Transcript Brinel metoda - Univerzitet u Zenici

POSTUPAK MJERENJA TVRDOĆE
Gačić Emrah T-207/10
Uvod
Tvrdoća je sposobnost materijala da se odupre dejstvu spoljne sile koja je posljedica kontakta
sa nekim drugim mekšim ili tvrđim predmetom.
Tvrdoća se može mjeriti po Mosovoj skali ili drugim različitim skalama. Skale koje se najčesće
koriste u inženjerske svrhe su Rokvelova, Vikersova, i Brinelova i mogu se međusobno porediti
preko konverzionih tabela.
Tabela1. Mosova skala tvrdoće
tvrdoća
mineral
hemijska formula
1
talk
(Mg3Si4O10(OH)2)
2
gips
(CaS04-2H20)
3
kalcit
(CaC03)
4
fluorit
(CaF2)
5
apatit
(Ca5(P04)3(OH-,Cl-,F-))
6
ortoklas (feldspat)
(KAlSi308)
7
kvarc
(Si02)
8
topaz
(Al2Si04(OH-,F-)2)
9
korund
(A1203)
10
dijamant
(C)
Uvod
Tvrdoća se može odrediti statičkim, dinamičkim i specijalnim metodama.
Kod statičkih metoda sila ispitivanja koja deluje na utiskivač postepeno raste do maksimalne
vrijednosti.
Kod dinamičkih ispitivanja sila na utiskivaču se ostvaruje udarom, ili se tvrdoća određuje na
osnovu elastičnog odskoka utiskivača od površine koja se ispituje.
Statičke metode:
 Brinel (Brinell) metoda HBS, HBW
 Vikers (Vickers) metoda, HV
 Rokvel (Rockwell) metoda, HRC
 Knup (Knoop) metoda, HK
Dinamičke metode:
 Poldi (Poldy) metoda, HP
 Skleroskopska metoda (po Šoru(Shore)),HSh
 Duroskopska metoda, HD
Statičke metode
•
Brinel (Brinell) metoda HBS, HBW
Pod pojmom tvrdoće po Brinelu usvaja se količnik sile, koja deluje na odgovarajući utiskivač u
obliku čelične kuglice i površine kalote otiska koju taj utiskivač ostavlja na površini predmeta.
Brinel metoda
•
Prema tome, tvrdoća po Brinelu je:
HB 
F
A
gde je:
A, mm2 - površina otiska kalote
F, N - sila utiskivanja
Ispitivanje tvrdoće po metodi Brinel se izvodi do tvrdoće HB= 450 (čelična kuglica - HBS), a kada
se primjenjuju utiskivači od tvrdih metala i do HB= 650
Za mjerenje tvrdoće po Brinelu utiskivač je čelična kuglica prečnika 10, 5 i 2.5 mm
Pri izboru prečnika kuglice, zavisno od debljine materijala, preporučuje se
Prečnik kuglice D, mm
Debljina materijala s,
mm
10
5
2.5 i 2
1
6
3-6
3
površinsko
Materijal kuglice je okaljeni čelik tvrdoće 850 HV.
Brinel metoda
Vrijeme utiskivanja
t1 - vrijeme porasta opterećenja do maksimalne vrijednosti (min 2 s, max 8 s),
t2 - vrijeme trajanja dejstva punog opterećenja. Ovo vrijeme se unosi u oznaku pri obilježavanju tvrdoće i
zavisi od vrste materijala i
t3 - vrijeme rasterećenja.
Vrsta materijala
Čelik
Rm<1100 MPa
Rm > 1100 MPa
Rm > 1100 MPa
Bakar i legure bakra
Aluminiium i alumijumske legure
Olovo
Magnezijum i magnezijumove legure
Ležišne legure
Vrijeme utiskivanja pod
opterećenjem t2, s
30
15
10
10-15
30
60
120
180
Brinel metoda
Uslovi ispitivanja
Pri mjerenju tvrdoće ovom metodom potrebno je da budu zadovoljeni sljedeći uslovi:
• Debljina uzorka mora biti najmanje 8 odnosno 10 puta veća od dubine otiska (a>8 h = 8 F/D
TTHBS, mm);
• Na poleđini uzorka nasuprot otiska poslije mjerenja se ne smiju vidjeti nikakvi tragovi
deformacije;
• Odstojanje od sredine otiska do ivice uzorka, na kome se mjeri tvrdoća, kao i odstojanje
između dva susjedna centra otiska zavisi od vrste ispitivanog materijala;
• Otisak, koji ostavlja utiskivač, mora da bude takav da obezbjedi što tačnija mjerenja,
odnosno mora da se ispuni uslov d = (0.24 - 0.6) D, tj. da centralni ugao bude oko 60°;
• Ugao između ose utiskivača i površine uzorka mora biti 90°, što znači da pravac dejstva sile
mora biti uvijek upravan na površinu uzorka, što se ostvaruje obradom površine i izborom
postolja. Uzorak mora biti stabilan i čist.
Brinel metoda
Tok rada pri ispitivanju
•
•
•
•
•
•
•
•
Bira se utiskivač u zavisnosti od debljine materijala;
Utiskivač se pričvršćuje u nosač aparata;
Uključi se lampa i osvjetli površina uzorka;
Uzorak se postavlja na postolje i priteže uz nosač utiskivača;
Slika površine uzorka mora jasno da se projektuje na ekranu;
Aktivira se aparat (pritiskom na taster) i započinje utiskivanje;
Poslije predviđenog vremena utiskivanja poluga se spušta i izvodi rasterećenje;
Izvodi se mjerenje otiska.
Mjerenje prečnika otiska
Za mjerenje otiska mogu se koristiti različita mjerna sredstva: pomoću lenjira (tačnost 1/100 i
1/50 mm), pomoću lupe sa mikroskopom (tačnost 1/100 mm), ali se u našim uslovima prečnik
otiska najtačnije mjeri pomoću projekcionog ekrana i odgovarajućeg optičkog sistema i
mehanizma (tačnost merenja 1/1000 mm).
•
Shematski prikazi: pravilnog ’’a’’ i nepravilnog otiska: (b - prevelika sila utiskivanja, c - otisak vrlo tvrdih materijala)
Brinel metoda
Princip mjerenja pomoću lenjira i shema merenja pomoću lupe
Aparat za ispitivanje tvrdoće
Vikers (Vickers) metoda HV
Tvrdoća po Vikersu se definiše kao količnik sile kojom se deluje na dijamantski utiskivač u obliku
pravilne četverostrane piramide sa uglom pri vrhu od 136° i površine otiska utiskivača na
površini predmeta koji se mjeri.
gde je:
F - sila utiskivanja u N,
A - površina otiska u obliku četvorostrane piramide sa kvadratnom osnovom u mm2
d – dijagonala otiska u mm.
Zavisno od veličine sile utiskivanja metode mjerenja tvrdoće po Vikersu mogu biti:
• Sila utiskivanja iznosi od 49 do 980 N:
HV5 , HVio, HV20 , HV30 , HV50 i HV100 ;
• Sila utiskivanja iznosi od 1.96 do 49 N:
HV0.2 , HV0.3 , HV0.5 , HVi, HV2 i HV3 ;
• Mjerenje mikrotvrdoće (sila utiskivanja manja od 1.96 N):
HV0.15 , HV0.1 , HV0.05 , HV0.025 .
Vikers metoda
Vikers metoda
Mjerenje tvrdoće po Vikersu omogućava mjerenje tvrdoće svih metalnih materijala, bez
ograničenja u pogledu veličine tvrdoće, od najmekših do najtvrđih materijala.
Utiskivač je izrađen od dijamanta u obliku pravilne četvorostrane piramide sa uglom pri vrhu
136°±0.5°.
Veličina sile utiskivanja pri mjerenju tvrdoće po Vikersu zavisi od vrste i debljine materijala, kao
i od veličine tvrdoće koja se očekuje .
Potrebno vrijeme utiskivanja utiskivača u površinu uzorka materijala mora da obezbedi
ravnomjerni prirast sile do odabrane vrijednosti. Ovo vrijeme nanošenja sile iznosi 10-15 s.
Pri mjerenju po ovoj metodi neophodno je ispunjavanje sljedećih uslova:
• Debljina uzorka mora biti veća 1.5 puta od dijagonale otiska;
• Odstojanje centra otiska od ivice uzorka, ili do konture bilo kog drugog otiska, ne smije biti
manja od dijagonale otiska;
• Utiskivač mora biti upravan na površinu uzorka;
Temperatura ispitivanja je sobna, odnosno u granicama 10 do 35 °C, a kada je u kontrolisanim
uslovirna 23±5°C.
Vikers metoda
Rokvel (Rockwell) metoda HRC
Tok mjerenja se sastoji u sljedećem:
• Odabira se odgovarajući utiskivač (čelična kuglica ili dijamantska kupa);
• Odabira se sila glavnog opterećenja (Fi u zavisnosti od tipa skale);
• Uzorak se postavlja na postolje i zavojnim vretenom dovodi u kontakt sa utiskivačem;
• Okretanjem zavojnog vretena mora se mala kazaljka dovesti u položaj reperne crte, a velika
kazaljka na nulu čime je nanijeto predopterećenje F0;
• Izvodi se oslobađanje poluge čime se aktivira nanošenje glavnog opterećenja Fi;
• Po isteku potrebnog vremena veća kazaljka se zaustavi i tada se izvodi rasterećenje
utiskivača od glavnog opterećenja Ft;
• Veličina tvrdoće direktno se očitava na odgovarajućoj skali aparata;
• Pozavršenom ispitivanju uzorak se oslobadja utiskivača spuštanjem zavojnog vretena.
Kao utiskivač se koristi čelična kuglica prečnika: D=1/16", 1/8", 1/4" i 1/2" ili dijamantska kupa
sa uglom konusa od 120° sa zaobljenjem pri vrhu r = 0.2 mm.
Utiskivanje po Rokvelu
Rokvel metoda
Kod ove metode postupak mjerenja tvrdoće odvija se u tri faze:
• Prva faza utiskivanja otklanja uticaj površinskih neravnina primjenom odgovarajućeg
predopterećenja Fo, koje dovodi do prodiranja utiskivača na dubinu h1.
• Druga faza u kojoj se utiskivač utiskuje na dubinu h2. Tada nastaju elastične he i plastične
hp deformacije, usljed dejstva glavnog opterećenja F1, (dodatog na predopterećenje Fo).
• Treća faza je rasterećenje, tj. otklanjanje glavnog opterećenja F1 i elastičnih deformacija u
uzorku nastalih u drugoj fazi.
Postupak mjerenja tvrdoće po Rokvelu
Rokvel metoda
Proces usjecanja
Dubina otiska je:
gde je:
h3-h1, mm – dubina utiskivanja i
0.002, mm – jedna Rokvelova jedinica
Rokvel metoda
Tvrdoća po Rokvel metodi određena je pomoću izraza:
•
Za skalu B:
•
Za skalu C:
Uređaji za mjerenje tvrdoće po Rokvelu
Uporedna tabela statičkih metoda
Prečnik
utiskivanja po
Brinelu, mm
Tvrdoća po
Brinelu, HB
Tvrdoća po
Vikersu, HV
C skala tvrdoće
po Rokvelu, HRC
Rm, t/in2
Rm, kg/mm2
Rm, N/mm2
2.50
(601)
640
57
-
-
-
2.55
(578)
615
56
-
-
-
2.60
(555)
591
54.5
-
-
-
2.65
(534)
569
53.5
-
-
-
2.70
(514)
547
52
-
-
-
3.00
415
440
44.5
92
145
1422
3.05
401
425
43
88
139
1363
3.10
388
410
42
85
134
1314
3.15
375
396
40.5
82
129
1265
3.20
363
383
39
80
126
1236
4.00
229
241
20.5
50
79
775
4.05
223
235
-
49
77
755
4.10
217
228
-
48
76
745
4.15
212
223
-
46
73
716
4.20
207
216
-
45
71
696
4.30
197
208
-
43
68
667
4.40
187
197
-
41
65
637
5.10
137
144
-
31
49
481
5.20
131
138
-
30
47
461
5.30
126
133
-
29
46
451
5.40
121
127
-
28
44
431
Dinamičke metode
Poldi (Poldy ) metoda HP
Ispitivanje tvrdoće ovom metodom koristi se u slučajevima kada se ne može izvesti mjerenje
tvrdoće statičkim metodama (npr. zbog nedostatka aparata, djela velikih dimenzija, kada je
nekorisno razaranje uzorka i sl.).
Mjerenje tvrdoće je zasnovano na udarnom dejstvu utiskivača i omogućuje izračunavanje
tvrdoće slično tvrdoći po Brinel-metodi. Odnosno, Poldi metoda je u principu modifikovana
Brinel metoda.
Aparat za ispitivanje tvrdoće
"Poldijev čekić" jednovremeno utiskuje utiskivač u površinu ispitivanog djela i etalon (šipku)
poznate tvrdoće. Kao utiskivač koristu se čelična kuglica prečnika D=10 mm.
Poldi metoda
Mjerenjem prečnika otiska, pomoću Iupe, određuje se tvrdoća ispitivanog predmeta pomoću
tabela datih uz aparat.
Karakteristike:
• Prečnik utiskivača je uvijek D=10 mm;
• Sila kojom se deluje na utiskivač je dinamičkog karaktera (udar ručnim čekićem);
• Ostvareni prečnici otisaka mora da leže u granicama d=2-4 mm;
• Površina mjerenja mora da je čista i obrađena mašinskom obradom;
• Osa udara mora biti upravna na površinu predmeta;
• Maksimalna tvrdoća mjerne površine predmeta mora biti manja od 450 HBS;
• Tvrdoća etalon predmeta (čelične šipke) mora biti ravnomerna po cijelom presjeku i
određena po Brinel metodi, a što bliže tvrdoći koju očekujemo da ima mjereni materijal.
Poldi metoda
Tok rada pri ispitivanju
• Poldijev čekić se pripremi za rad postavljanjem etalon-šipke u odgovarajući otvor, pri čemu
etalon naleže na utiskivač zahvaljujući pritisku opruge;
• Na pripremljenu površinu koja se mjeri postavi se Poldijev čekić tako da njegova osa bude
upravna na površinu;
• Odgovarajućim udarom ručnim čekićem izvodi se utiskivanje kuglice u površinu etalona i
materijala;
• Dobijeni otisci na površini predmeta i etalona se mjere pomoću lupe sa linearnim mjerilom;
• Ako su prečnici otiska veći od 4 mm ili manji od 2 mm ispitivanje se mora ponoviti;
• Na osnovu poznatog izraza ili pomoću tabela određuje se tvrdoća po Poldiju.
Skleroskopska metoda (po Šoru - Shore) HSh
Princip mjerenja tvrdoće, po ovoj metodi, zasnovan je na elastičnom odskoku i na vizuelnom
mjerenju visine njegovog prvog odskoka.
Aparat za ispitivanje tvrdoće
Aparat se sastoji iz jedne staklene cijevi dužine 245 mm, podeljene na 130 podioka, u kojoj se
nalazi pokretni utiskivač mase 2.5 g sa dijamantskim kupastim vrhom.
Skeleroskopska metoda
Uslovi ispitivanja
• Primenjuje se pri mjerenju tvrdoća čelika i tvrdih livova tvrdoće 225 do 940 HV;
• Na istom mjestu uzorka izvodi se samo jedno mjerenje;
• Vrijednost tvrdoće uzorka je srednja vrijednost iz najmanje 5 pojedinačnih mjerenja visina
prvih odskoka utiskivača;
• Temperatura pri ispitivanjuje sobna (izuzetno i do 10-35°C);
• Masa postolja, na koju se postavlja uzorak mora biti najmanje 2-5 kg.
Tok rada pri merenju
• Aparat za mjerenje - Šorov skleroskop, čvrsto se postavlja na površinu uzorka ili radnog
predmeta, pri čemu se kontrola upravnosti provjerava libelom;
• Podiže se utiskivač u najviši položaj;
• Oslobađa se utiskivač da slobodno pada (pritiskom na dugme);
• Pažljivo se prati odskok utiskivača i registruje visina odskoka;
• Na osnovu srednje vrednosti elastičnog odskoka utiskivača može se tvrdoća po Šoru
preračunati u tvrdoću po Vikersu.
Duroskopska metoda HD
Duroskop (sklerograf) je prost, lahk aparat, malih dimenzija i primenjuje se za brza mjerenja
tvrdoća, posebno vertikalnih površina.
Uslovi ispitivanja
• Primenjuje se pri mjerenju tvrdoća malih i komplikovanih delova, kao i delova u završnoj
fazi mašinske obrade (zupčanici, radilice i dr.);
• Mogu se ispitivati kako metalni tako i nemetalni materijali, keramika i sl.
• Na istom mjestu uzorka izvodi se samo jedno mjerenje;
• Vrijednost tvrdoće uzorka je srednja vrijednost iz najmanje 5 pojedinačnih mjerenja visina
prvih odskoka utiskivača;
• Temperatura pri ispitivanju je sobna (izuzetno i 10-35°C).
Duroskopska metoda
Tok rada pri mjerenju
• Klatno se postavlja (podiže) u gornji položaj okretanjem odgovarajuće navrtke na zadnjoj
strani aparata;
• Aparat se prislanja uz vertikalnu površinu predmeta;
• Pomoću libele aparat se postavlja u horizontalni položaj;
• Pritiskom na taster za aktiviranje oslobađa se malj sa klatnom koji pada na utiskivač (ne
smije doći do pomjeranja aparata);
• Na lučnoj skali, koja je podjeljena na 70 podioka, očitava se broj duroskopskih jedinica na
mjestu zaustavljanja kazaljke;
• Prevođenje duroskopskih jedinica u tvrdoću po Vikersu, izvodi se preko dijagrama
Ostale metode
•
KNOOP: utisnuti dijamant u obliku piramide u ravni sa rombičnom osnovicom i fiksnim
uglovima između međusobno suprotnih ravni je pritisnut u uzorak, i dužu dijagonalu koja
ostaje na površini nakon test sile F naknadno izmjeriti.
•
MARTENS: kontinualno opažanje usled dejstva sile F, do dubine h, omogućuje određivanje
tvrdoće.
•
IRHD (International Rubber Hardness Degree)