Rockwell kontra Brinell kontra Vickers: który test twardości jest najlepszy?

Fizyka kryjąca się za każdym odczytem wcięcia

Każdy numer twardości w certyfikacie materiału ma swoje źródło w pojedynczym zdarzeniu mechanicznym: twardy wgłębnik zostaje wciśnięty w powierzchnię pod kontrolowanym obciążeniem, a odporność materiału na trwałe odkształcenie zostaje przeliczona na wartość. Wartość ta ma znaczenie tylko wtedy, gdy obciążenie, geometria wgłębnika, czas przebywania i technika pomiaru są utrzymywane na znanym poziomie. To jest podstawowa dyscyplina badania twardości metalograficznej , gdzie celem nie jest tylko wyprodukowanie liczby, ale uzyskanie liczby, którą inne laboratorium, inna zmiana lub inny kraj może odtworzyć w wąskim przedziale tolerancji.

Na poziomie mikrostrukturalnym twardość jest wskaźnikiem kilku podstawowych właściwości mechanicznych: granicy plastyczności, hartowania, a w niektórych przypadkach odporności na zużycie. Stal martenzytyczna i wyżarzany stop aluminium reagują na ten sam wgłębnik w zupełnie inny sposób, dlatego też żadna pojedyncza metoda testowania nie obejmuje równie dobrze każdego materiału, grubości i stanu powierzchni. Wybór właściwej metody i prawidłowe jej wykonanie odróżnia możliwy do obrony rekord jakości od liczby, która wygląda na dokładną, ale nie zapewnia rzeczywistej identyfikowalności.

3 Podstawowe metody wcięcia w powszechnym zastosowaniu przemysłowym

0,1-3000 Typowy zakres zastosowanego obciążenia w kgf we wszystkich skalach

2 Etapy obciążenia stosowane w większości nowoczesnych testerów: obciążenie wstępne i obciążenie główne

Dlaczego sekwencjonowanie aplikacji ładujących zmienia wynik

Załaduj aplikację nie jest jednym naciśnięciem. W większości nowoczesnych testerów wgłębnik styka się najpierw z powierzchnią pod niewielkim obciążeniem wstępnym, które osadza wgłębnik i usuwa z pomiaru nierówności powierzchni. Następnie przykładane jest główne obciążenie z kontrolowaną szybkością, utrzymywane przez określony czas przerwy i zwalniane w określonej kolejności. Pośpieszanie się z tą sekwencją lub pozwalanie, aby wibracje zakłócały ramę podczas zatrzymania, to jedno z najczęstszych źródeł rozproszenia w laboratorium twardości, często większe niż jakikolwiek błąd spowodowany przez sam wgłębnik.

Czas przebywania ma znaczenie, ponieważ materiały lekko pełzają pod długotrwałym obciążeniem. Test przeprowadzony zbyt krótko może spowodować sztucznie zawyżony wynik, podczas gdy nadmierne przebywanie na miękkich lub powlekanych materiałach może spowodować odczyt, który nie będzie już odzwierciedlał badanej właściwości objętościowej. Kontrolowanie szybkości ładowania, czasu przebywania i szybkości rozładowywania zgodnie z udokumentowaną tolerancją pozwala na wiarygodne porównanie wyników różnych testerów.

Reprezentatywne zakresy obciążeń w popularnych skalach

Twardościomierze Rockwella: prędkość poprzez bezpośredni pomiar głębokości

Metoda Rockwella całkowicie pomija pomiary optyczne. Zamiast mierzyć wielkość wcięcia, twardościomierze Rockwella zastosować małe obciążenie wstępne, wyzerować odczyt głębokości, zastosować większe obciążenie, następnie zwolnić obciążenie wstępne i odczytać różnicę w głębokości wcięcia. Ta różnica głębokości jest konwertowana bezpośrednio na liczbę twardości na wyświetlaczu maszyny, dlatego też testowanie Rockwella jest często najszybszą z trzech metod w środowisku produkcyjnym.

Wybór skali zależy od typu wgłębnika i kombinacji obciążenia. Wgłębnik diamentowy pod dużym obciążeniem 150 kgf jest typowy dla stali hartowanych, podczas gdy wgłębnik kulkowy ze stali hartowanej pod obciążeniem 100 kgf nadaje się do miękkich metali, takich jak stal wyżarzana, mosiądz lub stopy aluminium. Ponieważ wynik jest odczytywany natychmiast, bez interpretacji obrazu optycznego przez operatora, testy Rockwella dobrze nadają się do kontroli przychodzących materiałów, weryfikacji obróbki cieplnej i kontroli produkcji na dużą skalę, gdzie spójność między operatorami jest równie ważna jak sama precyzja.

Kompromisem jest wrażliwość na stan powierzchni. Ponieważ metoda opiera się na głębokości, a nie na powierzchni, chropowate powierzchnie, cienkie przekroje lub zakrzywione części mogą zniekształcić odczyt, jeśli nie zostaną zastosowane odpowiednie współczynniki korekcyjne i wytyczne dotyczące minimalnej grubości.

rockwell hardness testers with digital depth readout

Twardościomierze Brinella: Uśrednianie twardości w grubych mikrostrukturach

brinell hardness testers for large indentation testing

Gdzie Rockwell czyta głębię, twardościomierze Brinella wciśnij kulkę z hartowanej stali lub węglika wolframu w powierzchnię pod dużym obciążeniem, utrzymując ją przez ustalony okres przebywania, a następnie zmierz średnicę powstałego wgłębienia w powiększeniu. Ponieważ wgłębienie jest duże w stosunku do wielkości ziaren, testy Brinella skutecznie uśredniają grube lub niejednorodne mikrostruktury, co czyni tę metodę preferowaną w przypadku odlewów, odkuwek i materiałów, w których zlokalizowane granice ziaren lub wtrącenia mogą zniekształcić mniejsze wcięcie.

Obciążenia w testach Brinella zwykle wahają się od kilkuset do trzech tysięcy kgf, przykładane przez kulę, która może mieć kilka milimetrów średnicy. W wielu przypadkach powstaje wgłębienie wystarczająco duże, aby można je było zobaczyć gołym okiem, chociaż dokładny pomiar średnicy nadal wymaga skalibrowanego mikroskopu lub cyfrowego systemu pomiarowego. Skala jest dobrze dopasowana do grubych przekrojów, surowców i komponentów poddanych obróbce cieplnej, gdzie wartość twardości nasypowej jest bardziej znacząca niż odczyt silnie zlokalizowany.

Ponieważ wcięcie jest duże, badanie Brinella jest generalnie nieodpowiednie w przypadku cienkich części, powlekanych powierzchni lub gotowych komponentów, w przypadku których widoczny znak jest nieakceptowalny, czyli w przypadku, gdy dominują dwie pozostałe metody.

Twardościomierze Vickersa i Micro-Vickersa: precyzja w skali mikrostrukturalnej

Twardościomierze Vickersa i mikro-Vickersa należy użyć piramidalnego wgłębnika diamentowego, który wytwarza małe kwadratowe wgłębienie niezależnie od obciążenia, mierzone optycznie przez obie przekątne w powiększeniu. Ponieważ w całym zakresie obciążeń zastosowano tę samą geometrię wgłębnika, od makroobciążeń Vickersa do mikroobciążeń znacznie poniżej jednego kgf, metoda umożliwia łatwe skalowanie od badania materiałów sypkich do pojedynczych ziaren, stref wpływu ciepła spawania i przekrojów poprzecznych powłok o grubości zaledwie ułamka milimetra.

Mikro-Vickersaaa testing in particular is the method of choice for case-hardened layers, nitrided surfaces, plated coatings, and hardness gradient mapping across a polished cross-section. Because the indentation size can be kept extremely small, a single sample can carry dozens of individual readings without the indentations overlapping or interfering with each other, allowing a full hardness profile to be built from surface to core.

Precyzja odbywa się kosztem szybkości i przygotowania próbki. Dokładny pomiar przekątnej wymaga dobrze wypolerowanej, płaskiej powierzchni i przeszkolonego operatora lub skalibrowanego systemu analizy obrazu, ponieważ nawet niewielkie błędy ostrości lub oświetlenia mogą przesunąć mierzoną przekątną na tyle, aby zmienić raportowaną twardość.

vickers and micro-vickers hardness testers with optical measurement

Porównanie trzech metod obok siebie

Żadna skala nie jest uniwersalnie poprawna. Poniższa tabela podsumowuje praktyczne różnice, które zazwyczaj decydują o tym, która metoda jest stosowana w przypadku danej części lub materiału.

Atrybut	Rockwell	Brinellaaaa	Vickers / Mikro-Vickers
Typ wgłębnika	Stożek diamentowy lub kulka stalowa	Kulka stalowa lub węglikowa	Diamentowa piramida
Podstawa pomiaru	Różnica głębokości	Średnica wcięcia	Wcięcie ukośne
Typowy zakres obciążenia	60-150 kgf	500-3000 kgf	0,1-50 kgf
Najlepiej nadaje się do	Kontrole linii produkcyjnej	Odlewy i wywar gruboziarnisty	Powłoki i cienkie przekroje
Zależność operatora	Niski	Umiarkowane	Wyżej

Porównanie metod dla pięciu czynników operacyjnych

Rockwell Brinellaaaa Vickers

Standardy kalibracji i testowania materiałów, które zapewniają wiarygodność wyników

Twardościomierz jest tak godny zaufania, jak jego ostatnia weryfikacja. Certyfikowane bloki referencyjne o znanej, możliwej do prześledzenia wartości twardości służą do sprawdzania dokładności testera w regularnych odstępach czasu, a odchylenie między odczytem testera a certyfikowaną wartością bloku jest rejestrowane w czasie. Uznane na całym świecie standardy testowania materiałów określają zakresy tolerancji dla tego odchylenia, częstotliwość weryfikacji oraz dokumentację wymaganą do utrzymania testera w służbie regulowanej lub audytowanej.

Dryf rzadko jest nagły. Ma tendencję do stopniowego pełzania w miarę zużywania się wgłębnika, starzenia się ogniwa obciążnikowego lub optycznego systemu pomiarowego nieznacznie wykraczającego poza kalibrację. Śledzenie odchyleń w kolejnych cyklach weryfikacji, zamiast polegać na pojedynczym wyniku pozytywnym lub negatywnym, daje znacznie wcześniejsze ostrzeżenie o konieczności konserwacji.

Stała dyscyplina kalibracji pozwala zaufać wartości twardości zmierzonej na jednej maszynie na innej, w innym budynku, w odstępie kilku miesięcy.

Odchylenie od bloku odniesienia w cyklach weryfikacji

Wybór właściwej metody badania twardości dla Twojej aplikacji

Wybór metody zazwyczaj sprowadza się do trzech pytań: jak gruba lub jednolita jest mikrostruktura, jak cienka lub pokryta jest badana sekcja oraz ile części należy sprawdzić w ciągu jednej zmiany. Prosta ścieżka decyzyjna obejmuje większość rzeczywistych przypadków.

Proces wyboru metody

Wydajność jest często czynnikiem decydującym po spełnieniu wymagań dotyczących precyzji. Testy Rockwella zazwyczaj przetwarzają największą liczbę części na godzinę, ponieważ odczyt głębokości jest automatyczny, Vickers i mikro-Vickers mieszczą się pośrodku w zależności od liczby wgłębień potrzebnych na próbkę, a Brinell jest na ogół najwolniejszy ze względu na pomiar średnicy optycznej i większe wcięcie.

Typowa względna przepustowość według metody

Często zadawane pytania

P1: Czy tę samą część można przetestować więcej niż jedną metodą twardości?

Tak, pod warunkiem, że powierzchnia pozwala na wydzielenie stref wcięcia. Wiele laboratoriów wykorzystuje technologię Rockwell do szybkiej kontroli produkcji, a następnie sprawdza przekrój metodą Vickersa, gdy potrzebny jest szczegółowy gradient twardości w pobliżu powierzchni poddanej obróbce cieplnej lub powlekanej.

P2: Dlaczego wartości twardości z różnych skal nie przeliczają się bezpośrednio na siebie?

Każda metoda mierzy inną reakcję fizyczną, głębokość, średnicę lub długość przekątnej przy innym obciążeniu i geometrii wgłębnika. Dla niektórych rodzin materiałów istnieją tabele przeliczeniowe, ale są one raczej przybliżeniami niż dokładnymi odpowiednikami, a wyniki podawane w oryginalnej skali są zawsze bardziej wiarygodne.

P3: Jak często należy weryfikować twardościomierz względem bloku referencyjnego?

Częstotliwość weryfikacji zależy od wielkości użytkowania, krytyczności testowanych części i wymagań odpowiedniej normy testowania materiałów, zgodnie z którą działa laboratorium. Testery produkcyjne na dużą skalę są zazwyczaj sprawdzane częściej niż testery używane do okazjonalnych prac laboratoryjnych.

P4: Czy testy mikro-Vickersa są odpowiednie dla gotowych komponentów w trakcie eksploatacji?

Wgłębienie pozostawione w teście mikro-Vickersa jest niezwykle małe, co sprawia, że jest to częsty wybór do kontroli jakości gotowych części, gdzie należy zminimalizować oznakowanie powierzchniowe, chociaż kryteria akceptacji powinny nadal potwierdzać, że wcięcie nie wpływa na funkcjonowanie części.

P5: Co powoduje największy rozrzut pomiarów w codziennych testach twardości?

Niespójne przygotowanie powierzchni i różnice w pomiarach optycznych przez operatora to dwa najczęstsze źródła rozproszenia, a następnie niewłaściwy moment przyłożenia obciążenia i zużycie wgłębnika, które nie zostało wykryte podczas rutynowych kontroli kalibracyjnych.