GE Measurement & Control Solutions:

Mjerenje tvrdoće naprednim tehnikama

UCI metod(Ultrasonic Contact Impedance)

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

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

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

• 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.

Schemacki opis UCI sistema

• Kada dijamant doñe 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 izmeñu promjene frekvencije i tvrdoće materijala je data sljedećim obrascem:

• Kao što vidimo promijena frekvencije je funkcija Young-ovog modulaelastičnosti i površine otiska, zato je prije mjerenja potrebno kalibriratimjerni instrument za dati materijal.

• Sonda je tvornički kalibrirana na niskolegiranom i nelegiranim čelicima, meñutim kod moderih instrumenata se može lako kalibrirati i za titan ili bakar na licu mjesta

• Na slijedećem dijagramu je prikazana zavisnost izmeñu promijene rezonantne frekvencije i tvrdoće materijala.

• Instrument stalno mjeri rezonantnu frekvenciju i istovremeno prikazujevrijednost 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 rasporeñenih 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.

Application

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:• VR – brzina loptice nakon udara• V I – brzina loptice prije udara

Na sljedećoj slici je prikazan presjek sonde i oblici signala koji nastajuprolaskom udarnog tijela kroz namotaje unutar sonde.

Poprečni presjek udarne sonde Oblici signala koji se generiraju prolaskom udarnog tijla kroznamotaje. 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 odreñenih tablica koje su empirijske, iz razloga što ne postoji funkcionalna ovisnost izmeñu 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 odreñene grupe.

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

• Na sljedećoj simulaciji je prikazan postupak mjerenja.

Application

Slika pokazuje krivulju konverzije tvrdoće po Leeb-u HL u tvrdoću po Rockwell-u C HRC. Ove krivulje su odreñene eksperimentalno i

pohranjene su u instrumente za mjerenje tvrdoće

Optički Through-Intenter-Viewing metod TIV

• TIV je prijenosni ureñaj 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

• Takoñer 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 odreñuje 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 (omeñimo) ivice otiska, i da nam potom instrument izračuna tvrdoću za zadate ivice

• Na taj način nam nudi da ručno izračunamo tvrdoću

• Takoñer imamo mogućnosti snimanja slika i podataka u memoriju, koje kasnije možemo da prebacimo na računalo

Prikaz krivulje rezultata mjerenjaPrikaz 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 materijalimakoristeći TIV metod

Application

• 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 radnogopterećenja

Pregled opreme

MIC 10

TIV

MIC 20