Kekerasan bukanlah sifat bahan asas tetapi tindak balas yang diukur kepada kaedah lekukan tertentu. Jawapan praktikal langsung ialah itu Rockwell, Brinell, dan Vickers ialah tiga ujian kekerasan lekukan yang berbeza, setiap satu menggunakan inden dan beban yang berbeza, dan menghasilkan nilai dalam unit atau skala yang berbeza . Rockwell menggunakan ukuran kedalaman dan melaporkan nombor tanpa dimensi pada skala seperti HRC atau HRB. Brinell menekan bola karbida ke permukaan dan melaporkan nilai masuk HBW (kgf/mm²) . Vickers menggunakan piramid berlian dan melaporkan kekerasan sebagai HV (juga dalam kgf/mm²) , menjadikannya serba boleh untuk segala-galanya daripada salutan nipis kepada bahan pukal. A mesin ujian kekerasan sejagat menyepadukan kaedah ini ke dalam satu instrumen, selalunya menambah keupayaan kekerasan Martens pengesan mendalam. Tiada unit pengukuran kekerasan tunggal; "unit untuk kekerasan" bergantung pada skala, dan pilihan antara ujian bergantung pada jenis bahan, geometri sampel dan maklumat khusus yang diperlukan.
Mesin Pengujian Kekerasan Sejagat
A penguji kekerasan universal ialah instrumen tunggal yang direka bentuk untuk melaksanakan pelbagai kaedah ujian kekerasan piawai, biasanya Rockwell, Brinell, dan Vickers, dengan menukar indentor, kanta objektif dan profil pemuatan. Ini menghapuskan keperluan untuk penguji khusus yang berasingan. Di luar kaedah optik tradisional, mesin universal canggih menggunakan teknologi pengesan kedalaman untuk mengukur Kekerasan Martens (HM) dan modulus lekukan mengikut ISO 14577. Ini dicapai dengan merekodkan lengkung anjakan daya berterusan semasa kitaran lekukan, memberikan parameter bahan yang setara dengan ujian mampatan berkelajuan tinggi. Mesin universal moden, misalnya, boleh menggunakan daya ujian daripada 1 gf hingga 3000 kgf , meliputi julat mikro, beban rendah dan makro untuk Vickers, Brinell, Rockwell, dan juga Knoop dan ujian plastik. Sistem kawalan daya gelung tertutup, selalunya dengan kadar persampelan sebanyak 1 hingga 2 kHz , pastikan kadar pemuatan dan masa tinggal mematuhi piawaian seperti ASTM E92 dan ISO 6506 dengan ketat.
Asas Ujian Kekerasan Rockwell, Brinell dan Vickers
Ketiga-tiga ujian mengukur rintangan bahan terhadap ubah bentuk plastik kekal, tetapi ia berbeza secara asas dalam geometri inden, aplikasi beban dan prinsip pengukuran.
Ujian Kekerasan Rockwell
Kaedah Rockwell mengukur perbezaan kedalaman penembusan daripada indentor di bawah beban kecil awal diikuti dengan beban utama. Beban kecil (biasanya 10 kgf atau 3 kgf) menetapkan kedudukan rujukan, menyerap ketidaksempurnaan permukaan dan ubah bentuk elastik. Beban utama (60, 100, atau 150 kgf) kemudiannya digunakan dan dikeluarkan, dan peningkatan kekal dalam kedalaman penembusan diukur. Nombor kekerasan berkait songsang dengan kedalaman ini dan dibaca terus daripada paparan dail atau digital. A Nilai Rockwell HRC sebanyak 60 , sebagai contoh, sepadan dengan kedalaman kira-kira 0.080 mm. Skala biasa termasuk HRC (kon berlian, 150 kgf) untuk keluli keras dan HRB (bola 1/16 inci, 100 kgf) untuk aloi yang lebih lembut. Kelebihan utama adalah kelajuan, kerana hasilnya diperoleh dalam beberapa saat tanpa pengukuran optik.
Ujian Kekerasan Brinell
Ujian Brinell menggunakan a indentor bebola tungsten karbida , biasanya berdiameter 10 mm, ditekan ke permukaan dengan daya ujian yang tinggi (biasanya 3000 kgf untuk logam ferus). Selepas mengeluarkan beban, diameter tera kekal diukur secara optik. Nombor kekerasan Brinell (HBW) dikira sebagai beban yang dikenakan dibahagikan dengan luas permukaan sfera lekukan. Hasil tipikal ditulis sebagai 350 HBW 10/3000 , menunjukkan kekerasan Brinell 350 menggunakan bola 10 mm dan beban 3000 kgf untuk masa tinggal 10 hingga 15 saat. Lekukan besar meratakan variasi mikrostruktur tempatan, menjadikan Brinell sesuai untuk tuangan, penempaan dan bahan dengan struktur butiran kasar. Ia tidak sesuai untuk bahan yang sangat keras (melebihi 650 HBW) atau bahagian nipis, kerana bola mungkin berubah bentuk atau sampel mungkin rosak.
Ujian Kekerasan Vickers
Ujian Vickers menggunakan a indenter piramid berasaskan persegi berlian dengan sudut puncak 136 darjah. Prinsipnya adalah sama di seluruh julat beban: inden ditekan ke dalam sampel di bawah daya yang tepat, dan dua pepenjuru kesan persegi yang terhasil diukur secara optik dan purata. Kekerasan Vickers dilaporkan sebagai HV , diikuti dengan daya ujian dalam kgf, sebagai contoh 640 HV 30 . Unit untuk kekerasan Vickers secara teknikalnya kgf/mm² , tetapi ia secara konvensional dinyatakan sebagai nombor tanpa dimensi. Oleh kerana bentuk inden yang sama digunakan untuk daya dari 1 gf hingga 120 kgf, Vickers secara unik mampu mengukur kekerasan merentasi skala, daripada kerajang nipis dan lapisan yang dikeraskan kotak kepada bahan pukal, dan hasilnya secara amnya tidak bergantung pada beban melebihi beberapa ratus gram daya.
Unit Pengukuran Kekerasan Merentas Kaedah
Konsep "unit kekerasan" adalah khusus kaedah. Setiap ujian mempunyai konvensyen pelaporan sendiri, dan nilai tidak boleh dipindahkan secara langsung tanpa jadual penukaran yang ditakrifkan oleh ASTM E140 dan ISO 18265. Jadual di bawah menjelaskan struktur unit dan skala untuk kaedah ujian utama.
| Kaedah Ujian | Simbol | Unit Fizikal | Contoh Jawatan |
|---|---|---|---|
| Rockwell | Skala HR | tidak berdimensi | 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 |
Perbandingan Komprehensif Tiga Kaedah
Perbezaan antara ujian kekerasan Brinell, Rockwell, dan Vickers bukan sekadar prosedur; mereka menentukan kaedah yang sesuai untuk tugas industri yang diberikan. Jadual berikut menyediakan perbandingan langsung, berorientasikan aplikasi.
| Ciri | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| Indentor | Kon berlian atau bola karbida | Bebola karbida 10 mm (atau 5/2.5 mm) | Piramid berlian (136 darjah) |
| Pengukuran | Kedalaman penembusan | Diameter kesan | Diagonal kesan |
| Kelajuan | Sangat pantas (3-5 saat) | Perlahan (30 saat optik) | Sederhana hingga perlahan |
| Kesesuaian | QA pengeluaran, keluli keras, aloi | Tuangan, penempaan, logam berbutir kasar | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Had Utama | Bukan untuk lapisan nipis atau keras | Tidak melebihi 650 HBW; kawasan kerosakan yang besar | Perlahan, kemasan permukaan kritikal |
Apa Itu Vickers Ujian Kekerasan Digunakan Untuk
Ujian kekerasan Vickers ialah kaedah pilihan apabila skala kekerasan tunggal mesti meliputi julat penuh kekerasan bahan produk. Aplikasi utamanya termasuk analisis kedalaman kes bagi keluli berkarburasi atau nitrid , di mana satu siri lekukan mikro dari tepi permukaan ke teras memetakan kecerunan kekerasan. Spesifikasi tipikal, seperti HV 550 pada kedalaman kotak 0.5 mm , hanya boleh disahkan dengan lintasan kekerasan mikro Vickers. Ujian juga penting untuk kimpalan yang layak , di mana zon terjejas haba, logam asas, dan logam kimpalan masing-masing mempunyai sifat yang berbeza, dan indentor kecil boleh mengasingkan kawasan ini. Dalam penyelidikan dan pembangunan, Vickers digunakan untuk mencirikan seramik, komposit dan salutan filem nipis di mana indentor lain akan berkecai atau memerlukan jejak yang terlalu besar. Sebagai contoh, lapisan keras TiN setebal 3 mikron boleh diuji dengan pasti pada 0.025 kgf (25 gf) , menghasilkan lekukan kira-kira 0.5 mikron dalam, tanpa pengaruh daripada substrat.
Kekerasan Webster lwn Rockwell
Penguji kekerasan Webster ialah alat mudah alih, bacaan langsung yang menggunakan kaedah lekukan tertentu. Ia tidak setara secara langsung dengan skala Rockwell tertentu, tetapi Nilai kekerasan Webster dikaitkan secara empirik dengan skala Rockwell B dan Rockwell H untuk aloi aluminium . Skala Webster B, misalnya, meliputi kira-kira dari WB 0 hingga WB 20 , yang sepadan dengan kira-kira 25 hingga 100 HRB untuk penyemperitan aluminium dan kepingan. Kelebihan penguji Webster terletak pada kemudahalihan dan keupayaannya untuk menguji pemasangan besar, penukar haba dan struktur pesawat yang tidak boleh dibawa ke penguji Rockwell bangku. Walau bagaimanapun, korelasi adalah khusus bahan. Penguji Webster yang ditentukur untuk aluminium 6061-T6 tidak akan memberikan kesetaraan Rockwell yang tepat untuk 7075 atau untuk logam lain. Untuk pensijilan bahan yang tepat, ujian bangku Rockwell atau Brinell diperlukan, dengan Webster berfungsi sebagai alat penyaringan medan yang mudah.
Cara Memilih Ujian Kekerasan yang Betul untuk Aplikasi Anda
Pilihan ujian didorong oleh jenis bahan, geometri sampel, jumlah pengeluaran, dan maklumat yang diperlukan. Logik keputusan berikut, berdasarkan senario industri praktikal, menyediakan panduan yang membina.
- Untuk tuangan besar atau penempaan dengan struktur mikro kasar , pilih ujian Brinell. Lekukan bola 10 mm purata sempadan butiran dan variasi fasa, memberikan kekerasan pukal mewakili sifat mekanikal keseluruhan komponen. Ujian standard pada 3000 kgf dengan bola 10 mm adalah lalai untuk tuangan besi dan keluli.
- Untuk kawalan kualiti pengeluaran volum tinggi bahagian mesin , Rockwell adalah standard. Ujian HRC selama 3 saat boleh mengekalkan indeks keupayaan proses garis rawatan haba tanpa menimbulkan kesesakan. Gunakan HRC untuk keluli keras melebihi 20 HRC dan HRB untuk aloi bukan ferus yang lebih lembut.
- Untuk komponen yang dikeraskan, nipis atau bersalut , micro-Vickers adalah satu-satunya pilihan yang sesuai. Beban 500 gf atau 1 kgf dan inden Knoop atau Vickers boleh mengukur kecerunan teras ke huruf besar tanpa lekukan memanjang melalui lapisan yang mengeras.
- Untuk kimpalan, sambungan dan zon terjejas haba , Ujian daya rendah Vickers atau Knoop (1-5 kgf) boleh menyelesaikan variasi kekerasan merentasi jalur sempit antara muka kimpalan, yang penting untuk mengelakkan keretakan hidrogen atau pembentukan fasa rapuh.
- Apabila sifat bahan melebihi satu nombor kekerasan diperlukan , penguji kekerasan sejagat dalam mod Martens memberikan kekerasan lekukan, modulus elastik, rayapan dan kelakuan kelonggaran daripada ujian lekukan berinstrumen tunggal, yang berharga untuk pembangunan polimer, seramik dan bahan termaju.
Menukar Antara Skala Kekerasan
Penukaran skala kekerasan adalah anggaran, dan amalan yang bertanggungjawab adalah untuk gunakannya untuk perbandingan sahaja, tidak sekali-kali untuk spesifikasi . Hubungan penukaran antara Brinell, Rockwell dan Vickers bergantung pada tingkah laku pengerasan kerja bahan, jadi jadual penukaran ASTM E140 untuk keluli tahan karat austenit akan berbeza daripada untuk keluli karbon dan aloi rendah. Sebagai contoh praktikal, keluli karbon biasa dengan 640 HV 30 sepadan dengan kira-kira 56 HRC dan 600 HBW . Walau bagaimanapun, untuk keluli tahan karat austenit yang dikeraskan sepenuhnya, 56 HRC yang sama mungkin sepadan dengan hanya 250 HBW. Apabila spesifikasi memerlukan pelaporan dalam skala tertentu, ujian mesti dilakukan secara langsung dalam skala tersebut. Mesin ujian kekerasan universal boleh meminimumkan ketidakpastian ini dengan melakukan ujian dalam kaedah yang diperlukan tanpa menggunakan penukaran.
