Przewodnik po testach twardości: Vickers, Rockwell, Brinell i przygotowanie próbek

Przygotowanie próbek metalograficznych: dlaczego ma to znaczenie przed jakimkolwiek badaniem twardości

Dokładne badanie twardości rozpoczyna się na długo przed kontaktem wgłębnika z próbką. Przygotowanie próbek metalograficznych — kontrolowany proces dzielenia, mocowania, szlifowania i polerowania próbki metalu — bezpośrednio określa, czy odczyt twardości odzwierciedla prawdziwe właściwości materiału, czy artefakt wprowadzony podczas manipulacji.

Szczególnie w przypadku metod mikrotwardości stan powierzchni ma kluczowe znaczenie. Słabo wypolerowany okaz wprowadza zmiany topograficzne, które odchylają wgłębnik, zwiększają rozproszenie i dają odczyty, których nie można skorelować z żadną opublikowaną tabelą konwersji. Ogólnym wymaganiem w przypadku badania mikrotwardości metodą Vickersa i Knoopa jest wykończenie powierzchni na poziomie 0,1 µm Ra lub lepszym – osiągalne jedynie poprzez systematyczne przygotowanie metalograficzne.

Sekwencja przygotowania zazwyczaj obejmuje:

1. Cięcie za pomocą ściernej tarczy do cięcia z użyciem odpowiedniego chłodziwa, aby zapobiec uszkodzeniom termicznym
2. Montaż na zimno lub na gorąco w żywicy epoksydowej lub fenolowej w celu zapewnienia wsparcia krawędzi i bezpiecznej obsługi
3. Szlifowanie płaskie w celu usunięcia uszkodzeń spowodowanych przekrojami i uzyskania płaskiej płaszczyzny odniesienia
4. Szlifowanie sekwencyjne za pomocą coraz drobniejszych materiałów ściernych SiC (zwykle o ziarnistości 240 → 400 → 600 → 1200)
5. Polerowanie diamentowe (6 µm, następnie 3 µm, następnie 1 µm) w celu wyeliminowania wszelkich rys powstałych wskutek szlifowania
6. Końcowe polerowanie krzemionką koloidalną (0,04–0,05 µm OPS) do powierzchni lustrzanych wymaganych przez standardy mikrotwardości

Każdy etap musi całkowicie usunąć obrażenia z poprzedniego. Pomijanie kroków lub przyspieszanie czasu przebywania powoduje osadzanie zdeformowanych warstw podpowierzchniowych — stref utwardzanych przez działanie, które dają fałszywie wysokie odczyty Vickersa w zakresie 10–50 HV, co stanowi znaczący błąd podczas badania cienkich powłok, stref wpływu ciepła lub warstw nawęglanych.

Do czego służy test twardości Vickersa?

Test twardości Vickersa służy do pomiaru odporności materiału na trwałe wgniecenie za pomocą wgłębnika diamentowego w kształcie piramidy o kącie czołowym 136°. Jest to najbardziej wszechstronna dostępna metoda sprawdzania makro- i mikrotwardości , mający zastosowanie do praktycznie każdego materiału stałego, niezależnie od poziomu twardości, i jest preferowaną metodą, gdy wymagana jest precyzja, identyfikowalność lub rozdzielczość mikrostrukturalna.

W praktyce test Vickersa wykorzystuje się do:

• Pomiar głębokości obudowy — profilowanie gradientów twardości na powierzchniach nawęglanych, azotowanych lub hartowanych indukcyjnie poprzez wykonanie szeregu wgłębień w rosnących odległościach od powierzchni
• Ocena cienkiej powłoki — ocena twardych powłok PVD/CVD, warstw galwanicznych i obróbek dyfuzyjnych, gdzie dotknięta strefa może mieć grubość zaledwie kilku mikronów
• Kontrola jakości spoin — mapowanie twardości metalu nieszlachetnego, strefy wpływu ciepła i ściegu spoiny w celu wykrycia zmiękczenia, nadmiernego utwardzenia lub podatności na pękanie wodorowe
• Analiza awarii — identyfikacja odwęglenia, nieodpuszczonego martenzytu, austenitu szczątkowego lub granic faz poprzez zlokalizowane pomiary twardości
• Certyfikacja materiału — weryfikacja wyników obróbki cieplnej komponentów lotniczych, motoryzacyjnych i narzędziowych zgodnie ze specyfikacjami takimi jak AMS, ISO 6507 i ASTM E92
• Badania i rozwój — charakterystyka nowo opracowanych stopów, ceramiki spiekanej i materiałów kompozytowych, dla których nie istnieją żadne wcześniej istniejące skale konwersji

Ponieważ skala Vickersa jest ciągła od około 5 HV (bardzo miękkie stopy ołowiu) do ponad 3000 HV (diament), nie są potrzebne żadne zmiany zakresu. Jedna metoda obejmuje miękką miedź (40–80 HV), hartowaną stal narzędziową (700–900 HV) i węglik spiekany (1400–1800 HV). Ta ciągłość sprawia, że ​​Vickers jest podstawą wszystkich międzynarodowych tabel konwersji twardości.

Bloki referencyjne twardości Rockwella: kalibracja, identyfikowalność i prawidłowe użycie

A Blok referencyjny twardości Rockwella (zwany także blokiem testowym lub blokiem kalibracyjnym) to precyzyjnie oszlifowana, certyfikowana próbka metalowa używana do sprawdzania, czy twardościomierz Rockwella działa w określonych granicach dokładności. Nie jest to materiał eksploatacyjny — pojedynczy certyfikowany blok zazwyczaj umożliwia wykonanie setek pomiarów weryfikacyjnych, jeśli jest prawidłowo używany.

Zgodnie z normami ASTM E18 i ISO 6508 bloki odniesienia muszą być kalibrowane na głównej maszynie normalizacyjnej identyfikowanej z krajowym instytutem metrologii (NIST w Stanach Zjednoczonych, PTB w Niemczech itp.). Każdy blok jest dostarczany z certyfikatem stwierdzającym certyfikowaną wartość twardości, niepewność pomiaru i liczbę ważnych miejsc testowych pozostałych na powierzchni bloku.

Prawidłowe użycie bloków odniesienia

Typowe błędy unieważniające pomiary bloku referencyjnego obejmują testowanie na fazowanych krawędziach, ponowne wykorzystanie miejsc wgłębień w strefie wykluczenia o średnicy 3 wcięć oraz testowanie dolnej powierzchni (która ma inny stan naprężenia szczątkowego niż skalibrowana górna powierzchnia). Do badań weryfikacyjnych kwalifikuje się wyłącznie wyraźnie oznaczona powierzchnia górna.

Codzienną weryfikację należy przeprowadzać z blokami o twardości zbliżonej do badanego materiału. Użycie bloku 60 HRC do weryfikacji maszyny, która będzie testować części 25 HRC, jest technicznie dopuszczalne, ale praktycznie mniej wrażliwe na błędy systematyczne – osadzenie kowadełka, stan wgłębnika i dryf czujnika wagowego – które wpływają na odczyty średniego zakresu.

Bloki należy przechowywać w zamkniętym opakowaniu, z dala od wilgoci i wibracji, a także obchodzić się z nimi w bawełnianych rękawiczkach, aby zapobiec korozji wypolerowanej powierzchni. Blok, który został upuszczony, zarysowany w strefie aktywnej lub wykazuje utlenienie powierzchni, należy wycofać z użytku kalibracyjnego.

Co to jest HK pod względem twardości? Knoop kontra Vickers w pracy nad mikrotwardością

HK oznacza Knoop twardości , skala stosowana w teście mikrotwardości Knoopa. Podobnie jak Vickersa (HV), Knoop używa wgłębnika w kształcie piramidy diamentowej i optycznego pomiaru powstałego wycisku, ale geometria różni się zasadniczo. Wgłębnik Knoopa tworzy wydłużone romboedryczne wcięcie o współczynniku przekątnej 7,11:1, podczas gdy Vickers tworzy wcięcie prawie kwadratowe.

Ta różnica geometryczna ma dwie ważne konsekwencje praktyczne:

• Mniejsza głębokość penetracji — wcięcie Knoopa ma głębokość około 1/30 długiej przekątnej w porównaniu z 1/7 w przypadku wcięcia Vickersa o tej samej długości przekątnej. Dzięki temu Knoop jest znacznie lepszy w przypadku bardzo cienkich powłok, kruchej ceramiki i szkła, gdzie głęboka penetracja spowodowałaby pękanie lub wpływ na podłoże.
• Czułość kierunkowości — wydłużony kształt może ujawnić anizotropię krystalograficzną w monokryształach lub materiałach o dużej teksturze poprzez obrót próbki względem osi wgłębnika.

Metoda Knoopa jest preferowaną metodą zgodnie z normą ASTM E384 do badania: węglików spiekanych, szkła hartowanego, cienkich warstw galwanicznych i materiałów, w przypadku których pękanie wokół wcięcia Vickersa mogłoby zagrozić wiarygodności pomiaru. W przypadku większości zastosowań w zakresie stali, aluminium i stopów miedzi mikrotwardość Vickersa (HV 0,1 do HV 1) jest wyborem domyślnym ze względu na prostszą geometrię i bezpośrednią możliwość konwersji na inne skale twardości.

Przeliczanie twardości Brinella na maksymalną wytrzymałość na rozciąganie

Twardość Brinella (HBW) koreluje liniowo z wytrzymałością na rozciąganie (UTS) dla szerokiego zakresu stali i żeliwa , co czyni go jednym z najbardziej praktycznych konwersji twardości na wytrzymałość w inżynierii. Zależność powstaje, ponieważ obie właściwości zależą od odporności mikrostruktury materiału na płynięcie plastyczne pod skoncentrowanym obciążeniem.

Powszechnie stosowanym przybliżeniem dla stali węglowych i niskostopowych jest:

UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW

W zwyczajowych jednostkach amerykańskich: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Współczynniki te obowiązują dość dobrze dla stali ferrytycznych, perlitycznych i martenzytycznych w zakresie 150–400 HBW. Dokładność zwykle mieści się w granicach ±7% w przypadku znormalizowanej lub hartowanej i odpuszczanej stali węglowej, co jest wystarczające do celów weryfikacji materiału i kontroli przychodzącej.

Zależność ulega pogorszeniu i nie należy jej stosować bez danych specyficznych dla materiału w następujących przypadkach:

• Austenityczne stale nierdzewne — zachowanie podczas utwardzania znacznie różni się od stali ferrytycznych; mnożnik jest bliższy 3,3–3,55 i różni się w zależności od stopu
• Stopy aluminium — często podaje się mnożnik w pobliżu 3,6–3,8, ale rozrzut jest duży w różnych warunkach temperamentu
• Żeliwo — morfologia grafitu (płatkowa lub sferyczna) wprowadza wtórną zmienną mikrostrukturalną; z opublikowanymi tabelami dla żeliwa sferoidalnego i żeliwa szarego należy zapoznać się oddzielnie
• HBW > 400 — załamanie zależności liniowej; Konwersja Vickersa lub Rockwella C za pomocą ASTM E140 jest bardziej niezawodna przy wysokich poziomach twardości

Normy ASTM A370 i EN ISO 18265 dostarczają tabelarycznych danych dotyczących konwersji twardości na wytrzymałość na rozciąganie z podanymi zakresami zastosowania i oczekiwanymi niepewnościami i powinny stanowić dokumenty referencyjne dla wszelkich konwersji mających kluczowe znaczenie dla specyfikacji.

Wytrzymałość na rozciąganie na podstawie twardości Rockwella: metody i ograniczenia konwersji

Szacowanie wytrzymałości na rozciąganie na podstawie twardości Rockwella przebiega dwuetapowo: najpierw przelicz Rockwella na Brinella przy użyciu tabel konwersji ASTM E140, a następnie zastosuj opisaną powyżej zależność Brinella do UTS lub użyj bezpośrednich tabel korelacji UTS, które konsolidują oba etapy.

Do stali hartowanej w zakresie HRC 20–65 , następujące przybliżone równoważności stanowią praktyczny punkt wyjścia:

Powyżej HRC 40 (~400 HBW) sam test Brinella nie jest już ważny, ponieważ kulka z węglika o średnicy 10 mm odkształca się elastycznie pod dużymi obciążeniami, dając niepowtarzalne wyniki. W tym zakresie Prawidłowe metody twardości to Vickers lub Rockwell C , a oszacowanie UTS powinno odnosić się do bezpośrednich tabel empirycznych dla konkretnego gatunku stali, a nie do ogólnego wzoru liniowego.

W przypadku decyzji inżynieryjnych dotyczących elementów kluczowych dla bezpieczeństwa – zbiorników ciśnieniowych, elementów złącznych konstrukcyjnych, wałów korbowych – wartości UTS wynikające z twardości należy traktować wyłącznie jako dane przesiewowe. Fizyczna próba rozciągania zgodnie z normą ASTM E8 lub ISO 6892 jest wymagana do certyfikacji podstaw projektu.