Sprievodca testovaním tvrdosti: Vickers, Rockwell, Brinell & Sample Prep

Príprava metalografickej vzorky: Prečo je dôležitá pred akýmkoľvek testom tvrdosti

Presné testovanie tvrdosti začína dlho predtým, ako sa indentor dostane do kontaktu so vzorkou. Metalografická príprava vzorky — kontrolovaný proces rezania, montáže, brúsenia a leštenia kovovej vzorky — priamo určuje, či údaj o tvrdosti odráža skutočné vlastnosti materiálu alebo artefakt zavedený počas manipulácie.

Najmä pre metódy mikrotvrdosti je stav povrchu kritický. Zle vyleštená vzorka predstavuje topografickú variáciu, ktorá vychyľuje indentor, nafukuje rozptyl a vytvára hodnoty, ktoré nemožno korelovať so žiadnou publikovanou konverznou tabuľkou. Všeobecnou požiadavkou na testovanie mikrotvrdosti podľa Vickersa a Knoopa je povrchová úprava 0,1 µm Ra alebo lepšia – dosiahnuteľná iba systematickou metalografickou prípravou.

Postup prípravy zvyčajne zahŕňa:

1. Krájanie pomocou brúsneho rezacieho kotúča s použitím primeranej chladiacej kvapaliny, aby sa zabránilo tepelnému poškodeniu
2. Montáž za studena alebo za tepla do epoxidovej alebo fenolovej živice na zaistenie podpory hrán a bezpečnej manipulácie
3. Rovinné brúsenie na odstránenie poškodenia rezov a dosiahnutie rovnej referenčnej roviny
4. Sekvenčné brúsenie pomocou postupne jemnejších SiC brúsiv (zvyčajne zrnitosť 240 → 400 → 600 → 1200)
5. Diamantové leštenie (6 µm, potom 3 µm, potom 1 µm) na odstránenie všetkých škrabancov po brúsení
6. Konečné leštenie koloidným oxidom kremičitým (0,04–0,05 µm OPS) pre povrchy so zrkadlovou úpravou vyžadované štandardmi mikrotvrdosti

Každá fáza musí úplne odstrániť poškodenie z predchádzajúcej. Preskakovanie krokov alebo uponáhľaná doba zotrvania vkladá deformované podpovrchové vrstvy – pracovne spevnené zóny, ktoré produkujú falošne vysoké hodnoty podľa Vickersa v rozsahu 10–50 HV, čo je významná chyba pri testovaní tenkých povlakov, tepelne ovplyvnených zón alebo cementovaných vrstiev.

Na čo sa používa Vickersova skúška tvrdosti?

Skúška tvrdosti podľa Vickersa sa používa na meranie odolnosti materiálu voči trvalému vtlačeniu pomocou štvorcového diamantového pyramídového indentora s čelným uhlom 136°. Je to najuniverzálnejšia dostupná metóda makro- a mikrotvrdosti , použiteľný prakticky na akýkoľvek pevný materiál bez ohľadu na úroveň tvrdosti a je preferovanou metódou, keď sa vyžaduje presnosť, sledovateľnosť alebo mikroštrukturálne rozlíšenie.

V praxi sa Vickersov test používa na:

• Meranie hĺbky puzdra — profilovanie gradientov tvrdosti naprieč nauhličenými, nitridovanými alebo indukčne kalenými povrchmi vytvorením série vrúbkov v rastúcich vzdialenostiach od povrchu
• Hodnotenie tenkých vrstiev — posúdenie PVD/CVD tvrdých povlakov, galvanických vrstiev a difúznych úprav, kde môže mať postihnutá zóna hrúbku len niekoľko mikrónov
• Kontrola kvality zvaru — mapovanie tvrdosti naprieč základným kovom, tepelne ovplyvnenou zónou a zvarovou húsenicou, aby sa zistila náchylnosť na zmäkčenie, pretvrdnutie alebo praskanie vodíkom
• Analýza porúch — identifikácia oduhličenia, netemperovaného martenzitu, zvyškového austenitu alebo fázových hraníc prostredníctvom lokálnych meraní tvrdosti
• Certifikácia materiálu — overenie výsledkov tepelného spracovania v leteckom a kozmickom priemysle, automobilovom priemysle a komponentoch nástrojov podľa špecifikácií, ako sú AMS, ISO 6507 a ASTM E92
• Výskum a vývoj — charakterizujúce novo vyvinuté zliatiny, spekanú keramiku a kompozitné materiály, pri ktorých neexistujú žiadne predchádzajúce konverzné stupnice

Pretože stupnica podľa Vickersa je plynulá od približne 5 HV (veľmi mäkké zliatiny olova) po viac ako 3000 HV (diamant), nie sú potrebné žiadne zmeny rozsahu. Jedna metóda zahŕňa mäkkú meď (40–80 HV), kalenú nástrojovú oceľ (700–900 HV) a slinutý karbid (1400–1800 HV). Táto kontinuita robí z Vickers základ všetkých medzinárodných prevodových tabuliek tvrdosti.

Referenčné bloky tvrdosti podľa Rockwella: Kalibrácia, sledovateľnosť a správne použitie

A Referenčný blok tvrdosti podľa Rockwella (nazývaný aj testovací blok alebo kalibračný blok) je presne brúsený certifikovaný kovový kupón, ktorý sa používa na overenie, či tvrdomer podľa Rockwella pracuje v rámci stanovených limitov presnosti. Nie je to spotrebný materiál – jeden certifikovaný blok zvyčajne podporuje stovky overovacích meraní, keď sa používa správne.

Podľa ASTM E18 a ISO 6508 musia byť referenčné bloky kalibrované na primárnom normalizačnom stroji, ktorý možno sledovať v národnom metrologickom inštitúte (NIST v Spojených štátoch, PTB v Nemecku atď.). Každý blok je dodávaný s certifikátom, ktorý uvádza certifikovanú hodnotu tvrdosti, neistotu merania a počet platných testovacích miest zostávajúcich na povrchu bloku.

Správne používanie referenčných blokov

Bežné chyby, ktoré znehodnocujú merania referenčných blokov, zahŕňajú testovanie na skosených hranách, opätovné použitie vrúbkov v rámci vylučovacej zóny s priemerom 3 zarážok a testovanie na spodnej strane (ktorá má iný stav zvyškového napätia ako kalibrovaná horná strana). Na overovacie testovanie je platný iba zreteľne označený horný povrch.

Denné overovanie by sa malo vykonávať s blokmi blízkymi tvrdosti testovaného materiálu. Použitie bloku 60 HRC na overenie stroja, ktorý bude testovať diely s 25 HRC, je technicky prípustné, ale prakticky menej citlivé na systematické chyby – dosadnutie nákovy, stav indentoru a posun snímača zaťaženia – ktoré ovplyvňujú stredné hodnoty.

Bloky by sa mali skladovať v uzavretom obale, mimo dosahu vlhkosti a vibrácií, a manipulovať s nimi v bavlnených rukaviciach, aby sa zabránilo korózii lešteného povrchu. Blok, ktorý spadol, poškriabal sa cez svoju aktívnu zónu alebo vykazuje povrchovú oxidáciu, by sa mal vyradiť z používania kalibrácie.

Aká je tvrdosť HK? Knoop vs. Vickers pre prácu s mikrotvrdosťou

HK znamená Hardness Knoop , stupnica použitá pri Knoopovom teste mikrotvrdosti. Rovnako ako Vickers (HV), aj Knoop používa diamantový pyramídový indentor a optické meranie výsledného dojmu — geometria sa však zásadne líši. Indentor Knoop vytvára predĺžené kosoštvorcové vrúbky s pomerom uhlopriečky 7,11:1, zatiaľ čo Vickers vytvára takmer štvorcové vrúbkovanie.

Tento geometrický rozdiel má dva dôležité praktické dôsledky:

• Menšia hĺbka prieniku — Hĺbka Knoopovho odsadenia je približne 1/30 dlhej uhlopriečky v porovnaní s 1/7 pri Vickersovom odsadení s rovnakou dĺžkou uhlopriečky. Vďaka tomu je Knoop výrazne lepší pre veľmi tenké nátery, krehkú keramiku a sklo, kde by hlboké preniknutie spôsobilo praskanie alebo ovplyvnenie substrátu.
• Smerová citlivosť — predĺžený tvar môže odhaliť kryštalografickú anizotropiu v monokryštáloch alebo vysoko štruktúrovaných materiáloch otáčaním vzorky vzhľadom na os indentora.

Knoop je preferovaná metóda podľa ASTM E384 na testovanie: slinuté karbidy, tvrdené sklo, tenké galvanické vrstvy a materiály, kde by praskanie okolo Vickersovho zárezu ohrozilo platnosť merania. Pre väčšinu aplikácií ocele, hliníka a zliatiny medi je mikrotvrdosť podľa Vickersa (HV 0,1 až HV 1) predvolenou voľbou vďaka jednoduchšej geometrii a priamej prevoditeľnosti na iné stupnice tvrdosti.

Premena tvrdosti podľa Brinella na maximálnu pevnosť v ťahu

Tvrdosť podľa Brinella (HBW) lineárne koreluje s medzou pevnosti v ťahu (UTS) pre širokú škálu ocelí a liatiny , čo z neho robí jednu z prakticky najužitočnejších konverzií tvrdosti na pevnosť v strojárstve. Vzťah vzniká, pretože obe vlastnosti sa riadia odolnosťou mikroštruktúry materiálu voči plastickému toku pri koncentrovanom zaťažení.

Široko používaná aproximácia pre uhlíkové a nízkolegované ocele je:

UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW

V amerických obvyklých jednotkách: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Tieto koeficienty platia primerane pre feritické, perlitické a martenzitické ocele v rozsahu 150–400 HBW. Presnosť zvyčajne spadá do ± 7 % pre normalizovanú alebo kalenú a temperovanú uhlíkovú oceľ, čo je dostatočné na overenie materiálu a účely vstupnej kontroly.

Vzťah sa zhoršuje a nemal by sa používať bez údajov špecifických pre materiál v nasledujúcich prípadoch:

• Austenitické nehrdzavejúce ocele — správanie pri deformácii sa výrazne líši od feritických ocelí; multiplikátor je bližšie k 3,3–3,55 a líši sa podľa zliatiny
• Zliatiny hliníka — často sa uvádza multiplikátor blízko 3,6–3,8, ale rozptyl je vysoký v rôznych teplotných podmienkach
• Liatina — morfológia grafitu (vločková vs. nodulárna) predstavuje sekundárnu mikroštrukturálnu premennú; zverejnené tabuľky pre tvárnu liatinu a sivú liatinu je potrebné konzultovať samostatne
• HBW > 400 — lineárny vzťah sa rozpadá; Konverzia Vickers alebo Rockwell C prostredníctvom ASTM E140 je spoľahlivejšia pri vysokých úrovniach tvrdosti

ASTM A370 a EN ISO 18265 poskytujú tabuľkové údaje o konverzii tvrdosti na pevnosť v ťahu s uvedenými rozsahmi použiteľnosti a očakávanými neistotami a mali by byť referenčnými dokumentmi pre akúkoľvek konverziu kritickú pre špecifikáciu.

Pevnosť v ťahu od Rockwellovej tvrdosti: Konverzné metódy a limity

Odhad pevnosti v ťahu z tvrdosti Rockwella prebieha v dvoch krokoch: najprv konvertujte Rockwell na Brinell pomocou konverzných tabuliek ASTM E140, potom použite vzťah Brinell-to-UTS opísaný vyššie — alebo použite priame korelačné tabuľky UTS, ktoré konsolidujú oba kroky.

Pre kalenú oceľ v rozsahu HRC 20–65 , praktické východisko poskytujú nasledujúce približné ekvivalenty:

Nad HRC 40 (~ 400 HBW) už samotný Brinellov test neplatí, pretože 10 mm karbidová guľa sa pri vysokých zaťaženiach elasticky deformuje a výsledkom sú nereprodukovateľné výsledky. V tomto rozsahu Vickers alebo Rockwell C sú správne metódy tvrdosti a odhad UTS by mal odkazovať na priame empirické tabuľky pre konkrétnu triedu ocele a nie na všeobecný lineárny vzorec.

Pri technických rozhodnutiach týkajúcich sa komponentov kritických z hľadiska bezpečnosti – tlakové nádoby, konštrukčné upevňovacie prvky, kľukové hriadele – by sa hodnoty UTS odvodené od tvrdosti mali považovať len za skríningové údaje. Fyzikálne skúšky ťahom podľa ASTM E8 alebo ISO 6892 sa vyžadujú na certifikáciu konštrukčného základu.