UNIVERZITET U TUZLI – MAŠINSKI FAKULTET

LABORATORIJSKE VJEŽBESeminarski rad

Predmet: MATERIJALI II

Ime i prezime: Asmir MujkicBroj indeksa: III-387/12Odsjek: MehatronikaDatum: 01.06.2013. godine

Sadržaj:

ISPITIVANJE MATERIJALA BEZ RAZARANJA 2. ISPITIVANJE ŽILAVOSTI MATERIJALA 11. ISPITIVANJE MATERIJALA ZATEZANJEM 16. ISPITIVANJE TVRDOĆE BRINELL I ROCKWELL POSTUPKOM

Ispitivanje materijala BEZ RAZARANJA~ 1 ~

Uvod

Opšta tendencija u savremenoj mašinogradnji jeste da se više ide na lakše, jednostavnije i jeftinije mašinske konstrukcije u kojima je iskorištenje materijala gotovo maksimalno. Sa druge stran, sigurnosni zahtjevi su u mnogim oblastima (energetika, mostogradnja, saobraćaj, petrohemija itd.) veoma visoki tako da materijal mora da zadovolji oštre eksploatacione uslove.

Prisustnost grešaka se u mašinskim konstrukcijama ne toleriše jer greške narušavaju kontinuitet materijala, smanjuju korisni presjek i djeluju kao koncentratori napona čime drastično utiču na nosivost i sigurnost bilo koje mašinske konstrukcije. Naročito veliki uticaj greške imaju u dinamički opterećenim konstrukcijama. Nauka koja se bavi iznalaženjem grešaka u materijalu se naziva DEFEKTOSKOPIJA. Materijala koji se podvrgava savremenim metodama ne doživljava nikakvo razaranje i defektoskopija se može ukomponovati u tehnloški proces proizvodnje ili kao završna faza kontrole gotovih proizvoda ili polufabrikata.

Defektoskopijom se isključivo otkrivaju greške u materijalu kao što su: plinski uključci, nemetalni uključci, lunkeri, dvoslojnost, pukotine i druge greške karakteristične za pojedine postupke obrade.

U modernoj industrijskoj defektoskopiji primjenjuje se nekoliko metoda koje se baziraju na određenim fizikalnim pojavama i zakonitostima koji karakterišu te pojave:

ispitivanje jonizirajućim elektromagnetnim talasima, ispitvanje ultrazvučnim talasima, ispitivanje magnetnim metodama, ispitivanje kapilarnim metodama, ispitivanje ostalim metodama.

Sve navedene metode nisu podjednako pogodne za otkrivanje svih vrsta grešaka zato se, kod izrazito odgovornih konstrukcija, ispitivanje vrši kombinovanjem dvaju ili više metoda da bi se tek po završenom ispitivanju donio sud o kvalitetu konstrukcije.

~ 2 ~

Ispitivanje jonizirajućim elektromagnetnim talasima – Industrijska radiografija

Radiografija je metoda ispitivanja materijala bez koja pomoću radiografskih negativa otkriva makroskopske defekte u materijalu. Prolazeći kroz materijal X i GAMA zraci gube intenzitet tako da je izlazni zrak uvijek manjeg intenziteta od ulaznog. To smanjenje intenziteta zavisno je od prirode i debljine materijala kroz koje prolazi zrak. Izlazni zrak djeluje na foto emulziju te izaziva na filmu ili ekranu različito zacrnjenje. Na taj način se dobije uvid u unutrašnje slojeve materijala, sve greške i odstupanja od homogenosti.

Slika 1. Prikaz radiografskog ispitivanja

Osnovne karakteristike X i GAMA zraka su:- kreću se pravolinsijski poput svjetlosti,- ne mogu se skretati pomoću optičkih instrumenata,- prolaze kroz bilo koji materijal zavisno od osobina materijala,- pri prolazu kroz materijal bivaju apsorbovani zavisno od talasne dužine, gustine i debljine

materijala,- djeluju na fotoemulziju poput svjetlosti,- joniziraju materiju kroz koju prolaze, radioaktivni su i nisu vidljivi, štetno djeluju na žive

ćelije.

Radiaktivni ozraci imaju svojstvo da u dodiru sa filmskom emulzijom tj. solima srebrima, bakra, i hlora, stvaraju jonizaciju pri čemu se postiže fotoefekat. Ukoliko se u materijalu nalazi greška, tada će materijal zbog prisustva greške , biti oslabljen te će iz materijala izaći veći kvant radioaktivnog zračenja. Pri većem kvantu zračenja na filmu će nastati veće zacrnjenje.

~ 3 ~

Osnovni razlozi zbog kojih se radiografija koristi u industrijskoj defektoskopiji su:- mogućnosti otkrivanja veoma sitnih grešaka,- geometrijska tačnost slike,- dobijanje trejnog dokumenta o kvalitetu,- jednostavna interpretacija nalaza.

Slika 2. Rengen aparat

~ 4 ~

Magnetne metode

Za utvrđivanje površinskih grešaka samo kod feromagnetnih materijala često se primenjuju magnetne metode. Suština ovih metoda je da se predmet koji se ispituje postavi između polova elektromagneta kroz čije namotaje prolazi jednosmerna ili naizmenična struja. Linije magnetnih sila pri prolazu kroz homogeni materijal su ravnomjerne, dok nailaskom magnetnih linija sila na neki uključak, prskotinu i sl. (sa drugom magnetnom popustljivošću - premabilitetom) doći će do skretanja magnetnih linija sila. Da bi se greške u materijalu uočile, obzirom da su magnetne linije nevidljive, predmet koji se ispituje posipa se feromagnetnim prahom ferooksida u transformatorskom ulju sa kerozinom (1:1) ili u alkoholu.

Slika 3. Šema ispitivanja magnetnom metodom

U posebnim slučajevima primjenjuju se obojene suspenzije i fluorescentne magnetne suspenzije čije svijetleće čestice olakšavaju kontrolu teško pristupačnih mjesta.

Primjena feromagnetnih prašaka zasnovana je na sposobnosti feromagnetnih čestica, kada se nađu u magnetnom polju, da se orijentišu u pravcu polja i rasporedjuju se u pravcu najvećeg povećanja magnetne gustine magnetnih linija, tako da se u okolini defekta grupišu, odnosno, čestice feromagnetnog praha se u defektu sakupljaju.

~ 5 ~

Slika 4. Ispitivanje magnetnim česticamaPri otkrivanju grešaka magnetnom metodom važan je uslov pravac magnetnog strujanja, koji mora biti upravan na grešku, jer se greške ne opažaju ako je tok magnetnih linija paralelan pravcu greške. Kako je raspored i oblik grešaka nepoznat u praksi se stoga kontrola vrši u dva međusobno upravna pravca.U mnogim slučajevima namagnetisani dijelovi poslije kontrole magnetnim metodama moraju se razmagnetisati.

Slika 5. Greške na lančaniku i kuki

~ 6 ~

Slika 6. Uređaj za magnetisanje proticanjem struje

Ultrazvučna ispitivanja

Ispitivanja ultrazvukom zasniva se na pronalaženju i određivanju lokacije defekta u materijalu, koji se nalaze na dubini od 1 do 2000 mm kod metalnih i nemetalnih materijala, pomoću propuštanja ultrazvučnih talasa kroz materijal.

Ultrazvuk je tako materijalno treperenje sredine čija je učestalost veća od 20000 Hz, pa omogućuje njegovo prodiranje u materijal. Prostiranje ultrazvuka kroz materijal praćeno je izvjesnim rasipanjem, zbog čega nastaje razlika između količine ulaznih i izlaznih ultrazvučnih talasa, što se prati na odgovarajućem osciloskopu uređaja.

Kod ultrazvučnih defektoskopa najviše se koristi za dobijanje ultrazvučnih talasa piezoelektrični efekat. Pri tome se korišćenjem piezokristala vrši pretvaranje električne energije u mehaničku učestalost od 500-1000 MHz. Za ispitivanje materijala koriste se uglavnom frekvencije 1-6 MHz.

Za stvaranje ultrazvučnih talasa koriste se ultrazvučne glave u kojima piezokristal usmjerava talase u ispitivani materijal. Prema obliku ispitivanog materijala "glave" su oblikovane, tako da stvaraju podužne, poprečne i površinske talase. Način otkrivanja grešaka u materijalu zasniva se na tonskim, impulsnim-eho i rezonantnim metodama, koje u suštini registruju na odgovarajući način ulazne i izlazne talase - "signale". Prolaskom kroz homogeni materijal, npr. kod tonskih metoda visina tona zvuka je ujednačena a pri nailasku na grešku dolazi do njegove promjene.

~ 7 ~

Slika 7. Ekran uređaja sa lokacijom greške

Kod impulsnih-eho metoda prolaz ultrazvučnih talasa kroz materijal (odnosno, pri njihovom nailasku na grešku), zasnovan je na istom principu kao i kod impulsnih uređaja, sa tom razlikom što se signali - ulazni i izlazni - uočavaju na ekranu u vidu svetlosnih signala.Signal greške nalazi se između ulaznog i izlaznog signala na odstojanju koje je proporcionalno dubini lokacije greške.Ultrazvučne metode se koriste takođe i za mjerenje debljine zidova koji nisu pristupačni sa obje strane do debljine 23 mm sa tačnošću 0,01 mm.

Slika 8. Određeivanje grešaka impulsno eho – metodom

~ 8 ~

Slika 9. Uređaj za ultrazvučnu kontrolu (lijevo) i određivanje grešaka ultrazvučnom metodom (desno)

Penetrirajuće tečnosti

Primjenjuje se samo za određivanje površinskih grešaka.Penetrirajuća tečnost (penetrant) ima sposobnost da prodire u vrlo uske zazore do 0,01 mm i da bude lako absorbovana od strane razvijača.

Penetranti se dijele na:• Fluoroscentne,• Obojene,• Miješane (fluoroscentne/obojene).

~ 9 ~

Slika 10. Šematski prikaz penetrantske metode

A – priprema površine – čišćenje B – nanošenje tankog sloja obojenog penetranta – penetriranje C – odstranjivanje viška penetranta s površine D – nanošenje bijelog ″razvijača″ – razvijanje

Slika 11. Nanošenje penetranta Slika 12. Penetranti

~ 10 ~

LABORATORIJSKA VJEŽBA : Ispitivanje žilavosti materijala

Svojstvo da materijal zadrži plastična svojstva i pod nepovoljnim uslovima naziva se žilavost.Ova osobina materijala dolazi do izražaja kada je materijal izložen naglom i učestalom dejstvoj spoljašne sile. Žilavost je naročito važna osobina konstrukcionih materijala.

Standardne epruvete

Postoje dvije vrste epruveta: V – epruveta i U – epruveta.

Po sredini epruvete se uvijek nalazi žlijeb, koji prisiljava da se lom dogodi baš na tom mjestu.

V – epruveta ima oštriji žlijeb nego ostali probni uzorci te se upotrebljava za žilavije predmete, kao što je čelik s malim postotkom ugljika.U – epruveta i epruveta sa rupom kao za ključ, imaju veća zaobljenja u radijusu, daju slične rezultate, a upotrebljava se za krte materijale.

Tendencija je da se u većini slučajeva upotrebljavaju V – epruvete slika 14. Epruvete se obrađuju obradom skidanjem čestica, imaju kvadratan presjek s mjerama prema standardima, mjerna temperatura je 20ºC ± 2ºC (ako nije drugačije preporučeno).

Slika 13. Epruveta s žlijebom u obliku slova U i epruveta s žlijebom u obliku otvora za ključ

Epruvete su standardizovane prema BAS EN 10045-1, ali i drugim standardima.

~ 11 ~

Slika 14. Epruveta s V – oblikom žlijeba

Charpyjevo (Šarpijevo) klatno

Uređaj se sastoji od klatna dužine R obrtnog oko osovine O. Na slobodnom kraju klatna nalazi se teg mase G. Masa tega podešena je tako da klatno pri puštanju sa najvišeg položaja može da ostvari rad od 300 J. Ispitivanje se dopušta, međusobno, i pri raspoloživom radu od 100 J. U svom najnižem položaju teg prolazi kroz sredinu prostora između dva oslonca na koje se postavlja epruveta. Za standardizovana ispitivanja rastojanje između dva oslonca treba da iznosi 40 mm. Ovo rastojanje se po potrebi može mijenjati. Unutrašnje strane oslonca

Slika 15. Šematski prikaz Šarpijevog imaju nagib 1:5 a ivice su zaobljene sa poluprečnikom klatna krivine 1 mm.

Obratanje klatna oko osovine treba da se obavlja sa najmanjim mogućim trenjem. U svakom slučaju, ako se klatno pusti sa jedne početne visine da slobodno pada, ugao do kojeg klatno treba da se otkloni s druge strane vertikalnog položaja smije da bude najviše za 1% manji od početnog ugla. Zaustavljanje klatna posle obavljenog prekida epruvete vrši se automatskom ili ručnom kočnicom.Brzina tega klatna, u trenutku udara u epruvetu, treba da iznosi 5 – 7 m/sec. Epruveta se postavlja na oslonce tako da zarez dođe u sredinu između oslonaca, i to sa suprotne strane od one koju udara teg klatna pri padu.

~ 12 ~

Slika 16. Opšti izgled savremenog Charpyjevog klatna s osciloskopskim uređajem

Na definiranje žilavosti materijala znatno utječe čitav niz faktora, kao što su:- temperatura ispitivanja,- mikrostruktura (osobito veličina zrna),- oblik i dimenzije zareza,- dimenzije epruvete,- brzina udara itd.

Najveći utjecaj na žilavost, ima temperatura ispitivanja, odnosno na udarnu radnju loma materijala. Žilavost općenito opada sa snižavanjem temperature ispitivanja (slika 17). To je zbog toga što se snižavanjem temperature snižava i plastičnost, odnosno deformabilnost materijala.

~ 13 ~

Slika 17. Žilavost u funkciji temperature za čelik SIS 1550, finozrnata struktura, HB 170

Pri ispitivanju epruveta se postavlja centrično na oslonac s razmakom od 40 mm, a klatno slobodnim padom udara tačno u njezinu sredinu sa suprotne strane od zareza i lomi je jednim udarcem. Kao rezultat mjerenja gleda se razlika između početne potencijalne energije koju posjeduje klatno i krajnje energije, pošto se jedan dio energije gubi na sami lom. Što se veći dio energije potroši na lom to znači da je materijal žilaviji.

Rad utrošen za prelom epruvete (No) dobija se kao razlika između raspoloživog rada (N1) i neutrošenog rada (N2). U početnom položaju za ispitivanje klatno se iz vertikalnog (najnižeg)

položaja otkloni za ugao α1. U ovom položaju klatno raspolaže potencijalnom energijom N1=G.h1, gdje je G masa, a h1 visina za koju se podiglo težište klatna u odnosu na njegov najniži položaj. Puštanjem klatna da pada sa visine h1 ono će udariti epruvetu, pri čemu će se dio raspoložive energije utrošiti na prelom epruvete, dok će se ostatak (N 2) utrošiti na otklon

klatna sa druge strane vertikalnog položaja za ugao α2, odnosno na uzdizanje težišta na visinu h2. Prema tome utrošeni rad biće:

No=N1-N2=Gh1-Gh2=G(h1-h2)

Zamjenom vrijednosti za h1=R(1-cos α1), i za h2=R(1-cosα2) gornja jednačina dobiće oblik:

No=GR(cos α2 – cos α1)

~ 14 ~

Veličine R,G i α1 poznate su i predstavljaju karakteristike klatna. Promjenjiv je samo

ugao α2 čija se vrijednost očitava na ugrađenom uglomjeru sa kazaljkom. Rad utrošen za prelom epruvete može se i neposredno očitati na jednoj izbaždarenoj skali sa pokretnim indeksom.

Žilavost (ρ) se izračunava kao utrošeni rad po jedinici površine a izražava se u [J/cm 2]

Vrijednosti žilavosti manje od 100 [J/cm2] daju se sa jednom decimalom, a veće od 100 [J/cm2] zaokružuju se na cijele brojeve.

Rezultati dobijeni ispitivanjem standardnih epruveta dati su sljedećoj tabeli:

Redni broj

epruvete

Dimenzije epruvete

Energija loma

Napomene Površina porečnog presjeka

Žilavost Srednja vrijednost

Temperatura ispitivanja

1l=57mma=9,8mme=4mm

No=8 Jepruveta pukla na mjestu zareza

A=56.84mm2

ρ=14[J/cm2]

ρsr=22[J/cm2]

T=20ºC

2l=56,4m

ma=9,8mme=4mm

No=17 Jepruveta pukla na mjestu zareza

A=56.84mm2

ρ=30[J/cm2]

ρsr=22[J/cm2]

T=20ºC

~ 15 ~

LABORATORIJSKA VJEŽBA : Ispitivanje materijala zatezanjem

Pri statičkom ispitivanju materijala zatezanjem epruvete se opterećuju silama čiji se pravci poklapaju sa njihovim osama (aksijalne sile) pri čemu se promjena njihovog intenziteta odvija određenom brzinom sve do prekida epruvete. Ispitivanjem zatezanjem se određuju:

Svojstva otpornosti-čvrstoće (naponi)- Granica razvlačenja, R (MPa)- Modul elastičnosti, E (MPa)- Zatezna čvrstoća, Rm (MPa)

Svojstva deformacije-plastičnosti- Procentualno izduženje, A (%)- Procentualno suženje poprečnog presjeka, Z (%).

Epruvete za ispitivanje materijala zatezanjem ozrađuju se rezanjem iz uzorka pri čemu njihov oblik i mjere zavise od oblika i dimenzija proizvoda čija se mehanička svojstva ispituju. Mogu biti kružnog, kvadratnog, pravougaonog, prstenastog ili nekog drugog poprečnog presjeka.

Slika 18. Oblik i mjere epruvete za ispitivanje zatezanjem

S obzirom na dimenzije epruvete mogu biti:

-proporcionalne - odnos početne mjerne dužine Lo i početne površine poprečnog presjeka So dat je izrazom Lo=k√So gdje je k koeficijent proporcionalnosti 5,65 ili 11,3.

-neproporcionalne (definisano određenim standardima).

Mašine za ispitivanje zatezanjem mogu biti sa mehaničkim pogonom i hidrauličkim pogonom

~ 16 ~

Slika 19. Hidraulična kidalica

Slika 20. Šema univerzalne hidraulične kidalice

~ 17 ~

Postupak ispitivanja

Priprema epruvete obuhvata:- Provjeru prečnika d0 i početne mjerne dužine L0 epruvete,- Početnu mjernu dužinu L0 podijeliti na niz jednakih dijelova.

Učvršćivanje epruvete u čeljusti mašine (mora se voditi računa da ne dođe do proklizavanja i gubitka prenošenja aksijalne sile).

Brzina promjene opterećenja u elastičnom području ne smije biti veća od brzine date u tabeli: Modul elastičnosti materijala (MPa) Brzina opterećivanja (MPa/s)

Najmanja najveća<150000 1 10>150000 3 30

Tabela 1. Brzina promjene opterećenja

Sila sa kojom se opterećuje epruveta mjeri se sa tačnošću ±1% u odnosu na utvrđeno opterećenje.

Svojstva otpornosti-Zatezna čvrstoća-Rm

To je maksimalni napon koji može da podnese jedan materijal prije nego što dođe do loma.

Rm = Fm

S0

-Granica razvlačenja-Rv

To je napon pri kome dolazi do naglog prelaza iz elastičnog u plastično područje,kod materijala

koji pokazuju tu pojavu: Rv= F v

S0

~ 18 ~

Slika 21. Dijagram zatezanja

~ 19 ~

~ 20 ~

Svojstva deformacije

Izduženje- A(%)

Trenutno izduženje, svedeno na prvobitnu mjernu dužinu, predstavlja jedinično izduženje ε i

može biti elastično i plastično ε =l−l0

l0. Trajno izduženje definiše se kao procentualno izduženje

poslije prekida: A= lu−l0

l0 · 100%.

Mjerenje procentualnog izduženja

Pri mjerenju krajnje dužine vodi se računa o mjestu prekida epruvete, koje može biti:U oblasti srednje trećine mjerne dužine mjerenje se vrši tako što se krajevi čvrsto sastave i izmjeri se rastojanje između mjernih oznaka. Pri tome je potrebno obezbijediti da osa epruvete leži na pravoj liniji.U jednoj od krajnjih trećina; poslije ispitivanja uoči se krajnja mjerna oznaka na kraćem dijelu prekinute epruvete i označi sa X. Na dužem dijelu prekinute epruvete odredimo tačku Y tako da mjesto prekida bude u okolini sredine rastojanja XY. Izmjerimo rastojanje između tačaka X iY i izbrojimo broj dijelova n na tom rastojanju.Ako je (N-n) paran broj dijelova onda se definisanom broju dijelova n dužine p, pridoda (N-n)/2 dijelova određenih tačkama Y i Z. Nakon izmjerene dužine q korigovano procentualno izduženje

se određuje pomoću izraza: A=p+2q−l0

l0 · 100%.

Ako je (N-n) neparan broj na dužem dijelu epruvete se označe tačke Z i Z' koje su od tačke Y

udaljene za broj dijelova: N−n−1

2 dijelova za tačku Z i

N−n+12

dijelova za tačku Z'.

~ 21 ~

Slika 22. Položaj mjesta prekida epruvete u odnosu na izvršenu podjelu mjerne dužineNakon izmjerenog rastojanja q i q' procentualno izduženje nakon prekida se računa pomoću izraza:

A = p+q+q'−l0

l0

· 100%

Veličina deformacije epruvete ne može se uzeti kao mjerodavna za određivanje karakteristika otpornosti i deformacije.

Suženje poprečnog presjeka – Z (%)

Trenutno suženje: ψ = S0−S '

S0 · 100%

Na mjestu prekida: Z = S0−Sk

S0 · 100%.

PRIMJER

Konstruisati dijagram napon-procentualno izduženje čelika ako su nakon kidanja epruvete ustanovljene sljedeće karakteristične vrijednosti sile i izduženja:

Silu na granici proporcionalnost

i

Silu na granici

elastičnosti

Silu gornje granice tečenja

Silu donje granice tečenja

Zateznu čvrstoću

Kidanje materijala

Presjek epruvete

~ 22 ~

Fp Δlp Fe Δle FTg ΔlTg FTd ΔlTd Fm Δlm Fk Δlk Ao A70,2(kN)

4(mm)

83(kN)

4,95(mm)

99(kN)

5,22(mm)

95(kN)

6(mm)

158(kN)

27,2(mm

)

117(kN)

33,3(mm)

314mm2

300mm2

d0=20 (mm) l0=100 (mm)

Vrijednosti čvrstoće računamo po sljedećim formulama:

A0 = (d0·d0·π) / 4 = (20·20·3,14) / 4 = 314mm²Rk = Fk / A0 = 117000 / 314 = 372,6 MPaRm = Fm / A0 = 158000 / 314 = 508,2 MPaRTg = FTg / A0 = 99000 / 314 = 315,3 MPaRTd = FTd / A0 = 95000 / 314 = 302,5 MPaRp = Fp / A0 = 70200 / 314 = 223,5 Mpa.

Karakteristične vrijednosti plastičnosti računamo po formulama:

εk = ( Δlk / l0) ·100% = (33,3 / 100) ·100% = 33,3%εm = (Δlm / l0) ·100% = (27,2 / 100) ·100% = 27,2%εTg = (ΔlTg / l0) ·100% = (5,22 / 100) ·100% = 5,2%εTd = (ΔlTd / l0) ·100% = (6/100) ·100% = 6%εp = (Δlp / l0) ·100% = (4/100) ·100% = 4%.

Radi lakšeg pregleda vrijednosti ćemo prikazati u tabeli: Tačka Procentualno izduženje Napon p εp 4 223,5 Tg εTg 5,2 315,3 Td εTd 6 302,5 m εm 27,2 508,2 k εk 33,3 372,6

~ 23 ~

Slika 23. Dijragram napon – procentualno izduženje

~ 24 ~

LABORATORIJSKA VJEŽBA :

Ispitivanje tvrdoće BRINELL i ROCKWELL postupkom

UvodIspitivanje tvrdoće je vjerovatno najraširenija i najsvestranija metodaispitivanja materijala, koja omogućava brzo, lako i jednostavno određivanje važnog mehaničkog svojstva – tvrdoće na malom uzorku praktično bez njegovog razaranja.Tvrdoća je otpornost ispitivanog materijala prema prodiranju drugog, znatno tvrđeg tijela (opšta najprihvtljivija tehnička definicija). Da bi se rezultati ispitivanja tvrdoće mogli međusobno upoređivati, moraju biti tačno definisani, odnosno standardizovani uvjeti ispitivanja, kao što su utiskivač, sila i vrijeme njezinog djelovanja na tijelo.Način izvođenja ispitivanja i priprema uzorka su prosti, a rezultati se mogu koristiti za procijenu i drugih mehaničkih svojtava. Ispitivanje tvrdoće se koristi za kontrolu.Različita ispitivanja tvrdoće mogu se podijeliti u tri grupe:

- elastični odskok (rijetko se koristi);- otpornost prema rezanju ili abraziji;- otpornost prema prodiranju.

Ispitivanje tvrdoće po Brinelu

Šveđanin J.A. Brinell objavio je 1900. godine postupak prema kojem se tvrdoća definiše odnosom određene sile, kojom se u ispitivani materijal utiskuje tvrda čelična kuglica određenog prečnika, i površine nastalog oblika u materijalu.Tvrdoća po Brinelu određuje se na osnovu izraza:

Gdje je: F - sila utiskivanja [N] D - prečnik kuglice [mm] d - prečnik otiska [mm] h - dubina otiska [mm]

Za praktično izračunavanje koriste se tablice u kojima se za svaki prečnik otiska nalazi odgovarajuća vrijednost tvrdoće po Brinelu.Pri ispitivanju tvrdoće po metodi Brinel dobivaju se najtačnije vrijednosti tvrdoće, s obzirom da se pri ispitivanju obrazuje relativo veliki otisak koji se savremenim optičkim uređajima tačno mjeri. Osnovni nedostatak ove metode je ograničenje pri mjerenju tvrdoće, do HB < 450 sa primjenom čelične kaljene kuglice i HB < 650 primjenom kuglica od tvrdog metala, s obzirom da preko napomenutih vrijednosti tvrdoće dolazi do deformacije utiskivača.Utiskivanje se vrši na pripremljenu površinu (brušenjem), a veličina otiska zavisi od primjenjene sile utiskivanja,

~ 25 ~

tj. teži se da prečnik otiska mora ležati u granicama 0,25 D < d < 0,5 D. Tvrdoća po Brinel metodi označava se slovnim simbolom HBS (za primjenjenu čeličnu kuglicu),odnosno HBW (za primjenjenu kuglicu od tvrdog metala).

Slika 24. Ispitivanje tvrdoće utiskivanjem čelične kuglice

Sila utiskivanja treba da se povećava postepeno i bez trzaja dok se ne dostigne propisana vrijednost. Kod tvrđih materijala konačna veličina otiska dostiže se relativno brzo pa je dovoljno da se sila utiskivanja održava 10 do 15 sec. Za aluminijum i legure aluminijuma propisano je trajanje utiskivanja 30±2 sec a za magnezijum i njegove legure 120 ± 5 sec.Podloga na koju se stavlja uzorak koji se ispituje treba da je stabilna i da omogući da smjer sile utiskivanja bude upravan na površinu koja se ispituje.Površina uzorka na kojoj se vrši utiskivanje mora biti glatka i ravna, da bi se prečnik otiska mogao tačno izmjeriti. Pri pripremanju površine uzorka treba izbjegavati postupke kojima se mijenja stanje materijala, kao što su, na primjer, zagrijavanje ili hladna prerada.Otisci će imati pravilan kružni oblik ukoliko ispitivani materijal ima homogenu strukturu sačinjenu iz mnoštva sitnih kristala, jer u takvim slučajevima različiti otpori deformisanja, uslovljeni anizotropijom kristala, bivaju izjednačeni nepravilnim položajem kristala. Kod materijala sa krupnozrnastom strukturom, međutim, otisci često nemaju pravilan oblik i konture im nisu dovoljno oštre.Kod hladno valjanih limova od obojenih i lakih metala otisci imaju oblik elipse sa većim prečnikom u pravcu valjanja. Otisci će imati nepravilan oblik i u slučaju ako površina uzorka na kojoj se vrši utiskivanje nije ravna. Za mjerenje prečnika otiska najčešće se koristi mikroskop sa mikrometarskim zavrtnjem. Mikroskop, ili drugi mjerni sistem koji se koristi za mjerenje, treba da omogući mjerenje prečnika otiska sa tačnošću ± 0.25 % prečnika kuglice.Oznaci tvrdoće po Brinelu dodaju se dopunske oznake koje izražavaju uslove pod kojima je izvršeno ispitivanje, i to: prečnik kuglice, sila utiskivanja i vrijeme dejstva sile. Na primjer, tvrdoća po Brinelu određena kuglicom prečnika 5 mm i silom utiskivanja 750 daN, održavanom u toku 15 s. označava se:

HB 5/750/15

~ 26 ~

Slika 25. Uređaj za ispitivanje po Brinel-u (Briviskop)

Ispitivanje tvrdoće po Rockwellu

Za razliku od tvrdoće po Brinelu i tvrdoće po Vikersu koje se izražavaju odnosom sile utiskivanja i površine nastalog otiska, tvrdoća po Rokvelu određuje se na osnovu trajne dubine otiska koji načini otiskivač u obliku konusa ili kuglice u ispitivanom materijalu.Površina uzorka, i pored brižljive obrade, sadrži neravnine koje mogu uticati na rezultate mjerenja dubine otiska, stoga se kao osnova za određivanje tvrdoće po Rokvelu koristi razlika dviju dubina nastalih pri dvijema različitim silama utiskivanja.Ispitivanje se izvodi tako što se utiskivač najprije optereti početnom silom F o pri kojoj će dubina otiska iznositi h1 (slika 26). Tada se komparater, kojim se mjeri dubina prodiranja, dovede u početni položaj, pa se nanese glavna sila F1 pri kojoj će utiskivač prodrijeti u materijal za dubinu h2. Poslije završetka tečenja materijala, tj. kada se kazaljka komparatera zaustavi, ukloni se glavna sila, usled čega se kazaljka komparatera vrati za iznos elastične

~ 27 ~

deformacije ispitivanog materijala i postolja mašine. Nastala trajna dubina otiska h 3, izražena u jedinicama po 0.002 mm, utima se kao mjera trdoće. Da bi vrijednosti tvrdoće po Rokvelu tekle u istom smislu kao i veličine brojeva, tj. da bi se za veće tvrdoće dobile veće brojčane vrijednosti, trajna dubina otiska oduzima se od jednog konstantnog broja. Za slučaj ispitivanja konusom, konstanta ima vrijednost 100, a za ispitivanje kuglicom 130.

Slika 26. Ispitivanje tvrdoće po Rokvelu

Postupak ispitivanja konusom skraćeno se obilježava sa HRC (C-Cone-konus) a kuglicom sa HRB (B-Ball-kugla). Tvrdoća po Rokvelu pri ispitivanju konusom data je izrazom:

a pri ispitivanju kuglicom

Označavanje tvrdoće po Rokvel metodi izvodi se na sledeći način:Primer oznake:45 HRC

Gdje je: 45– vrednost tvrdoće, HRC– oznaka tvrdoće Rokvel C (konus)

Opis aparature:Aparat za ispitivanje tvrdoće po Rokvelu je konstruisan tako da se na njemu može izmjeriti tvrdoća po obje Rokvelove metode (slika 27) jednostavnom zamjenom utiskivača. Konstrukcijski veoma podsjeća na Briviskop, s tom razlikom što je umjesto optičkog instrumenta kojim se kod Briviskopa mjeri prečnik otiska, ovdje postavlja uređaj sa dvije skale. Jedna skala služi za direktno očitavanje tvrdoće po Rokvel C metodi, dok druga služi za direktno očitavanje po Rokvel B metodi.

~ 28 ~

Slika 27. Uređaj za mjerenje tvrdoće Rokvel metodom

Slika 28. Savremeni uređaji za mjerenje tvrdoće Rokvel metodom

~ 29 ~