Vodič za ispitivanje tvrdoće: Vickers, Rockwell, Brinell & Priprema uzorka

Metalografska priprema uzorka: zašto je to važno prije bilo kakvog ispitivanja tvrdoće

Precizno ispitivanje tvrdoće počinje mnogo prije nego što utiskivač dođe u kontakt s uzorkom. Metalografska priprema uzoraka — kontrolirani proces rezanja, montaže, brušenja i poliranja metalnog uzorka — izravno određuje odražava li očitanje tvrdoće stvarna svojstva materijala ili artefakt uveden tijekom rukovanja.

Osobito za metode mikrotvrdoće stanje površine je kritično. Loše polirani uzorak uvodi topografsku varijaciju koja skreće utiskivač, povećava raspršenost i proizvodi očitanja koja se ne mogu povezati s bilo kojom objavljenom tablicom pretvorbe. Opći zahtjev za ispitivanje mikrotvrdoće po Vickersu i Knoopu je završna obrada površine od 0,1 µm Ra ili bolja — što se može postići samo kroz sustavnu metalografsku pripremu.

Redoslijed pripreme obično uključuje:

1. Rezanje abrazivnom reznom pločom s odgovarajućom rashladnom tekućinom za sprječavanje toplinskog oštećenja
2. Hladna ili vruća montaža u epoksidnu ili fenolnu smolu kako bi se osigurala potpora rubu i sigurno rukovanje
3. Planarno brušenje za uklanjanje oštećenja presjeka i postizanje ravne referentne ravnine
4. Sekvencijalno brušenje kroz progresivno finije SiC abrazive (obično 240 → 400 → 600 → 1200 grit)
5. Dijamantno poliranje (6 µm, zatim 3 µm, zatim 1 µm) za uklanjanje svih ogrebotina od brušenja
6. Završno poliranje s koloidnim silicijevim dioksidom (0,04–0,05 µm OPS) za zrcalne površine koje zahtijevaju standardi mikrotvrdoće

Svaka faza mora u potpunosti ukloniti štetu od prethodne. Preskakanje koraka ili žurno vrijeme zadržavanja ugrađuju deformirane podpovršinske slojeve — otvrdnute zone koje proizvode lažno visoka Vickersova očitanja u rasponu od 10–50 HV, značajnu pogrešku pri testiranju tankih premaza, zona pod utjecajem topline ili očvrslih slojeva.

Za što se koristi Vickersov test tvrdoće?

Vickersov test tvrdoće koristi se za mjerenje otpornosti materijala na trajno utiskivanje pomoću četvrtastog dijamantnog piramidalnog utiskivača s prednjim kutom od 136°. To je najsvestranija dostupna metoda određivanja makro- i mikro-tvrdoće , primjenjiv na gotovo sve čvrste materijale bez obzira na razinu tvrdoće, te je poželjna metoda kada se zahtijeva preciznost, sljedivost ili mikrostrukturna rezolucija.

U praksi se Vickersov test koristi za:

• Mjerenje dubine kućišta — profiliranje gradijenata tvrdoće na naugljičenim, nitriranim ili indukcijski kaljenim površinama izradom niza udubljenja na sve većim udaljenostima od površine
• Ocjena tankog premaza — procjena PVD/CVD tvrdih premaza, galvaniziranih slojeva i difuzijskih tretmana gdje zahvaćena zona može biti debela samo nekoliko mikrona
• Provjera kvalitete zavara — mapiranje tvrdoće preko osnovnog metala, zone utjecaja topline i zavara radi otkrivanja omekšavanja, prekaljenja ili osjetljivosti na vodikove pukotine
• Analiza kvarova — identificiranje dekarburizacije, netemperiranog martenzita, zadržanog austenita ili granica faza kroz lokalizirana mjerenja tvrdoće
• Certificiranje materijala — provjera ishoda toplinske obrade u zrakoplovnim, automobilskim i alatnim komponentama prema specifikacijama kao što su AMS, ISO 6507 i ASTM E92
• Istraživanje i razvoj — karakteriziranje novorazvijenih legura, sinterirane keramike i kompozitnih materijala gdje ne postoje prethodno postojeće ljestvice konverzije

Budući da je Vickersova ljestvica kontinuirana od otprilike 5 HV (vrlo meke legure olova) do preko 3000 HV (dijamant), nisu potrebne promjene raspona. Jedna metoda pokriva meki bakar (40–80 HV), kaljeni alatni čelik (700–900 HV) i cementni karbid (1400–1800 HV). Ovaj kontinuitet čini Vickers temeljem svih međunarodnih tablica pretvorbe tvrdoće.

Referentni blokovi tvrdoće po Rockwellu: kalibracija, sljedivost i pravilna uporaba

A Referentni blok tvrdoće po Rockwellu (također nazvan ispitni blok ili kalibracijski blok) je precizno brušen, certificirani metalni kupon koji se koristi za provjeru radi li Rockwell mjerač tvrdoće unutar navedenih granica točnosti. To nije potrošni materijal — jedan certificirani blok obično podržava stotine mjerenja provjere kada se pravilno koristi.

Prema ASTM E18 i ISO 6508, referentni blokovi moraju biti kalibrirani na primarnom standardizacijskom stroju koji se može pratiti do nacionalnog mjeriteljskog instituta (NIST u Sjedinjenim Državama, PTB u Njemačkoj, itd.). Svaki blok se isporučuje s certifikatom koji navodi potvrđenu vrijednost tvrdoće, mjernu nesigurnost i broj valjanih ispitnih mjesta preostalih na površini bloka.

Ispravna upotreba referentnih blokova

Uobičajene pogreške koje poništavaju mjerenja referentnog bloka uključuju testiranje na skošenim rubovima, ponovno korištenje mjesta udubljenja unutar zone isključenja s promjerom od 3 udubljenja i ispitivanje na donjoj strani (koja ima drugačije stanje zaostalog naprezanja od kalibrirane gornje strane). Samo jasno označena gornja površina vrijedi za ispitivanje provjere.

Dnevnu provjeru treba provoditi s blokovima koji su po tvrdoći bliski materijalu koji se ispituje. Korištenje bloka od 60 HRC za provjeru stroja koji će testirati dijelove od 25 HRC tehnički je dopušteno, ali praktički manje osjetljivo na sustavne pogreške — sjedište nakovnja, stanje utiskivača i pomak mjerne ćelije — koje utječu na očitanja srednjeg raspona.

Blokove treba čuvati u zatvorenoj kutiji, daleko od vlage i vibracija, a rukovati njima u pamučnim rukavicama kako bi se spriječila korozija polirane površine. Blok koji je pao, izgrebao svoju aktivnu zonu ili pokazuje površinsku oksidaciju trebao bi se povući iz upotrebe za kalibraciju.

Što je HK u tvrdoći? Knoop protiv Vickersa za rad s mikrotvrdoćom

HK je kratica za Hardness Knoop , ljestvica koja se koristi u Knoop testu mikrotvrdoće. Poput Vickersa (HV), Knoop koristi dijamantni piramidalni utiskivač i optičko mjerenje rezultirajućeg otiska - ali geometrija se bitno razlikuje. Knoop indenter proizvodi izduženo romboedarsko udubljenje s omjerom dijagonale 7,11:1, dok Vickers proizvodi gotovo kvadratno udubljenje.

Ova geometrijska razlika ima dvije važne praktične posljedice:

• Manja dubina prodiranja — dubina Knoopove uvlake iznosi otprilike 1/30 duge dijagonale, u usporedbi s 1/7 Vickersove uvlake iste duljine dijagonale. Ovo čini Knoop značajno boljim za vrlo tanke premaze, lomljivu keramiku i staklo gdje bi duboko prodiranje uzrokovalo pucanje ili utjecaj na podlogu.
• Osjetljivost usmjerenosti — izduženi oblik može otkriti kristalografsku anizotropiju u pojedinačnim kristalima ili materijalima s visokom teksturom rotiranjem uzorka u odnosu na os utiskivača.

Knoop je poželjna metoda prema ASTM E384 za ispitivanje: cementnih karbida, kaljenog stakla, tankih galvanskih slojeva i materijala kod kojih bi pukotine oko Vickersove udubine ugrozile valjanost mjerenja. Za većinu primjena legura čelika, aluminija i bakra, Vickersova mikrotvrdoća (HV 0,1 do HV 1) je zadani izbor zbog svoje jednostavnije geometrije i izravne pretvorbe u druge ljestvice tvrdoće.

Pretvaranje Brinellove tvrdoće u krajnju vlačnu čvrstoću

Tvrdoća po Brinellu (HBW) linearno korelira s krajnjom vlačnom čvrstoćom (UTS) za širok raspon čelika i lijevanog željeza , što ga čini jednom od najpraktičnijih pretvorbi tvrdoće u čvrstoću u inženjerstvu. Odnos se javlja jer su oba svojstva određena otpornošću mikrostrukture materijala na plastično tečenje pod koncentriranim opterećenjem.

Široko primjenjiva aproksimacija za ugljične i niskolegirane čelike je:

UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW

U američkim uobičajenim jedinicama: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Ovi koeficijenti vrijede prilično dobro za feritne, perlitne i martenzitne čelike u rasponu od 150-400 HBW. Točnost obično pada unutar ±7% za normalizirani ili kaljeni i poboljšani ugljični čelik, što je dovoljno za provjeru materijala i ulazne inspekcije.

Odnos se pogoršava i ne bi se trebao koristiti bez podataka specifičnih za materijal u sljedećim slučajevima:

• Austenitni nehrđajući čelici — ponašanje otvrdnuća značajno se razlikuje od feritnih čelika; multiplikator je bliži 3,3–3,55 i varira ovisno o leguri
• Aluminijske legure — često se navodi množitelj blizu 3,6–3,8, ali raspršenost je velika u različitim uvjetima temperamenta
• Lijevano željezo — morfologija grafita (ljuspičasto naspram nodularno) uvodi sekundarnu mikrostrukturnu varijablu; objavljene tablice za nodularni i sivi lijev treba pogledati odvojeno
• HBW > 400 — prekida se linearni odnos; Vickers ili Rockwell C pretvorba putem ASTM E140 je pouzdanija na visokim razinama tvrdoće

ASTM A370 i EN ISO 18265 daju tablične podatke o pretvorbi tvrdoće u vlačnu čvrstoću s navedenim rasponima primjenjivosti i očekivanim nesigurnostima, te bi trebali biti referentni dokumenti za bilo koju pretvorbu kritičnu za specifikaciju.

Vlačna čvrstoća iz Rockwellove tvrdoće: metode pretvorbe i ograničenja

Procjena vlačne čvrstoće iz tvrdoće po Rockwellu slijedi proces u dva koraka: prvo pretvorite Rockwell u Brinell koristeći tablice pretvorbe ASTM E140, zatim primijenite odnos Brinell-to-UTS koji je gore opisan — ili upotrijebite izravne UTS korelacijske tablice koje konsolidiraju oba koraka.

Za kaljeni čelik u rasponu HRC 20–65 , sljedeće približne ekvivalencije daju praktičnu početnu točku:

Iznad HRC 40 (~400 HBW), sam Brinellov test više nije valjan jer se kuglica od karbida od 10 mm elastično deformira pri velikim opterećenjima, proizvodeći neponovljive rezultate. U ovom rasponu, Vickers ili Rockwell C ispravne su metode tvrdoće , a UTS procjena trebala bi upućivati na izravne empirijske tablice za specifičnu vrstu čelika, a ne na generičku linearnu formulu.

Za inženjerske odluke koje uključuju sigurnosno kritične komponente — tlačne posude, konstrukcijske pričvrsne elemente, koljenasta vratila — UTS vrijednosti izvedene na temelju tvrdoće trebaju se tretirati samo kao podaci za pregled. Fizičko ispitivanje vlačne čvrstoće prema ASTM E8 ili ISO 6892 potrebno je za certifikaciju osnove dizajna.