Hårdhed er ikke en grundlæggende materialeegenskab, men en målt reaktion på en specifik indrykningsmetode. Det direkte praktiske svar er det Rockwell, Brinell og Vickers er tre forskellige indrykningshårdhedstest, der hver bruger en forskellig indrykning og belastning og producerer værdier i forskellige enheder eller skalaer . Rockwell bruger en dybdemåling og rapporterer et dimensionsløst tal på skalaer som HRC eller HRB. Brinell presser en hårdmetalkugle ind i overfladen og rapporterer en værdi ind HBW (kgf/mm²) . Vickers bruger en diamantpyramide og rapporterer hårdhed som HV (også i kgf/mm²) , hvilket gør den alsidig til alt fra tynde belægninger til bulkmaterialer. A universel hårdhedstestmaskine integrerer disse metoder i et enkelt instrument, og tilføjer ofte en dybdefølende Martens hårdhedsevne. Der er ingen enkelt hårdhedsmåleenhed; "enheden for hårdhed" er skalaafhængig, og valget mellem test afhænger af materialetype, prøvegeometri og den specifikke information, der kræves.
Den universelle hårdhedstestmaskine
A universal hårdhedstester er et enkelt instrument, der er udviklet til at udføre flere standardiserede hårdhedstestmetoder, typisk Rockwell, Brinell og Vickers, ved at udskifte indrykning, objektivlinser og indlæsningsprofiler. Dette eliminerer behovet for separate dedikerede testere. Ud over traditionelle optiske metoder bruger avancerede universelle maskiner dybdefølende teknologi til at måle Martens hårdhed (HM) og indrykningsmodul i henhold til ISO 14577. Dette opnås ved at registrere den kontinuerlige kraft-forskydningskurve under indrykningscyklussen, hvilket giver materialeparametre svarende til en højhastighedskompressionstest. En moderne universalmaskine kan f.eks. påføre testkræfter fra 1 gf til 3000 kgf , der dækker mikro-, lavbelastnings- og makroområderne for Vickers, Brinell, Rockwell og endda Knoop og plastiktest. Kraftkontrolsystemer med lukket sløjfe, ofte med en samplingshastighed på 1 til 2 kHz , sikre, at belastningshastigheden og opholdstiden nøje overholder standarder som ASTM E92 og ISO 6506.
Rockwell, Brinell og Vickers hårdhedstest Fundamentals
Alle tre test kvantificerer et materiales modstand mod permanent plastisk deformation, men de adskiller sig fundamentalt i indentergeometri, belastningsanvendelse og måleprincip.
Rockwell hårdhedstest
Rockwell-metoden måler differentiel penetrationsdybde af en indrykning under en foreløbig mindre belastning efterfulgt af en større belastning. Den mindre belastning (typisk 10 kgf eller 3 kgf) etablerer en referenceposition, der absorberer overfladefejl og elastisk deformation. Den største belastning (60, 100 eller 150 kgf) påføres og fjernes derefter, og den permanente stigning i indtrængningsdybden måles. Hårdhedstallet er omvendt relateret til denne dybde og aflæses direkte fra en skive eller digitalt display. A Rockwell HRC-værdi på 60 svarer for eksempel til en dybde på ca. 0,080 mm. Almindelige vægte inkluderer HRC (diamantkegle, 150 kgf) til hærdet stål og HRB (1/16-tommer kugle, 100 kgf) til blødere legeringer. Den største fordel er hastigheden, da resultatet opnås på sekunder uden optisk måling.
Brinell hårdhedstest
Brinell-testen bruger en kugleindrykker af wolframcarbid , typisk 10 mm i diameter, presset ind i overfladen med en høj testkraft (normalt 3000 kgf for jernholdige metaller). Efter fjernelse af belastningen måles diameteren af det permanente aftryk optisk. Brinell-hårdhedstallet (HBW) beregnes som den påførte belastning divideret med det sfæriske overfladeareal af fordybningen. Et typisk resultat skrives som 350 HBW 10/3000 , hvilket indikerer en Brinell-hårdhed på 350 ved brug af en 10 mm kugle og en belastning på 3000 kgf i en opholdstid på 10 til 15 sekunder. Den store fordybning udligner lokale mikrostrukturelle variationer, hvilket gør Brinell ideel til støbegods, smedegods og materialer med grove kornstrukturer. Den er ikke egnet til meget hårde materialer (over 650 HBW) eller tynde sektioner, da kuglen kan deformeres, eller prøven kan blive beskadiget.
Vickers Hårdhedstest
Vickers-testen bruger en firkantet diamantbaseret pyramideindrykker med en topvinkel på 136 grader. Princippet er identisk over hele belastningsområdet: Indrykkeren presses ind i prøven under en præcis kraft, og de to diagonaler af det resulterende kvadratiske aftryk måles optisk og gennemsnittet. Vickers hårdhed er rapporteret som HV , efterfulgt af testkraften i kgf, for eksempel 640 HV 30 . Enheden for Vickers hårdhed er teknisk kgf/mm² , men det er konventionelt udtrykt som et dimensionsløst tal. Fordi den samme indrykningsform bruges til kræfter fra 1 gf til 120 kgf, er Vickers unikt i stand til at måle hårdhed på tværs af skalaer, fra tynde folier og sag-hærdede lag til bulkmaterialer, og resultaterne er generelt belastningsuafhængige over et par hundrede grams kraft.
Hårdhedsmåleenheder på tværs af metoder
Konceptet med en "hårdhedsenhed" er metodespecifikt. Hver test har sin egen rapporteringskonvention, og værdier kan ikke overføres direkte uden konverteringstabeller defineret af ASTM E140 og ISO 18265. Tabellen nedenfor tydeliggør enheds- og skalastrukturen for de vigtigste testmetoder.
| Testmetode | Symbol | Fysisk enhed | Eksempel Betegnelse |
|---|---|---|---|
| Rockwell | HR skala | Dimensionsløs | 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 (Universal) | HM | N/mm² | 4500 HM 0,5/20/15 |
Omfattende sammenligning af de tre metoder
Forskellene mellem Brinell, Rockwell og Vickers hårdhedstest er ikke kun proceduremæssige; de bestemmer hvilken metode der er passende til en given industriel opgave. Følgende tabel giver en direkte, applikationsorienteret sammenligning.
| Feature | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| Indenter | Diamantkegle eller hårdmetalkugle | 10 mm hårdmetalkugle (eller 5/2,5 mm) | Diamantpyramide (136 grader) |
| Måling | Indtrængningsdybde | Diameter af aftryk | Diagonal af indtryk |
| Hastighed | Meget hurtigt (3-5 sekunder) | Langsom (30 sekunder optisk) | Moderat til langsom |
| Egnethed | Produktions-QA, hærdet stål, legeringer | Støbegods, smedegods, grovkornede metaller | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Nøglebegrænsning | Ikke til tynde eller kassehærdede lag | Ikke over 650 HBW; stort skadeområde | Langsom, overfladefinish kritisk |
Hvad er Vickers Hardness Test Brugt til
Vickers hårdhedstest er den foretrukne metode, når en enkelt hårdhedsskala skal dække hele spektret af et produkts materialehårdhed. Dens primære anvendelser omfatter kassedybdeanalyse af karburerede eller nitrerede stål , hvor en række mikroindrykninger fra overfladekanten til kernen kortlægger hårdhedsgradienten. En typisk specifikation, som f.eks HV 550 ved en kassedybde på 0,5 mm , kan kun verificeres med en Vickers mikro-hårdhed travers. Testen er også afgørende for kvalificerende svejsninger , hvor den varmepåvirkede zone, basismetal og svejsemetal hver har forskellige egenskaber, og den lille indenter kan isolere disse områder. I forskning og udvikling bruges Vickers til at karakterisere keramik, kompositter og tyndfilmsbelægninger, hvor andre indendørsmaterialer ville knuses eller kræve et for stort fodaftryk. For eksempel kan en TiN hård belægning 3 mikron tyk testes pålideligt ved 0,025 kgf (25 gf) 0,5 mikrometer dyb, uden påvirkning fra substratet.
Webster vs Rockwell hårdhed
Webster-hårdhedstesteren er et bærbart, direkte-læsende instrument, der anvender en specifik indrykningsmetode. Det svarer ikke direkte til en specifik Rockwell-skala, men Webster hårdhedsværdier er empirisk korreleret til Rockwell B og Rockwell H skalaer for aluminiumslegeringer . Webster B-skalaen dækker for eksempel omtrent fra WB 0 til WB 20 , hvilket svarer til ca. 25 til 100 HRB til aluminiumsprofiler og -plader. Webster-testerens fordel ligger i dens bærbarhed og evne til at teste store samlinger, varmevekslere og flystrukturer, der ikke kan bringes til en Rockwell-tester. Korrelationen er dog materialespecifik. En Webster-tester kalibreret til 6061-T6 aluminium vil ikke give nøjagtige Rockwell-ækvivalenter for 7075 eller for andre metaller. For præcis materialecertificering kræves en Rockwell- eller Brinell-bænktest, hvor Webster fungerer som et praktisk feltscreeningsværktøj.
Sådan vælger du den korrekte hårdhedstest til din applikation
Valget af test er styret af materialetype, prøvegeometri, produktionsvolumen og de nødvendige oplysninger. Følgende beslutningslogik, baseret på praktiske industrielle scenarier, giver en konstruktiv vejledning.
- Til store støbegods eller smedegods med grove mikrostrukturer , vælg Brinell-testen. Kugleindtrykket på 10 mm er et gennemsnit af korngrænse- og fasevariationer, hvilket giver en bulkhårdhed, der er repræsentativ for komponentens overordnede mekaniske egenskaber. En standardtest ved 3000 kgf med en 10 mm kugle er standard for støbegods af jern og stål.
- Til højvolumen produktion kvalitetskontrol af bearbejdede dele , Rockwell er standarden. En 3-sekunders HRC-test kan opretholde proceskapacitetsindekset for en varmebehandlingslinje uden at skabe en flaskehals. Brug HRC til hærdet stål over 20 HRC og HRB til blødere ikke-jernholdige legeringer.
- Til kassehærdede, tynde eller coatede komponenter , micro-Vickers er det eneste passende valg. En belastning på 500 gf eller 1 kgf og en Knoop eller Vickers indrykning kan måle kerne-til-kasse-gradienten, uden at fordybningen strækker sig gennem det hærdede lag.
- Til svejsninger, samlinger og varmepåvirkede zoner , Vickers eller Knoop lavkraftstest (1-5 kgf) kan løse hårdhedsvariationer på tværs af det smalle bånd af en svejsegrænseflade, hvilket er afgørende for at undgå brintrevner eller dannelse af skør fase.
- Når der er behov for materialeegenskaber ud over et enkelt hårdhedstal , en universel hårdhedstester i Martens-tilstand giver fordybningshårdhed, elasticitetsmodul, krybnings- og afspændingsadfærd fra en enkelt instrumenteret fordybningstest, som er værdifuld til udvikling af polymer, keramik og avanceret materiale.
Konvertering mellem hårdhedsskalaer
Hårdhedsskalakonverteringer er omtrentlige, og den ansvarlige praksis er at Brug dem kun til sammenligning, aldrig til specifikation . Konverteringsforholdet mellem Brinell, Rockwell og Vickers afhænger af materialets hærdningsadfærd, så en ASTM E140 konverteringstabel for austenitisk rustfrit stål vil adskille sig fra den for kulstof og lavlegeret stål. Som et praktisk eksempel, et typisk kulstofstål med 640 HV 30 svarer til ca 56 HRC og 600 HBW . For et fuldt hærdet austenitisk rustfrit stål svarer den samme 56 HRC muligvis kun til 250 HBW. Når en specifikation kræver rapportering i en bestemt skala, skal testen udføres direkte i denne skala. En universel hårdhedstestmaskine kan minimere denne usikkerhed ved at udføre testen i den påkrævede metode uden at ty til konvertering.
