Rockwell vs. Brinell vs. Vickers: Ktorý test tvrdosti je najlepší?

Fyzika za každým čítaním vrúbkov

Každé číslo tvrdosti na certifikáte materiálu sa vzťahuje na jedinú mechanickú udalosť: tvrdý indentor je vtlačený do povrchu pod kontrolovaným zaťažením a odolnosť materiálu voči trvalej deformácii sa prevedie na hodnotu. Táto hodnota niečo znamená iba vtedy, ak sa zaťaženie, geometria indentora, čas zotrvania a technika merania udržiavajú na známej norme. Toto je základná disciplína metalografické skúšanie tvrdosti , kde cieľom nie je len vytvoriť číslo, ale vytvoriť číslo, ktoré môže reprodukovať iné laboratórium, iná zmena alebo iná krajina v rámci pevného tolerančného pásma.

Na mikroštrukturálnej úrovni je tvrdosť zástupcom niekoľkých základných mechanických vlastností: medza klzu, správanie pri deformácii a v niektorých prípadoch odolnosť proti opotrebovaniu. Martenzitická oceľ a žíhaná hliníková zliatina reagujú na rovnaký indentor úplne odlišnými spôsobmi, a preto žiadna testovacia metóda nepokrýva rovnako dobre každý materiál, hrúbku a stav povrchu. Výber správnej metódy a jej správne spustenie je to, čo oddeľuje záznam o obhájiteľnej kvalite od čísla, ktoré vyzerá presne, ale nemá žiadnu skutočnú sledovateľnosť.

3 Primárne indentačné metódy v bežnom priemyselnom použití

0,1-3000 Typické rozpätie aplikovaného zaťaženia v kgf na všetkých mierkach

2 Stupne zaťaženia používané vo väčšine moderných testerov: predpätie a hlavné zaťaženie

Prečo načítať sekvenovanie aplikácií mení výsledok

Aplikácia zaťaženia nie je jediným stlačením. Vo väčšine moderných testerov sa indentor najprv privedie do kontaktu s povrchom pod malým predbežným zaťažením, čím sa indentor usadí a odstráni povrchové nerovnosti z merania. Hlavná záťaž sa potom aplikuje kontrolovanou rýchlosťou, udržiava sa počas špecifikovanej doby zotrvania a uvoľňuje sa v definovanom poradí. Ponáhľanie sa s touto sekvenciou alebo ponechanie vibrácií, ktoré rušia rám počas zotrvania, je jedným z najbežnejších zdrojov rozptylu v laboratóriu tvrdosti, ktorý je často väčší ako akákoľvek chyba spôsobená samotným indentorom.

Čas zotrvania je dôležitý, pretože materiály pri trvalom zaťažení mierne tečú. Test držaný na príliš krátku dobu môže byť umelo vysoký, zatiaľ čo nadmerné zotrvanie na mäkkých alebo potiahnutých materiáloch môže spôsobiť odčítanie, ktoré už nereprezentuje skúmanú objemovú vlastnosť. Riadenie rýchlosti zaťaženia, času zotrvania a rýchlosti vykladania na zdokumentovanú toleranciu umožňuje spoľahlivo porovnávať výsledky z rôznych testerov.

Reprezentatívne rozsahy zaťaženia naprieč bežnými mierkami

Rockwell tvrdomery: Rýchlosť prostredníctvom priameho merania hĺbky

Rockwellova metóda úplne vynecháva optické meranie. Namiesto merania veľkosti priehlbiny, tvrdomery Rockwell aplikujte malé predbežné zaťaženie, vynulujte hodnotu hĺbky, použite hlavné zaťaženie, potom uvoľnite späť predbežné zaťaženie a odčítajte rozdiel v hĺbke vtlačenia. Tento hĺbkový rozdiel sa prevedie priamo na číslo tvrdosti na displeji stroja, a preto je testovanie Rockwellom často najrýchlejšou z troch metód vo výrobnom prostredí.

Výber mierky závisí od typu indentoru a kombinácie zaťaženia. Diamantový kužeľový indentor pod hlavným zaťažením 150 kgf je typický pre kalené ocele, zatiaľ čo kalený oceľový guľôčkový indentor pri zaťažení 100 kgf vyhovuje mäkším kovom, ako je žíhaná oceľ, mosadz alebo hliníkové zliatiny. Pretože sa výsledok odčíta okamžite bez toho, aby operátor interpretoval optický obraz, testovanie Rockwellom sa dobre hodí na kontrolu vstupného materiálu, overenie tepelného spracovania a kontroly veľkoobjemovej výroby, kde na konzistentnosti medzi operátormi záleží rovnako ako na surovej presnosti.

Kompromisom je citlivosť na stav povrchu. Pretože metóda sa spolieha skôr na hĺbku ako na plochu, drsné povrchy, tenké časti alebo zakrivené časti môžu skresliť čítanie, pokiaľ nie sú dodržané správne korekčné faktory a pokyny pre minimálnu hrúbku.

rockwell hardness testers with digital depth readout

Brinell tvrdomery: Spriemerovanie tvrdosti naprieč hrubými mikroštruktúrami

brinell hardness testers for large indentation testing

Kde Rockwell číta hĺbku, tvrdomery podľa Brinella zatlačte do povrchu guľôčku z tvrdenej ocele alebo karbidu volfrámu pod veľkým zaťažením, vydržte po nastavenú dobu zotrvania, potom zmerajte priemer výsledného vrúbku pod zväčšením. Pretože vtlačenie je veľké v pomere k veľkosti zrna, testovanie podľa Brinella efektívne spriemeruje hrubé alebo nerovnomerné mikroštruktúry, čo z neho robí preferovanú metódu pre odliatky, výkovky a materiály, kde by lokalizované hranice zŕn alebo inklúzie mohli narušiť menšie vtlačenie.

Zaťaženia pri testovaní podľa Brinella sa bežne pohybujú od niekoľkých stoviek do troch tisíc kgf, aplikované cez guľu, ktorá môže mať priemer niekoľko milimetrov. To vytvára vrúbok dostatočne veľký na to, aby bol v mnohých prípadoch viditeľný voľným okom, hoci presné meranie priemeru stále vyžaduje kalibrovaný mikroskop alebo digitálny merací systém. Stupnica je dobre prispôsobená hrubým profilom, surovému materiálu a tepelne spracovaným komponentom, kde je hodnota objemovej tvrdosti zmysluplnejšia ako vysoko lokalizovaný údaj.

Pretože je priehlbina veľká, testovanie podľa Brinella je vo všeobecnosti nevhodné pre tenké časti, povrchy s povrchovou úpravou alebo hotové súčasti, kde nie je prijateľná viditeľná značka, čo je miesto, kde preberajú ďalšie dve metódy.

Tvrdomery Vickers a Micro-Vickers: Presnosť na mikroštruktúrnom meradle

Tvrdomery Vickers & micro-Vickers použite pyramídový diamantový indentor, ktorý vytvára malé štvorcové vrúbkovanie bez ohľadu na zaťaženie, ktoré sa pri zväčšení opticky meria oboma uhlopriečkami. Pretože sa používa rovnaká geometria indentoru v celom rozsahu záťaže, od makro záťaže Vickers až po mikro záťaže výrazne pod 1 kgf, metóda sa škáluje od testovania sypkého materiálu až po jednotlivé zrná, zvarové oblasti ovplyvnené teplom a prierezy povlaku hrubé len zlomok milimetra.

Najmä testovanie Micro-Vickers je metódou voľby pre cementované vrstvy, nitridované povrchy, pokovované povlaky a mapovanie gradientu tvrdosti na leštenom priereze. Pretože veľkosť vtlačenia môže byť extrémne malá, jedna vzorka môže niesť desiatky jednotlivých meraní bez toho, aby sa vrúbky prekrývali alebo navzájom interferovali, čo umožňuje zostavenie úplného profilu tvrdosti od povrchu po jadro.

Presnosť je spojená s cenou rýchlosti a prípravy vzorky. Presné meranie uhlopriečky vyžaduje dobre vyleštený, rovný povrch a vyškolenú obsluhu alebo kalibrovaný systém analýzy obrazu, pretože aj malé chyby zaostrenia alebo osvetlenia môžu posunúť nameranú uhlopriečku natoľko, aby sa zmenila udávaná tvrdosť.

vickers and micro-vickers hardness testers with optical measurement

Porovnanie troch metód vedľa seba

Žiadna stupnica nie je univerzálne správna. Nižšie uvedená tabuľka sumarizuje praktické rozdiely, ktoré zvyčajne rozhodujú o tom, ktorá metóda sa použije na daný diel alebo materiál.

Atribút	Rockwell	Brinell	Vickers / Micro-Vickers
Typ indentoru	Diamantový kužeľ alebo oceľová guľa	Oceľová alebo karbidová guľa	Diamantová pyramída
Základ merania	Hĺbkový diferenciál	Priemer vtlačku	Uhlopriečka odsadenia
Typický rozsah zaťaženia	60-150 kgf	500-3000 kgf	0,1-50 kgf
Najlepšie sa hodí	Kontroly výrobnej linky	Odliatky a hrubozrnný materiál	Povlaky a tenké rezy
Závislosť operátora	Nízka	Mierne	Vyššie

Porovnanie metód v rámci piatich prevádzkových faktorov

Rockwell Brinell Vickers

Štandardy kalibrácie a testovania materiálov, vďaka ktorým sú výsledky spoľahlivé

Tvrdomer je len taký dôveryhodný ako jeho posledné overenie. Certifikované referenčné bloky so známou, sledovateľnou hodnotou tvrdosti sa používajú na kontrolu presnosti testera v pravidelných intervaloch a odchýlka medzi údajom testera a certifikovanou hodnotou bloku sa v priebehu času zaznamenáva. Medzinárodne uznávané štandardy testovania materiálov definujú tolerančné pásma pre túto odchýlku, frekvenciu overovania a dokumentáciu potrebnú na udržanie testera v prevádzke pre regulovanú alebo auditovanú prácu.

Drift je zriedka náhly. Má tendenciu postupne sa zasúvať, keď sa indentor opotrebováva, snímač zaťaženia starne alebo optický merací systém mierne vypadne z kalibrácie. Sledovanie odchýlky naprieč po sebe nasledujúcimi overovacími cyklami, namiesto spoliehania sa na výsledok jedného prejdenia alebo zlyhania, poskytuje oveľa skoršie varovanie, že je potrebná údržba.

Dôsledná kalibračná disciplína umožňuje dôverovať hodnote tvrdosti nameranej na jednom stroji na inom stroji v inej budove s odstupom niekoľkých mesiacov.

Odchýlka od referenčného bloku v rámci overovacích cyklov

Výber správnej metódy testovania tvrdosti pre vašu aplikáciu

Výber metódy sa vo všeobecnosti skladá z troch otázok: aká hrubá alebo rovnomerná je mikroštruktúra, ako tenký alebo potiahnutý je testovaný úsek a koľko dielov je potrebné skontrolovať za zmenu. Jednoduchá cesta rozhodnutia pokrýva väčšinu skutočných prípadov.

Tok výberu metódy

Priepustnosť je často rozhodujúcim faktorom, keď sú splnené požiadavky na presnosť. Testovanie Rockwell zvyčajne spracováva najvyšší počet častí za hodinu, pretože čítanie hĺbky je automatické, Vickers a micro-Vickers spadajú do stredu v závislosti od toho, koľko vrúbkov je potrebných na vzorku, a Brinell je vo všeobecnosti najpomalší kvôli meraniu optického priemeru a väčšiemu vrúbkovaniu.

Typická relatívna priepustnosť podľa metódy

Často kladené otázky

Q1: Môže byť rovnaká časť testovaná viac ako jednou metódou tvrdosti?

Áno, za predpokladu, že plocha umožňuje oddelené odsadzovacie zóny. Mnoho laboratórií používa Rockwell na rýchlu kontrolu výroby a následné sledovanie prierezu pomocou Vickersa, keď je potrebný podrobný gradient tvrdosti v blízkosti tepelne upraveného alebo potiahnutého povrchu.

Otázka 2: Prečo sa hodnoty tvrdosti z rôznych mierok nepremieňajú priamo na seba?

Každá metóda meria inú fyzickú odozvu, hĺbku, priemer alebo dĺžku uhlopriečky, pri inej záťaži a geometrii indentoru. Pre niektoré skupiny materiálov existujú prevodné tabuľky, ale sú to skôr aproximácie ako presné ekvivalenty a výsledky uvádzané v pôvodnej škále sú vždy spoľahlivejšie.

Q3: Ako často by sa mal tester tvrdosti overiť oproti referenčnému bloku?

Frekvencia overovania závisí od objemu používania, kritickosti testovaných častí a požiadaviek príslušnej normy na testovanie materiálov, podľa ktorej laboratórium pracuje. Testery na veľkoobjemovú výrobu sa zvyčajne kontrolujú častejšie ako testery používané na príležitostnú laboratórnu prácu.

Q4: Je testovanie micro-Vickers vhodné pre hotové komponenty v prevádzke?

Prehĺbenie, ktoré zanechalo testovanie micro-Vickers, je extrémne malé, čo z neho robí bežnú voľbu pre kontroly kvality hotových dielov, kde sa musí minimalizovať značenie povrchu, hoci akceptačné kritériá by mali stále potvrdiť, že vtlačenie neovplyvňuje funkciu dielu.

Otázka 5: Čo spôsobuje najväčší rozptyl meraní pri každodennom testovaní tvrdosti?

Nekonzistentná príprava povrchu a odchýlky operátora v optickom meraní sú dva najbežnejšie zdroje rozptylu, po ktorých nasleduje nesprávne načasovanie aplikácie záťaže a opotrebovanie indentoru, ktoré nebolo zachytené rutinnými kontrolami kalibrácie.