GE Measurement & Control Solutions:

Mjerenje tvrdoće naprednim tehnikama

UCI metod(Ultrasonic Contact Impedance)

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

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

• Kod UCI tehnike se koristi Vickers-ov dijamant, ali se dijagonale otiska ne određuju 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 dođe 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 između promjene frekvencije i tvrdoće materijala je data sljedećim obrascem:

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

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

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

• Instrument stalno mjeri rezonantnu frekvenciju i istovremeno prikazuje vrijednost 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 raspoređenih 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• VI – brzina loptice prije udara

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

Poprečni presjek udarne sonde Oblici signala koji se generiraju prolaskom udarnog tijla kroz namotaje. 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 određenih tablica koje su empirijske, iz razloga što ne postoji funkcionalna ovisnost između 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 određene 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 određene eksperimentalno i

pohranjene su u instrumente za mjerenje tvrdoće

Optički Through-Intenter-Viewing metod TIV

• TIV je prijenosni uređaj 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

• Također 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 određuje 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 (omeđimo) ivice otiska, i da nam potom instrument izračuna tvrdoću za zadate ivice

• Na taj način nam nudi da ručno izračunamo tvrdoću• Također 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 materijalima koristeći 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 radnog opterećenja

Pregled opreme

MIC 10

TIV

MIC 20