Test Kekerasan (hardness)
Dalam banyak aplikasi, komponen seharusnya tidak hanya memiliki kekuatan tinggi tetapi juga ketahanan aus yang tinggi. Ini umumnya berlaku setiap kali dua atau lebih komponen bergerak dalam kontak satu sama lain. Ini termasuk, misalnya, roda gigi, poros, baut, pin, dll.
Ketahanan aus yang tinggi pada akhirnya berarti permukaan yang keras, sehingga permukaan tidak rusak karena kontak dengan komponen yang berdekatan dan dengan demikian keausan dijaga agar tetap minimum. Untuk alasan ini, nilai-nilai karakteristik diperlukan untuk mengkarakterisasi kekerasan suatu material. Untuk mendapatkan parameter tersebut, kekerasan pertama-tama harus didefinisikan:
Kekerasan indentasi adalah ketahanan material terhadap penetrasi oleh indentasi (indentation resistance)!
Menurut definisi ini, semua metode pengujian kekerasan pada akhirnya didasarkan pada prinsip yang sama. Indentor (misalnya bola, kerucut, piramida, dll.) Ditekan dengan kekuatan tertentu ke permukaan material yang akan diuji. Nilai kekerasan lekukan ditentukan dari lekukan yang tertinggal.
Tergantung pada bahan yang akan diuji dan kondisi batas yang diberikan, tes kekerasan yang berbeda telah dikembangkan, yang masing-masing nilai pengukuran umumnya tidak dapat dikonversi menjadi satu sama lain. Oleh karena itu, nilai kekerasan hanya dapat dibandingkan jika telah diperoleh dengan prosedur pengujian yang identik. Prosedur yang paling penting beserta keuntungan dan kerugiannya dijelaskan secara lebih rinci di bawah ini:
- Uji kekerasan Brinell
- Uji kekerasan Vickers
- Uji kekerasan Rockwell
Spesimen yang disiapkan khusus atau komponen nyata dapat digunakan untuk pengujian kekerasan, asalkan fungsinya tidak terganggu karena lekukan yang tertinggal.
Uji kekerasan Brinell
Dalam pengujian kekerasan Brinell, bola logam keras (bola karbida) ditekan ke permukaan material untuk diuji dalam waktu sekitar 10 detik saat gaya meningkat. Gaya uji yang diterapkan dipertahankan selama 15 hingga 20 detik sehingga material dapat mengendap selama waktu ini dan pengukuran memberikan hasil pengujian yang dapat diperbanyak dan sebanding. Lekukan yang tertinggal di permukaan material kemudian ditentukan di bawah mikroskop cahaya. Rasio kekuatan pengujian F dan permukaan lekukan A (segmen bola) berfungsi sebagai ukuran untuk nilai kekerasan Brinell HBW:
Dengan uji kekerasan Brinell, bola karbida ditekan ke dalam material. Permukaan lekukan yang tertinggal berfungsi sebagai ukuran resistensi lekukan!
Faktor 0,102 dalam persamaan adalah karena unit "kilopond" atau "kilogram-force" (1 kp ≙ 9,807 N), yang digunakan di masa lalu tetapi tidak lagi diizinkan hari ini. Oleh karena itu, unit kilopond digantikan oleh unit yang benar secara fisik "Newton" dengan faktor konversi yang sesuai 0,102 (= 1 / 9,807).
Permukaan indentasi A dapat ditentukan oleh diameter D bola penetrator dan oleh diameter lekukan d tertinggal menggunakan rumus berikut:
Dengan menggabungkan persamaan (2) dan persamaan (1), kekerasan Brinell unit-less HBW dihitung sebagai fungsi dari gaya penetrasi yang diterapkan F(dalam N) dan diameter bola D(dalam mm) dan diameter indentasi d (dalam mm) sebagai berikut:
Karena anisotropi dalam perilaku deformasi, dapat terjadi bahwa tidak ada jejak melingkar pada permukaan material. Kemudian diameter lekukan dditentukan dari rata-rata dua diameter lekukan d1dan d2 saling berhadapan satu sama lain:
Keabsahan
Untuk mencegah agar bahan tidak terdorong ke tepi spesimen selama pengujian dan karena itu berpura-pura nilai kekerasan yang lebih rendah, pusat lekukan harus paling tidak sejauh dari tepi 2.5 kali diameter lekukan.
a ≥ 2.5 ⋅ d (5)
Jika beberapa uji kekerasan dilakukan pada satu spesimen tunggal, harus hati-hati untuk memastikan bahwa lekukan tidak jatuh di bawah jarak minimum satu sama lain. Jika tidak, hasil pengukuran akan dipengaruhi oleh fenomena pengerasan yang terjadi di sekitar lekukan masing-masing. Jarak ini tidak boleh kurang dari 3 kali diameter lekukan.
Δ a ≥ 3 ⋅ d (6)
Untuk mendapatkan hasil yang sebanding, diameter lekukan dtidak boleh lebih kecil dari 24% dan tidak lebih besar dari 60% diameter indenter D:
0,24 ⋅ D ≤ d≤ 0,6 ⋅ D (7)
Jika diameter indentasi terlalu besar dan terletak pada kisaran diameter bola uji, bola uji ditekan terlalu dalam ke dalam material. Penetrasi lebih lanjut kemudian hampir tidak menghasilkan diameter lekukan yang lebih besar, yang kemudian menyebabkan nilai kekerasan yang tidak dapat direproduksi lagi karena ketidakakuratan pengukuran dalam penentuan diameter.
Jika, di sisi lain, diameter lekukan terlalu kecil dibandingkan dengan diameter bola uji yang digunakan, namun, bola hampir tidak ditekan ke dalam material. Tepi buram adalah hasilnya, dari mana sangat sulit untuk menentukan diameter lekukan yang tertinggal. Karena deformasi yang rendah, bagian elastis sangat tinggi, sehingga diameter indentasi menurun secara relatif kuat ketika bola diangkat. Nilai kekerasan yang diperoleh dari diameter indentasi kecil tidak lagi valid, serta nilai-nilai dari diameter besar.
Animasi: Beban uji terlalu tinggi dan terlalu rendah
Faktor beban
Untuk alasan yang disebutkan di atas penetrasi terlalu banyak atau terlalu sedikit, tekanan permukaan antara bola dan sampel material harus tidak terlalu tinggi dan tidak terlalu rendah. Hasil yang sebanding untuk bahan yang berbeda hanya diberikan jika tes dilakukan dengan intensitas tegangan yang sama. Karena luas permukaan yang lebih besar, bola uji yang lebih besar juga membutuhkan gaya uji yang lebih tinggi dibandingkan dengan bola uji yang lebih kecil, di mana gaya didistribusikan di atas permukaan yang lebih kecil.
Untuk melakukan keadilan terhadap fakta ini, apa yang disebut faktor beban Bdidefinisikan. Faktor beban pada akhirnya ditentukan oleh rasio beban uji terhadap permukaan bola uji dan dapat dianggap sebagai semacam "tekanan permukaan":
Untuk perbandingan nilai kekerasan yang diperoleh dengan bola uji berbeda pada material berbeda, faktor beban B harus memiliki nilai yang sama dalam semua kasus!
Faktor 0,102 hasil lagi dari unit usang "kilopond". Berbeda dengan bahan yang lebih lunak, bahan keras harus diuji dengan beban yang lebih tinggi dan dengan demikian dengan faktor beban yang lebih tinggi untuk mempertahankan rentang diameter sesuai dengan persamaan ( 7)
Faktor beban distandarisasi untuk nilai 1 - 2.5 - 5 - 10 - 15 - 30. Bergantung pada kekerasan yang diharapkan, nilai referensi untuk faktor beban yang digunakan dapat ditemukan dalam buku-buku tabel. Kekuatan uji F(dalam N) yang akan diatur kemudian dapat ditentukan dengan persamaan (8) tergantung pada faktor beban tanpa dimensi Bdan diameter bola yang dipilih D (dalam mm).
Bola uji
Bola karbida sintered dengan diameter standar 10 mm, 5 mm, 2,5 mm, 2 mm, atau 1 mm tersedia sebagai bola uji untuk pengujian kekerasan Brinell. Diameter kecil diperlukan untuk lembaran yang lebih tipis, karena bola yang terlalu besar hanya akan menggelembungkan material di sisi yang berlawanan dari lembaran tersebut. Pada prinsipnya, ketebalan sampel s harus setidaknya 8 kali kedalaman penetrasi h:
s ≥ 8 ⋅ h ketebalan minimum sampel (9)
Animasi: Penonjolan lembaran logam selama uji Brinell
Bola uji besar juga tidak cocok untuk menentukan kekerasan lapisan permukaan tipis. Dalam kasus seperti itu, ada risiko bahwa lapisan permukaan hanya akan ditekan ke bahan dasar yang mendasarinya.
Gambar: Pengujian lapisan permukaan tipis
Diameter bola yang lebih besar diperlukan saat menguji struktur mikro berbutir kasar dan heterogen (misalnya besi tuang). Karena lingkup yang besar, sebanyak mungkin komponen struktural individu (heterogen) yang terlibat dalam deformasi, menghasilkan nilai kekerasan yang mencakup seluruh struktur mikro dan bukan hanya fase individu. Pengujian mikrostruktur heterogen ini merupakan keuntungan besar dari pengujian kekerasan Brinell. Pada prinsipnya, bagaimanapun, ini hanya cocok untuk bahan lunak sampai sedang-keras.
Gambar: Pengujian bahan heterogen
Pengujian kekerasan Brinell sangat cocok untuk material yang lebih tebal dan heterogen dalam kisaran kekerasan menengah hingga rendah! Lembaran tipis tidak dapat diuji dengan uji kekerasan Brinell!
Uji kekerasan Brinell tidak cocok untuk material yang sangat keras atau lapisan permukaan yang mengeras karena bola tidak cukup menembus ke dalam material. Beban uji yang lebih tinggi bukanlah solusi pada titik ini, karena hal ini mengarah pada deformasi bola karbida. Perataan hasil bola dalam diameter lekukan yang lebih besar dan dengan demikian berpura-pura bahan yang lebih lembut.
Animasi: Meratakan bola uji
Bahkan lembaran yang sangat tipis tidak dapat diuji karena tonjolan bahan tersebut di sisi yang berlawanan dari lembaran tersebut. Untuk menutup celah ini, metode uji kekerasan baru dikembangkan oleh Vickers, yang dijelaskan di bagian selanjutnya.
Indikasi nilai kekerasan
Spesifikasi kekerasan Brinell yang sesuai standar terdiri dari nilai kekerasan (HBW), diameter bola (dalam milimeter), gaya uji (dalam kilopond) dan waktu aplikasi (dalam detik). Nilai-nilai ini diberikan tanpa unit dan dipisahkan oleh garis miring. Indikasi waktu dapat dihilangkan jika tes dilakukan dengan waktu aplikasi standar 10 hingga 15 detik.
Gambar: Spesifikasi yang sesuai standar untuk nilai kekerasan Brinell
Hubungan empiris antara kekuatan tarik dan kekerasan untuk baja non-paduan
Untuk baja unalloy dan paduan rendah ada hubungan empiris antara kekerasan Brinell HBW dan kekuatan tarik σu. Hubungan ini berarti bahwa kekuatan tarik (dalam N / mm²) setara dengan sekitar 3,5 kali nilai kekerasan Brinell:
(10)
Uji kekerasan Vickers
Untuk uji kekerasan Vickers, piramida basis persegi dengan sudut bukaan 136 ° digunakan sebagai indentor (sudut bukaan = sudut antara dua permukaan piramida yang berlawanan). Sudut dipilih sehingga nilai kekerasan Vickers sebanding dengan derajat tertentu dengan nilai kekerasan Brinell (berlaku untuk sekitar 400 HBW atau 400 HV). Piramida berlian ditekan ke permukaan material dengan kekuatan yang meningkat dan dipertahankan selama sekitar 10 hingga 15 detik ketika kekuatan uji yang diinginkan tercapai. Seperti halnya uji kekerasan Brinell, rasio gaya uji F dan permukaan lekukan A (luas permukaan piramida) berfungsi sebagai nilai kekerasan untuk metode Vickers:
Gambar: Prosedur uji kekerasan Vickers
Dalam uji kekerasan Vickers, piramida berlian empat sisi ditekan ke dalam material yang akan diuji. Permukaan lekukan yang tertinggal berfungsi sebagai ukuran nilai kekerasan!
Faktor 0,102 lagi berasal dari unit “kilopond” yang tidak lagi digunakan (lihat uji kekerasan Brinell). Permukaan indentasi dapat ditentukan dari diagonal lekukan yang tertinggal. Dengan lekukan diagonal ini d (dalam mm) dan gaya uji F (dalam N), nilai kekerasan Vickers HV kemudian ditentukan sebagai berikut:
Lekukan diagonal d ditentukan oleh nilai rata-rata dari dua diagonal d1 dan d2 saling berhadapan satu sama lain:
Gambar: Jarak minimum yang harus dipertahankan
Keabsahan
Untuk menghindari risiko bahan menggembung pada sisi sampel yang berlawanan, ketebalannya tidak boleh di bawah nilai minimum tertentu. Ketebalan minimum tergantung pada kekerasan yang diharapkan dari material dan beban uji.
Gambar: Ketebalan minimum sampel sebagai fungsi dari kekerasan dan beban uji
Selain itu, jaraknya a dari pusat lekukan ke tepi sampel harus setidaknya 2,5 kali nilai lekukan diagonal d untuk mencegah materi mengalir ke samping:
Lebih jauh, jarak antara dua lekukan yang berdekatan untuk sampel baja dan tembaga harus paling tidak terpisah sejauh tiga kali panjang diagonal lekukan (enam kali untuk sampel aluminium). Ini untuk menghilangkan pengaruh fenomena pengerasan kerja di sekitar area lekukan.
Nilai kekerasan yang sebanding
Berbeda dengan bola (seperti dalam uji kekerasan Brinell), sebuah piramida selalu memberikan lekukan yang serupa secara geometris, bahkan dengan beban uji yang berbeda. Jadi, dengan sampel yang identik, gaya ganda juga mengarah ke permukaan lekukan ganda. Sebagai rasio kekuatan dan permukaan lekukan, nilai kekerasan karenanya selalu identik meskipun beban uji berbeda *. Namun, independensi nilai kekerasan dari beban uji tidak berlaku untuk beban uji rendah. Dalam hal ini, deformasi elastis menyumbang proporsi yang lebih besar dari total deformasi. Akibatnya, lekukan piramida yang tersisa lebih kecil dan dengan demikian berpura-pura nilai kekerasan yang lebih tinggi.
*) Ini bukan kasus dengan uji kekerasan Brinell. Di sana gaya ganda (load factor lebih tinggi) akan menyebabkan nilai kekerasan yang berbeda untuk bola yang sama yang digunakan.
Oleh karena itu, nilai kekerasan Vickers hanya boleh dibandingkan satu sama lain jika mereka ditentukan dengan beban uji yang sama. Bahan yang lebih keras selalu membutuhkan beban uji yang lebih tinggi daripada bahan yang lebih lunak. Bergantung pada kekerasan material yang diharapkan, rentang beban uji yang berbeda ditentukan. Perbedaan dibuat antara tiga rentang beban.
Di satu sisi, apa yang disebut rentang uji makro dengan beban uji antara 49,03 N (5 kp) dan 980,7 N (100 kp), di mana nilai kekerasan praktis tidak tergantung dari beban uji ("kekerasan makro").
Di sisi lain, kisaran uji mikro dibedakan antara 1,961 N (0,2 kp) dan 29,42 N (3 kp). Kisaran beban seperti itu digunakan untuk lapisan permukaan tipis dan lembaran logam serta untuk bagian jadi agar tidak terlalu merusak komponen ("kekerasan mikro").
Dalam kasus khusus, rentang uji nano antara 0,098 N (0,01 kp) dan 1,961 N (0,2 kp) juga digunakan ("nanohardness"). Ujung piramida yang digunakan menawarkan keuntungan tambahan atas bola dalam proses Brinell, karena lekukan berbentuk piramida meninggalkan tepi yang lebih tajam bahkan pada kedalaman lekukan yang rendah dan dengan demikian dapat diukur dengan lebih baik. Oleh karena itu, pada kedalaman indentasi yang rendah, akurasi uji Vickers meningkat dibandingkan dengan uji kekerasan Brinell.
Berbeda dengan uji kekerasan Brinell, metode uji Vickers cocok untuk semua rentang kekerasan, yaitu dari bahan yang sangat lunak hingga sangat keras. Selain itu, metode ini juga dapat digunakan untuk lembaran tipis atau lapisan permukaan tipis, yang menjadikannya metode pengujian kekerasan universal.
Uji kekerasan Vickers cocok untuk bahan lunak hingga sangat keras dan terutama untuk lembaran tipis!
Indikasi nilai kekerasan
Spesifikasi standar kekerasan Vickers yang sesuai terdiri dari nilai kekerasan, gaya uji dan waktu aplikasi. Yang terakhir dapat dihilangkan dengan waktu standar 10 hingga 15 detik.
Gambar: Spesifikasi yang sesuai standar untuk nilai kekerasan Vickers
Baik uji kekerasan Brinell dan Vickers menggunakan permukaan lekukan yang tertinggal sebagai ukuran kekerasan. Geometri indentasi ditentukan oleh mikroskop cahaya. Ini biasanya membutuhkan permukaan yang mengkilap agar lekukannya terlihat jelas. Mungkin perlu memoles sampel sebelum pengujian. Oleh karena itu, proses ini umumnya tidak cocok untuk produksi otomatis. Untuk alasan ini, uji kekerasan Rockwell yang dijelaskan di bawah ini dikembangkan.
Uji kekerasan Rockwell
Dalam uji kekerasan Rockwell, ukuran kekerasan bukanlah permukaan lekukan tetapi kedalaman lekukan. Baik bola karbida atau kerucut berlian bundar dengan sudut ujung 120° dan jari-jari ujung 0,2 mm berfungsi sebagai indentor. Kedalaman indentasi dapat dibaca langsung dari pengukur putaran melalui jalur lintasan mesin pengujian.
Gambar: Diamond cone untuk pengujian kekerasan Rockwell
Dalam uji kekerasan Rockwell, indentor ditekan ke dalam material yang akan diuji. Kedalaman indentasi berfungsi sebagai ukuran kekerasan!
Proses pengukuran tes Rockwell dilakukan dalam tiga langkah. Pertama, indentor ditempatkan pada permukaan untuk diuji dengan preload yang disebut F0dari 98 N. Dengan cara ini, pengaruh proses pengaturan yang mungkin dalam sampel dan setiap clearance dalam instrumen pengukuran dapat dikompensasi. Setelah gaya uji pendahuluan diterapkan untuk waktu yang singkat, pengukur putaran disetel ke nol ( level referensi ). Nilai kekerasan aktual kemudian dapat ditentukan.
Gambar: Prosedur uji kekerasan Rockwell
Beban uji aktual F1diterapkan selain preload dan indetor menembus material dengan gaya total F= F0+ F1. Beban uji yang akan ditetapkan diambil dari buku-buku tabel tergantung pada indentor dan bahan yang akan diuji.
Setelah indentor menembus bahan dengan kekuatan total yang diberikan, gaya uji F1 dihapus lagi. Akhirnya, materi hanya ditekankan oleh preload F0 dan indentor sedikit dinaikkan lagi oleh perilaku material elastis sampel. Namun, kontak dengan sampel tetap. Kedalaman indentasi yang tersisa h (dalam mm) sambil mempertahankan preload F0 akhirnya diukur dan digunakan untuk menentukan nilai kekerasan.
Bergantung pada indentor (kerucut intan atau bola karbida), nilai kekerasan unit-less HR dapat ditentukan menggunakan rumus berikut:
Menguji dengan kerucut berlian
Untuk kerucut intan, nilai kekerasan diperoleh dari kedalaman referensi 0,2 mm. Bergantung pada seberapa jauh indentor yang ditembus mencapai kedalaman referensi ini, kekerasan yang sesuai diberikan pada material. Penetrasi indentor lengkap ke kedalaman referensi jelas berarti bahan yang sangat lembut; ini diberi nilai kekerasan 0. Jika, bagaimanapun, kerucut intan tidak menembus material sama sekali, ada material yang sangat keras, yang mana nilai kekerasan penuh 100 ditetapkan. Skala mengikuti subdivisi genap 0,002 mm (2 μm), sehingga mencapai setengah kedalaman referensi juga sesuai dengan setengah nilai kekerasan maksimum (nilai kekerasan Rockwell 50). Ketika kerucut berlian digunakan, skala Rockwell dengan demikian dibagi menjadi 100 derajat kekerasan.
Metode pengujian dengan kerucut berlian sangat cocok untuk material yang sangat keras seperti baja yang dikeraskan atau marah. Terlepas dari prosedur khusus, preload adalah 98 N (10 kp). Beban tes yang sebenarnya dapat bervariasi tergantung pada aplikasi.
Dalam varian proses C, spesimen dikenai beban uji 1373 N (140 kp). Namun, terutama ketika menguji lembaran tipis, ada risiko bahwa bahan hanya akan menonjol keluar di sisi yang berlawanan karena kekuatan uji tinggi dan dengan demikian memalsukan hasil pengukuran. Untuk alasan ini, varian A diperkenalkan untuk pengujian kerucut berlian, yang beroperasi dengan gaya uji berkurang 490 N (50 kp). Selain itu, ada varian D yang kurang umum, di mana nilai kekerasan ditentukan menggunakan beban uji 883 N (90 kp). Untuk penentuannya juga persamaan ( 16) digunakan.
Perhatikan bahwa dalam praktiknya kekerasan Rockwell tidak ditentukan oleh persamaan ( 16) dan ( 17) tetapi baca langsung dari skala yang dikalibrasi.
Gambar: Dial gauge untuk menentukan nilai kekerasan Rockwell
Pengujian dengan bola karbida
Namun, saat menguji bahan yang relatif lunak, kerucut berlian akan menembus terlalu dalam ke dalam material dan akan berada di luar kedalaman referensi 0,2 mm. Oleh karena itu, permukaan lunak diuji dengan bola karbida dan kedalaman referensi diperpanjang hingga 0,26 mm. Namun, pembagian derajat kekerasan dalam langkah 0,002 mm dipertahankan. Ini menghasilkan nilai kekerasan dalam rentang teoritis 0 (kedalaman indentasi penuh hingga 0,26 mm) hingga 130 (tidak ada kedalaman indentasi) saat menggunakan bola karbida.
Saat menggunakan bola karbida untuk pengujian kekerasan, perbedaan utama dibuat antara varian proses B dan F. Berbeda dengan pengujian berlian kerucut, mereka cocok untuk logam yang lebih lunak seperti baja konstruksi atau kuningan. Bola memiliki diameter 1,5875 mm (= 1/16 inci). Dalam semua varian proses preload adalah 98 N (10 kp). Prosedur berbeda lagi hanya dalam beban uji yang sebenarnya. Pada varian B, beban uji adalah 883 N (90 kp) dan dalam varian F, beban uji adalah 490 N (50 kp). Karena berkurangnya beban uji, varian proses F sangat cocok untuk bahan yang sangat lunak seperti tembaga atau lembaran tipis.
Nilai kekerasan yang sebanding
Nilai kekerasan yang diperoleh dengan varian proses yang berbeda tidak dapat dibandingkan satu sama lain. Selain itu, nilai kekerasan yang diperoleh dengan metode proses tertentu harus berada dalam kisaran tertentu. Untuk nilai di luar kisaran ini, metode harus diubah karena indentor telah menembus terlalu kuat atau terlalu lemah ke dalam material.
- HRC: 20 hingga 70
- HRA: 20 hingga 88
- HRB: 20 hingga 100
- HRF: 60 hingga 100
Keuntungan dan kerugian
Keuntungan dari pengujian kekerasan Rockwell adalah waktu pengujian yang relatif singkat dan kemampuan otomatisasi yang baik, karena nilai yang terukur ditentukan langsung dari kedalaman indentasi tanpa pengukuran optik di bawah mikroskop. Karenanya proses ini sangat cocok untuk produksi otomatis.
Kerugian dari proses Rockwell adalah rentang kedalaman yang relatif kecil. Bahkan lekukan kecil dalam materi dapat menyebabkan penyimpangan yang signifikan di kedalaman lekukan dan dengan demikian dalam nilai kekerasan. Selain itu, sangat sulit untuk membedakan antara material dengan nilai kekerasan tinggi karena perbedaan kedalaman yang kecil.
Indikasi nilai kekerasan
Spesifikasi yang sesuai standar untuk kekerasan Rockwell terdiri dari nilai kekerasan dan metode pengujian.
Gambar: Indikasi standar-patuhi nilai kekerasan Rockwell