Tvrdosť nie je základná vlastnosť materiálu, ale meraná odozva na špecifickú metódu vtláčania. Priama praktická odpoveď je taká Rockwell, Brinell a Vickers sú tri odlišné testy tvrdosti vtláčania, z ktorých každý používa iný indentor a zaťaženie a produkuje hodnoty v rôznych jednotkách alebo mierkach. . Rockwell používa meranie hĺbky a uvádza bezrozmerné číslo na stupniciach ako HRC alebo HRB. Brinell vtlačí karbidovú guľu do povrchu a nahlási hodnotu v HBW (kgf/mm²) . Vickers používa diamantovú pyramídu a uvádza tvrdosť ako HV (tiež v kgf/mm²) , vďaka čomu je všestranný pre všetko od tenkých náterov až po sypké materiály. A univerzálny stroj na skúšanie tvrdosti integruje tieto metódy do jedného nástroja, pričom často pridáva schopnosť hĺbkového snímania Martensovej tvrdosti. Neexistuje jediná jednotka merania tvrdosti; „jednotka tvrdosti“ závisí od stupnice a výber medzi testami závisí od typu materiálu, geometrie vzorky a požadovaných špecifických informácií.
Univerzálny stroj na testovanie tvrdosti
A univerzálny tvrdomer je jediný prístroj navrhnutý na vykonávanie viacerých štandardizovaných metód testovania tvrdosti, typicky Rockwell, Brinell a Vickers, výmenou indentorov, šošoviek objektívu a profilov zaťaženia. To eliminuje potrebu samostatných špecializovaných testerov. Okrem tradičných optických metód využívajú pokročilé univerzálne stroje na meranie technológiu hĺbkového snímania Martensova tvrdosť (HM) a modul vtlačenia podľa ISO 14577. Toto sa dosiahne zaznamenávaním krivky spojitej sily a posunu počas cyklu vtlačovania, čím sa získajú parametre materiálu ekvivalentné skúške kompresie pri vysokej rýchlosti. Napríklad moderný univerzálny stroj môže aplikovať skúšobné sily z 1 gf až 3000 kgf , ktorý pokrýva mikro, nízko zaťažené a makro rozsahy pre Vickers, Brinell, Rockwell a dokonca aj Knoop a testy plastov. Systémy riadenia sily s uzavretou slučkou, často s rýchlosťou vzorkovania 1 až 2 kHz Uistite sa, že rýchlosť nakladania a doba zotrvania presne zodpovedajú normám ako ASTM E92 a ISO 6506.
Základy testu tvrdosti podľa Rockwella, Brinella a Vickersa
Všetky tri testy kvantifikujú odolnosť materiálu voči trvalej plastickej deformácii, ale zásadne sa líšia v geometrii indentora, aplikácii zaťaženia a princípe merania.
Rockwellova skúška tvrdosti
Rockwellova metóda meria rozdielna hĺbka prieniku indentoru pri predbežnom malom zaťažení, po ktorom nasleduje veľké zaťaženie. Malé zaťaženie (zvyčajne 10 kgf alebo 3 kgf) vytvára referenčnú polohu, absorbuje nedokonalosti povrchu a elastickú deformáciu. Potom sa aplikuje a odstráni hlavné zaťaženie (60, 100 alebo 150 kgf) a meria sa trvalé zvýšenie hĺbky prieniku. Číslo tvrdosti je nepriamo úmerné tejto hĺbke a číta sa priamo z číselníka alebo digitálneho displeja. A Rockwell HRC hodnota 60 napríklad zodpovedá hĺbke približne 0,080 mm. Bežné váhy zahŕňajú HRC (diamantový kužeľ, 150 kgf) pre tvrdené ocele a HRB (1/16-palcová guľa, 100 kgf) pre mäkšie zliatiny. Hlavnou výhodou je rýchlosť, pretože výsledok je získaný v priebehu niekoľkých sekúnd bez optického merania.
Skúška tvrdosti podľa Brinella
Brinellov test využíva a guľôčkový vtlačovač z karbidu volfrámu , typicky s priemerom 10 mm, vtlačený do povrchu vysokou skúšobnou silou (bežne 3000 kgf pre železné kovy). Po odstránení záťaže sa opticky zmeria priemer trvalého odtlačku. Číslo tvrdosti podľa Brinella (HBW) sa vypočíta ako aplikované zaťaženie vydelené sférickým povrchom vtlačenia. Typický výsledok je zapísaný ako 350 HBW 10/3000 , čo naznačuje tvrdosť podľa Brinella 350 s použitím 10 mm gule a záťaže 3000 kgf pre čas zotrvania 10 až 15 sekúnd. Veľké prehĺbenie priemeruje miestne mikroštrukturálne variácie, vďaka čomu je Brinell ideálny pre odliatky, výkovky a materiály s hrubozrnnou štruktúrou. Nie je vhodný pre veľmi tvrdé materiály (nad 650 HBW) alebo tenké rezy, pretože guľa sa môže zdeformovať alebo poškodiť vzorka.
Skúška tvrdosti podľa Vickersa
Vickersov test využíva a kosoštvorcový pyramídový indentor s vrcholovým uhlom 136 stupňov. Princíp je identický v celom rozsahu zaťaženia: indentor sa do vzorky vtlačí presnou silou a dve uhlopriečky výsledného štvorcového odtlačku sa opticky zmerajú a spriemerujú. Tvrdosť podľa Vickersa sa uvádza ako HV , za ktorým nasleduje napríklad testovacia sila v kgf 640 HV 30 . Jednotkou pre tvrdosť podľa Vickersa je technicky kgf/mm² , ale konvenčne sa vyjadruje ako bezrozmerné číslo. Pretože rovnaký tvar indentora sa používa pre sily od 1 gf do 120 kgf, Vickers je jedinečne schopný merať tvrdosť na rôznych mierkach, od tenkých fólií a cementovaných vrstiev až po sypké materiály, a výsledky sú vo všeobecnosti nezávislé od zaťaženia od niekoľkých stoviek gramov sily.
Jednotky merania tvrdosti naprieč metódami
Pojem "jednotka tvrdosti" je špecifický pre metódu. Každý test má svoju vlastnú konvenciu podávania správ a hodnoty nie sú priamo prenosné bez prevodových tabuliek definovaných normami ASTM E140 a ISO 18265. Nižšie uvedená tabuľka objasňuje štruktúru jednotiek a stupnice pre hlavné testovacie metódy.
| Testovacia metóda | Symbol | Fyzická jednotka | Príklad označenia |
|---|---|---|---|
| Rockwell | HR Scale | Bezrozmerný | 60 HRC |
| Brinell | HBW | kgf/mm² | 350 HBW 10/3000 |
| Vickers | HV | kgf/mm² | 640 HV 30 |
| Knoop | HK | kgf/mm² | 1000 HK 0,1 |
| Martens (univerzálne) | HM | N/mm² | 4500 HM 0,5/20/15 |
Komplexné porovnanie troch metód
Rozdiely medzi testami tvrdosti podľa Brinella, Rockwella a Vickersa nie sú len procedurálne; určujú, ktorá metóda je vhodná pre danú priemyselnú úlohu. Nasledujúca tabuľka poskytuje priame porovnanie orientované na aplikáciu.
| Funkcia | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| Indenter | Diamantový kužeľ alebo karbidová guľa | 10 mm karbidová guľa (alebo 5/2,5 mm) | Diamantová pyramída (136 stupňov) |
| Meranie | Hĺbka prieniku | Priemer dojmu | Uhlopriečka dojmu |
| Rýchlosť | Veľmi rýchlo (3-5 sekúnd) | Pomalé (30 sekúnd optické) | Mierne až pomalé |
| Vhodnosť | Výroba QA, kalené ocele, zliatiny | Odliatky, výkovky, hrubozrnné kovy | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Obmedzenie kľúča | Nie pre tenké alebo cementované vrstvy | Nie viac ako 650 HBW; veľká oblasť poškodenia | Pomalé, povrchová úprava kritická |
Čo je Vickers Skúška tvrdosti Používa sa pre
Vickersova skúška tvrdosti je preferovanou metódou, keď jedna stupnica tvrdosti musí pokrývať celý rozsah tvrdosti materiálu produktu. Medzi jeho primárne aplikácie patrí hĺbková analýza nauhličených alebo nitridovaných ocelí , kde séria mikrovrubov od okraja povrchu k jadru mapuje gradient tvrdosti. Typická špecifikácia, ako napr HV 550 pri hĺbke puzdra 0,5 mm , je možné overiť len pomocou Vickersovej mikrotvrdosti traverzy. Skúška je tiež nevyhnutná pre kvalifikačné zvary , kde tepelne ovplyvnená zóna, základný kov a zvarový kov majú každý odlišné vlastnosti a malý vtlačok môže tieto oblasti izolovať. Vo výskume a vývoji sa Vickers používa na charakterizáciu keramiky, kompozitov a tenkovrstvových povlakov, kde by sa iné indentory rozbili alebo by vyžadovali príliš veľkú stopu. Napríklad je možné spoľahlivo testovať TiN tvrdý povlak s hrúbkou 3 mikróny 0,025 kgf (25 gf) , čím sa vytvorí priehlbina hlboká približne 0,5 mikrónu, bez vplyvu substrátu.
Tvrdosť Webster vs Rockwell
Tvrdomer Webster je prenosný prístroj s priamym čítaním, ktorý používa špecifickú metódu vtláčania. Nie je to priamo ekvivalent konkrétnej Rockwellovej stupnice, ale Websterove hodnoty tvrdosti sú empiricky korelované so stupnicami Rockwell B a Rockwell H pre hliníkové zliatiny . Websterova stupnica B napríklad pokrýva približne od WB 0 až WB 20 , čo zodpovedá približne 25 až 100 HRB pre hliníkové výlisky a plechy. Výhoda testera Webster spočíva v jeho prenosnosti a schopnosti testovať veľké zostavy, výmenníky tepla a konštrukcie lietadiel, ktoré nie je možné preniesť na skúšobný prístroj Rockwell. Korelácia je však špecifická pre materiál. Tester Webster kalibrovaný pre hliník 6061-T6 neposkytne presné ekvivalenty Rockwell pre 7075 alebo pre iné kovy. Na presnú certifikáciu materiálu je potrebný test na skúšobnej stolici podľa Rockwella alebo Brinella, pričom Webster slúži ako pohodlný nástroj na skríning v teréne.
Ako vybrať správny test tvrdosti pre vašu aplikáciu
Výber testu závisí od typu materiálu, geometrie vzorky, objemu výroby a požadovaných informácií. Nasledujúca logika rozhodovania založená na praktických priemyselných scenároch poskytuje konštruktívny návod.
- Pre veľké odliatky alebo výkovky s hrubou mikroštruktúrou vyberte Brinellov test. 10 mm guľôčkové vrúbkovanie priemeruje hranice zŕn a fázové variácie, čo dáva objemovú tvrdosť reprezentujúcu celkové mechanické vlastnosti komponentu. Štandardná skúška pri 3000 kgf s 10 mm guľou je predvolená pre odliatky zo železa a ocele.
- Pre veľkoobjemovú kontrolu kvality obrábaných dielov , Rockwell je štandard. 3-sekundový test HRC dokáže udržať index procesnej spôsobilosti linky tepelného spracovania bez vytvárania prekážok. Použite HRC pre kalené ocele nad 20 HRC a HRB pre mäkšie neželezné zliatiny.
- Pre cementované, tenké alebo potiahnuté komponenty , micro-Vickers je jedinou vhodnou voľbou. Záťaž 500 gf alebo 1 kgf a indentor Knoop alebo Vickers môžu merať gradient od jadra k puzdru bez toho, aby priehlbina prechádzala cez vytvrdenú vrstvu.
- Pre zvary, spoje a tepelne ovplyvnené oblasti , Vickers alebo Knoop testovanie nízkou silou (1-5 kgf) môže vyriešiť variácie tvrdosti v úzkom pásme zvarového rozhrania, čo je rozhodujúce pre zamedzenie vodíkového praskania alebo tvorby krehkej fázy.
- Keď sú potrebné vlastnosti materiálu presahujúce jedno číslo tvrdosti , univerzálny tvrdomer v Martensovom režime poskytuje vtláčaciu tvrdosť, modul pružnosti, tečenie a relaxačné správanie z jediného prístrojového vtlačovacieho testu, čo je cenné pre vývoj polymérov, keramiky a pokročilých materiálov.
Prevod medzi stupnicami tvrdosti
Prepočty stupnice tvrdosti sú približné a zodpovedná prax je používajte ich len na porovnanie, nikdy nie na špecifikáciu . Konverzný vzťah medzi Brinellom, Rockwellom a Vickersom závisí od správania materiálu pri mechanickom vytvrdzovaní, takže konverzná tabuľka ASTM E140 pre austenitickú nehrdzavejúcu oceľ sa bude líšiť od tabuľky pre uhlíkovú a nízkolegovanú oceľ. Ako praktický príklad možno uviesť typickú uhlíkovú oceľ s 640 HV 30 zodpovedá približne 56 HRC a 600 HBW . Avšak pre plne mechanicky vytvrdenú austenitickú nehrdzavejúcu oceľ môže rovnakých 56 HRC zodpovedať iba 250 HBW. Ak si špecifikácia vyžaduje vykazovanie v špecifickej škále, test sa musí vykonať priamo v tejto škále. Univerzálny prístroj na testovanie tvrdosti môže túto neistotu minimalizovať vykonaním testu požadovanou metódou bez použitia konverzie.
