Ujian Kekerasan Rockwell Brinell Vickers: Kaedah, Penukaran & Alat

Rockwell, Brinell, dan Vickers: Memahami Tiga Kaedah Pengujian Kekerasan Utama

Ujian kekerasan mengukur rintangan bahan terhadap ubah bentuk kekal di bawah beban yang ditetapkan. Tiga kaedah dominan - Rockwell, Brinell dan Vickers - masing-masing menggunakan geometri indentor, julat beban dan pendekatan pengukuran yang berbeza, menjadikannya sesuai untuk bahan dan aplikasi yang berbeza.

Kekerasan Rockwell (HR) menggunakan pramuat kecil diikuti dengan beban utama, kemudian mengukur kedalaman bersih lekukan. Hasilnya dibaca terus dari paparan dail atau digital tanpa sebarang ukuran optik, menjadikannya kaedah terpantas untuk ujian tingkat pengeluaran. Ia menggunakan pelbagai skala — HRC untuk keluli keras, HRB untuk logam yang lebih lembut, HRA untuk karbida — masing-masing ditakrifkan oleh gabungan inden dan beban tertentu.

Kekerasan Brinell (HB atau HBW) menekan bola keluli atau tungsten karbida yang dikeraskan ke permukaan di bawah beban tetap, biasanya 3,000 kgf untuk keluli dan besi tuang. Diameter lekukan diukur secara optikal, dan nombor HB dikira daripada beban yang dikenakan dibahagikan dengan luas permukaan melengkung lekuk. Oleh kerana indennya agak besar, purata Brinell kurang sensitif terhadap variasi mikrostruktur tempatan, menjadikannya lebih disukai untuk bahan berbutir kasar seperti tuangan dan penempaan.

Kekerasan Vickers (HV) menggunakan indentor piramid berlian berasaskan segi empat sama dengan sudut muka 136° pada beban antara di bawah 1 gf (micro-Vickers) hingga 120 kgf (makro-Vickers). Kedua-dua pepenjuru inden segi empat sama diukur dan dipuratakan. Nombor HV dikira menggunakan beban dibahagikan dengan luas permukaan sentuhan tera. Vickers ialah kaedah yang paling serba boleh: ia digunakan untuk salutan nipis, lapisan yang dikeraskan kes, kimpalan zon terjejas haba, dan bahan pukal yang sama, semuanya pada skala berterusan tunggal.

Penukaran Kekerasan Vickers kepada Rockwell: Cara Ia Berfungsi dan Di Mana Ia Kurang

Menukar kekerasan Vickers kepada kekerasan Rockwell — dan sebaliknya — adalah keperluan yang kerap apabila lukisan kejuruteraan menentukan satu skala tetapi peralatan ujian yang tersedia menggunakan yang lain. Rujukan yang paling diterima ramai ialah ASTM E140 , yang menyediakan jadual penukaran piawai untuk pelbagai bahan ferus dan bukan ferus.

Untuk keluli yang dikeraskan dalam julat yang biasa digunakan dalam perkakasan dan aplikasi struktur, perhubungan anggarannya ialah:

• HV 940 ≈ HRC 68 (berhampiran had atas skala Rockwell C)
• HV 800 ≈ HRC 65
• HV 600 ≈ HRC 57
• HV 400 ≈ HRC 41
• HV 200 ≈ HRB 93 (peralihan kepada skala B untuk bahan yang lebih lembut)
• HV 100 ≈ HRB 56

Penukaran ini membawa kaveat penting: mereka adalah khusus bahan . Nisbah ubah bentuk anjal-ke-plastik berbeza antara keluli karbon, keluli tahan karat, aloi aluminium dan titanium. Penukaran Vickers-to-Rockwell yang sah untuk keluli karbon akan menghasilkan ralat apabila digunakan pada tahan karat austenit atau aloi super nikel. ASTM E140 menyediakan lajur berasingan untuk keluarga bahan yang berbeza dengan tepat atas sebab ini.

Had tambahan timbul secara ekstrem: skala Rockwell C hanya boleh dipercayai antara HRC 20 dan HRC 70. Nilai di luar julat ini harus diukur pada skala yang lebih sesuai (HRA untuk bahan yang sangat keras melebihi HRC 70, HRB untuk bahan yang lebih lembut di bawah HRC 20) atau dilaporkan terus dalam HV tanpa penukaran.

Untuk pemeriksaan kimpalan dan persekitaran terkawal kualiti, nilai yang ditukar hendaklah sentiasa dibenderakan seperti yang dianggarkan. Pengukuran langsung pada skala yang dimaksudkan adalah satu-satunya cara untuk mendapatkan hasil yang boleh dikesan dan mematuhi spesifikasi.

Penyediaan Sampel Metalurgi: Asas Data Kekerasan Boleh Dipercayai

Ujian kekerasan hanya setepat permukaan yang diukur. Penyediaan sampel yang lemah menimbulkan ralat yang tidak dapat diperbetulkan oleh penentukuran instrumen. Ini terutama berlaku untuk kaedah Vickers dan Brinell, di mana pengukuran adalah optik dan pemantulan permukaan secara langsung mempengaruhi ketepatan bacaan pepenjuru atau diameter.

Pembahagian

Langkah pertama ialah menghasilkan keratan rentas yang rata dan mewakili. A mesin pemotong ketepatan (juga dikenali sebagai gergaji pemotong yang kasar atau berlian) digunakan untuk memotong bahan kerja dengan input haba yang minimum dan ubah bentuk mekanikal. Pemotongan kesat — menggunakan bilah yang kusam, kadar suapan yang berlebihan atau penyejuk yang tidak mencukupi — menyebabkan lapisan permukaan yang cacat atau terjejas haba yang menaikkan atau menekan bacaan kekerasan secara buatan. Untuk pemotongan gred metalurgi, bilah wafer berlian dengan penyejukan air berterusan adalah standard untuk keluli keras dan karbida, manakala roda pemotong aluminium oksida terikat resin sesuai dengan logam struktur yang lebih lembut.

Pemasangan dan Pengisaran

Selepas pembahagian, sampel biasanya dipasang dalam termoset atau resin epoksi penawar sejuk untuk membolehkan pengendalian selamat semasa mengisar dan menggilap. Lekapan pengekalan tepi ditentukan apabila kecerunan kekerasan dekat permukaan — seperti kedalaman kotak atau antara muka salutan — mesti diukur tanpa pembundaran tepi.

Pengisaran mengikut urutan daripada kertas kasar SiC yang lebih kasar kepada yang lebih halus (biasanya 120 → 320 → 600 → 1200 grit), dengan sampel diputar 90° antara setiap langkah untuk menghilangkan calar dari arah sebelumnya. Setiap peringkat mesti membuang sepenuhnya ubah bentuk yang diperkenalkan oleh yang sebelumnya.

Menggilap

Penggilapan akhir menggunakan penggantungan berlian 3 µm dan 1 µm pada kain napped, menghasilkan kemasan cermin tanpa calar. Untuk kekerasan mikro Vickers, a Kemasan silika koloid 0.25 µm selalunya ditentukan untuk meminimumkan ralat pemantulan permukaan apabila mengukur lekukan kecil pada beban rendah. Permukaan yang digilap mestilah bebas daripada pelepasan, calitan, dan pitting sebelum ujian bermula.

Alat Pengujian Kekerasan dan Kriteria Pemilihan Mereka

Memilih alat ujian kekerasan yang betul melibatkan pemadanan julat beban instrumen dan jenis inden dengan ketebalan bahan, julat kekerasan yang dijangkakan dan resolusi spatial yang diperlukan.

• Penguji Rockwell atas bangku — pilihan standard untuk pemeriksaan masuk dan pengesahan rawatan haba bagi komponen keluli pukal. Aplikasi beban adalah bermotor dan konsisten, dan model digital moden menyimpan rekod ujian untuk penyepaduan SPC. Kaedah Rockwell tidak boleh digunakan pada stok nipis (biasanya di bawah 1 mm untuk HRC) kerana kedalaman inden menghampiri ketebalan bahan, melanggar peraturan ketebalan minimum.
• Penguji kekerasan mikro Vickers / Knoop — digunakan untuk kerajang nipis, salutan saduran elektrik, permukaan yang dikeraskan resapan, dan fasa individu dalam struktur mikro. Julat beban biasanya 1 gf hingga 1 kgf. Mikroskop optik bersepadu memaparkan inden untuk pengukuran pepenjuru, selalunya dengan analisis imej automatik untuk mengurangkan kebolehubahan pengendali.
• Penguji kekerasan lantunan mudah alih (Leeb). — suited for large, installed components that cannot be brought to a laboratory. Badan hentaman yang dipacu spring mengenai permukaan; nisbah lantunan kepada halaju hentaman memberikan nilai Leeb (HL), yang kemudiannya ditukar kepada HRC, HB atau HV. Ketepatan bergantung pada kemasan permukaan, jisim, dan geometri bahan kerja.
• Penguji impedans sentuhan ultrasonik (UCI). — gunakan berlian Vickers pada batang bergetar; anjakan frekuensi apabila sentuhan berkorelasi dengan kekerasan. Instrumen UCI amat berguna untuk mengukur lapisan dan salutan yang dikeraskan kes nipis di situ tanpa kerosakan permukaan yang boleh dilihat dengan mata kasar.

Tidak kira jenis instrumen, penentukuran tetap terhadap blok rujukan yang diperakui (boleh dikesan kepada piawaian kebangsaan seperti NIST atau PTB) diperlukan untuk mengekalkan keyakinan pengukuran. Blok rujukan hendaklah menjangkau julat kekerasan bahagian pengeluaran yang dijangkakan.

Pemeriksaan Kimpalan Keluli Karbon: Ujian Kekerasan di Zon Terjejas Haba

Kekerasan merentasi kimpalan adalah antara aplikasi ujian Vickers yang paling kritikal dalam fabrikasi struktur. Apabila keluli karbon dikimpal, zon terjejas haba (HAZ) mengalami kitaran haba yang pantas. Dalam keluli dengan setara karbon (CE) yang mencukupi, ini boleh menghasilkan martensit — struktur mikro yang keras dan rapuh yang meningkatkan kekerasan HAZ dengan ketara di atas logam asas dan meningkatkan kerentanan kepada keretakan akibat hidrogen (HIC).

Kriteria penerimaan industri biasanya mengehadkan kekerasan HAZ kepada maksimum 350 HV10 untuk kimpalan keluli struktur am (mengikut panduan EN ISO 15614-1 dan AWS D1.1), dan untuk 250–300 HV10 untuk aplikasi luar pesisir, perkhidmatan masam atau keliatan tinggi. Melebihi ambang ini ialah syarat kehilangan kelayakan yang memerlukan semakan prapanas, suhu interpass dan prosedur kimpalan.

Lintasan kekerasan kimpalan standard melibatkan satu siri lekukan Vickers pada jarak yang ditentukan - biasanya 0.5 mm atau 1 mm dipisahkan - berjalan dari logam kimpal melalui garisan gabungan, merentasi HAZ, dan ke dalam logam asas yang tidak terjejas. Lintasan dijalankan pada keratan rentas yang disediakan secara metalografi, terukir dengan 2–5% Nital untuk mendedahkan sempadan gabungan sebelum peletakan lekukan. Lokasi pengukuran utama termasuk HAZ berbutir kasar bersebelahan dengan garis gabungan, di mana pembentukan martensit berkemungkinan besar.

Untuk hantaran akar dan kimpalan jurang sempit, mikro-Vickers pada HV1 atau HV0.5 mungkin diperlukan untuk mencapai resolusi spatial yang mencukupi dalam HAZ, yang boleh menjadi sempit seperti 0.2-0.5 mm dalam beberapa proses input haba tinggi. Pilihan beban ujian secara langsung mempengaruhi saiz inden dan oleh itu lebar zon boleh diukur minimum — HV10 menghasilkan inden kira-kira 0.3–0.4 mm pada 300 HV , manakala HV1 mengurangkan ini kepada kira-kira 0.1 mm.

Mesin Pemotong Ketepatan dalam Penyediaan Sampel Metalografik

Mesin pemotong ketepatan ialah pintu masuk setiap aliran kerja metalografik. Fungsi utamanya ialah untuk menghasilkan keratan rentas yang rata dan diminimumkan kerosakan yang mewakili kawasan yang diminati dengan tepat — sama ada HAZ kimpalan, permukaan yang dikeraskan kotak atau antara muka salutan.

Dua kategori utama wujud dalam penggunaan makmal:

• Gergaji potong yang kasar — gunakan roda berikat resin boleh guna dan sesuai untuk daya pengeluaran. Pemilihan roda (aluminium oksida untuk keluli dan besi tuang, silikon karbida untuk bukan ferus, CBN untuk keluli alat yang dikeraskan) dan kadar aliran penyejuk adalah parameter proses utama. Tanda terbakar atau kebiruan pada permukaan yang dipotong menunjukkan haba yang berlebihan dan memerlukan suapan yang lebih perlahan atau pemilihan roda yang segar.
• Gergaji wafer berlian — gunakan bilah berlian berikat logam atau resin pada kelajuan rendah dengan penyejuk minyak. Ia menghasilkan lapisan ubah bentuk terendah (biasanya di bawah 5 µm) dan penting untuk seramik rapuh, komponen elektronik, dan sampel di mana struktur mikro yang utuh mesti dipelihara dalam mikron permukaan potongan.

Spesifikasi utama semasa memilih pemotong ketepatan untuk penyediaan ujian kekerasan termasuk diameter maksimum bahan kerja, daya pengapit chuck, julat RPM bilah, dan kaedah penghantaran penyejuk . Kawalan suapan automatik — di mana gergaji maju pada daya malar dan bukannya kadar tetap — mengurangkan kebolehubahan pengendali kepada pengendali dengan ketara dan memanjangkan hayat bilah.

Untuk sampel pemeriksaan kimpalan khususnya, pemotong mesti menampung geometri yang tidak teratur (sendi-T, bahagian paip, pelapisan tindanan) dengan lekapan yang stabil. Pengapitan yang tidak stabil menyebabkan tanda sembang akibat getaran yang merebak jauh ke dalam sampel, mewujudkan lapisan cacat yang tidak boleh dikeluarkan sepenuhnya dalam langkah pengisaran berikutnya tanpa penyingkiran stok yang berlebihan.