Ispitivanje tvrdoće i metode ispitivanja tvrdoće
Oko 1900. Martens je predložio sledeću definiciju za ispitivanje tvrdoće: “Tvrdoća je otpor tela na udubljenje drugog (tvrđeg) tela.” Ova jednostavna, ali precizna definicija zauzela je svoje mesto u tehničkim krugovima i važi i danas kao i tada. Tehnička tvrdoća je mehanička karakteristika koja se koristi za opisivanje materijala ili stanja materijala.
Tvrdoća se ne može meriti direktno, već se izvodi iz primarnih izmerenih varijabli (na primer ispitno opterećenje, dubina udubljenja, površina udubljenja). U zavisnosti od metode ispitivanja, vrednost tvrdoće se određuje na osnovu jednog od sledećih:
- Ispitno opterećenje i jedna od geometrijskih vrednosti koje karakterišu udubljenje tvrdoće (npr. dubina udubljenja)
- Isključivo preko dužine koja karakteriše udubljenje
- Kroz drugačiji odgovor materijala (npr. otpornost na ogrebotine)
Definicija tvrdoće Od čega zavisi tvrdoća? Merenje tvrdoće Cilj ispitivanja tvrdoće Pregled metoda ispitivanja tvrdoće Statičke i dinamičke metode ispitivanja tvrdoće Zajednički standardi Kategorizacija opsega opterećenja Varijacije aplikacija opterećenja Istorija
Detaljne informacije o:
Definicija tvrdoće
Tvrdoća je mehanička otpornost materijala (uzorka) na mehaničko utiskivanje drugim tvrđim telom (indenterom).
Najtvrđi prirodni materijal je dijamant koji se koristi za indenter (industrijski dijamant).
Definicija tvrdoće se razlikuje od definicije čvrstoće, koja je otpornost materijala na deformaciju i razdvajanje.
Od čega zavisi tvrdoća?
Tvrdoća nije osnovno fizičko svojstvo materijala. Međutim, postoje rasponi tvrdoće u kojima se određeni materijali kreću. Tvrdoća se može promeniti toplotom, što znači da radni predmet nakon termičke obrade poprima drugačiju (veću) vrednost tvrdoće.
Ne postoje jasno definisane vrednosti za tvrdoću. Vrednost tvrdoće utvrđena merenjem tvrdoće može zavisiti od:
- Izabrani metod ispitivanja
- Ispitno opterećenje primenjeno na indenter
- Dužina vremena kada je indenter u materijalu
- Geometrija indentera
- Geometrija radnog predmeta
Kako se meri tvrdoća?
Metode sa primenom statičke sile su dominantne za ispitivanje tvrdoće na metalima. Mere se ili na dubini udubljenja ili na veličini udubljenja koje ostavlja indenter. Za statičke metode u ispitivanju tvrdoće, pravi se razlika između metoda merenja dubine i optičkih metoda merenja.
- Metode merenja dubine mere preostalu dubinu utiskivanja indentera. Rockwell metoda je jedina standardizovana metoda merenja dubine (videti ISO 6508, ASTM E18). Osim ovih, postoje nestandardizovane metode merenja dubine: Brinell i Vickers za dubinu (HBT, HVT).
- Metode optičkog merenja mere preostalu veličinu udubljenja indentera. Standardizovane metode ispitivanja optičke tvrdoće uključuju Brinell merenje tvrdoće (ISO 6506, ASTM E10), Knoop merenje tvrdoće (ISO 4545, ASTM E92, ASTM E384) i Vickers merenje tvrdoće (ISO 6507, ASTM E92, ASTM E384).
- Alternativno, metode sa primenom dinamičke sile takođe se mogu koristiti u okviru ispitivanja tvrdoće. To uključuje, na primer, elastičnu metodu merenja tvrdoće po Leeb-u / merenje tvrdoće po Leeb-u (ISO 16589, ASTM A965), koji meri visinu odbijanja kugličnog indentera.
Cilj ispitivanja tvrdoće
Ispitivanje tvrdoće u okviru ispitivanja materijala
- Danas je ispitivanje tvrdoće jedna od najčešće korišćenih metoda u ispitivanju mehaničkih materijala, posebno za metale.
- S jedne strane, ovaj metod ispitivanja se može koristiti za pronalaženje kvalitativnih odnosa sa drugim svojstvima materijala (npr. čvrstoća, krutost, gustina) ili sa ponašanjem materijala pod određenim naponima (npr. otpornost na abraziju).
- S druge strane, ispitivanje tvrdoće je relativno lak i brz metod za izvođenje; izaziva relativno mala razaranja, odnosno na površini uzorka ostaju samo manja površinska oštećenja.
- Takođe pruža opciju kontrole kvaliteta (inspekcija ulazne i izlazne robe). Širok spektar geometrija uzoraka se takođe može ispitivati metodom ispitivanja tvrdoće.
Zadaci i ciljevi ispitivanja tvrdoće
- Ispitivanje tvrdoće je suštinska pomoć u diferencijaciji materijala, kao i za analizu, razvoj i unapređenje materijala i tehnologija u okviru fundamentalnih istraživanja (materijal, inženjerstvo materijala, dijagnostika materijala).
- Koristi se za određivanje karakterističnih vrednosti (vrednosti tvrdoće) koje su kritične za upotrebu materijala u industrijskoj primeni (prikladnost materijala za tehnički relevantnu komponentu), njihovo prihvatanje u procesima kontrole u okviru obezbeđivanja kvaliteta (inspekcija ulazne i izlazne robe), za diferencijaciju materijala (npr. mešanje materijala) i za razjašnjavanje situacija oštećenja (analiza oštećenja).
Pregled metoda ispitivanja tvrdoće
| Metoda ispitivanja tvrdoće | |||
| Primena statičke sile | Primena dinamičke sile | ||
| Intenter sa tvrdom metalnom kuglom ili konusnom/dijamantskom piramidom se utiskuje vertikalno u površinu uzorka za ispitivanje koji leži na čvrstoj podlozi. Ispitno opterećenje se primenjuje bez udara sa definisanim vremenom primene i izlaganja. | Metode sa primenom dinamičke sile se pretežno koriste za ispitivanje tvrdoće na velikim komponentama. | ||
Optičko merenje udubljenja Udubljenje se meri nakon uklanjanja radnog opterećenja. Vrednosti merenja dužine (dijagonale, prečnik) se koriste za izračunavanje vrednosti tvrdoće. | Metoda merenja dubine Dubina udubljenja se meri pod ispitnim opterećenjem ili nakon uklanjanja dodatnog ispitnog opterećenja. | Merenje energije Mere se brzina udara i odskoka (ili visina). | |
Merenje pod stalnim ispitnim opterećenjem
| Merenje pod prednaprezanjem nakon uklanjanja
|
| |
Razlikovanje statičkih i dinamičkih metoda ispitivanja tvrdoće
U principu, metode ispitivanja tvrdoće koje se uobičajeno koriste u oblasti tehnologije dele se na metode sa primenom statičke i dinamičke sile.
- Za statičke metode, koje se pretežno koriste za ispitivanje tvrdoće na metalima, ispitno opterećenje se polako povećava. To znači da se primenjuje glatko, bez naglih pokreta, minimalno vreme navedeno u jednom od standarda (pogledajte grafikon).
- Za dinamičke metode, s druge strane, ispitno opterećenje se primenjuje naglo, podvrgavajući uzorak udarnom opterećenju.
Kriterijumi diferencijacije za statičke metode ispitivanja tvrdoće na metalima
Ispitivanja tvrdoće na metalima pretežno primenjuju metode sa primenom statičke sile. Mogu se razlikovati prema sledećim kriterijumima:
- Oblik indentera (sferni, piramidalni ili konusni)
- Materijal indentera (kaljeni čelik, tvrdi metal ili dijamant)
- Veličina ispitnog opterećenja primenjenog na uzorak
- Vrsta evaluacije: Merenje dubine udubljenja (metoda merenja dubine) ili veličine udubljenja (metoda optičkog merenja) koju kreira indenter.
Uobičajeni standardi za ispitivanje tvrdoće
Ispitivanja tvrdoće metala se izvode prema sledećim uobičajenim statičkim metodama, koje su definisane u standardima (ISO vs. ASTM) navedenim u nastavku:
| METODA ISPITIVANJA | ISO | ASTM |
| Brinell | ISO 6506 | ASTM E10 |
| Vickers | ISO 6507 | ASTM E92, ASTM E384 |
| Rockwell | ISO 6508 DIN 50103 | ASTM E18 |
| Jominy ispitivanje/ Jominy end quench ispitivanje u Rockwell metodi | ISO 642 | ASTM A255 |
| Knoop | ISO 4545 | ASTM E92, ASTM E384 |
| Leeb merenje tvrdoće (elastična metoda ispitivanja tvrdoće) | ISO 16589 | ASTM A965 |
Za ispitivanje tvrdoće gumeno-elastičnih polimera i elastomera koriste se sledeće metode:
| Shore | ISO 7619-1 | ASTM D2240 |
| Tvrdoća utiskivanjem lopte | ISO 2039-1 | |
| Rockwell | ISO 2039-2 | ASTM D785 |
| Instrumentirano ispitivanje tvrdoće | ISO 19278 (nacrt) |
Kategorizacija ispitivanja tvrdoće prema opsegu opterećenja
U oblasti ispitivanja tvrdoće koriste se različita glavna opterećenja (ispitne sile) na osnovu primene. U zavisnosti od toga koliko je veliko glavno opterećenje koje se primenjuje na uzorak tokom ispitivanja tvrdoće, unutar ISO se pravi razlika između mikro, niskog opterećenja ili makro ispitivanja tvrdoće.
- U makro opsegu (konvencionalni opseg tvrdoće), ispitivanja se izvode korišćenjem velikih ispitnih opterećenja ≥ 5 kgf, što takođe dovodi do odgovarajućih velikih udubljenja tvrdoće na ispitnim komadima. Metode ispitivanja tvrdoće u makro opsegu uključuju Brinell, Vickers i Rockwell.
- Ispitivanje tvrdoće u opsegu malog opterećenja primenjuje se kada ispitno opterećenje padne između intervala od 0,2 kgf i 5 kgf (ispitno opterećenje ≥ 0,2 kgf i < 5 kgf). Najčešće korišćena metoda niskog opterećenja je Vickers. Ispitivanje tvrdoće pri malom opterećenju se uglavnom koristi za ispitivanje malih delova, debelih premaza i materijala niske tvrdoće.
- Mala ispitna opterećenja < 0,2 kgf koja stvaraju mala udubljenja na ispitnim komadima se koriste za mikro merenja tvrdoće (najčešće korišćena metoda: Vickers). Zbog toga se merenja tvrdoće u mikro opsegu mogu koristiti za određivanje tvrdoće tankih premaza ili, na primer, tvrdoće pojedinačnih kristalita ili inkluzija.
Istorija ispitivanja tvrdoće
- 1722: R. A. Réaumur razvija metodu grebanja površine minerala pomoću čelika.
- 1822: Izmišljena je Mohsova skala za ispitivanje minerala. Ovo je skala tvrdoće ogrebotine u deset tačaka u kojoj se svaki materijal može izgrebati korišćenjem sledećeg tvrđeg materijala. Mohsove vrednosti tvrdoće
- se i danas koriste u mineralogiji, ali nisu pogodne za određivanje tvrdoće tehničkih materijala (metala). Pojedinačni koraci tvrdoće su relativno veliki i imaju različite intervale.
| Mohsova tvrdoća | Vrsta minerala | Vickers tvrdoća(HV) |
1 | Talcum | 2 HV |
2 | Gypsum | 35 HV |
3 | Calcite | 100 HV |
4 | Fluorspar | 200 HV |
5 | Apatite | 540 HV |
6 | Orthoclase | 800 HV |
7 | Quartz | 1100 HV |
8 | Topaz | 1400 HV |
9 | Corundum | 2000 HV |
10 | Diamond | 10000 HV |
- 1900: J. A. Brinell razvija merenje udubljenja kugle koji kasnije postaje poznat kao Brinelova metoda.
- 1920: S. R. Rockwell razvija metodu prethodnog punjenja nazvanu po njemu za ispitivanje svojih brodova.
- 1925: Vickersov metod su izmislili R. Smith i G. Sandland u Engleskoj. Omogućava sprovođenje mikro merenje tvrdoće.
- 1939: F. Knoop, C. G. Peters i V. B. E. Emerson razvijaju Knoop metod u Nacionalnom birou za standarde (SAD).
