MATERIJALI I

Sveučilišni studijski centar

za stručne studije

vježba br. 12

ISPITIVANJE TVRDOĆE

• Tvrdoća je mehaničko svojstvo materijala, tj. otpor kojim se

jedno tijela opire prodiranju drugog tijela u njegovu površinu.

• Tvrđi materijal može ostaviti trag u mekšem materijalu.

• Tvrdoća predstavlja odraz faznog sastava i strukture u

metalu.

• Povećanjem tvrdoće povećava se otpornost trošenju.

• Kod nelegiranih čelika temeljem poznate tvrdoće može se

približno odrediti vlačna čvrstoća materijala.

• Tvrdoća nema apsolutnu vrijednost kao čvrstoću, već se

izražava prema načinu mjerenja.

Tvrdoća materijala

• Najstariji tehnički način određivanja tvrdoće je usporedba

različitih tvari međusobnim grebanjem tvari o tvar.

• Prema Mohs-ovoj skali ovako se mjeri tvrdoća minerala.

Najtvrđi je dijamant, s brojem 10, a najmekši je talk, s brojem

0. Skala je nelinearna i u strojarstvu se ne koristi.

• U strojarstvu se često koristi mogućnost utiskivanja tvrđe tvari

u mekšu kao mjerilo tvrdoće.

• Najpoznatije metode su mjerenja tvrdoće po Brinell-u, Vickers-

u.

• U svim slučajevima se standardnom silom utiskuje penetrator

u ispitivani materijal i mjeri površina otiska. Omjer između

primijenjene sile i površine otiska daje tvrdoću, koja se uz

mjernu jedinicu označava i oznakom metode ispitivanja.

Diamond 10

Corundum 9

Topaz 8

Quartz 7

Orthoclase (Feldspar) 6

Apatite 5

Fluorite 4

Calcite 3

Gypsum 2

Talc 1

Mohs-ova skala

tvrdoće

• U svakom ispitivanju penetrator treba biti znatno tvrđi od

ispitivanog materijala da se sam ne deformira prilikom

mjerenja.

• Površina mjerenja prije ispitivanja treba biti glatka kako bi se

omogućilo oblikovanje pravilnog otiska i očitavanje promjera.

Metode određivanja tvrdoće:

- statička;

- dinamička.

• Kod statičkih metoda sila koja djeluje na penetrator postepeno

raste do maksimalne vrijednosti.

• Kod dinamičkih ispitivanja sila na penetrator se ostvaruje

udarom, ili se tvrdoća određuje temeljem elastičnog odskoka

penetratora od ispitivane površine.

Penetrator

Brinell

Vickers

Knoop

Rockwell

A

C

D

Kuglica od

čelika ili volfram

karbida

Dijamantna

piramida

Dijamantna

piramida

Dijamantni

stožac

Čelična kuglica

promjera 1/16”

Čelična kuglica

promjera 1/8”

Izgled penetratora

B

F

G

F

F

• Tvrdoća po Brinell-u je mjera otpornosti

ispitivanog materijala prodiranju kuglice

standardnog promjera D pritiskane

standardnom silom F. Tvrdoća HB je

omjer između sile i površine otiska, tj.

kugline kalote.

Ispitivanje tvrdoće po Brinell-u (HB)

FSila

• Penetrator za ispitivanje po Brinell-u je zakaljena čelična

kuglica standardnog promjera.

• Standardni promjeri su različiti (10, 5 i 2.5 mm), kao i

standardne sile (29420, 7355, 1839 [N]), da se pokrije širi

raspon tvrdoća materijala.

• Ovom metodom ispituju se mekši i srednje tvrdi materijali

(konstrukcijski čelik, obojeni metali).

• Kod standardnih aparata sila pritiska raste do nazivne F kroz 2

8 [s], a njeno djelovanje traje 10 - 15 [s] za Fe-C legure, a za

najmekše materijale i do 180 [s].

• Nakon rasterećenja očita se pripadajući promjer otiska d.

Shema ispitivanja

Izvod izraza za tvrdoću po Brinell-u:

Općenito je površina kugline kalote:

hDA

442

22 dDh

D

22

2

1

2dD

Dh

2

)( 22 dDDh

2

)( 22 dDDDA

)(

222 dDDD

FHB

)(

204.0

)(81,9

2

2222 dDDD

F

dDDD

FHB

A

FHB

• Najbolji rezultati mjerenja su oni pri kojem je promjer otiska

(mjerenje je valjano za d/D=0,25÷0,5)Dd 4,03,0

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

Mjerenje promjera u

dva okomita smjera

zbog anizotropnostiFotografija otiska kuglice

Suvremeni tvrdomjer

„Strojarski priručnik – Bojan Kraut”

STUPANJ

OPTEREĆENJA

„Strojarski priručnik – Bojan Kraut”

Označavanje Brinell-ove tvrdoće:

npr. 128 HB 5/250/15

gdje je: 128 – iznos tvrdoće

5 – promjer kuglice D [mm]

250 – sila utiskivanja F [N]∙0,102

15 – vrijeme utiskivanja t[s]

• Za čelike se može iz poznate Brinell-ove tvrdoće približno

odrediti njegova čvrstoća Rm[MPa]:

za ugljični čelik:

za čelik legiran kromom:

za krom niklal legirane čelike:

HB,Rm 63

HB,Rm 53

HB,Rm 43

Etaloni Brinell

penetratori

• Metoda ispitivanja po Vickers-u koristi

se za srednje tvrde i tvrde materijale.

• Penetrator je dijamantna četverostrana

piramida s pravokutnom bazom vršnog

kuta 136°.

• Tvrdoća HV dobije se iz omjera

standardne sile F[N] i površine otiska

A[mm2] četverostrane piramide.

Ispitivanje tvrdoće po Vickers-u (HV)

• Dakle, tvrdoća po Vickers-u je mjera otpornosti materijala

prodiranju četverostrane dijamantne piramide.

• Predstavlja omjer standardne sile opterećenja i površine otiska

četverostrane piramide:

A

FHV

2

da

68sin2268sin2

dav

68sin82

68sin222

2

2

1

d

dd

vaA

68sin268sin844

22

1

dd

AA

228544,1

68sin2

d

F

d

F

A

FHV

22189,0

81,9

68sin2

d

F

d

FHV

Izvod izraza za tvrdoću po Vickers-u:

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

Shematski prikaz mjerenja tvrdoće po Vickers-u

• Zbog anizotropije materijala mjere se obje dijagonale, a u

tablice se ulazi sa njihovom srednjom vrijednošću:

2

21 dddd sr

• Opterećenje F je standardizirano i može biti različito:

(5, 10, 20, 30, 50, 100) x 9,81[N]

a bira se ovisno o tvrdoći ispitivanog materijala (otisak ne smije

biti ni premalen ni prevelik).

• Minimalne debljine ispitivanih uzoraka moraju iznositi najmanje

(1,2÷1,5)∙d gdje je d-dijagonala otiska.

• Ovim postupkom se mogu ispitivati mikrotvrdoće, ali u tom

slučaju opterećenje je reda veličine 0,1 do 5 [N], a dijagonale se

mjere na istom aparatu pomoću povećala s ugraviranom

mjernom skalom i točnošću od 0,001 mm.

Suvremeni tvrdomjerVickers

penetratori

• Tvrdoća po Vickers-u HV do vrijednosti 250HV brojčana

odgovara Brinell-ovoj tvrdoći, dok iznad ove vrijednosti Vickers-

ova tvrdoća ima veće vrijednosti od Brinell-ove.

Suvremeni tvrdomjer

Označavanje Vickers-ove tvrdoće:

npr. 430 HV10

gdje je: 430 – iznos tvrdoće

10 – sila utiskivanja F [N]∙0,102

Trajanje opterećenja penetratora iznosi 10÷15 [s].

• U slučaju mjerenja mikrotvrdoće potrebna je posebna

priprema površine uzorka koja uključuje i poliranje, te

mikroskop opremljen uređajem za mjerenje dijagonale otiska.

ispupčena udubljena ispupčena udubljena ispupčena udubljena

• Poldy je usporedna metoda ispitivanja

koja se temelji na ispitivanju po Brinell-u.

• Otisak se dobije udarcem čekića po

držaču kuglice preko etalona od

materijala poznate tvrdoće, po

ispitivanom materijalu.

• Promjeri otisaka se izmjere i iz tablica

očita vrijednost tvrdoće preračunata u

Brinell-e.

Ispitivanje tvrdoće po Poldy

• Unutar razumnih, jačina udarca ne utječe na rezultat mjerenja.

• Postoje i držači s osiguračima od zakaljenog čelika koji pucaju

pod udarcem i time daju standardnu silu udarca za otisak.

• Uređaj je jednostavan i prenosiv, a

mjerenje se može provoditi u svim

položajima.

• Penetrator je zakaljena čelična kuglica

promjera D=10mm koja se utiskuje

istovremeno u površinu uzorka

materijala kojem mjerimo tvrdoću s

donje strane i u etalon poznate

čvrstoće s gornje strane.

• Ovim postupkom se zapravo mjeri tvrdoća uzorka po Brinell-u

HBuz uz poznatu tvrdoću etalona HBet koje stoje u omjeru:

)dD(DDπ

F0,204

)dD(DDπ

F0,204

HB

HB

2

et

2

2

uz

2

et

uz

2

uz

2

2

et

2

etuz

dDD

dDDHBHB

• Standardni etalon ima čvrstoću [N/mm2], tj.

tvrdoću HBet= 197.

• Kako svi etaloni (probni štapovi) nemaju istu čvrstoću, uveden je

korekcioni faktor “f” koji je omjer stvarne i standardne čvrstoće

etalona:

kojim množimo vrijednost tvrdoće očitane iz tablica!

7.68681,970 mR

_et.standardni

.stvarni_et

Rm

Rmf

• Ispitivanje tvrdoće po Shore-u

zasniva se na elastičnom povratu

materijala, ali bez utiskivanja

penetratora.

• Uređaj je jednostavan i prenosiv, a

posebna obrada površine nije

potrebna.

Ispitivanje tvrdoće po Shore-u

• Sa standardne visine ispušta se mali batić na ispitivanu

površinu, od koje odskoči nazad.

• U najvišoj točki odskoka se zaustavi zadržačem.

• Visina odskoka je uvijek manja od početne visine pada za iznos

utrošen na plastičnu deformaciju podloge i elastične valove u

metalu.

• Kod mekših materijala odskok je

niži nego kod tvrđih.

• Visina odskoka u milimetrima se

preko tablice preračuna u

vrijednost tvrdoće po Brinell-u.

• Uređaji mogu biti opremljeni s

induktivnim očitanjem položaja

batića nakon odskoka i brojčanim

prikazom rezultata.

• Skleroskop postavljamo okomito na površinu kojoj mjerimo

tvrdoću.

• Uteg se postavlja na visinu h1. Kočnica zadržava uteg na ovoj

visini.

• Otpuštanjem kočnice uteg pada kroz cijev i odbija se od

površine materijala na visinu odskoka h2, gdje se zadrži.

• Za očitanu vrijednost h2, iz tablice se očita pripadajuća

vrijednost tvrdoće.

• Da bi mjerenje bilo valjano površina mora biti glatka i okomita

na smjer padanja utega.

• Masa ispitivanog komada mora biti što veća kako bi sva

energija udarca ostala u ispitivanom komadu.