski kaljeno.

 

  1. Raspon tvrdoće (Hardness range)

Iznad iznosa tvrdoće od, otprilike, 650 HB/30, potrebno je korisiti dijamantni penetrator, a za materijale tvrdoće ispod tog iznosa, mogu se koristiti i penetratori od čelika ili tvrdog metala.

Brinellova metoda, koja ne koristi dijamantne penetratore, ne može se upotrijebiti za ispitivanje tvrdoće kaljenog čelika.

Rockwellova metoda je univerzalnija jer dozvoljava korištenje penetratora u obliku dijamantnog stošca i čelične kuglice.

Vickersova metoda koristi samo penetrator u obliku dijamantne piramide pa se može koristiti pri ispitivanju cijelog raspona tvrdoće materijala. Ipak, pogodnija je za ispitivanja u laboratorijima u odnosu na ispitivanja u radionama i u industrijskom okruženju.

 

  1. Točnost i preciznost

Preciznost ispitivanja iznimno je ovisna o mjeritelju. Ostali faktori koji utječu na točnost ispitivanja su obrada površine, vrijeme izvođenja ispitivanja, česte revizije provedenih ispitivanja i ispitivanje adekvatnim uređajima.

Ako je moguće, ispitivanje bi trebalo provoditi na statičkim, a ne na dinamičkim sustavima.

Potrebno je obratiti posebnu pozornost na pravilan odabir opterećenja ispitivanja.

 

  1. Fleksibilnost mjernih uređaja obzirom na oblik i dimenzije uzoraka

U ovisnosti o dimenzijama uzorka moguće je uzorak postaviti na mjerni uređaj ili mjerni uređaj postaviti na uzorak. U prvom slučaju radi se o stacionarnim uređajima koji imaju dovoljno prostora za uzorak. Zbog toga su pogodni za ispitivanje malih i srednje velikih uzoraka.

Prenosivi mjerni uređaji mogu se učvrstiti na ispitni uzorak (npr. steznim čeljustima) ili, kada se ispituju veliki i nepomični uzorci, samo staviti na uzorak.

Prenosivi mjerni uređaji za velika opterećenja ispitivanja moraju biti dinamički. U slučaju korištenja malih opterećenja ispitivanja, mogu biti i statički. Za specifične slučajeve, moguće je pronaći rješenja po narudžbi i željama kupca.

 

  1. Ekonomski aspekti

Ekonomski aspekti uključuju:

  • Kupnju mjernog uređaja
  • Univerzalnost primjene uređaja
  • Vrijeme izvođenja ispitivanja
  • Potrebne kvalifikacije za upravljanje uređajem

Prva dva aspekta su važna kada se ispituju uzorci različitih oblika i različito obrađenih površina. Obično je to slučaj kod tvrtki s područja tehnike i malih industrija.

Kod tvrtki koje serijski izvode ispitivanja i mjerenja, veoma je važna brzina ispitivanja te stručno osoblje koje izvodi ispitivanja. U ovom slučaju, potrebni su uređaji koja ne zahtjevaju posebnu opremu za stezanje.

MJERENJE TVRDOĆE ROCKWELL METODOM

U nastavku donosimo objašnjenje postupka mjerenja tvrdoće Rockwell metodom. Radi lakšeg razumijevanja, postupak je ilustriran pojednostavnjenim uređajima te dubinama penetracije.

  1. U slijedećem koraku, polako i bez udara, aplicira se opterećenje F1. Zajedno sa predopterećenjem F0 ovo ukupno opterećenje je ispitno opterećenje F. Pri ukupnom opterećenju penetrator ulazi manje ili više duboko u ispitni uzorak, ovisno o tvrdoći materijala koji se ispituje. Pri ukupnom opterećenju, potrebno je penetrator zadržati u krajnjoj točki neko vrijeme; kod tvrdih materijala indentacija je gotovo trenutna, no kod mekših materijala potrebno je pričekati nekoliko sekundi. Postupak penetracije moguće je pratiti na indikatoru uređaja.
  2. Kada se indikator na brojaču umiri, opterećenje F1 se otpušta sve dok uzorak ne ostane samo pod predopterećenjem F0. Na ovaj način, penetrator ostaje u otisku unutar uzorka te su eliminirane sve elastične deformacije nastale apliciranjem ukupnog opterećenja. Stoga brojač pokazuje samo preostalu dubinu penetracije (kao razliku između predopterećenja i ukupnog opterećenja ispitivanja).

Penetrator, predopterećenje, opterećenje i mjerne jedinice standardizirane su unutar Rockwellove metode i mogu se podijeliti u dvije osnovne skupine: standardnu Rockwell metodu (metoda N) i površinsku Rockwell metodu (metoda T).

Standardna Rockwell metoda

Kao penetrator u standardnoj Rockwellovoj metodi koristi se dijamantni stožac vršnog kuta u iznosu od 120°, te sa zaobljenjem vrha od 0.2 mm u radijusu, kao što je moguće vidjeti na skici. Također se kao penetratori koriste kuglice od tvrdog metala promjera 1/16, 1/8, ¼ ili ½ inča.

Predopterećenje je konstantno: 98.07 N. Ukupno opterećenje (predopterećenje F0 + opterećenje F1) može iznositi 588.4 N, 980.7 N ili 1 471 N. Standardna mjerna jedinica prilikom mjerenja tvrdoće Rockwell metodom odgovara penetraciji od 0.002 mm. Što je veći iznos na Rockwellovoj skali, veća je tvrdoća materijala, no istovremeno se s tvrdoćom materijala smanjuje razlika između predopterećenja i apliciranog ukupnog opterećenja. Stoga se iznosi tvrdoća po Rockwellu računaju tako da se dubina penetracije (u iznosima po 0.002 mm) oduzima od 100 (kada se koristi dijamantni penetrator), odnosno od 130 (kada se koriste kuglični penetratori).

Na primjer:

Uz dijamantni penetrator i izmjerenu dubinu penetracije od 0.082 mm dobivamo:
100-0.082/0.002=59 Rockwella
Ista dubina penetracije mjerena kugličnim penetratorima iznosi:

130-0.082/0.002=89 Rockwella

Kada se koriste analogni uređaji sa mjernim kazaljkama, koji obično imaju 100 odjeljaka (jedna rotacija = 0.2 mm), iznosi se mogu očitati direktno sa brojača. Obično uređaj ima dvije skale: jednu za dijamantni, a drugu za kuglične penetratore. Kada se koristi digitalni Rockwell tvrdomjer, dobiveni rezultati prikazuju se na zaslonu nakon što je izvršen kompletan mjerni postupak. Zbog različitih kombinacija penetratora i ispitnih opterećenja, postoji velik broj skala, označenih različitim slovima, kao što je vidljivo iz tablice.

HR Skala

Penetrator

Dijamant

Kuglica 1/16”

Kuglica 1/8”

Kuglica 1/4 ”

Kuglica 1/2 ”

Brojke na skali

crne

crvene

F=1471 N

C

G

K

P

V

F=980.7N

D

B

E

M

S

F=588.4N

A

F

H

L

R

 

Površinska Rockwell metoda

Iako metoda površinskog ispitivanja tvrdoće po Rockwellu koristi iste penetratore kao standardna Rockwell metoda, zahtjeva preciznije izrađen dijamantni penetrator. Ovo se odnosi ne samo na koničnost penetratora sa vrhom od 120°, već i vršni radijus do 0.2mm.

Ovom metodom, primjenjuje se manja ukupna sila kako bi se napravile manje indentacije, tako da i mnogo manji rezultati utiskivanja omoguće mjerenje tvrdoće površine. Predopterećenje ostaje nepromijenjeno: 29.42 N. Ukupno ispitno opterećenje (predopterećenje F0 + opterećenje F1) iznosi: 147.1 N, 294.2 N ili 441.3 N.

Jedna mjerna jedinica površinske Rockwell metode jednaka je 0.001 mm indentacije. Početak skale u površinskoj Rockwellovoj metodi (oznaka 0 na brojčaniku) nalazi se na iznosu od 100 po skali standardne Rockwellove metode (pri ispitivanju bilo dijamantnim ili kugličnim penetratorom). Skala je podijeljena na 100 dijelova. Jedan puni krug kojeg napravi kazaljka na uređajima starije generacije s analognim mjerenjima jednak je 0.1 mm dubine penetracije.

Primjer:
Uz dijamantni ili kuglični penetrator i dubinu penetracije od 0.082 mm iznos površinske Rockwellove metode iznosi 18, što se dobije sljedećim računom: 100-0.082/0.001=18. Zbog različitih kombinacija penetratora i ispitnih opterećenja, postoji više različitih skala za ispitivanje Rockwell metodom, i svaki je označen različitim slovom. Sama oznaka također sadrži i brojku koja označava ukupno opterećenje korišteno u ispitivanju.

 

Skala ispitivanja tvrdoće po površinskoj Rockwell metodi

Penetrator

Dijamant

Kugla 1/16’’

Kugla 1/8’’ *

Kugla ¼’’ *

Kugla ½’’ *

F=441,3 N

45 N

45 T

45 W

45 X

45 Y

F=294,2 N

30 N

30 T

30 W

30 X

30 Y

F=147.1 N

15 N

15 T

15 W

15 X

15 Y

 * W, X i Y nisu standardizirani

Brinell metoda

Brinell metoda mjeri tvrdoču površine korištenjem kugličnih penetratora različitih dimenzija (dimenzija uvijek izraženih u mm, za razliku od penetratora za Rockwell metodu čije se dimenzije izražavaju u inčima), koji se utiskuju pri određenim opterećenjem u glatku, ravnu površinu uzorka određeno vrijeme (10 do 15 sekundi).

Nakon aplikacije sile ostaje indentacija oblika polusfere, čiji se promjer mjeri s optičkim uređajima (mikroskopom ili projektorom).

Tvrdoća po Brinellu (HBW) određuje se kao odnos ispitnog opterećenja i površine indentacije, prema formuli: 

  • F [N] je ispitno opterećenje
  • D [mm] je promjer penetratora
  • d [mm] je promjer indentacije

U praksi se koriste i tablice iz kojih se izravno iščitavaju rezultati tvrdoće po Brinellu prema ispitnom opterećenju i promjeru indentacije. Brinellova metoda koristi standardizirane penetratore:

Dimenzije kuglice10 mm5 mm2,5 mm1 mm

Standardizirana ispitna oprerećenja prema promjerima kuglica:

HBW 10D [mm]F [N]HBW 5D [mm]F [N]
HBW 10/30001029420HBW 5/75057335
HBW 10/15001014710HBW 5/25052452
HBW 10/1000109807HBW 5/12551226
HBW 10/500104903HBW 5/62,55612,9
HBW 10/250102452HBW 5/255245,2
HBW 10/10010980,7   
HBW 2.5D [mm]F [N]HBW 5D [mm]F [N]
HBW 2,5/ 187,52.51839HBW 1/301294,2
HBW 2,5/ 62,52.5612,9HBW 1/10198,07
HBW 2,5/ 31,252.5306,5HBW 1/5149,03
HBW 2,5/ 15,6252.5153,2HBW 1/2,5124,52
HBW 2,5/ 6,252.561,29HBW 1/119,807

Prilikom ispitivanja tvrdoće po Brinell metodi treba voditi računa o sljedećem:

  1. Standard (EN ISO 6506-1) zahtijeva da promjer indentacije bude između 0,24 i 0.6 promjera kugličnog penetratora. Da bi se postigao ovaj uvjet, potrebno je ispravno odabrati i aplicirati silu na kuglicu. Ako se malena kuglica utisne u mekani materijal uz visoko opterećenje, indentacija će biti preduboka. U obrnutom slučaju, može se desiti da indentacija bude manja od 0,24*D i mjerenje neće odgovarati standardu.
  2. Zbog toga za Brinell metodu postoji formula za određivanje omjera opterećenja i promjera kuglice koja glasi . Što je tvrđi metal ispitivanog uzorka, potrebno je veće opterećenje ispitivanja.

Vickers metoda

(NAPOMENA! Neki detalji ovog poglavlja su zastarjeli. Trenutno se prepravljaju.) 

Ova metoda slična je Brinell metodi, no koristi dijamantni penetrator u obliku pravilne četverostrane piramide i vršnog kuta od 136°. Stoga indentacija izgleda poput konkavne (negativne) piramide kvadratične osnovice. Mjeri se duljina dvaju dijagonala indentacije, a kao referentna vrijednost uzima se njihova aritmetička sredina.

Slika – princip ispitivanja tvrdoće po Vickersu (vidi ISO 6507-1, -2, -3)

Slično Brinell metodi, iznos tvrdoće po Vickersu računa se prema razmjeru između ispitne sile i indentacije nastale na površini. Ispitne sile koje se najčešće koriste su: 9.81, 19.62, 49.05, 98.10 i 294.30 N. Također, moguće je koristiti ispitne sile manje od 9.81 N, čime ulazimo u domenu mikrotvrdoće i uporabu u metalografskim laboratorijima. Vickers tvrdoća računa se preko formule (točnost ±0.002 mm):

Gdje je:

  • HV – oznaka tvrdoće po Vickersovoj skali
  • F – ispitna sila
  • A – površina indentacije
  • d – aritmetička sredina dijagonala indentacije

Prilikom označavanja ispitivanja tvrdoće po Vickersu upisuje se HV (H=hardness – tvrdoća, V=Vickers), zatim ispitna sila i vrijeme ispitivanja. Mjerna sila izražava se u kilopondima, stoga je potrebno silu u Newtonima podijeliti sa 9.81 (npr. HV50: 50 = 490.5N / 9.81). Prema tome, oznaka tvrdoće po Vickersu može izgledati ovako:

210 HV50/30

Vickers tvrdoća iznosi 210, pri ispitnoj sili od 490.5N i vremenu ispitivanja 30 s.

Uobičajeno, ispitna sila primjenjuje se na uzorak kroz 15 sekundi, te još sljedećih 30 s ostaje primjenjena. Meki materijali zahtijevaju dulje vrijeme ispitivanja. Čelik tvrdoće 140 HV zahtjeva primjenu sile od samo 10 sekundi.

Naše web stranice koriste kolačiće kako bi Vama omogućili najbolje korisničko iskustvo, za analizu prometa i korištenje društvenih mreža.
Postavke kolačića