Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Mašinski materijali

Vežba - 5

Određivanje tvrdoće

Brinel i Vikers metodom

2

Sadržaj vežbeUvod

Brinel metoda

Označavanje tvrdoće

Utiskivač i sila utiskivanja

Etaloni za baždarenje uređaja

Vreme utiskivanja

Uslovi ispitivanja

Uređaj za merenje tvrdoće

Tok rada pri ispitivanju

Merenje prečnika otiska

Vikers metoda

Označavanje tvrdoće

Utiskivač i sila utiskivanja

Uslovi ispitivanja

Vreme utiskivanja

Uređaj za merenje tvrdoće

Tok rada pri ispitivanju

Merenje dijagonale otiska

Mikrotvrdoća

Mikrotvrdoća ро Vikersu

Mikrotvrdoća po Knupu

Mikrotvrdoća po Grozdinskom

Pod tvrdoćom podrazumevamo fizičko svojstvo, tj. otpor kojim se suprostavlja

jedno telo ka prodiranju drugog tvrdjeg tela u njegovu površinu.

Tvrdoća je svojstvo čvrstih materija, tečnosti i gasovi nemaju tvrdoću. Ispitivanje

tvrdoće je verojatno najčešće korišćeno ispitivanje na području mehaničkih

svojstava materijala. Ispitivanje tvrdoće tek neznatno oštećuje površinu

ispitivanog predmeta pa se uopšteno može svrstati među ispitivanja bez

razaranja. Osnovni princip merenja, kod većine metoda, je merenje veličine

dubine otiska što ga indentor, opterećen nekom silom, načini u ispitivanom

materijalu ili dimenzije otiska (prečnika ili dijagonale) na površini ispitivanog

materijala.

Uprkos tome što tvrdoća ne predstavlja fizičko egzaktno definisano mehaničko

svojstvo, merenje tvrdoće je jedan od najraširenijih postupaka na području

određivanja mehaničkih svojstava materijala. Razlog tome je s jedne strane što je

tvrdoća u korelaciji s nekim drugim mehaničkim svojstvima (npr. zateznom

čvrstoćom), a s druge strane merenje tvrdoće je jednostavnije i pre svega brže od

ispitivanja nekih drugih mehaničkih karakteristika. Nadalje, za merenje tvrdoće

nisu potrebni posebno izrađeni uzorci već je merenje moguće, zavisno od

metode, na poluproizvodima ili čak gotovim proizvodima. Zbog toga su se

vremenom razvile različite metode merenja tvrdoće.

3Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Merenje tvrdoće je relativno star postupak i prva merenja datiraju još iz 17.

veka, tačnije davne 1637. godine Barba je ocenjivao tvrdoću čelika pomoću turpije.

1812. godine, nemački mineralog Friedrich Mohs (1773.-1839.) je napravio prvu

skalu tvrdoće zasnovanu na brazdanju. Mosova skala predstavljena je nizom od

deset minerala, poređanih po tvrdoći, tako da mineral iz višeg razreda može

zagrebati onaj u nižem razredu. Stoga je najveća vrednost tvrdoće pridružena

dijamantu, a najmanja talku (slika dole). Ukoliko neki mineral može zarezati

površinu drugog minerala iz Mosove skale, on je tvrđi i nalazi se u višem razredu.

Mosova skala tvrdoće nije

proporcionalna jer je tvrdoća

korunda dva puta veća od

tvrdoće topaza dok je dijamant

skoro četiri puta tvrđi od

korunda, a na Mosovoj skali oni

se razlikuju samo za jedno

mesto. Na slici levo prikazani su

minerali iz Mohsove skale

poređani od najmekšeg prema

najtvrđem.Mohsova skala tvrdoće

4Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Razvojem tehnika ispitivanja nastali su različiti postupci merenja tvrdoće,

ali je samo nekoliko od njih našlo širu primenu u svakodnevnoj praksi. Većina

danas korištenih metoda merenja tvrdoće bazira se na merenju veličine otiska ili

dubine prodiranja indentora. Po načinu delovanja sile postupci se mogu podeliti na

statičke, s malom brzinom prirasta opterećenja i dinamičke, određene naglim

(udarnim) delovanjem. Kod statičkih metoda sila koja deluje na utiskivač

postepeno raste do maksimalne vrednosti, dok se kod dinamičkih ispitivanja, sila

ostvaruje udarom, odnosno tvrdoća se određuje na osnovu elastičnog odskoka.

Najčešće korišćene metode merenja tvrdoće (statičke i dinamičke) navedene su u

sledećoj tablici.

Pregled metoda merenje tvrdoća

STATIČKE METODE DINAMIČKE METODE

Brinel (Brinell) metoda HBS, HBW Poldi (Poldy) metoda, HP

Vikers (Vickers) metoda, HV Skleroskopska metoda (po Šoru (Shore)), HSh

Rokvel (RockweIl) metoda, HRC, HRB Duroskopska metoda, HD

Knup (Knoop) metoda, HK

5Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

S obzirom na vrednost primenjene sile utiskivanja tvrdoća se može

sistematizovati na makro-, mikro- i nano-tvrdoću.

Makro-tvrdoća se ispituje statičkim i dinamičkim metodama. Statičke metode imaju

prednost jer se lakše ponavljaju, dok se dinamičke metode izvode ručno uz pomoć

jednostavnijih uređaja. Merenje makro-tvrdoće se primenjuje za kontrolu kvaliteta

materijala. Makrotvrdoća predstavlja ispitivanje gde je sila opterećivanja jednaka ili veća

od 49,03 N.

Mikro-tvrdoća je tvrdoća određena pod delovanjem manjih sila utiskivanja. Sile

utiskivanja su manje od 1,96 N. Otisci su najčešće vrlo mali tako da se moraju meriti

mikroskopom. Merenjem mikro-tvrdoće moguće je odrediti tvrdoću pojedinih kristalnih

zrna u mikrostrukturi materijala odnosno tvrdoću različitih mikrostrukturnih konstituenata.

Nano-tvrdoća se koristi kod ispitivanja tvrdoće različitih faza, uključaka u mikrostrukturi

kao i vrlo tankih prevlaka, uz pomoć mikroskopa. Nano-indentori utiskuju svoj vrh u

uzorak neprekidno mereći primenjeno opterećenje, dubinu i vreme prodiranja. Nano test

meri tvrdoću sa penetracijom jako malih sila (veličina 1 nano Njutn) pomoću specijalnih

uređaja.

Kod materijala koji imaju malu ili nikakvu

mogućnost trajne deformacije (polimeri,

guma…) razvili su se postupci merenja

tvrdoće pri čemu se deformacija materijala

meri u trenutku delovanja sile.

6Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Johan August Brinell

1849 - 1925, Stockholm

Johan August Brinell je 1900. godine predložio prvu

standardizovanu metodu merenja tvrdoće koja je brzo postala

standard za merenje tvrdoće. Brinel je u svom postupku koristio

kuglicu te se tvrdoća materijala određivala na osnovu veličine

otiska kuglice, uzimajući u obzir prečnik kuglice i primenjenu silu

utiskivanja.

Kuglica prečnika D se pod dejstvom sile F utiskuje u površinu

materijala čija se tvrdoća meri. Po rasterećenju i uklanjanju

kuglice u materijalu ostaje otisak oblika kalote prečnika d.

Merenje tvrdoće po Brinel metodi

7Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Kao merilo 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.

Prema tome, tvrdoća po Brinelu je:

FHB

A

Gde je:

A, mm - površina otiska kalote i

F, daN - sila utiskivanja.

Konačan izraz za izračunavanje veličine tvrdoće po Brinelu je:

2 2

0.103 2F FHB

D h D D D d

Gde je:

F, N – sila utiskivanja,

D, mm - prečnik kuglice - utiskivača i

d, mm - prečnik otiska, 𝑑 =𝑑1+𝑑2

2

h, mm – dubina kalote (otiska)

Otisak u materijalu (kalota)

F

8Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Ispitivanje tvrdoće po metodi Brinel se izvodi do tvrdoće HB= 450 sa

čeličnom kuglicom (HBS), a kada se primenjuju utiskivači od tvrdih metala i do HB=

650 (pri čemu se izmerena tvrdoća označava -HBW). Preko ovih vrednosti nastaju

deformacije kuglice, a time veći otisci i manje vrednosti tvrdoće.

Zavisno od utiskivača oznaka za tvrdoću po Brinelu može biti:

• HBS – tvrdoća kada se koristi utiskivač čelična kuglica,

• HBW - tvrdoća kada se koristi utiskivač od tvrdog metala.

Brojna vrednost izmerene tvrdoće se unosi ispred oznake za tvrdoću, a iza ove

oznake, u indeksu, unose se uslovi ispitivanja po redosledu: prečnik kuglice D u

mm, sila utiskivanja F u daN i vreme utiskivanja 2 u sekundama.

Primer oznake: 190 HBS 2.5/187.5/15 (190 HBS D/F/2)

Označavanje tvrdoće

9Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Utiskivač i sila utiskivanja

2.

Fconst

D

Za ispitivanje tvrdoće po Brinelu utiskivač je čelična kuglica prečnika 10, 5 i 2.5

mm. Izuzetno prečnik kuglice može biti 1 i 2 mm. Dozvoljeno odstupanje prečnika

kuglice odgovara kvalitetu 6 prema ISO standardima.

Materijal kuglice je okaljeni čelik tvrdoće 850 HV ili tvrdi metal (widia).

Prečnik kuglice i sila utiskivanja pri ispitivanju tvrdoće po Brinelu određuje se iz

uslova:Preporuke za izbor odnosa F/D2 su:

Vrsta materijala Odnos F/D2

Čelik 30

Liveno gvožđe:Tvrdoće do 140 HBTvrdoće iznad 140 HB

10 30

Bakar i legure bakra:Tvrdoćedo35 HBTvrdoće od 35 HB do 200 HBTvrdoće iznad 200 HB

51030

Laki metali i njliove legure:Tvrdoće do 35 HBTvrdoće od 35 HB do 80 HBTvrdoće iznad 80 HB

1.25, 2.55; 10, 15

10, 15Olovo, kalaj 1, 1.25Čelične kuglice kao utiskivači kod

Brinel metode10Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Pri izboru prečnika kuglice, zavisno od debljine materijala, preporučuje se:

Prečnik kuglice, D, mm Debljina materijala, s, mm

10 6

5 3-6

2.5 i 2 3

1 površinsko

Povremeno je potrebno proveravati tačnost

uređaja za merenje tvrdoće. To se izvodi

pomoću posebnih etalom pločica čija je

tvrdoća poznata.

Etalon za baždarenje uređaja

Etaloni za baždarenje uređaja

11Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Vreme utiskivanja

F, da

N

Vreme, s

Vreme trajanja utiskivanja zavisi od vrste materijala čija se tvrdoća meri.

Opterećenje, s obzirom na statički metod ispitivanja, povećava se postepeno.

Oznake sa slike su:

1 - vreme porasta opterećenja do maksimalne

vrednosti - min 2 s, max 8 s,

2 - vreme trajanja dejstva punog opterećenja.

Ovo vreme se unosi u oznaku pri

obeležavanju tvrdoće i zavisi od vrste materijala i

3 - vreme rasterećenja.

Vrsta materijalaVreme utiskivanja pod

opterećenjem, t2, s

Čelik

Rm < 1100 MPa 30

Rm > 1100 MPa 15

Rm > 1400 MPa 10

Bakar i legure bakra 10-15

Aluminijum i Al legure 30

Olovo 60

Magnezijum i Mg legure 120

Ležišne legure 180

Preporučene vrednosti

vremena utiskivanja

12Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Uslovi ispitivanja

Pri određivanju tvrdoće ovom metodom potrebno je da budu zadovoljeni sledeći

uslovi:

Debljina uzorka mora biti najmanje 8 odnosno 10 puta veća od dubine otiska.

Materijal a Materijal A B

Čelik, sivi liv, aluminijum, olovo

a ≥ 8hČelik, sivi liv, bakar 2.5d 4d

Aluminijum 3d 6d

Bakar a ≥ 10h Olovo 2.5d 6d

8 8F

hD HBS

• Na poledjini uzorka nasuprot otiska posle merenja se ne smeju videti nikakvi

tragovi deformacije. Minimalna debljina ispitivanog dela utvrđuje se na osnovu

poznate tvrdoće:

13Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

• Odstojanje od sredine otiska do ivice uzorka, na kome se meri tvrdoća, kao i

odstojanje izmedju dva susedna centra otiska zavisi od vrste ispitivanog

materijala;

• Otisak, koji ostavlja utiskivač, mora da bude takav da obezbedi što tačnija

merenja, odnosno mora da se ispuni uslov d = (0.25 - 0.5)- D, tj. da centralni

ugao bude oko 60°;

• Ugao izmedju ose utiskivača i površine uzorka mora biti 90°, što znači da

pravac dejstva sile mora biti uvek upravan na površinu uzorka, što se

ostvaruje obradom površine i izborom postolja.

• Uzorak mora biti stabilan i čist.

• Našim standardima (SRPS EN ISO 6506-1:2016) za merenje tvrdoće se

preporučuje najmanje tri merenja, pri čemu povećani broj merenja povećava

tačnost merenja.

• Temperatura ispitivanja je sobna, odnosno u granicama 10 do 35°C, a kada je

u kontrolisanim uslovima 23±5°C.

14Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Uređaj za merenje tvrdoće

Konstruktivna rešenja uređaja za merenje tvrdoće ostvaruju statičko dejstvo

odgovarajućih sila na utiskivač koji se utiskuje, preko sistema poluga, u uzorak

postavljen na postolje aparata.

Obično je isti aparat namenjen i za merenje tvrdoće po Vikersu, s tim što se menja

utiskivač i izbor potrebnog opterećenja.

Uređaj za merenje tvrdoće

15Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Savremeni uređaji za merenje tvrdoće

Portabl uređaji

Stabilni uređaji

16Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Tok rada pri ispitivanju

Za merenje tvrdoće potrebno je izvršiti odgovarajuću pripremu površine na kojoj će

se izvesti merenje. Površina mora biti čista, odmašćena i mašinski obradjena

(struganjem, brušenjem, poliranjem).

Tok rada se sastoji iz sledećih faza:

• Bira se utiskivač u zavisnosti od debljine materijala,

• Utiskivač se postavi u nosač aparata,

• Električnim prekidačem se uključi lampa i osvetli površina uzorka,

• Pripremljeni uzorak se postavi na postolje i pritegne uz nosač utiskivača,

• Slika površine uzorka mora jasno da se projektuje na ekran,

• Pritiskom na taster aktivira se aparat i tada počinje utiskivanje utiskivača,

• Posle određenog vremena utiskivanja (2) pritiskom na polugu izvrši se

rasterećivanje. Pri tome dolazi do automatske zamene utiskivača sa

objektivom optičkog sistema, koji omogućava projekciju uvećanog otiska na

ekranu aparata

• Vrši se merenje prečnika otiska.

17Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Merenje prečnika otiska

Prilikom određivanja tvrdoće potrebno je pravilno izabrati prečnik kuglice i silu

utiskivanja kako bi se dobio pravilan otisak. U protivnom može da dođe do

izobličenje otiska, a samim tim i do dobijanja netačnih vrednosti tvrdoće. Na

sledećoj slici dati su shematski prikazi pravilnog (a) i nepravilnog (b i c) otiska (b-

prevelika sila utiskivanja, c-otisak kod vrlo tvrdih materijala).

a) b) c)

Shematski prikazi pravilnog (a) i nepravilnog (b i c)

18Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Očitavanje prečnika otiska

optičkom uređaju pomoću

projekcionog ekrana

Za merenje otiska koristi se projekcioni ekran, ravnomerno podeljen vertikalnim

podeonim linijama, čije međusobno rastojanje zavisi od uvećanja objektiva. Tako, za

objektiv uvećanja 70×, vrednost jednog podeoka je 0.1 mm.

Merenje otiska izvodi se na sledeći način. Zavrtnjem A se grubo pomera glavna

končanica do njenog dovođenja u središte otiska. Zatim se daljim pomeranjem jedna

vertikalna končanica, koja jc najbliža ivici otiska, dovede prvo s leve strane da tangira

konturu otiska. Mikrometarskim zavrtnjem B se fino pomera druga končanica (najbliža

desnoj konturi otiska) tako da tangira otisak. Na ovaj način izvršeno je podešavanje

končanica, pa se pristupa očitavanju otiska.

Veličina otiska nalazi se jednostavnim odbrojavanjem podeoka između kontura otiska, pri

čemu treba voditi računa i o delu podeoka koji se očitava na nonijusnoj i mikrometarskoj

skali. Npr. (kao na donjoj slici) uočavamo 8 celih podeoka (8×0.1 mm), 3 cela podeoka na

nonijusu (3×0.01 mm) i 2 podcoka na mikrometarskoj skali (2×0.001 mm). Konačno,

prečnik otiska u ovom slučaju je 0.832 mm.

Primer:

Prečnik otiska 0,832 mm

19Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

1 2 ,2

d dd

Ceo ekran tako je konstruisan da može meriti u svakom položaju (0 do

360°). Merenjem dva upravna prečnika omogućeno je određivanje tačnije

vrednosti prečnika otiska d, kao aritmetičke sredine prema:

U praksi radi što bržeg određivanja tvrdoće, vrlo često se tabelarno daju sračunate

vrednosti tvrdoće po Brinelu prema veličini izmerenih prečnika otisaka i korišćenog

prečnika kuglice i sile utiskivanja.

U sledećoj tabeli date su tvrdoće po Brinelu za neke materijale.

Materijal Tvrdoća

Meko drvo 1.6 HBS10/100

Tvrdo drvo 2.6 do 7.0 HBS1.6/10/100

Aluminijum 15 HB

Bakar 35 HB

Meki čelik 120 HB

Nerđajući čelik 1250 HB

Staklo 1550 HB

20Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

1925. godine Smith i Sandland definišu Vikersovu metodu merenja tvrdoće u firmi

Vickers Ltd. Kao utiskivač koristi se dijamantna četverostrana piramida koja

ostavlja u materijalu otisak šuplje piramide. Vikersovom metodom uklonjeni su

osnovni nedostaci Brinelove i Rokvelove metode. Vikersova tvrdoća ne zavisi od

sile utiskivanja kao kod Brinel metode i znatno je veći raspon skale za razliku od

Rokvela.

Kod Vickersove metode uklonjeni su pojedini nedostaci koje je imala Brinelova

metoda. Dva osnovna nedostatka Brinelove metode su: ograničeno područje

merenja, kao i zavisnost tvrdoće od sile utiskivanja. Prvi nedostatak uklonjen je

upotrebom najtvrđeg materijala za utiskivač (dijamant), a drugi oblikom utiskivača

(četverostrana piramida sa uglom između naspramnih stranica od 136°). Piramida

na ispitivanom uzorku materijala ostavlja otisak oblika šuplje piramide, čija je baza

kvadrat sa dijagonalama d1 i d2.

Vrednost ugla od 136° nije odabrana

slučajno. Ugao od 136° zatvaraju

tangencijalne ravni na Brinelovu kuglicu pri

optimalnoj veličini otiska 𝑑=0,375∙𝐷

Grafički prikaz izbora ugla od 136°21

Tvrdoća po Vikersu se definiše kao količnik sile, kojom se deluje na

dijamantski utiskivač u obliku pravilne četvorostrane piramide sa uglom pri vrhu od

136°, i površine otiska utiskivača na površini predmeta koji se meri.

2

1.854F FHV

A d

2 24

2 2 sin(136 2) 1.854

a h d dA

Gde je:

F, N – sila utiskivanja,

d, mm – dijagonala otiska, 𝑑 =𝑑1+𝑑2

2,

h, mm – dubina otiska,

a, mm – stranica kvadrata.Shema merenja tvrdoće po Vikersu

A, mm2 – površina otiska u obliku pravilne četvorostranične

piramide sa kvadratnom osnovom,

Otisak u materijalu

22Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Metode merenja tvrdoće po Vikersu zavisno od veličine sile utiskivanja mogu biti:

• Ispitivanje konvencionalne tvrdoće po Vikersu

Sila utiskivanja iznosi od 49 do 980 N, što se unosi u oznaku tvrdoće, i to:

HV5, HV10, HV20, HV30, HV50 i HVI00;

• Ispitivanje tvrdoće po Vikersu sa malim opterećenjima (semi-mikrotvrdoća)

Sila utiskivanja iznosi od 1.96 do 49 N , što se unosi u oznaku tvrdoće, i to:

HV0.2, HV0.3, HV0.5, HV1, HV2 i HV3;

• Ispitivanje mikrotvrdoće po Vikersu

Sila utiskivanja manja od 1.96 N, što se unosi u oznaku tvrdoće, i to:

HV0.15, HV0.1, HV0.05 i HV0.025

Treba istaći činjenicu da se smanjivanjem sile utiskivanja povećava rasipanje

rezultata, posebno kod ispitivanja mikrotvrdoće.

Konvencionalna tvrdoća Semi-mikrotvrdoća Mikrotvrdoća

Oznaka Sila F (N) Oznaka Sila F (N) Oznaka Sila F (N)

HV5 49,03 HV0,2 1,961 HV0,01 0,09807

HV10 98,07 HV0,3 2,942 HV0,015 0,1471

HV20 196,1 HV0,5 4,903 HV0,02 0,1961

HV30 294,2 HV1 9,807 HV0,025 0,2452

HV50 490,3 HV2 19,61 HV0,05 0,4903

HV100 980,7 HV3 29,42 HV0,1 0,9807

Sila utiskivanja

23Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Označavanje tvrdoće

Brojna vrednost izmerene tvrdoće se unosi ispred oznake za tvrdoću, a iza

oznake, u indeksu, unose se uslovi merenja po redosledu:

• Sila F utiskivanja u daN i

• Vreme utiskivanja u sekundama.

Primer oznake: 460 HV 30/20 (460 HV F/ )

U slučaju kada je vreme utiskivanja 10-15 sekundi onda se u oznaku unosi samo

sila utiskivanja.

24Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Utiskivač i sila utiskivanja

Utiskivač je izrađen od dijamanta u obliku pravilne četvorostrane piramide sa uglom

pri vrhu 136°±0.5°. Stranice utiskivača moraju biti podjednako nagnute prema osi,

tako da linija veze izmedju suprotnih stranica ne bude duža od 0.002 mm. Vrh i

površine dijamantskog utiskivača moraju biti pravilno obradjene, bez površinskih

grešaka, što se lupom povremeno proverava.

Veličina sile utiskivanja pri merenju tvrdoće po Vikersu zavisi od vrste i debljine

materijala, kao i od veličine tvrdoće koja se očekuje (npr. za debljinu uzorka 0.3-0.5

mm F= 5-10 daN, ..., za debljinu uzorka 2.0 do 4.0 mm F= 20-50 daN itd.).

Prema nekim standardima postoje preporuke za optimalnu silu utiskivanja: za čelik

30 daN, a za aluminijum i njegove legure 10 daN i dr.

Dijamantski

utiskivač

25Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Uslovi ispitivanja

Pri merenju po ovoj metodi neophodno je ispunjavanje sledećih 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 sme biti manja od odgovarajućih odmosa datih u donjij tabeli;

• Utiskivač mora biti upravan na površinu uzorka;

• Površina uzorka treba da bude ravna, glatka i čista (brušena i polirana).

Materijal a A B

Čelik, bakar, legure bakra1.5d

2.5d 4d

Laki metali 3d 7d

Našim standardima (SRPS C.A4.030:1986 i SRPS C.A4.040:1986) za merenje

tvrdoće se preporučuje najmanje tri merenja, ali povećani broj merenja samo

povećava tačnost merenja. Temperatura ispitivanja je sobna, odnosno u

granicama 10 do 35°C, a kada je u kontrolisanim uslovima 23±5°C.

Vreme utiskivanja

Potrebno vreme utiskivanja utiskivača u površinu materijala mora da obezbedi

ravnomerni prirast sile do odabrane vrednosti. Ovo vreme nanošenja sile iznosi 10-

15 s. Za slučaj prekoračenja ovog vremena neophodno je naznačiti ga u oznaci.26Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Uređaj za merenje tvrdoće

Konstruktivna rešenja aparata obezbedjuju statičko

dejstvo opterećenja na utiskivač preko sistema poluga. U

najvećem broju slučajeva se izvrši samo zamena

utiskivača i opterećenja na aparatu koji se koristi za

ispitivanje tvrdoće po Brinelu i ispituje tvrdoća po Vikersu.

Uređaji za merenje tvrdoće

Na sledećin slikama prikazani su izgledi nekih

savremenih aparata za merenje tvrdoće Vikers metodom.

27Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Tok rada priispitivanju

Tok rada pri ispitivanju tvrdoće po Vikersu je po karakteru sličan ispitivanju tvrdoće

po Brinelu.

• Na uzorku pripremljenom na propisani način vrši se utiskivanje utiskivača

odabranim opterećenjem. Tok rada je zavisan od vrste aparata za ispitivanje.

• Izvrši se provera ispravnosti dijamantskog utiskivača i učvrsti u odgovarajući

nosač. Pri radu posebno je potrebno voditi računa da ne dođe do oštećenja

dijamantskog utiskivača usled nepažljivog rukovanja, nepravilne pripreme uzorka

ili nepravilnog rada.

• Naročita pažnja se mora obratiti na jasnoću projektovanja slike otiska na ekran,

što se postiže podešavanjem navrtke.

• Pritiskom na odgovarajući taster izabere se sila utiskivanja.

• Na odgovarajuće postolje aparata postavlja se pripremljeni uzorak, odnosno

radni predmet, čija se tvrdoća želi ispitati.

• Zavojnim vretenom se pričvrsti uzorak ili radni predmet uz nosač utiskivača i

pritiskom na dugme započne se utiskivanjem utiskivača.

• Kada opterećenje postigne odabranu vrednost, što se uočava prestankom

kretanja poluge, počinje se sa merenjem vremena trajanja opterećenja.

• Po isteku ovog vremena izvrši se rasterećenje pomoću poluge njenim vraćanjem

u početni položaj.

28Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Na ekranu aparata, posle automatske zamene utiskivača lupom,

projektuje se slika površine otiska. Na dobijenoj slici uvećanog otiska, mere se

obe dijagonale otiska. Merenje se vrši pomoću optičkog sistema koji se nalazi na

aparatu (rad na merenju otiska je isti i kao kod Brinel metode i detaljno je opisan

ranije).

Sa izmerenim veličinama dijagonala izračuna se njihova aritmetička sredina.

a pomoću nje se odredi tvrdoća, analitički ili pomoću tabela.

1 2

2

d dd

Merenje dijagonale otiska

Primer:

Dužina dijagonale 0,632 mm

29Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Pri pravilnom izboru sile utiskivanja ostaje obično otisak pravilnog oblika (a).

U slučaju da se dobiju otisci nepravilnog oblika (konkavne (b) i konveksne (c)

površine) potrebno je izvršiti korekturu tvrdoće. Veličina tvrdoće se pri tome može

sračunati po izrazu:

2

1.854

22

FHV

dZ

Odstupanja otiska od pravilnog oblika

30Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Materijal HV

Kalaj 5

Aluminijum 25

Zlato 35

Bakar 40

Gvožđe 80

Mek čelik 230

Tvrd čelik 1000

Wolfram karbid 2500

HV tvrdoća različitih

materijala Približni odnosi tvrdoća odredjeni različitim metodama

Granica

tečenja, MPa

31Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Kod ispitivanja mikrotvrdoće sila ne prelazi 1,96 N. Postupak je vrlo sličan

standardnom postupku ispitivanju makrotvrdoće, samo što se radi na

mikroskopskom nivou uz uređaje veće preciznosti i uvećanja s obzirom da su sile

utiskivanja veoma male pa su i otisci veoma mali. Ispitivana površina zahteva

složeniju metalografsku pripremu, i što je manja sila utiskivanja, površina mora

biti finije pripremljena. Za merenje veličine otisaka koriste se precizni merni

mikroskopi, uobičajenog uvećanja od nekoliko stotina puta, sa tačnošću od ±

0,5μm.

Merenje mikrotvrdoće zahteva veliko iskustvo i preciznost da bi se postigla

zadovoljavajuća tačnost merenja.

Ispitivanje mikrotvrdoće se može, pored ispitivanja vrlo tankih i malih delova,

koristiti i pri metalografskim ispitivanjima kada se određuje tvrdoća

mikrokonstituenata ili uključaka, odnosno površinskih deformisanih i napregnutih

slojeva.

Pri ispitivanju mikrotvrdoće, zavisno od oblika utiskivača razlikuje se:

• mikrotvrdoća po Vikersu,

• mikrotvrdoća po Knupu,

• mikrotvrdoća po Grozdinskom.

32Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Mikrotvrdoća ро Vikersu

Dobijanje otiska određenih dimenzija zahteva mnogo više truda i vremena, pa se

preporučuje da se zavisno od očekivane tvrdoće primene preporučene vrednosti

sile utiskivanja.

Površina na kojoj se izvodi ispitivanje mikrotvrdoće se mora pripremiti kao za

metalografsko ispitivanje, s obzirom da hrapavost ispitivane površine ima znatan

uticaj na tačnost očitavanja dijagonale otiska.

Mikrotvrdoća po Vikersu označava se zavisno od dimenzija otiska sa HV5µm,

HV10µm iHV20µm.

Ispitivanje mikrotvrdoće predstavlja veoma preciznu i osetljivu metodu koja

zahteva veoma kvalifikovanog i uvežbanog ispitivača. Greške koje mogu nastati pri

ispitivanju mogu izazvati velika odstupanja, kako između pojedinih ispitivanja, tako

i dati pogrešnu sliku o ispitivanom delu.

Principiejlne razlike između tvrdoće po Vikersu i

mikrotvrdoće po Vikersu nema, ali je daleko veća

tačnost izrade dijamantskog utiskivača kod

mikrotvrdoće, s obzirom da su otisci veoma mali.

Sa druge strane, mada načelno tvrdoća po

Vikersu ne zavisi od sile utiskivanja, to kod

ispitivanja mikrotvrdoće sila utiskivanja se bira

tako da otisak ima dimenzije 5, 10 ili 20 µm. Mikrotvrdoća po Vikersu

33Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Mikrotvrdoća po Knupu

Merilo tvrdoće po Knupu je količnik sile

utiskivanja i površine otiska koga ostavlja

dijamantski utiskivač oblika dijamantske

piramide sa osnovom romba.

Mikrotvrdoća po Knupu

Mikrotvrdoća po Knupu određuje se na

osnovu izraza:

Gde je:

F - sila utiskivanja, N i

d - veća dijagonala otiska, µm.

Pri ispitivanju mikrotvrdoće po Knupu dobija se otisak oblika deltoida, sa stranama

1:30, što omogućuje daleko tačnije merenje dijagonale otiska. Sama dubina

utiskivanja je manja, pa se ova metoda može primeniti za ispitivanje veoma tankih

uzoraka.

Rezultati ispitivanja se ne mogu porediti sa rezultatima ispitivanja mikrotvrdoće po

Vikersu i Grozdinskom.

Otisak u materijalu

d

𝐻𝑀𝐾 =𝐹

7,028 𝑑

34Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Mikrotvrdoća ро Grozdinskom

Merilo mikrotvrdoće po Grozdinskom je količnik

sile utiskivanja i površine projekcije otiska koga

ostavlja utiskivač oblika dve zarubljene kupe.

Mikrotvrdoća ро Grozdinskom se određuje nа

osnovu izraza:

𝐻𝑀𝐷𝐶 =102 𝐹

𝐶 ∙ 𝑙3

U izrazu su:

F - sila utiskivanja, N,

C - karakteristika utiskivača 𝐶 =tg𝛼

2

6∙𝑟,

l - dužina veće ose otiska, mm.

Otisak od utiskivanja je ovalan, sa odnosom dužine i poprečne ose 22:1. Dubina

samog otiska je 1/80 duže ose, što omogućuje ispitivanje još tanjih uzoraka nego

metodom po Knupu.

Velika prednost metode Grozdinskog je mogućnost zaokretanja utiskivača za neki

ugao, čime se višestruko povećava vek trajanja utiskivača.

Mikrotvrdoća po

Grozdinskom

Utiskivač

35Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe

Zadatak 1: Pri merenju tvrdoće čelika Č1730 (C60) sa čeličnom kuglicom prečnika

D=2,5 mm i silom utiskivanja F=187,5 daN, dobijen je otisak prečnika d’=1,010 mm

i d’’=1,014 mm. Odrediti veličinu tvrdoće po Brinel metodi:

a) Korišćenjem izraza za određivanje tvrdoće,

b) Korišćenjem tablica.

Zadatak 2: Utvrditi minimalnu debljinu lima od čelika Č1330 (C22) sa tvrdoćom

HBS=155, koja se može ispitivati sa kuglicom prečnika D=2,5 mm

Zadatak 3: Merenjem tvrdoće po Vikers metodi nekog materijala dobijene su

sledeće vrednosti tvrdoće: 158; 173; 165; 154 i 180. Odrediti srednju vrednost

izmerenih tvrdoća.

Zadatak 4: Merenjem tvrdoće po Brinel metodi kuglicom prečnika D=5 mm od

tvrdog metala i silom utiskivanja od 100 daN u trajanju od 10 s dobijena je vrednost

tvrdoće 258. Izvršiti označavanje dobijene tvrdoće.

Zadatak 5: Pri merenju tvrdoće mesinga Vikers metodom sa silom utiskivanja od

490,3 N u trajanju od 20 s, dobijene su dijagonale otiska d1=1,112 mm i

d2=1,106 mm. Odrediti:

a) Vrednost tvrdoće,

b) Izvršiti označavanje dobijene tvrdoće.

L L

k

' "

2

36Mašinski materijali – Laboratorijske vežbe