Твердость — это не фундаментальное свойство материала, а измеренная реакция на конкретный метод вдавливания. Прямой практический ответ заключается в том, что Роквелл, Бринелль и Виккерс — это три различных теста на твердость при вдавливании, каждый из которых использует разные инденторы и нагрузки и дает значения в разных единицах или масштабах. . Роквелл использует измерение глубины и сообщает безразмерное число по таким шкалам, как HRC или HRB. Бринелл вдавливает твердосплавный шарик в поверхность и сообщает значение в HBW (кгс/мм²) . Викерс использует алмазную пирамиду и сообщает о твердости как ВН (также в кгс/мм²) , что делает его универсальным для любых задач: от тонких покрытий до сыпучих материалов. А универсальная машина для определения твердости объединяет эти методы в одном приборе, часто добавляя функцию определения твердости Мартенса по глубине. Единой единицы измерения твердости не существует; «Единица твердости» зависит от масштаба, а выбор между испытаниями зависит от типа материала, геометрии образца и требуемой конкретной информации.
Универсальная машина для определения твердости
A универсальный твердомер представляет собой единый прибор, предназначенный для выполнения нескольких стандартизированных методов измерения твердости, обычно по Роквеллу, Бринеллю и Виккерсу, путем замены инденторов, объективов и профилей нагрузки. Это устраняет необходимость в отдельных тестировщиках. Помимо традиционных оптических методов, передовые универсальные машины используют технологию определения глубины для измерения. Твердость по Мартенсу (ХМ) и модуль вдавливания в соответствии с ISO 14577. Это достигается путем записи непрерывной кривой силы-перемещения во время цикла вдавливания, обеспечивая параметры материала, эквивалентные высокоскоростному испытанию на сжатие. Например, современная универсальная машина может применять испытательные силы от от 1 гс до 3000 кгс , охватывающий микродиапазоны, малые нагрузки и макродиапазоны испытаний по Виккерсу, Бринеллю, Роквеллу и даже Кнупу и испытаниям пластмасс. Системы управления силой с обратной связью, часто с частотой дискретизации от 1 до 2 кГц , убедитесь, что скорость загрузки и время выдержки строго соответствуют таким стандартам, как ASTM E92 и ISO 6506.
Основы определения твердости по Роквеллу, Бринеллю и Виккерсу
Все три теста количественно определяют сопротивление материала остаточной пластической деформации, но они принципиально различаются геометрией индентора, приложением нагрузки и принципом измерения.
Испытание на твердость по Роквеллу
Метод Роквелла измеряет дифференциальная глубина проникновения индентора под предварительной небольшой нагрузкой, за которой следует большая нагрузка. Незначительная нагрузка (обычно 10 или 3 кгс) устанавливает исходное положение, компенсируя дефекты поверхности и упругую деформацию. Затем прикладывается и снимается основная нагрузка (60, 100 или 150 кгс) и измеряется постоянное увеличение глубины проникновения. Число твердости обратно пропорционально этой глубине и считывается непосредственно со циферблата или цифрового дисплея. А Значение Роквелл HRC 60. , например, соответствует глубине примерно 0,080 мм. Общие шкалы включают HRC (алмазный конус, 150 кгс) для закаленных сталей и HRB (шар 1/16 дюйма, 100 кгс) для более мягких сплавов. Главным преимуществом является скорость, так как результат получается за считанные секунды без оптического измерения.
Испытание на твердость по Бринеллю
В тесте Бринелля используется шариковый индентор из карбида вольфрама , обычно диаметром 10 мм, вдавливается в поверхность с большим испытательным усилием (обычно 3000 кгс для черных металлов). После снятия нагрузки диаметр постоянного оттиска измеряется оптически. Число твердости по Бринеллю (HBW) рассчитывается как приложенная нагрузка, деленная на сферическую площадь поверхности отпечатка. Типичный результат записывается как 350 ХВТ 10/3000 , что указывает на твердость по Бринеллю 350 при использовании шарика диаметром 10 мм и нагрузке 3000 кгс при времени выдержки от 10 до 15 секунд. Большой отпечаток усредняет локальные микроструктурные изменения, что делает Бринелль идеальным для отливок, поковок и материалов с крупнозернистой структурой. Он не подходит для очень твердых материалов (более 650 HBW) или тонких срезов, так как шарик может деформироваться или образец может быть поврежден.
Испытание на твердость по Виккерсу
В тесте Виккерса используется алмазный индентор в виде пирамиды с квадратной основой с углом при вершине 136 градусов. Принцип одинаков во всем диапазоне нагрузок: индентор вдавливается в образец с точной силой, а две диагонали полученного квадратного отпечатка измеряются оптически и усредняются. Твердость по Виккерсу выражается как ВН , за которым следует испытательная сила, например, в кгс 640 ХВ 30 . Единица твердости по Виккерсу технически кгс/мм² , но его условно выражают в виде безразмерного числа. Поскольку одна и та же форма индентора используется для усилий от 1 гс до 120 кгс, Викерс обладает уникальной способностью измерять твердость в различных масштабах: от тонкой фольги и цементированных слоев до сыпучих материалов, и результаты, как правило, не зависят от нагрузки, превышающей несколько сотен граммов силы.
Единицы измерения твердости для разных методов
Понятие «единица твердости» зависит от метода. Каждое испытание имеет свои собственные правила отчетности, и значения не могут быть перенесены напрямую без таблиц преобразования, определенных ASTM E140 и ISO 18265. В таблице ниже поясняются структуры единиц и шкалы для основных методов испытаний.
| Метод испытания | Символ | Физическая единица | Пример обозначения |
|---|---|---|---|
| Роквелл | HR-шкала | Безразмерный | 60 HRС |
| Бринелл | HBW | кгс/мм² | 350 ХВТ 10/3000 |
| Викерс | ВН | кгс/мм² | 640 ХВ 30 |
| Кнуп | Гонконг | кгс/мм² | 1000 гонконгских крон 0,1 |
| Мартенс (Универсал) | HM | Н/мм² | 4500 ЧМ 0,5/20/15 |
Комплексное сравнение трех методов
Различия между испытаниями на твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу не только процедурные; они определяют, какой метод подходит для данной промышленной задачи. В следующей таблице представлено прямое сравнение, ориентированное на приложение.
| Особенность | Роквелл | Бринелл | Викерс |
|---|---|---|---|
| Индентор | Алмазный конус или твердосплавный шар | Твердосплавный шарик 10 мм (или 5/2,5 мм) | Алмазная пирамида (136 град.) |
| Измерение | Глубина проникновения | Диаметр отпечатка | Диагональ впечатления |
| Скорость | Очень быстро (3-5 секунд) | Медленный (30 секунд оптический) | От умеренного до медленного |
| Пригодность | ОК производства, закаленные стали, сплавы | Отливки, поковки, крупнозернистые металлы | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Ключевое ограничение | Не для тонких или цементированных слоев. | Не выше 650 HBW; большая площадь поражения | Медленно, качество поверхности критично |
Что такое Виккерс Испытание на твердость Используется для
Испытание на твердость по Виккерсу является предпочтительным методом, когда одна шкала твердости должна охватывать весь диапазон твердости материала изделия. Его основные приложения включают в себя глубинный анализ науглероженных или азотированных сталей , где серия микровыемок от края поверхности до сердцевины отображает градиент твердости. Типичная спецификация, например ВН 550 at a case depth of 0.5 mm , можно проверить только с помощью траверсы микротвердости Виккерса. Тест также необходим для квалификационные сварные швы , где зона термического влияния, основной металл и металл сварного шва имеют разные свойства, а небольшой индентор может изолировать эти области. В исследованиях и разработках метод Виккерса используется для определения характеристик керамики, композитов и тонкопленочных покрытий, где другие инденторы могут разбиться или занять слишком большую площадь. Например, твердое покрытие TiN толщиной 3 микрона можно надежно протестировать при 0,025 кгс (25 гс) , создавая углубление глубиной примерно 0,5 микрона без влияния подложки.
Вебстер против твердости по Роквеллу
Твердомер Вебстера — это портативный прибор с прямым считыванием, в котором применяется специальный метод вдавливания. Она не является прямым эквивалентом конкретной шкалы Роквелла, но Значения твердости по Вебстеру эмпирически коррелируют со шкалами Роквелла B и Роквелла H для алюминиевых сплавов. . Например, шкала Вебстера B охватывает примерно от ВБ от 0 до ВБ 20 , что соответствует примерно от 25 до 100 HRB для алюминиевых профилей и листов. Преимущество тестера Webster заключается в его портативности и способности тестировать большие узлы, теплообменники и конструкции самолетов, которые невозможно перенести на стендовый тестер Rockwell. Однако корреляция зависит от материала. Тестер Webster, откалиброванный по алюминию 6061-T6, не даст точных эквивалентов Rockwell для 7075 или других металлов. Для точной сертификации материала необходимы стендовые испытания по Роквеллу или Бринеллю, при этом прибор Webster служит удобным инструментом проверки в полевых условиях.
Как выбрать правильный тест на твердость для вашего применения
Выбор теста зависит от типа материала, геометрии образца, объема производства и необходимой информации. Следующая логика принятия решений, основанная на практических промышленных сценариях, представляет собой конструктивное руководство.
- Для крупных отливок или поковок с крупной микроструктурой. , выберите тест Бринеля. Отпечаток шарика диаметром 10 мм усредняет границы зерен и фазовые изменения, давая объемную твердость, отражающую общие механические свойства компонента. Стандартное испытание при 3000 кгс с шариком диаметром 10 мм является стандартным для чугунных и стальных отливок.
- Для контроля качества обрабатываемых деталей при крупносерийном производстве. , Роквелл - это эталон. Трехсекундное испытание HRC позволяет поддерживать индекс технологических возможностей линии термообработки, не создавая узких мест. Используйте HRC для закаленных сталей с твердостью выше 20 HRC и HRB для более мягких сплавов цветных металлов.
- Для закаленных, тонких или покрытых компонентов , микро-Виккерс — единственный подходящий выбор. Нагрузка 500 гс или 1 кгс и индентор Кнупа или Виккерса позволяют измерить градиент от сердечника к корпусу без прохождения отпечатка через закаленный слой.
- Для сварных швов, соединений и зон термического влияния Испытания с низким усилием по Виккерсу или Кнупу (1–5 кгс) позволяют выявить изменения твердости в узкой полосе границы раздела сварных швов, что имеет решающее значение для предотвращения водородного растрескивания или образования хрупкой фазы.
- Когда необходимы свойства материала, выходящие за рамки одного числа твердости Универсальный твердомер в режиме Мартенса обеспечивает определение твердости при вдавливании, модуля упругости, ползучести и релаксации в ходе одного инструментального испытания на вдавливание, что ценно при разработке полимеров, керамики и современных материалов.
Преобразование между шкалами твердости
Преобразования шкалы твердости являются приблизительными, и ответственной практикой является используйте их только для сравнения, а не для спецификации . Соотношение преобразования между Бринеллем, Роквеллом и Виккерсом зависит от поведения материала при наклепе, поэтому таблица преобразования ASTM E140 для аустенитной нержавеющей стали будет отличаться от таблицы для углеродистой и низколегированной стали. В качестве практического примера: типичная углеродистая сталь с 640 ХВ 30 соответствует примерно 56 HRC и 600 HBW . Однако для полностью упрочненной аустенитной нержавеющей стали те же 56 HRC могут соответствовать только 250 HBW. Если спецификация требует отчета в определенном масштабе, тест должен выполняться непосредственно в этом масштабе. Универсальная машина для определения твердости позволяет минимизировать эту неопределенность, выполняя испытание требуемым методом, не прибегая к переоборудованию.
