GE Measurement & Control Solutions

: Mjerenje tvrdoće naprednim tehnikama

UCI metod

(Ultrasonic Contact Impedance)

• Tvrdoća se definira kao suprotstavljanje materijala prodiranju tvrđeg predmeta ili kao otpor materijala prema plastičnoj deformaciji.

• Kod klasičnog mjerenja tvrdoće po Brinell-u, Vickers-u ili Rockwell-u, tvrdoća se određuje na osnovu mjerenja otiska penetratora u mjerenom materijalu, nakon djelovanja sile određenog inteziteta.

• Kod UCI tehnike se koristi Vickers-ov dijamant, ali se dijagonale otiska ne određuju optički kao kod klasičnog mjerenja već elektronski, mjerenjem promjene ultrazvučne frekvencije.

Schemacki opis UCI sistema • Sonda za mjerenje tvrdoće se sastoji od Piezo-električnog pretvarača i oscilirajuće šipke na čijem je kraju pričvršćen Vickers-ov dijamant.

• Zamislimo da umijesto oscilirajuće šipke imamo oprugu koja je pričvršćena na jednom kraju i oscilira rezonantnom frekvencijom od 70 kHz.

• Kada dijamant dođe u kontakt sa ispitivanim materijalom, dolazi do promijene rezonantne frekvencije.

• Promijena rezonantne frekvencije će biti veća, što je veći otisak od dijamanta, tj. što je ispitivani predmet mekši.

• • Promijena frekvencije je proprcionalana otisku dijamanta, i na taj način mjerenjem promjene rezonantne frekvencije možemo mjeriti otisak u ispitivanom materijalu, a samim tim i njegovu tvrdoću.

Relacija između promjene frekvencije i tvrdoće materijala je data sljedećim obrascem: • Kao što vidimo promijena frekvencije je funkcija Young-ovog modula elastičnosti i površine otiska, zato je prije mjerenja potrebno kalibrirati mjerni instrument za dati materijal.

• Sonda je tvornički kalibrirana na niskolegiranom i nelegiranim čelicima, međutim kod moderih instrumenata se može lako kalibrirati i za titan ili bakar na licu mjesta • Na slijedećem dijagramu je prikazana zavisnost između promijene rezonantne frekvencije i tvrdoće materijala.

• Instrument stalno mjeri rezonantnu frekvenciju i istovremeno prikazuje vrijednost tvrdoće materijala. • Ova metoda je jako brza (mjeri tvrdoću u sekundi) i koristi se uglavnom kod homogenih materijala.

• Zavisno od zahtjeva ispitivanog materijala na raspolaganju nam stoji više ispitnih sondi raspoređenih u šest klasa radnog opterećenja (98 N, 50 N, 10 N, te motorne sonde: 8 N, 3 N i 1 N) • Moderni instrumenti imaju mogućnost povezivanja sa računalom, mjerenja srednje vrijednosti, STDEV, range, zadavanje opsega mjerenja, prikaz histograma podaka i sl.

• Na sljedećoj simulaciji je prikazan princip mjerenja.

Metoda odskoka

(Rebound method) • Ova metoda za mjerenje tvrdoće materijala, kao što mu i samo ime kaže, se zasniva na Leeb-ovom metodu odskoka.

• I u ovom slučaju veličina otiska je zavisna od tvrdoće materijala, iako se ona indirektno mjeri na osnovu gubitka energije odskočne loptice. Ilustracija fizičkog principa odskočnog mjerenja trdoće

• Loptica od Volfram karbida je pričvršćena na vrh udarnog tijela na kojem je mali magnet.

• Udarno tijelo se ispaljuje prema ispitnoj površini zadanom brzinom koja ovisi od sile opruge • Udarom nastaje plastična deformacija, pri čemu se gubi dio energije • Brzina prije i nakon udara se mjeri beskontaktnom tehnikom, tako što prolazi kroz namotaje i pri tome se inducira napon koji je proporcionalan brzini udarnog tijla • Iz odnosa brzina nakon i prije udara dobijamo tvrdoću • Ovu tehniku je osmislio prof. D. Leeb i po njemu nosi ime • Tvrdoća po Leebu se računa po sljedećem obrascu: Gdje je: • V R – brzina loptice nakon udara • V I – brzina loptice prije udara

Na sljedećoj slici je prikazan presjek sonde i oblici signala koji nastaju prolaskom udarnog tijela kroz namotaje unutar sonde. Poprečni presjek udarne sonde Oblici signala koji se generiraju prolaskom udarnog tijla kroz namotaje. A – oblik signala prije udara i B – oblik signala nakon udara

• Ovisno o karakteristikama ispitnog objekta bira se sonda za ovu metodu.

• Ovisno o veličini i jačini udara imamo više različitih sondi. • Označavaju se slovima: Dyna D, E, G.

• Tvrdoća po Leeb-u se preračunava u druge skale, (HV, HB, HRC) uz pomoć određenih tablica koje su empirijske, iz razloga što ne postoji funkcionalna ovisnost između ovih jedinica.

• Ova tehnika je pogodna za mjerenje • I kod ove tehnike je tvrdoća u funkciji od Young-ovog modula elastičnosti, stoga su materijali podjeljeni u određene grupe.

• Prije početka rada na mjernom instrumentu moramo odabrati grupu kojoj pripada materijal čiju tvrdoću želimo mjeriti.

• Na sljedećoj simulaciji je prikazan postupak mjerenja.

Slika pokazuje krivulju konverzije tvrdoće po Leeb-u HL u tvrdoću po Rockwell-u C HRC. Ove krivulje su određene eksperimentalno i pohranjene su u instrumente za mjerenje tvrdoće

Optički Through-Intenter-Viewing metod

TIV

• TIV je prijenosni uređaj za mjerenje tvrdoće, koji radi na Vickers ovom principu mjerenja tvrdoće • Specijalna sonda uz pomoć sistema leće i CCD kamere omogućava gledanje kroz penetrator-dijamant • Ova metoda po prvi put omogućava promatranje postupka penetracije dijamanta u materijal u realnom vremenu • Ova tehnika nam omogućuje da vršimo mjerenja tvrdoće na svim materijalima bez ikakve prethodne kalibracije • Također nam omogućuje direktnu kontrolu kvalitete mjerenja, kao i direktan uvid u stanje dijamanta • Nema nikakvih ograničenja na geometrijski oblik i veličinu ispitivanog predmeta, kao ni na masu ni na debljinu stjenke • Omogućava mjerenje kod elastičnih materijala

• TIV instrument za mjerenje tvrdoće je opremljen specijalnim softverom, koji automatski određuje srednju vrijednost dijagonale otiska i na osnovu toga računa vrijednost tvrdoće materijala • Na sljedećoj slici je prikazano radno okruženje TIV instrumenta Mjerenje tvrdoće TIV metodom. Otisak Vickers – ovog dijamanta je prikazan na ekranu, i automatski izračunava tvrdoća

• Kod TIV instrumenata za mjerenje tvrdoće, imamo mogućnost da na zaslonu odaberemo (omeđimo) ivice otiska, i da nam potom instrument izračuna tvrdoću za zadate ivice • Na taj način nam nudi da ručno izračunamo tvrdoću • Također imamo mogućnosti snimanja slika i podataka u memoriju, koje kasnije možemo da prebacimo na računalo Prikaz krivulje rezultata mjerenja Prikaz rezultata mjerenja u tabelarnom obliku, uključujući i statističke podatke kao što su Min, Max, STDEV, Range

• Kod TIV imstrumenata za mjerenje tvrdoće na raspolaganju nam stoje dvije sonde, koje odabiremo ovisno o materijalu koji ispitujemo • Razlika je u razlučivosti CCD kamere, za veće tvrdoće nam je potrebna veća razlučivost (sile 10 N – 30 do 500 HV i 50 N –100 do 1000 HV) Mjerenje tvrdoće na različitim materijalima koristeći TIV metod

• Kod mjerenja tvrdoće bilo kojom od ovih tehnika na rezultate može utjecati više faktora • Jako je važno da sondu postavimo normalno na mjernu površinu • Sonda se ne smije zakretati u toku mjerenja • Hrapavost površine ima utjecaja na rezultate mjerenja Utjecaj hrapavosti površine na rezultate mjerenja

Dubina penetracije ovisno o tvrdoći materijala i radnog opterećenja

Pregled opreme

MIC 10 TIV

MIC 20