Panduan Pengujian Kekerasan: Vickers, Rockwell, Brinell & Persediaan Sampel

Penyediaan Sampel Metalografik: Mengapa Ia Penting Sebelum Sebarang Ujian Kekerasan

Ujian kekerasan yang tepat bermula lama sebelum indentor menyentuh spesimen. Penyediaan sampel metalografik — proses terkawal pemotongan, pemasangan, pengisaran dan penggilap sampel logam — secara langsung menentukan sama ada bacaan kekerasan mencerminkan sifat sebenar bahan atau artifak yang diperkenalkan semasa pengendalian.

Untuk kaedah kekerasan mikro khususnya, keadaan permukaan adalah kritikal. Spesimen yang kurang digilap memperkenalkan variasi topografi yang memesongkan inden, mengembang serakan dan menghasilkan bacaan yang tidak boleh dikaitkan dengan mana-mana jadual penukaran yang diterbitkan. Keperluan umum untuk ujian kekerasan mikro Vickers dan Knoop ialah kemasan permukaan 0.1 µm Ra atau lebih baik — hanya boleh dicapai melalui penyediaan metalografi yang sistematik.

Urutan penyediaan biasanya termasuk:

1. Membelah dengan roda pemotong yang kasar menggunakan penyejuk yang mencukupi untuk mengelakkan kerosakan haba
2. Pemasangan sejuk atau panas dalam resin epoksi atau fenolik untuk memberikan sokongan tepi dan pengendalian yang selamat
3. Pengisaran planar untuk membuang kerosakan keratan dan mencapai satah rujukan rata
4. Pengisaran berurutan melalui pelelas SiC yang semakin halus (biasanya 240 → 400 → 600 → 1200 grit)
5. Penggilapan berlian (6 µm, kemudian 3 µm, kemudian 1 µm) untuk menghilangkan semua calar pengisaran
6. Penggilapan akhir dengan silika koloid (0.04–0.05 µm OPS) untuk permukaan kemasan cermin yang diperlukan oleh piawaian kekerasan mikro

Setiap peringkat mesti menghapuskan kerosakan sepenuhnya daripada peringkat sebelumnya. Melangkau langkah atau masa tinggal tergesa-gesa membenamkan lapisan bawah permukaan yang cacat — zon keras kerja yang menghasilkan bacaan Vickers tinggi palsu dalam julat 10–50 HV, ralat ketara semasa menguji salutan nipis, zon terjejas haba atau lapisan mengeras kotak.

Ujian Kekerasan Vickers digunakan untuk apa?

Ujian kekerasan Vickers digunakan untuk mengukur rintangan bahan kepada lekukan kekal menggunakan lekukan piramid berlian berasaskan segi empat sama dengan sudut muka 136°. Ia adalah kaedah kekerasan makro dan mikro yang paling serba boleh tersedia , boleh digunakan pada hampir mana-mana bahan pepejal tanpa mengira tahap kekerasan, dan merupakan kaedah pilihan apabila ketepatan, kebolehkesanan atau resolusi mikrostruktur diperlukan.

Dalam amalan, ujian Vickers digunakan untuk:

• Pengukuran kedalaman kes — memprofilkan kecerunan kekerasan merentasi permukaan berkarburasi, nitrid atau dikeraskan aruhan dengan membuat satu siri lekukan pada jarak yang semakin meningkat dari permukaan
• Penilaian salutan nipis — menilai salutan keras PVD/CVD, lapisan saduran elektrik dan rawatan resapan di mana zon terjejas mungkin hanya beberapa mikron tebal
• Pemeriksaan kualiti kimpalan — memetakan kekerasan merentasi logam asas, zon terjejas haba, dan manik kimpalan untuk mengesan kelembutan, pengerasan berlebihan, atau kerentanan keretakan hidrogen
• Analisis kegagalan — mengenal pasti sempadan penyahkarbonan, martensit tidak terbaja, austenit tertahan, atau fasa melalui pengukuran kekerasan setempat
• Pensijilan bahan — mengesahkan hasil rawatan haba dalam komponen aeroangkasa, automotif dan perkakas mengikut spesifikasi seperti AMS, ISO 6507 dan ASTM E92
• Penyelidikan dan pembangunan — mencirikan aloi yang baru dibangunkan, seramik tersinter, dan bahan komposit di mana tiada skala penukaran sedia ada wujud

Oleh kerana skala Vickers berterusan daripada kira-kira 5 HV (aloi plumbum yang sangat lembut) kepada lebih 3000 HV (berlian), tiada perubahan julat diperlukan. Kaedah tunggal meliputi kuprum lembut (40–80 HV), keluli alat yang dikeraskan (700–900 HV), dan karbida bersimen (1400–1800 HV). Kesinambungan ini menjadikan Vickers asas kepada semua jadual penukaran kekerasan antarabangsa.

Blok Rujukan Kekerasan Rockwell: Penentukuran, Kebolehkesanan dan Penggunaan yang Betul

A Blok rujukan kekerasan Rockwell (juga dipanggil blok ujian atau blok penentukuran) ialah kupon logam yang diperakui dengan ketepatan yang digunakan untuk mengesahkan bahawa penguji kekerasan Rockwell berprestasi dalam had ketepatan yang dinyatakan. Ia bukan bahan habis pakai — satu blok yang diperakui biasanya menyokong beratus-ratus ukuran pengesahan apabila digunakan dengan betul.

Menurut ASTM E18 dan ISO 6508, blok rujukan mesti ditentukur pada mesin penyeragaman utama yang boleh dikesan ke institut metrologi kebangsaan (NIST di Amerika Syarikat, PTB di Jerman, dll.). Setiap blok dihantar dengan sijil yang menyatakan nilai kekerasan yang diperakui, ketidakpastian pengukuran dan bilangan lokasi ujian sah yang tinggal di permukaan blok.

Penggunaan Blok Rujukan yang Betul

Kesilapan biasa yang membatalkan ukuran blok rujukan termasuk ujian pada tepi chamfered, menggunakan semula tapak lekukan dalam zon pengecualian 3-inden-diameter dan ujian pada muka bawah (yang mempunyai keadaan tegasan baki yang berbeza daripada muka atas yang ditentukur). Hanya permukaan atas yang ditanda dengan jelas sah untuk ujian pengesahan.

Pengesahan harian hendaklah dilakukan dengan blok yang hampir kekerasannya dengan bahan yang diuji. Menggunakan blok 60 HRC untuk mengesahkan mesin yang akan menguji 25 bahagian HRC dibenarkan secara teknikal tetapi boleh dikatakan kurang sensitif terhadap ralat sistematik — tempat duduk andas, keadaan inden dan hanyutan sel beban — yang menjejaskan bacaan jarak pertengahan.

Blok hendaklah disimpan dalam bekas tertutup, jauh daripada kelembapan dan getaran, dan dikendalikan dengan sarung tangan kapas untuk mengelakkan kakisan permukaan yang digilap. Blok yang telah dijatuhkan, tercalar melalui zon aktifnya, atau menunjukkan pengoksidaan permukaan harus dihentikan daripada penggunaan penentukuran.

Apakah HK dalam Kekerasan? Knoop lwn. Vickers untuk Kerja Kekerasan Mikro

HK bermaksud Hardness Knoop , skala yang digunakan dalam ujian kekerasan mikro Knoop. Seperti Vickers (HV), Knoop menggunakan indenter piramid berlian dan pengukuran optik kesan yang terhasil — tetapi geometri berbeza secara asas. Inden Knoop menghasilkan lekukan rombohedral memanjang dengan nisbah pepenjuru 7.11:1, manakala Vickers menghasilkan lekukan hampir empat segi.

Perbezaan geometri ini mempunyai dua akibat praktikal yang penting:

• Kedalaman penembusan yang lebih cetek — inden Knoop adalah lebih kurang 1/30th daripada pepenjuru panjang dalam kedalaman, berbanding 1/7th untuk inden Vickers dengan panjang pepenjuru yang sama. Ini menjadikan Knoop lebih baik dengan ketara untuk salutan yang sangat nipis, seramik rapuh dan kaca di mana penembusan dalam akan menyebabkan keretakan atau pengaruh substrat.
• Kepekaan arah — bentuk memanjang boleh mendedahkan anisotropi kristalografi dalam kristal tunggal atau bahan bertekstur tinggi dengan memutarkan sampel berbanding paksi inden.

Knoop ialah kaedah pilihan di bawah ASTM E384 untuk ujian: karbida bersimen, kaca dikeraskan, lapisan galvanik nipis dan bahan yang retak di sekitar inden Vickers akan menjejaskan kesahihan pengukuran. Bagi kebanyakan aplikasi aloi keluli, aluminium dan kuprum, kekerasan mikro Vickers (HV 0.1 hingga HV 1) ialah pilihan lalai kerana geometrinya yang lebih ringkas dan kebolehtukaran terus kepada skala kekerasan lain.

Menukar Kekerasan Brinell kepada Kekuatan Tegangan Muktamad

Kekerasan Brinell (HBW) berkorelasi secara linear dengan kekuatan tegangan muktamad (UTS) untuk pelbagai jenis keluli dan besi tuang , menjadikannya salah satu penukaran kekerasan kepada kekuatan yang paling praktikal berguna dalam kejuruteraan. Hubungan itu timbul kerana kedua-dua sifat dikawal oleh rintangan struktur mikro bahan terhadap aliran plastik di bawah beban pekat.

Anggaran yang digunakan secara meluas untuk keluli karbon dan aloi rendah ialah:

UTS (MPa) ≈ 3.45 × HBW

Dalam unit biasa AS: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Pekali ini memegang cukup baik untuk keluli feritik, pearlitik dan martensit dalam julat 150–400 HBW. Ketepatan biasanya berada dalam ±7% untuk keluli karbon yang dinormalkan atau dipadamkan dan dibaja, yang mencukupi untuk pengesahan bahan dan tujuan pemeriksaan masuk.

Hubungan itu merosot dan tidak boleh digunakan tanpa data khusus bahan dalam kes berikut:

• Keluli tahan karat Austenit — tingkah laku pengerasan kerja berbeza dengan ketara daripada keluli ferit; pengganda lebih hampir kepada 3.3–3.55 dan berbeza mengikut aloi
• Aloi aluminium — pengganda berhampiran 3.6–3.8 sering disebut, tetapi serakan adalah tinggi merentasi keadaan suhu yang berbeza
• Besi tuang — morfologi grafit (serpihan vs. nodular) memperkenalkan pembolehubah mikrostruktur sekunder; jadual yang diterbitkan untuk besi mulur dan besi kelabu perlu dirujuk secara berasingan
• HBW > 400 — hubungan linear rosak; Penukaran Vickers atau Rockwell C melalui ASTM E140 lebih dipercayai pada tahap kekerasan yang tinggi

ASTM A370 dan EN ISO 18265 kedua-duanya menyediakan data penukaran kekerasan-ke-tegangan-kekuatan jadual dengan julat kebolehgunaan yang dinyatakan dan jangkaan ketidakpastian, dan hendaklah menjadi dokumen rujukan untuk sebarang penukaran kritikal spesifikasi.

Kekuatan Tegangan daripada Kekerasan Rockwell: Kaedah dan Had Penukaran

Anggarkan kekuatan tegangan daripada kekerasan Rockwell mengikut proses dua langkah: mula-mula tukar Rockwell kepada Brinell menggunakan jadual penukaran ASTM E140, kemudian gunakan perhubungan Brinell-to-UTS yang diterangkan di atas — atau gunakan jadual korelasi UTS langsung yang menggabungkan kedua-dua langkah.

Untuk keluli keras dalam julat HRC 20–65 , anggaran kesetaraan berikut menyediakan titik permulaan yang praktikal:

Di atas HRC 40 (~400 HBW), ujian Brinell itu sendiri tidak lagi sah kerana bola karbida 10 mm berubah bentuk secara elastik pada beban tinggi, menghasilkan keputusan yang tidak boleh dihasilkan semula. Dalam julat ini, Vickers atau Rockwell C adalah kaedah kekerasan yang betul , dan anggaran UTS harus merujuk jadual empirikal langsung untuk gred keluli khusus dan bukannya formula linear generik.

Untuk keputusan kejuruteraan yang melibatkan komponen kritikal keselamatan — bejana tekanan, pengikat struktur, aci engkol — nilai UTS terbitan kekerasan hendaklah dianggap sebagai data saringan sahaja. Ujian tegangan fizikal bagi setiap ASTM E8 atau ISO 6892 diperlukan untuk pensijilan asas reka bentuk.