Test twardości Rockwella, Brinella i Vickersa: różnice i jednostki

Twardość nie jest podstawową właściwością materiału, ale zmierzoną reakcją na określoną metodę wcięcia. Bezpośrednia, praktyczna odpowiedź jest taka Rockwellaa, Brinellaa i Vickersaa to trzy różne testy twardości wgłębnej, z których każdy wykorzystuje inny wgłębnik i obciążenie oraz podaje wartości w różnych jednostkach lub skalach . Rockwell stosuje pomiar głębokości i podaje liczbę bezwymiarową w skalach takich jak HRC lub HRB. Brinell wciska kulkę z węglika w powierzchnię i podaje wartość HBW (kgf/mm²) . Vickers używa piramidy diamentowej i podaje twardość jako WN (również w kgf/mm²) , dzięki czemu jest wszechstronny do wszystkiego, od cienkich powłok po materiały sypkie. A uniwersalna maszyna do pomiaru twardości integruje te metody w jednym instrumencie, często dodając funkcję wykrywania twardości Martensa w głębi. Nie ma jednej jednostki miary twardości; „jednostka twardości” zależy od skali, a wybór między badaniami zależy od rodzaju materiału, geometrii próbki i konkretnych wymaganych informacji.

Uniwersalna maszyna do pomiaru twardości

A uniwersalny tester twardości to pojedynczy przyrząd zaprojektowany do wykonywania wielu standardowych metod pomiaru twardości, zazwyczaj metodą Rockwella, Brinella i Vickersa, poprzez zamianę wgłębników, soczewek obiektywów i profili obciążenia. Eliminuje to potrzebę stosowania oddzielnych, dedykowanych testerów. Oprócz tradycyjnych metod optycznych, zaawansowane maszyny uniwersalne wykorzystują do pomiarów technologię wykrywania głębokości Twardość Martensa (HM) i moduł wcięcia zgodnie z normą ISO 14577. Osiąga się to poprzez rejestrację ciągłej krzywej siła-przemieszczenie podczas cyklu wciskania, zapewniając parametry materiału równoważne testowi ściskania z dużą prędkością. Na przykład nowoczesna uniwersalna maszyna może przykładać siły testowe z 1 gf do 3000 kgf , obejmujący zakresy mikro, przy niskim obciążeniu i makro dla testów Vickersa, Brinella, Rockwella, a nawet Knoopa i testów tworzyw sztucznych. Systemy kontroli siły w pętli zamkniętej, często z częstotliwością próbkowania 1 do 2 kHz należy upewnić się, że szybkość ładowania i czas przebywania są ściśle zgodne z normami takimi jak ASTM E92 i ISO 6506.

Podstawy testów twardości Rockwella, Brinella i Vickersa

Wszystkie trzy testy określają ilościowo odporność materiału na trwałe odkształcenie plastyczne, różnią się jednak zasadniczo geometrią wgłębnika, przyłożeniem obciążenia i zasadą pomiaru.

Test twardości Rockwella

Metoda Rockwella mierzy zróżnicowana głębokość penetracji wgłębnika pod wstępnym niewielkim obciążeniem, po którym następuje duże obciążenie. Niewielkie obciążenie (zwykle 10 kgf lub 3 kgf) ustala pozycję odniesienia, pochłaniając niedoskonałości powierzchni i odkształcenia sprężyste. Następnie przykłada się i usuwa główne obciążenie (60, 100 lub 150 kgf) i mierzy się trwały wzrost głębokości penetracji. Liczba twardości jest odwrotnie proporcjonalna do tej głębokości i jest odczytywana bezpośrednio z tarczy lub wyświetlacza cyfrowego. A Wartość HRC Rockwella wynosząca 60 odpowiada na przykład głębokości około 0,080 mm. Typowe skale obejmują HRC (stożek diamentowy, 150 kgf) dla stali hartowanych i HRB (kulka 1/16 cala, 100 kgf) dla bardziej miękkich stopów. Główną zaletą jest szybkość, ponieważ wynik uzyskuje się w ciągu kilku sekund bez pomiaru optycznego.

Próba twardości Brinella

Test Brinella wykorzystuje a wgłębnik kulkowy z węglika wolframu , zwykle o średnicy 10 mm, wciskany w powierzchnię z dużą siłą próbną (zwykle 3000 kgf w przypadku metali żelaznych). Po zdjęciu obciążenia dokonuje się optycznego pomiaru średnicy trwałego wycisku. Twardość Brinella (HBW) oblicza się jako przyłożone obciążenie podzielone przez kulistą powierzchnię wgłębienia. Typowy wynik jest zapisywany jako 350 HBW 10/3000 , wskazując twardość Brinella 350 przy użyciu kulki o średnicy 10 mm i obciążeniu 3000 kgf przez czas przebywania od 10 do 15 sekund. Duże wcięcie wyrównuje lokalne różnice mikrostrukturalne, dzięki czemu Brinell idealnie nadaje się do odlewów, odkuwek i materiałów o gruboziarnistej strukturze. Nie nadaje się do materiałów bardzo twardych (powyżej 650 HBW) lub cienkich przekrojów, ponieważ kula może się odkształcić lub może dojść do uszkodzenia próbki.

Test twardości Vickersa

Test Vickersa wykorzystuje a wgłębnik piramidowy o podstawie kwadratu diamentowego o kącie wierzchołkowym 136 stopni. Zasada jest identyczna w całym zakresie obciążenia: wgłębnik jest wciskany w próbkę z precyzyjną siłą, a dwie przekątne powstałego kwadratowego odcisku są mierzone optycznie i uśredniane. Twardość Vickersa jest podawana jako WN , po którym następuje na przykład siła próbna w kgf 640 HV 30 . Jednostka twardości Vickersa jest technicznie kgf/mm² , ale tradycyjnie wyraża się go jako liczbę bezwymiarową. Ponieważ ten sam kształt wgłębnika jest używany dla sił od 1 gf do 120 kgf, Vickers ma wyjątkową zdolność do pomiaru twardości w różnych skalach, od cienkich folii i warstw nawęglanych po materiały sypkie, a wyniki są na ogół niezależne od obciążenia powyżej kilkuset gramów siły.

Jednostki pomiaru twardości w różnych metodach

Pojęcie „jednostki twardości” jest specyficzne dla metody. Każdy test ma swoją własną konwencję raportowania, a wartości nie można bezpośrednio przenosić bez tabel przeliczeniowych zdefiniowanych przez ASTM E140 i ISO 18265. Poniższa tabela wyjaśnia strukturę jednostek i skali dla głównych metod testowych.

Kompleksowe porównanie trzech metod

Różnice między testami twardości Brinella, Rockwella i Vickersa nie mają wyłącznie charakteru proceduralnego; określają, która metoda jest właściwa dla danego zadania przemysłowego. Poniższa tabela zawiera bezpośrednie porównanie zorientowane na aplikację.

Co to jest Vickers Próba twardości Używany do

Test twardości Vickersa jest preferowaną metodą, gdy pojedyncza skala twardości musi obejmować pełny zakres twardości materiału produktu. Do jego głównych zastosowań należą analiza głębokości obudowy stali nawęglanych lub azotowanych , gdzie seria mikrowcięć od krawędzi powierzchni do rdzenia odwzorowuje gradient twardości. Typowa specyfikacja, np WN 550 at a case depth of 0.5 mm , można zweryfikować jedynie za pomocą trawersu mikrotwardości Vickersa. Test jest również niezbędny kwalifikujące spoiny , gdzie strefa wpływu ciepła, metal nieszlachetny i metal spoiny mają różne właściwości, a mały wgłębnik może odizolować te obszary. W badaniach i rozwoju Vickers jest używany do charakteryzowania ceramiki, kompozytów i powłok cienkowarstwowych, w których inne wgłębniki mogłyby się rozbić lub wymagałyby zbyt dużej powierzchni. Na przykład można wiarygodnie przetestować twardą powłokę TiN o grubości 3 mikronów 0,025 kgf (25 gf) , tworząc wgłębienie o głębokości około 0,5 mikrona, bez wpływu podłoża.

Twardość Webstera i Rockwella

Twardościomierz Webstera to przenośny przyrząd z bezpośrednim odczytem, wykorzystujący określoną metodę wcięcia. Nie jest to bezpośrednio odpowiednik konkretnej skali Rockwella, ale Wartości twardości Webstera są empirycznie skorelowane ze skalami Rockwella B i Rockwella H dla stopów aluminium . Na przykład skala Webstera B obejmuje mniej więcej od WB 0 do WB 20 , co odpowiada około 25 do 100 HRB do profili i blach aluminiowych. Zaletą testera Webstera jest jego przenośność i możliwość testowania dużych zespołów, wymienników ciepła i konstrukcji samolotów, których nie można przenieść na stanowisko testera Rockwella. Jednakże korelacja jest specyficzna dla materiału. Tester Webstera skalibrowany dla aluminium 6061-T6 nie zapewni dokładnych odpowiedników Rockwella dla 7075 lub innych metali. Do precyzyjnej certyfikacji materiałów wymagany jest test laboratoryjny Rockwella lub Brinella, przy czym Webster służy jako wygodne narzędzie do kontroli w terenie.

Jak wybrać odpowiedni test twardości dla swojej aplikacji

Wybór testu zależy od rodzaju materiału, geometrii próbki, wielkości produkcji i wymaganych informacji. Konstruktywną wskazówkę stanowi następująca logika decyzyjna, oparta na praktycznych scenariuszach przemysłowych.

• Do dużych odlewów lub odkuwek o grubych mikrostrukturach , wybierz test Brinella. Wgłębienie kulkowe o średnicy 10 mm uśrednia zmiany granic ziaren i faz, dając twardość nasypową reprezentatywną dla ogólnych właściwości mechanicznych elementu. Standardowy test przy 3000 kgf z kulką 10 mm jest domyślnym testem dla odlewów z żeliwa i stali.
• Do kontroli jakości produkcji wielkoseryjnej obrabianych części , Rockwell to standard. 3-sekundowy test HRC może utrzymać wskaźnik zdolności procesu linii obróbki cieplnej bez tworzenia wąskiego gardła. Stosuj HRC do stali hartowanych powyżej 20 HRC i HRB do bardziej miękkich stopów nieżelaznych.
• Do elementów nawęglanych, cienkich lub powlekanych , mikro-Vickers jest jedynym odpowiednim wyborem. Obciążenie 500 gf lub 1 kgf i wgłębnik Knoopa lub Vickersa mogą zmierzyć gradient od rdzenia do obudowy bez wcięcia przechodzącego przez utwardzoną warstwę.
• Do spoin, połączeń i stref wpływu ciepła Testowanie małą siłą Vickersa lub Knoopa (1–5 kgf) pozwala określić różnice w twardości w wąskim paśmie styku spoiny, co ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia pękania wodorowego lub tworzenia kruchej fazy.
• Gdy potrzebne są właściwości materiału wykraczające poza jedną liczbę twardości , uniwersalny tester twardości w trybie Martensa zapewnia pomiar twardości wgłębnej, modułu sprężystości, pełzania i relaksacji na podstawie pojedynczego testu wcięcia, co jest cenne w przypadku polimerów, ceramiki i zaawansowanych materiałów.

Konwersja pomiędzy skalami twardości

Konwersje skali twardości są przybliżone i odpowiedzialną praktyką jest używaj ich wyłącznie do celów porównawczych, nigdy do specyfikacji . Zależność przeliczeniowa pomiędzy Brinellem, Rockwellem i Vickersem zależy od właściwości materiału podczas utwardzania, dlatego tabela przeliczeniowa ASTM E140 dla austenitycznej stali nierdzewnej będzie się różnić od tabeli dla stali węglowej i niskostopowej. Jako praktyczny przykład typowa stal węglowa z 640 HV 30 odpowiada w przybliżeniu 56 HRC i 600 HBW . Jednakże w przypadku całkowicie utwardzanej przez zgniot austenitycznej stali nierdzewnej, to samo 56 HRC może odpowiadać jedynie 250 HBW. Jeżeli specyfikacja wymaga raportowania w określonej skali, badanie należy przeprowadzić bezpośrednio w tej skali. Uniwersalna maszyna do pomiaru twardości może zminimalizować tę niepewność, wykonując badanie wymaganą metodą bez uciekania się do konwersji.