Tvrdoća nije temeljno svojstvo materijala već izmjerena reakcija na određenu metodu utiskivanja. Izravni praktični odgovor je da Rockwell, Brinell i Vickers tri su različita testa tvrdoće utiskivanja, svaki koristi različiti utiskivač i opterećenje, a daje vrijednosti u različitim jedinicama ili ljestvicama . Rockwell koristi mjerenje dubine i izvještava o bezdimenzionalnom broju na ljestvicama poput HRC ili HRB. Brinell pritišće kuglicu od karbida na površinu i javlja vrijednost HBW (kgf/mm²) . Vickers koristi dijamantnu piramidu i navodi tvrdoću kao HV (također u kgf/mm²) , što ga čini svestranim za sve, od tankih premaza do rasutih materijala. A univerzalni stroj za ispitivanje tvrdoće integrira ove metode u jedan instrument, često dodajući mogućnost mjerenja Martensove tvrdoće za dubinu. Ne postoji jedinstvena jedinica za mjerenje tvrdoće; "jedinica za tvrdoću" ovisi o mjerilu, a izbor između ispitivanja ovisi o vrsti materijala, geometriji uzorka i specifičnim potrebnim informacijama.
Univerzalni stroj za ispitivanje tvrdoće
A univerzalni mjerač tvrdoće je jedan instrument projektiran za izvođenje više standardiziranih metoda ispitivanja tvrdoće, obično Rockwell, Brinell i Vickers, zamjenom utiskivača, leća objektiva i profila opterećenja. Ovo eliminira potrebu za zasebnim namjenskim testerima. Osim tradicionalnih optičkih metoda, napredni univerzalni strojevi koriste tehnologiju za mjerenje dubine Martensova tvrdoća (HM) i modul utiskivanja prema ISO 14577. To se postiže snimanjem kontinuirane krivulje sila-pomak tijekom ciklusa utiskivanja, čime se dobivaju parametri materijala ekvivalentni testu kompresije velikom brzinom. Moderni univerzalni stroj, na primjer, može primijeniti ispitne sile iz 1 gf do 3000 kgf , pokrivajući mikro, niske i makro raspone za Vickers, Brinell, Rockwell, pa čak i Knoop i plastične testove. Sustavi kontrole sile zatvorene petlje, često s brzinom uzorkovanja od 1 do 2 kHz , osigurati da stopa opterećenja i vrijeme zadržavanja strogo odgovaraju standardima kao što su ASTM E92 i ISO 6506.
Osnove ispitivanja tvrdoće po Rockwellu, Brinellu i Vickersu
Sva tri testa kvantificiraju otpornost materijala na trajnu plastičnu deformaciju, ali se bitno razlikuju u geometriji utiskivača, primjeni opterećenja i principu mjerenja.
Rockwellov test tvrdoće
Rockwellova metoda mjeri diferencijalna dubina prodiranja utiskivača pod prethodnim manjim opterećenjem nakon kojeg slijedi veliko opterećenje. Manje opterećenje (obično 10 kgf ili 3 kgf) uspostavlja referentni položaj, apsorbirajući površinske nedostatke i elastične deformacije. Glavno opterećenje (60, 100 ili 150 kgf) se tada primjenjuje i uklanja, te se mjeri trajno povećanje dubine prodiranja. Broj tvrdoće obrnuto je proporcionalan ovoj dubini i očitava se izravno s brojčanika ili digitalnog zaslona. A Rockwell HRC vrijednost 60 , na primjer, odgovara dubini od približno 0,080 mm. Uobičajene ljestvice uključuju HRC (dijamantni stožac, 150 kgf) za kaljene čelike i HRB (kugla od 1/16 inča, 100 kgf) za mekše legure. Glavna prednost je brzina jer se rezultat dobiva u sekundi bez optičkog mjerenja.
Ispitivanje tvrdoće po Brinellu
Brinellov test koristi a tungsten carbide ball indenter , tipično promjera 10 mm, utisnut u površinu velikom ispitnom silom (obično 3000 kgf za željezne metale). Nakon uklanjanja opterećenja optički se mjeri promjer trajnog otiska. Broj tvrdoće po Brinellu (HBW) izračunava se kao primijenjeno opterećenje podijeljeno sa sfernom površinom udubljenja. Tipičan rezultat je zapisan kao 350 HBW 10/3000 , što ukazuje na Brinellovu tvrdoću od 350 pomoću kuglice od 10 mm i opterećenja od 3000 kgf za vrijeme zadržavanja od 10 do 15 sekundi. Veliko udubljenje uprosječuje lokalne mikrostrukturne varijacije, čineći Brinell idealnim za odljevke, otkivke i materijale s grubom zrnastom strukturom. Nije prikladan za vrlo tvrde materijale (iznad 650 HBW) ili tanke presjeke, jer se kuglica može deformirati ili se uzorak može oštetiti.
Vickersov test tvrdoće
Vickersov test koristi a diamond square-based pyramid indenter s vršnim kutom od 136 stupnjeva. Princip je identičan u cijelom rasponu opterećenja: utiskivač se utisne u uzorak pod preciznom silom, a dvije dijagonale rezultirajućeg kvadratnog otiska se optički mjere i usrednjavaju. Tvrdoća po Vickersu je navedena kao HV , nakon čega slijedi ispitna sila u kgf, na primjer 640 HV 30 . Jedinica za Vickersovu tvrdoću tehnički je kgf/mm² , ali se konvencionalno izražava kao bezdimenzionalni broj. Budući da se isti oblik utiskivača koristi za sile od 1 gf do 120 kgf, Vickers je jedinstveno sposoban mjeriti tvrdoću u razmjerima, od tankih folija i kaljenih slojeva do rasutih materijala, a rezultati su općenito neovisni o opterećenju iznad nekoliko stotina grama sile.
Jedinice mjerenja tvrdoće u različitim metodama
Koncept "jedinice tvrdoće" specifičan je za metodu. Svaki test ima vlastitu konvenciju izvješćivanja, a vrijednosti se ne mogu izravno prenijeti bez tablica pretvorbe definiranih prema ASTM E140 i ISO 18265. Tablica u nastavku pojašnjava strukturu jedinica i ljestvice za glavne ispitne metode.
| Metoda ispitivanja | Simbol | Fizička jedinica | Primjer oznake |
|---|---|---|---|
| Rockwell | HR skala | Bez dimenzija | 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 (univerzalno) | HM | N/mm² | 4500 HM 0,5/20/15 |
Sveobuhvatna usporedba triju metoda
Razlike između testova tvrdoće po Brinellu, Rockwellu i Vickersu nisu samo proceduralne; oni određuju koja je metoda prikladna za određeni industrijski zadatak. Sljedeća tablica pruža izravnu usporedbu orijentiranu na aplikaciju.
| Značajka | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| Uvlakač | Dijamantni konus ili karbidna kugla | 10 mm karbidna kugla (ili 5/2,5 mm) | Dijamantna piramida (136 stupnjeva) |
| Mjerenje | Dubina prodiranja | Promjer otiska | Dijagonala dojma |
| Brzina | Vrlo brzo (3-5 sekundi) | Sporo (30 sekundi optički) | Umjereno do sporo |
| Prikladnost | Proizvodnja QA, kaljeni čelici, legure | Odljevci, otkovci, krupnozrnati metali | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Ograničenje ključa | Nije za tanke ili kaljene slojeve | Ne iznad 650 HBW; velika površina oštećenja | Sporo, završna obrada površine kritična |
Što je Vickers Ispitivanje tvrdoće Koristi se za
Vickersov test tvrdoće je poželjna metoda kada jedna ljestvica tvrdoće mora pokriti cijeli raspon tvrdoće materijala proizvoda. Njegove primarne primjene uključuju analiza dubine kućišta karburiziranih ili nitriranih čelika , gdje niz mikro-udubljenja od ruba površine do jezgre preslikava gradijent tvrdoće. Tipična specifikacija, kao što je HV 550 na dubini kućišta od 0,5 mm , može se provjeriti samo Vickersovim pomicanjem mikrotvrdoće. Test je također bitan za kvalifikacijski zavari , gdje zona pod utjecajem topline, osnovni metal i metal šava imaju različita svojstva, a mali utiskivač može izolirati ta područja. U istraživanju i razvoju, Vickers se koristi za karakterizaciju keramike, kompozita i tankoslojnih premaza gdje bi se drugi utiskivači razbili ili zahtijevali preveliki otisak. Na primjer, tvrdi sloj TiN debljine 3 mikrona može se pouzdano testirati na 0,025 kgf (25 gf) , stvarajući udubljenje duboko oko 0,5 mikrona, bez utjecaja podloge.
Webster vs Rockwell tvrdoća
Websterov mjerač tvrdoće je prijenosni instrument s izravnim očitavanjem koji primjenjuje specifičnu metodu utiskivanja. Nije izravno ekvivalentna određenoj Rockwellovoj ljestvici, ali Websterove vrijednosti tvrdoće empirijski su povezane s Rockwell B i Rockwell H ljestvicama za aluminijske legure . Websterova B ljestvica, na primjer, pokriva otprilike od WB 0 do WB 20 , što odgovara otprilike 25 do 100 HRB za aluminijske ekstruzije i lim. Prednost Webster testera leži u njegovoj prenosivosti i mogućnosti testiranja velikih sklopova, izmjenjivača topline i struktura zrakoplova koji se ne mogu donijeti na stolni Rockwell tester. Međutim, korelacija je specifična za materijal. Webster tester kalibriran za 6061-T6 aluminij neće dati točne Rockwellove ekvivalente za 7075 ili za druge metale. Za preciznu certifikaciju materijala potreban je Rockwell ili Brinell test na stolu, s Websterom koji služi kao praktičan alat za ispitivanje na terenu.
Kako odabrati ispravan test tvrdoće za svoju primjenu
Izbor testa ovisi o vrsti materijala, geometriji uzorka, obujmu proizvodnje i potrebnim informacijama. Sljedeća logika odlučivanja, temeljena na praktičnim industrijskim scenarijima, daje konstruktivan vodič.
- Za velike odljevke ili otkivke s grubom mikrostrukturom , odaberite Brinellov test. Udubljenje kugle od 10 mm daje prosjek granica zrna i varijacija faza, dajući zbirnu tvrdoću koja predstavlja ukupna mehanička svojstva komponente. Standardno ispitivanje pri 3000 kgf s kuglom od 10 mm zadano je za odljevke od željeza i čelika.
- Za kontrolu kvalitete obrađenih dijelova u velikoj količini proizvodnje , Rockwell je standard. HRC test od 3 sekunde može održati indeks sposobnosti procesa linije toplinske obrade bez stvaranja uskog grla. Koristite HRC za očvrsle čelike iznad 20 HRC i HRB za mekše legure obojenih metala.
- Za kaljene, tanke ili presvučene komponente , mikro-Vickers je jedini prikladan izbor. Opterećenje od 500 gf ili 1 kgf i Knoop ili Vickersov utiskivač mogu izmjeriti gradijent od jezgre do kućišta bez da se udubljenje proteže kroz očvrsli sloj.
- Za varove, spojeve i zone utjecaja topline , Vickers ili Knoop ispitivanje malom snagom (1-5 kgf) može razriješiti varijacije tvrdoće u uskom pojasu sučelja zavara, što je kritično za izbjegavanje vodikovog pucanja ili formiranja krte faze.
- Kada su potrebna svojstva materijala iznad jednog broja tvrdoće , univerzalni uređaj za ispitivanje tvrdoće u Martens načinu rada daje tvrdoću utiskivanja, modul elastičnosti, puzanje i ponašanje opuštanja iz jednog instrumentiranog ispitivanja utiskivanja, što je dragocjeno za razvoj polimera, keramike i naprednih materijala.
Pretvaranje između ljestvica tvrdoće
Pretvorbe skale tvrdoće su približne, a odgovorna je praksa koristite ih samo za usporedbu, nikada za specifikaciju . Odnos pretvorbe između Brinella, Rockwella i Vickersa ovisi o ponašanju materijala pri otvrdnjavanju, tako da će se tablica pretvorbe ASTM E140 za austenitni nehrđajući čelik razlikovati od one za ugljični i niskolegirani čelik. Kao praktični primjer, tipični ugljični čelik s 640 HV 30 odgovara približno 56 HRC i 600 HBW . Međutim, za potpuno očvrsnuti austenitni nehrđajući čelik, istih 56 HRC može odgovarati samo 250 HBW. Kada specifikacija zahtijeva izvješćivanje u određenom mjerilu, ispitivanje se mora izvesti izravno u tom mjerilu. Univerzalni stroj za ispitivanje tvrdoće može minimizirati ovu nesigurnost izvođenjem ispitivanja traženom metodom bez pribjegavanja pretvorbi.
