ISPITIVANJE TVRDOISPITIVANJE TVRDOĆĆEE

Pod tvrdoćom podrazumevamo fizičko svojstvo, tj. otpor kojim se

suprostavlja jedno telo ka prodiranju drugog tvrdjeg tela u njegovu

površinu.

Tvrdoća se može odrediti: • statičkim,

• dinamičkim i

• specijalnim metodama.

Kod statičkih metoda sila ispitivanja koja deluje na utiskivač postepeno raste

do maksimalne vrednosti. Kod dinamičkih ispitivanja sila na utiskivaču se

ostvaruje udarom, ili se pak tvrdoća odredjuje na osnovu elastičnog

odskoka utiskivača od površine koja se ispituje.

Najčešće u praksi korišćene metode (statičke i dinamičke) date su u

sledećoj tablici.

Pregled metoda merenje tvrdoPregled metoda merenje tvrdoććaa

Statičke metode

• Brinel (Brinell) metoda HBS, HBW

• Vikers (Vickers) metoda, HV

• Rokvel (RockweIl) metoda, HRC

• Knup (Knoop) metoda, HK

Dinamičke metode

• Poldi (Poldy) metoda, HP

• Skleroskopska metoda (po Šoru (Shore)), HSh

• Duroskopska metoda, HD

Izbor materijalaOsnovne osobine (kriterij) koje materijal mora zadovoljiti da bi se koristio za izradu dijelova strojeva i konstrukcija su:

1.Potrebna kombinacija mehaničkih osobina (da posjeduje zadovoljavajuću čvrstoću, plastičnost. žilavost, tvrdoću)2.Tehnologičnost (mogućnost obrade raspoloživim tehnologijama)3.Ekonomičnost (cijena materijala mora biti prihvatljiva tržištu)4.Ekologičnost (da ne zagađuje okolinu i da se može reciklirati)

Da bi se izvršio pravilan izbor materijala za izradu određenog elementa ili konstrukcije nužno je zadovoljiti niz zahtijeva. Jedan od načina izbora materijala, primjenjujući zahtijeve za različitim osobina je upotrebom tzv. Izbornih karata (danas dostupne putem različitih komecrijalnih software-skih paketa).

Tablica za izbor materijala

Primjer izborne karte (kombinacija osobina: čvrstoća - žilavost)

Određivanje tvrdoOdređivanje tvrdoććeeTvrdoća je svojstvo materijala da se bez

pojave deformacija suprotstavi prodiranju drugog tijela.

Veličina tvrdoće i njena dimenzija za neki materijal ovisi o metodi mjerenja.

Prava vrijednost se dobije preračunavanjem putem tablica i empirijskih obrazaca.

Metode mjerenja dijelimo na statičke i dinamičke

Ispitivanja tvrdoće neznatno oštećuju površinu ispitivanog predmeta pa se svrstavaju u nerazorna ispitivanja.

Većina metoda se zasniva na mjerenju veličine i dubine otiska koji penetrator opterećen nekom silom načini u ispitivanom materijalu.

Metode su pogodne za metale kod kojih je moguće neka plastična (trajna) deformacija.

Materijalima koji imaju malu ili nikakvu mogućnost deformacije (polimeri, guma) tvrdoća se mjeri tako da se mjeri deformacija materijala u času djelovanja sile.

Kod najčešćih metoda mjerenja (Brinell, Vickers, Rockwell) djelovanje sile je statičko.

Kod rjeđe korištenih metoda (Baumann, Poldi, Shore) djelovanje sile je dinamičko.

Mjerenje tvrdoMjerenje tvrdoććee• Mjerači tvrdoće služe za brzo mjerenje tvrdoće na

površini. Ovi uređaji su ovisno o izvedbi predviđeni za mjerenje tvrdoće metala, sintetike, gume, tekstila. Tvdoća se prikazuje direktno u Rockwell B, Rockwell C, Vickers HV, Brinell HB, Shore HS, Leeb HL ili u jedinicama za tvrdoću pema DIN ISO. Uređaji su pogodni za uporabu u produkciji, ispitivanju kvalitete i servisu. Pomoću durometara za metalne materijale može se brzo i jednostavno ispitati tvdoća površine čelika, sivog željeza, alatnog čelika, inoxa, gusa, legura aluminija, mesinga, bronze i bakra.

• Na području ispitivanja materijala ispituju se različita mehanička i tehnološka svojstva te se vrši analiza lomova i deformacija dijelova iz eksploatacije.

• Statičkim vlačnim ispitivanjem na kidalicama utvrđuju se osnovne značajke materijala koje definiraju njegovu mehaničku otpornost: granica razvlačenja (Re) i

konvencionalna granica razvlačenja (Rp0,01, Rp0,2), vlačna čvrstoća (Rm), istezljivost (A), kontrakcija (Z), modul elastičnosti (E) i dr.

• Ispitivanja se provode na kidalicama s više mjernih područja različitih nazivnih sila, brzina opterećivanja i prihvata uzoraka.

Računalom upravljana, modernizirana verzija kidalice u potpunosti omogućava provođenje ispitivanja i registriranje rezultata

Brinellu Brinellu metodemetode

Tvrdoća po Brinellu (oznaka HB) je omjer primijenjene sile i površine otiska – ispituje se na specijalnim prešama –one proizvedu točno opterećenje u određenom vremenskom intervalu. Ispitivanja se vrše na kuglicama od tvrdog metala.

F = sila S = ploha kuglice (mm)S

FHB

⋅=

102,0

Kao mjerilo tvrdoće po Brinelu usvaja se količnik sile, koja djeluje na odgovarajuči utiskivač u obliku čelične kuglice i površine kalote otiska koju taj utiskivač ostavlja na površini predmeta. Prema tome, tvrdoća po Brinelu je:

HB= F/A

gdeje: A, mm - površina otiska kalote i

F, daN- sila utiskivanja.

Konačan izraz za izračunavanje veličine tvrdoće po Brinelu je:

gdeje: F, N – sila utiskivanja,

D, mm - prečnik kuglice - utiskivača i

d, mm - prečnik otiska.

h, mm – dubina kalote (otiska)

Shema merenja tvrdoće po Brinelu

Otisak u materijalu (kalota)

Promjer čelične kuglice D može biti od 1-10 mm (1, 2, 2.5, 5 i 10 mm), a sila kojom se opterećuje kuglica F takva da veličina proizvedenog otiska (d) bude u slijedećem omjeru s promjerom kuglice D:

d=(0,24 - 0,6)D

Vrijednost izmjerene tvrdoće

Oznaka tvrdoće Promjer kuglice = 2.5 Sila utiskivanja = 187.5Vreme utiskivanja =15

190 HSB 2.5 / 187.5 / 15

Tvrdoća po Brinellu ista je za neki materijal bez obzira na dijametar kuglice ako je kut utiskivanja konstantan (centralni kut između dva polumjera kuglice koji spajaju centar kuglice s krajevima dijametara otiska).

Tvrdoća danog materijala mjerena raznim kuglicama neće se promijeniti ako je P/D2 = const = K

0.2D<d <0.6D

constD

d== ϕ

2

1sin

Materijal Tvrdoća

Meko drvo 1.6 HBS

Tvrdo drvo 2.6 do 7.0 HBSAluminijum 15 HB

Bakar 35 HB

Meki čelik 120 HB

Nerđajući čelik 1250 HB

Staklo 1550 HB

Vickersova metodaVickersova metoda

Vickersova metoda – (oznaka HV) – uklonjeni su

nedostatci iz Brinellove metode (ograničenost

mjerenja 450 HB) tako što je upotrijebljen

najtvrđi materijal za penetrator - dijamant, te

ovisnost iznosa tvrdoće o primijenjenoj sili

utiskivanja kuglice. Umjesto kuglice korištena je

četverostrana piramida sa kutom između

stranica od 1360 .

HV

Vrijednost izmjerene tvrdoće

460 HV 30 / 20

Oznaka tvrdoće

Sila utiskivanja =30

Vreme utiskivanja =20

Tvrdoća po Vickersu jednaka je Brinellovoj a izračunava se po formuli:

Gdje je: F, N – sila utiskivanja,

A (mm2) – površina otiska u obliku pravilne četvorostranične piramide sa kvadratnom osnovom,

d (mm) – dijagonala otiska,

h (mm) – dubina otiska,

a (mm) – stranica kvadrata

Rockwellova metodaRockwellova metoda

Rockwellova metoda – mjeri se dubina prodiranja penetratora. Vrijednost tvrdoće očitava se na ljestvici tvrdomjera i to nakon rasterećenja. Penetratori su dijamantni stožac ili kuglica od kaljenog čelika. Ukupna moguća dubina prodiranja je 0.2 mm i podijeljena je na 100 dijelova pa je jedinica za tvrdoću po Rockwellu = 0,002 mm. Većim iznosima tvrdoće pripadaju veći brojevi.

Kod ove metode se u metal (po ovoj metodi se mjeri tvrdoća samo metalnih materijala) utiskuje dijamantni stožac (engl. "cone" - HRC metoda) ili kuglica od kaljenog čelika (engl. "ball" - HRB metoda).

Ljestvica je okrenuta naopako pa je maksimalna tvrdoća po Rockwellu = maksimalnoj dubini prodiranja umanjenoj za stvarnu dubinu prodiranja penetratora

HR = 0,2 – e

Prednost metode je brzina mjerenja jer se vrijednost za tvrdoću očitava direktno na ljestvici tvrdomjera

Određivanje tvrdoće je uobičajena metoda koja se koristi u različitim podrujima. To je važna tehnika kojom određujemo kvalitetu različitih materijala i mehaničkih dijelova nedestruktivnom metodom.

DinamiDinamiččke metodeke metode

Tvrdoćom pri udarcu smatramo odnos između rada pri udaru A koji apsorbira materijal uslijed utiskivanja kuglice i volumena utisnutog segmenta kuglice V.

Za plitke otiske

d = promjer otiska D = promjer kugliceD

dV

mmkpV

AH f

32

/

4

2

π=

=

Norme za tvrdoNorme za tvrdoććuuDIN EN 1003 ispitivanje tvrdoće po

BrinelluDIN 50132 po Brinellu na temperaturu

do 4000CDIN 50133 ispitivanje tvrdoće po VickersuDIN EN 10004 ispitivanje tvrdoće po

RockwelluDIN 50150 tablice za usporedbu mjerenja

različitim metodama

M A T E R I J A L IM A T E R I J A L I

MetaliMetaliSvojstva metalnih materijala ovise o rasporedu atoma koji je uvjetovan među atomskim vezama.Pravilan raspored atoma u prostoru zove se kristalna struktura a prikazuje se prostornom rešetkom.Toplinska obrada metala bazira se na činjenici da svojstva materijala proizlaze iz strukturnih oblika tih materijala.

• Legure ili slitine čvrste su otopine metala ili nemetala u metalu i pripravljaju se radi postizanja određenih svojstava.

• Tako legure mogu imati veću tvrdoću, otpornost na koroziju ili bolja neka druga svojstva od metala od kojih su sastavljene

Željeza visoke finoćeNehrđajući čelik

Metali i legure

Meki čelik

Lijevano željezo

Najviša održiva temperatura

MetaliMetali

Postupci toplinske obrade (oni koji vode otvrdnuću i očvrsnuću):- obrada s polimorfnim pretvorbama- obrada bez polimorfnih pretvorbinazivaju se kaljenje ili poboljšavanje

Dva su postupka za očvršćivanje legura:- Rastvorno žarenje – da se postigne

monofazna otopina- Starenje ili dozrijevanje rastvornog željeza

izlučuju se legirajući elementi (povisuje vlačnu čvrstoću i granicu razvlačenja)

LegureLegurePostupci koji mijenjaju svojstva legura:• Poboljšanja obradljivosti odvajanjem čestica• Ublažavanje negativnog djelovanja prethodne

obrade hladnim deformacijama• Smanjenje negativnog djelovanja segregacije• Usitnjavanje zrna• Privremeno povećanja zrna• Ublažavanje negativnih posljedica zavarivanja,

kovanja, valjanja itd.• Sniženje vlastitih naprezanja proizvoda

Neke legure mijenjaju svojstva sudjelovanjem obaju mehanizama (alatni čelici, brzorezni čelici za rad na povišenim temperaturama, visokolegirani ultračvrsti čelici).

¸Glavni parametri toplinske obrade metala su vrijeme i temperatura, iz čega se izvodi brzina ugrijavanja odnosno ohlađivanja.

Željezne legure

Obrađene legure

Podjela postupaka toplinske obrade:1. Čista ili prva toplinska obrada (ugrijava se cijela

masa proizvoda - ne mijenja se kemijski sastav)2. Toplinska obrada površinskih slojeva (radi

promjene kemijskog sastava površine)a) bez promjene kemijskog sastava (ugrijavaju

se samo površinski slojevi proizvoda)b) termokemijske obrade(nitriranje,boriranje itd)c) prevlačenje izlučivanjem iz plinske faze

ČČelikelikTo je kovna legura željeza sa ugljikom i

primjesama mangana, silicija, sumpora, fosfora i drugih elemenata. Čelici najčešće sadrže od 0,05 do 1,5% ugljika.

Osnovne metode za dobivanje čelika su Simens-Martinova i električna metoda u visokim pećima ili u Besemerovim ili Tomasovim konvertorima.

Broj primjesa koje ulaze u čelik može biti i do 27 elemenata.

Reciklirane čelične konzerve

Skupljanje korištenih čeličnih konzervi

Prešanje konzervi

Usitnjavanje

Ponovna prerada

Lijevanje tekućeg željeza u ploče

Izvlačenje ploča u tanki lim

Recikliranje čeličnih konzervi

ČČelikelikPodjela primjesa u čeliku:a) Stalne ili obične primjese – primijese

sadržane u rudama ili sirovini od koje se proizvodi čelik (C, Si, Mn, S, P). Njihov sadržaj se kreće od 0.08 do 01 % po elementu.

b) Skrivene primjese – također primjese čelika ali u vrlo malom omjeru (plinovi –kisik, dušik, vodik i drugi)

c) Slučajne ili lokalne primjese – nalaze se u rudi ali samo u nekom određenom geografskom predjelu (uralske rude sadrže puno Cu) ili zbog vrste tehnološkog procesa dobivanja legure.

d) Specijalne primjese (elementi za legiranje) dodaju se namjerno kako bi se dobile specijalne vrste čelika s određenim karakteristikama – takav čelik zove se legirani čelik.

Postupci toplinske obrade Postupci toplinske obrade

Žarenje – struktura se približava stanju ravnoteže – postupak se provodi sporoa) žarenje I reda

- difuzijsko žarenje- žarenje na grubo zrno- žarenje za redukciju zaostalih

naprezanja- rekristalizacijsko žarenje

b) žarenje II reda- normalizacijsko žarenje- žarenje za sprečavanje flokula(flokuke nastaju ispod 2000C)

Kaljenje - struktura legure udaljuje se od stanja ravnoteže – to je postupak transformiranja željeza u martenzit ili bainit.

ČČelikelik

Kaljivost = zakaljivost i prokaljivost

Zakaljivost = visina postignute tvrdoće gašenja dobivena u idealnim uvjetima (ovisi o temperaturi i vremenu kaljenja)

Prokaljivost = karakterizira jednolikost postignute tvrdoće gašenja po poprečnom presjeku proizvoda (ovisi o dimenziji proizvoda, sastavu čelika, brzini gašenja)

Klasifikacija Klasifikacija ččelika prema primjenielika prema primjeniKlasa čelika Grupa čelika

I. Građevinski čelik Ugljični

II. Čelik za konstrukcijeA. Za opće namjene

B. Za specijalne namjene

LegiraniMale, srednje, povećane i visoke prokaljivostiOtporan na habanje, na koroziju, velike čvrstoće, s povećanom sposobnosti obrade

III. Alatni čelik Za rezni alat, za kalupe, za mjerne instrumente

IV. Čelik sa posebnim fizičkimsvojstvima

S određenim koeficijentom širenja, s visokom električnom otpornosti, magnetni, ne magnetni, s modulom elastičnosti koji ne ovisi o temp.

Asortiman Asortiman ččelikaelika• Valjani čelik• Čelik specijalnih profila za:

strojeve, brodove, opruge

• Vruče valjani čelik • Čelične trake - vruče valjane, hladno

valjane, termički obrađena, nehrđajuće • Čelične žice – okrugle hladno vučene• Čelične cijevi – bešavne hladno vučene

ŽŽeljezni ljevovieljezni ljevoviLijevom se smatra svaka metalna legura (ili čisti metal) koja nakon lijevanja u kalup i nakon skrućivanja (kristalizacije) nije bila toplo ili hladno oblikovana deformiranjem.

Sivi lijev – željezna legura s više od 2% ugljika s dodacima Mn a ponekad i P koja kristalizira mješovito.

Cijepljeni sivi lijev – smanjena količina ugljika čime je povećana čvrstoća.

NeNežželjezni materijalieljezni materijaliBakar i njegove legure

Osnovne karakteristike bakra: električna vodljivost, toplinska vodljivost, čvrstoća oksidacijska otpornost, otpornost na puzanje, korozijska postojanost.

Svojstva se mogu poboljšati legiranjem ali se tada smanjuju električna i toplinska vodljivost.

Nedostatci: visoko talište, ne smije doći u dodir s hranom ili za preradu namirnica jer se prekrije zelenom prevlakom (bakreni acetat)

BakarBakar

Nelegirani bakar – dobra električna i toplinska vodljivost koje se baziraju na pokretljivosti slobodnih elektrona metalnih stanja. Čvrstoća mu ovisi o otopljenim primjesama, što je čišći to ima manju čvrstoću. Dodavanjem male količine pravilno odabranih legirajućih elemenata može se povisiti čvrstoća a da se ne smanji električna vodljivost.

Bakrene legureBakrene legureKlasificiraju se prema količini glavnih legirajučih elemenata.

Mjed – bakrena legura s dodatkom cinka .Bronca – bakrena legura s dodatkom

kositra, olova aluminija silicija, željeza, mangana itd

Nikalj i njegove legureNikalj i njegove legure

Nikal je tehnički zanimljiv zbog fizikalnih , mehaničkih i tehnoloških svojstava, korozijske postojanosti i utjecaja na svojstva drugih metala. Otporan je na atmosferske utjecaje, postojan u morskoj vodi, neoksidirajućim hladnim kiselinama, lužnatim otopinama i rastaljenim jakim lužinama.

AluminijAluminij

Aluminij se u prirodi nalazi u obliku oksida i smjese oksida iz kojih se metal izdvaja skupim elektrolitskim postupkom. Sirovi metal se rafinira čime se oksidiraju većine nečistoća.

Tehnički aluminij – nelegirani aluminij male gustoće i korozijske otpornosti te lijepog izgleda. Ima visoku električnu i toplinsku vodljivost. Mekan i male vlačne čvrstoće

Titan i njegove legureTitan i njegove legure

Prirodni titan nalazi se kao rutil (TiO2) i ilmenit (TiO3).

Tehnički titan otporan je na koroziju. Ima dobru toplinsku provodljivost, dobro je obradljiv i vrlo žilav.

Titanove legure – postojane na visokim temperaturama - zrakoplovna, svemirska i naftna industrija

Magnezij i njegove legureMagnezij i njegove legureimaju najmanju gustoću i osrednju čvrstoću. Najčešće se upotrebljava kao dodatak aluminijskim legurama. Magnezijske legure se slabo koriste zbog svoje velike kemijske reaktivnosti (samozapaljenje – vrelište mu je blizu tališta).

Magnezijske legure: mala masa, dobar odnos između čvrstoće i gustoće