Vejledning til hårdhedstestning: Vickers, Rockwell, Brinell & Sample Prep

Metallografisk prøveforberedelse: Hvorfor det betyder noget før enhver hårdhedstest

Nøjagtig hårdhedstestning begynder længe før indenteren kommer i kontakt med prøven. Metallografisk prøveforberedelse — den kontrollerede proces med sektionering, montering, slibning og polering af en metalprøve — bestemmer direkte, om en hårdhedsaflæsning afspejler materialets sande egenskaber eller en artefakt introduceret under håndtering.

Især for mikrohårdhedsmetoder er overfladens tilstand kritisk. En dårligt poleret prøve introducerer topografisk variation, der afbøjer indenteren, puster spredningen op og producerer aflæsninger, der ikke kan korreleres med nogen offentliggjort konverteringstabel. Det generelle krav til Vickers og Knoops mikrohårdhedstest er en overfladefinish på 0,1 µm Ra eller bedre - kun opnåelig gennem systematisk metallografisk forberedelse.

Forberedelsessekvensen omfatter typisk:

1. Sektionering med en slibende skæreskive ved hjælp af tilstrækkelig kølevæske for at forhindre termisk skade
2. Kold eller varm montering i epoxy eller phenolharpiks for at give kantstøtte og sikker håndtering
3. Planslibning for at fjerne skæreskader og opnå et fladt referenceplan
4. Sekventiel slibning gennem gradvist finere SiC-slibemidler (typisk 240 → 400 → 600 → 1200 korn)
5. Diamantpolering (6 µm, derefter 3 µm, derefter 1 µm) for at fjerne alle sliberidser
6. Afsluttende polering med kolloid silica (0,04–0,05 µm OPS) til overflader med spejlfinish, der kræves af standarder for mikrohårdhed

Hvert trin skal fuldstændigt fjerne skader fra det foregående. At springe trin over eller forhastet opholdstid indlejrer deformerede underjordiske lag - arbejdshærdede zoner, der producerer falsk-høje Vickers-aflæsninger i intervallet 10-50 HV, en væsentlig fejl ved test af tynde belægninger, varmepåvirkede zoner eller kassehærdede lag.

Hvad bruges Vickers hårdhedstest til?

Vickers hårdhedstest bruges til at måle et materiales modstand mod permanent fordybning ved hjælp af en firkantet diamantpyramideindrykker med en 136° fladevinkel. Det er den mest alsidige makro- og mikrohårdhedsmetode, der findes , anvendelig til stort set alle faste materialer uanset hårdhedsniveau, og er den foretrukne metode, når præcision, sporbarhed eller mikrostrukturel opløsning er påkrævet.

I praksis bruges Vickers-testen til:

• Måling af kassedybde — profilering af hårdhedsgradienter på tværs af karburerede, nitrerede eller induktionshærdede overflader ved at lave en række fordybninger i stigende afstand fra overfladen
• Tyndbelægningsevaluering — vurdering af hårde PVD/CVD-belægninger, elektropletterede lag og diffusionsbehandlinger, hvor den berørte zone kun er nogle få mikrometer tyk
• Svejsekvalitetsinspektion — kortlægning af hårdhed på tværs af basismetallet, den varmepåvirkede zone og svejsestrengen for at detektere blødgøring, overhærdning eller brint-revner modtagelighed
• Fejlanalyse — identifikation af afkulning, uhærdet martensit, tilbageholdt austenit eller fasegrænser gennem lokaliserede hårdhedsmålinger
• Materiale certificering — verificering af varmebehandlingsresultater i rumfart, bilindustrien og værktøjskomponenter i henhold til specifikationer såsom AMS, ISO 6507 og ASTM E92
• Forskning og udvikling — karakterisering af nyudviklede legeringer, sintret keramik og kompositmaterialer, hvor der ikke findes nogen forudeksisterende konverteringsvægt

Fordi Vickers-skalaen er kontinuerlig fra ca. 5 HV (meget bløde blylegeringer) til over 3000 HV (diamant), er der ikke behov for rækkeviddeændringer. En enkelt metode dækker blødt kobber (40–80 HV), hærdet værktøjsstål (700–900 HV) og cementeret hårdmetal (1400–1800 HV). Denne kontinuitet gør Vickers til grundlaget for alle internationale hårdhedskonverteringstabeller.

Rockwell hårdhedsreferenceblokke: Kalibrering, sporbarhed og korrekt brug

A Rockwell hårdhedsreferenceblok (også kaldet en testblok eller kalibreringsblok) er en præcisionsslebet, certificeret metalkupon, der bruges til at verificere, at en Rockwell hårdhedstester yder inden for de angivne nøjagtighedsgrænser. Det er ikke en forbrugsvare - en enkelt certificeret blok understøtter typisk hundredvis af verifikationsmålinger, når de bruges korrekt.

I henhold til ASTM E18 og ISO 6508 skal referenceblokke kalibreres på en primær standardiseringsmaskine, der kan spores til et nationalt metrologiinstitut (NIST i USA, PTB i Tyskland osv.). Hver blok leveres med et certifikat, der angiver den certificerede hårdhedsværdi, måleusikkerhed og antallet af gyldige teststeder, der er tilbage på blokkens overflade.

Korrekt brug af referenceblokke

Almindelige fejl, der gør referenceblokmålinger ugyldige, omfatter test på de affasede kanter, genbrug af fordybningssteder inden for en udelukkelseszone med 3 indrykningsdiameter og test på bundfladen (som har en anden restspændingstilstand end den kalibrerede topflade). Kun den tydeligt markerede topflade er gyldig til verifikationstest.

Daglig verifikation bør udføres med blokke tæt i hårdhed på det materiale, der testes. Brug af en 60 HRC-blok til at verificere en maskine, der tester 25 HRC-dele, er teknisk tilladt, men praktisk talt mindre følsom over for de systematiske fejl - amboltsæder, indrykningstilstand og vejecelledrift - der påvirker aflæsninger i mellemområdet.

Blokke skal opbevares i en lukket kasse, væk fra fugt og vibrationer, og håndteres med bomuldshandsker for at forhindre korrosion af den polerede overflade. En blok, der er blevet tabt, ridset gennem dens aktive zone eller viser overfladeoxidation, bør trækkes tilbage fra kalibreringsbrug.

Hvad er HK i hårdhed? Knoop vs. Vickers for Micro-Hardness Work

HK står for Hardness Knoop , skalaen brugt i Knoops mikrohårdhedstest. Ligesom Vickers (HV) bruger Knoop en diamantpyramideindrykning og optisk måling af det resulterende indtryk - men geometrien adskiller sig fundamentalt. Knoop-indrykningen producerer en aflang romboedrisk fordybning med et diagonalt forhold på 7,11:1, hvorimod Vickers producerer en næsten kvadratisk fordybning.

Denne geometriske forskel har to vigtige praktiske konsekvenser:

• Lavere indtrængningsdybde — Knoop-indrykket er ca. 1/30 af den lange diagonal i dybden, sammenlignet med 1/7 for et Vickers-indrykning med samme diagonallængde. Dette gør Knoop væsentligt bedre til meget tynde belægninger, skør keramik og glas, hvor dyb indtrængning ville forårsage revner eller substratpåvirkning.
• Retningsfølsomhed — den aflange form kan afsløre krystallografisk anisotropi i enkeltkrystaller eller meget teksturerede materialer ved at rotere prøven i forhold til indenteraksen.

Knoop er den foretrukne metode under ASTM E384 til testning: cementerede karbider, hærdet glas, tynde galvaniske lag og materialer, hvor revner omkring Vickers-indsatsen ville kompromittere målingens gyldighed. For de fleste anvendelser af stål, aluminium og kobberlegeringer er Vickers mikrohårdhed (HV 0,1 til HV 1) standardvalget på grund af dens enklere geometri og direkte omdannelse til andre hårdhedsskalaer.

Konvertering af Brinell hårdhed til ultimativ trækstyrke

Brinell hårdhed (HBW) korrelerer lineært med ultimativ trækstyrke (UTS) for en bred vifte af stål og støbejern , hvilket gør det til en af de mest praktisk anvendelige hårdhed-til-styrke-konverteringer inden for teknik. Sammenhængen opstår, fordi begge egenskaber er styret af modstanden af ​​materialets mikrostruktur over for plastisk strømning under en koncentreret belastning.

Den almindeligt anvendte tilnærmelse for kulstofstål og lavlegeret stål er:

UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW

I amerikanske sædvanlige enheder: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Disse koefficienter holder rimeligt godt for ferritiske, perlitiske og martensitiske stål i området 150-400 HBW. Nøjagtigheden falder typisk inden for ±7 % for normaliseret eller bratkølet og hærdet kulstofstål, hvilket er tilstrækkeligt til materialeverifikation og indgående inspektionsformål.

Forholdet forringes og bør ikke bruges uden materialespecifikke data i følgende tilfælde:

• Austenitisk rustfrit stål — Bearbejdningshærdningsadfærden adskiller sig væsentligt fra ferritisk stål; multiplikatoren er tættere på 3,3-3,55 og varierer efter legering
• Aluminiumslegeringer — en multiplikator nær 3,6–3,8 nævnes ofte, men spredningen er høj på tværs af forskellige temperamentsforhold
• Støbejern — grafitmorfologi (flage vs. nodulær) introducerer en sekundær mikrostrukturel variabel; offentliggjorte tabeller for duktilt jern og gråjern bør konsulteres separat
• HBW > 400 — det lineære forhold bryder sammen; Vickers eller Rockwell C konvertering via ASTM E140 er mere pålidelig ved høje hårdhedsniveauer

ASTM A370 og EN ISO 18265 leverer begge tabulerede hårdhed-til-trækstyrke konverteringsdata med angivne anvendelighedsintervaller og forventede usikkerheder og bør være referencedokumenter for enhver specifikationskritisk konvertering.

Trækstyrke fra Rockwell hårdhed: konverteringsmetoder og grænser

Estimering af trækstyrke fra Rockwell-hårdhed følger en to-trins proces: Konverter først Rockwell til Brinell ved hjælp af ASTM E140-konverteringstabeller, og anvend derefter Brinell-til-UTS-forholdet beskrevet ovenfor - eller brug direkte UTS-korrelationstabeller, der konsoliderer begge trin.

Til hærdet stål i HRC 20–65 serien , giver følgende omtrentlige ækvivalenser et praktisk udgangspunkt:

Over HRC 40 (~400 HBW) er selve Brinell-testen ikke længere gyldig, fordi 10 mm hårdmetalkuglen deformeres elastisk ved høje belastninger, hvilket giver ikke-reproducerbare resultater. I dette område, Vickers eller Rockwell C er de korrekte hårdhedsmetoder , og UTS-estimering bør referere direkte empiriske tabeller for den specifikke stålkvalitet snarere end den generiske lineære formel.

For tekniske beslutninger, der involverer sikkerhedskritiske komponenter - trykbeholdere, strukturelle fastgørelseselementer, krumtapaksler - bør hårdhedsafledte UTS-værdier kun behandles som screeningsdata. Fysisk trækprøvning i henhold til ASTM E8 eller ISO 6892 er påkrævet for designbasiscertificering.