Smjernice za ispitivanje tvrdoće

OPĆENITO O ISPITIVANJU TVRDOĆE

U usporedbi sa drugim ispitivanjima koja se provode u laboratoriju za ispitivanje mehaničkih svojstava, 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 KB Prüftechnik GmbH 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 i dalje mehanički postupak utiskivanja indentera za mjerenje tvrdoće.

Općenito, u strojarskoj praksi najčešće se koriste tri različite metode ispitivanja tvrdoće:

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 ili kaljene površine.

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, npr. kućišta industrijskih strojeva.

 
  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.

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

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

Vickers 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

Ako se koriste starije varijante uređaja kod kojih mjerenje nije automatizirano (ručno pokretani “dead weight” uređaji) tada je preciznost ispitivanja iznimno ovisna o mjeritelju. Ostali faktori koji utječu na točnost ispitivanja su obrada površine, vrijeme izvođenja ispitivanja, česte revizije provedenih ispitivanja i ispitivanje adekvatnim uređajima (KB Prüftechnik GmbH proizvodi računalno upravljane uređaje pa ponovljivost mjerenja manje utječe o mjeritelju nego kod ručnih uređaja).

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

Rockwell metodu patentirali su 1914 Hugh M. Rockwell i Stanley P. Rockwell za potrebe brzog mjerenja utjecaja toplinske obrade na kuglice za kuglične ležajeve. Procedura je definirana normom ISO 6508-1.

U nastavku donosimo objašnjenje postupka mjerenja tvrdoće Rockwell metodom. Radi lakšeg razumijevanja, postupak je ilustriran pojednostavnjenim uređajima na kojima je kazaljkama ilustrirana trenutna dubinama penetracije.

  1. Dijamantni penetrator u obliku stošca prisloni se uz površinu uzorka i aplicira se pred opterećenje silom F0. Pritom dolazi do male indentacije i tada nuliramo poziciju mjerača dubine.
  2. U slijedećem koraku, polako i bez udara (tijekom 1 do 8 sekundi), aplicira se opterećenje F1. Zajedno sa predopterećenjem F0 ovo ukupno opterećenje predstavlja 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 4 s ± 2 s; kod tvrdih materijala indentacija je gotovo trenutna, no kod mekših materijala potrebno je pričekati nekoliko sekundi. Postupak penetracije moguće je pratiti na indikatoru uređaja.
  3. 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

KB Prüftechnik GmbH Rockwell tvrdomjeri

Rockwell tvrdomjer KB 150 R

 

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.

KB Prüftechnik GmbH Brinell tvrdomjeri

Samostojeći Brinell tvrdomjer KB 250 – 3000 BVZ Standalone

Univerzalni mjerač tvrdoće KB 250 – 3000 Video

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 HV50/30Vickers 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.

KB Prüftechnik GmbH Vickers tvrdomjeri

KB 30 S Video SA (poluautomatski) / FA (potpuno automatiziran)

KB 30 SR Video SA / FA

4.1. Provođenje ispitivanja tvrdoće Vickers metodom različitim ispitnim opterećenjima


Vrijednost tvrdoće po Vickersu je specifično opterećenje po površini, mm2, a za određivanje tvrdoće koristi se samo jedna vrsta intendora. Zbog navedenog vrijednosti dobivene različitim ispitnim opterećenjima mogu se uspoređivati. Naprimjer, ako se materijal ispituje s ispitnim opterećenjem od 294,30 N,a zatim s 9,81N vrijednosti tvrdoće biti će jednake (pri čemu materijal mora biti homogen i bez slojeva razlilčite tvrdoće).

Metoda po Vickersu pogodna je i za materijale sa slojevima različite tvrdoće. U takvim slučajevima postepeno se povećavaju ispitna opterećenja kako bi se odredila debljina pojedinih površinskih slojeva, npr. sloj nastao nitriranjem.

Za Vickers vrijede pravila kao i za ostale metode, minimalna debljina sloja je jednaka 10x vrijednosti dubine otiska, odnosno dijagonala intendora ne smije biti veća od 2/3 debljine uzorka.

Metoda po Vickersu pogodna je za ispitivanje malih i tankih dijelova te dijelova koji se površinski obrađuju. Primjenjuje se za ispitivanja s malim ispitnim opterećenjima. Međutim, ne preporuča se korištenje ove metode za nehomogene materijale, poput lijevanog željeza.

4.2. Prednosti i nedostaci mjerenja tvrdoće po Vickersu

 

  • Glavna prednost metode je širina mjerne skale tvrdoće, u jednoj skali sadrži i najmanje i najveće vrijednosti tvrdoće što je čini vrlo pogodnom za laboratorijska ispitivanja
  • Glavni nedostatak metode mjerenja tvrdoće po Vickersu je trajanje samog postupka jer se otisak intendora treba mjeriti optički uz korištenje mikroskopa ili projektora što povećava i mogućnost pogreške u mjerenju. Greška mjerenja može se značajno smanjiti korištenjem modernih računalnih sustava za automatsko mjerenje.
  • Potrebna je priprema površine kako bi intendor prianjao ravnomjerno na površinu. U suprotnom, najmanji nagib uzrokuje nepravilnosti u otisku. Stoga, metoda nije prikladna za rutinske testove
  • Otisak intendera na nekim materijalima nije dobro vidljiv zbog nepravilne raspodjele opterećenja ( veća količina opterećenja na rubovima nego na stranicama piramide)

Vickers metoda prikladnija je za primjenu u laboratorijskim nego u industrijskom okruženju. Navedena ograničenja metode mogu se prevladati korištenjem automatskih sustava za mjerenje poput mikroskopa.

5. Ostali postupci ispitivanja tvrdoće

5.1. Shore procedura (za metale)
Shore metoda ispitivanja tvrdoće temelji se na principu da se kugla (ili osovina s okruglim vrhom) ispusti na uzorak i odbije. Visina odbijanja ovisi o tvrdoći materijala i visini s koje kugla pada. Preciznost metode ovisi o masi uzorka i okomitosti pada kuglice zbog čega se metoda rijetko koristi.

5.2. Knoop metoda
Postupak je sličan Vickers metodi, s dijamantnim indentorima u obliku piramide i bazom u obliku romba. Ispitivanja po Knoop-u provode se u laboratorijskim uvjetima s ispitnim opterećenjima od nekoliko grama.

6. Evaluacijske tablice i ploče za uspoređivanje tvrdoće

6.1 Upotreba evaluacijskih tablica
Kako ne postoji matematička povezanost između različitih skala tvrdoće, evaluacijske tablice morale su se sastaviti pomoću empirijskih testova. Postoje značajne razlike između različitih evaluacijskih tablica pa se vrijednosti moraju smatrati tek orijentacijskima.

6.2 Uporaba ploča za usporedbu tvrdoće
Oprema uređaja za ispitivanje tvrdoće obično sadrži jednu ili više ploča za usporedbu tvrdoće. Ploče su izrađene od homogenih i dodatno obrađenih materijala.

Vrlo je važno redovito testirati uređaj za mjerenje tvrdoće pločama za usporedbu (eng. hardness test block) kako bi se provjeravala ispravnost uređaja.

Udaljenost između dva otiska mjeri se između sredine svakog udubljenja ili između sredine otiska i ruba uzorka. Udaljenost je različita za različite testove:

  • Za Rockwell testove:
    Min. 4x promjer otiska, ne manje od 2mm (rubna udaljenost najmanje 2,5 x promjer otiska)
  • Za Brinell:
    Min. 3x promjer otiska (rubna udaljenost: min 2,5 x promjer otiska)
  • Za Vickers:
    Min 3x promjer otiska (rubna udaljenost: min 3x promjer otiska)

Nije preporučeno brušenje postojećih otisaka na ploči kada se ploča popuni jer struktura materijala ploče ispod otiska (otprilike 8x dubina otiska) se mijenja zbog primjene opterećenja, pa rezultati mjerenja ne bi bili točni.

TOPOMATIKA D.O.O. je zastupnik KB Prüftechnik GmbH tvrdomjera u regiji. Imate li pitanja o uređajima za mjerenje tvrtoće površine? Javite nam se ili nas posjetite u TOPOMATIKA mjernom laboratoriju i demo centru, u Industrijskoj ulici 3, Novaki HR-10431, Sveta Nedelja.

Javite nam se za sve informacije ili prezentaciju proizvoda na +385 1 3496 010 ili deformacije@topomatika.hr