Роквелл, Бринелль и Викерс: понимание трех основных методов измерения твердости
При испытании на твердость измеряется устойчивость материала к остаточной деформации при определенной нагрузке. Три доминирующих метода — Роквелла, Бринелля и Виккерса — каждый используют разную геометрию индентора, диапазон нагрузки и подход к измерению, что делает их подходящими для разных материалов и применений.
Твердость по Роквеллу (HR) применяет небольшую предварительную нагрузку, за которой следует большая нагрузка, затем измеряет чистую глубину вмятины. Результат считывается непосредственно со циферблата или цифрового дисплея без каких-либо оптических измерений, что делает этот метод самым быстрым методом тестирования на производстве. Он использует несколько шкал — HRC для твердых сталей, HRB для более мягких металлов, HRA для карбидов — каждая из которых определяется определенной комбинацией индентора и нагрузки.
Твердость по Бринеллю (HB или HBW) вдавливает шарик из закаленной стали или карбида вольфрама в поверхность под фиксированной нагрузкой, обычно 3000 кгс для стали и чугуна. Диаметр отпечатка измеряется оптически, а число HB рассчитывается путем деления приложенной нагрузки на площадь изогнутой поверхности отпечатка. Поскольку отступ относительно большой, усреднение по Бринеллю менее чувствительно к локальным изменениям микроструктуры, что делает его предпочтительным для крупнозернистых материалов, таких как отливки и поковки.
Твердость по Виккерсу (HV) использует индентор с алмазной пирамидой с квадратным основанием и углом торца 136° при нагрузках от менее 1 гс (микро-Виккерс) до 120 кгс (макро-Виккерс). Обе диагонали квадратного отступа измеряются и усредняются. Число HV рассчитывается путем деления нагрузки на площадь контактной поверхности отпечатка. Метод Виккерса является наиболее универсальным: он применяется к тонким покрытиям, цементируемым слоям, зонам термического влияния сварных швов и сыпучим материалам в едином непрерывном масштабе.
| Метод | Индентор | Измерение | Лучшее для |
|---|---|---|---|
| Роквелл | Алмазный конус или стальной шар | Глубина отступа | Быстрые производственные испытания закаленной стали |
| Бринелл | Шарик из карбида вольфрама (ø1–10 мм) | Диаметр отпечатка (оптический) | Отливки, поковки, крупнозернистые сплавы |
| Викерс | Алмазная пирамида (136°) | Длина диагонали (оптическая) | Тонкие покрытия, сварные швы, микротвердость |
Преобразование твердости по Виккерсу в Роквелл: как оно работает и где его не хватает
Преобразование твердости по Виккерсу в твердость по Роквеллу — и наоборот — является частым требованием, когда в технических чертежах указан один масштаб, а на имеющемся испытательном оборудовании используется другой. Наиболее широко распространенной ссылкой является АСТМ Е140 , который предоставляет стандартизированные таблицы преобразования для различных черных и цветных металлов.
Для закаленной стали в диапазоне, обычно используемом в инструментах и конструкциях, приблизительные соотношения следующие:
- HV 940 ≈ HRC 68 (около верхнего предела шкалы Роквелла C)
- ВН 800 ≈ HRC 65
- ВН 600 ≈ HRC 57
- ВН 400 ≈ HRC 41
- ХВ 200 ≈ ХРБ 93 (переход на шкалу B для более мягких материалов)
- ХВ 100 ≈ ХРБ 56
Эти преобразования имеют важное предостережение: они зависят от материала . Соотношение упругой и пластической деформации различается для углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и титана. Преобразование Виккерса в Роквелл, допустимое для углеродистой стали, приведет к ошибке при применении к аустенитной нержавеющей стали или никелевому суперсплаву. Именно по этой причине ASTM E140 предоставляет отдельные столбцы для разных семейств материалов.
В крайних случаях возникает дополнительное ограничение: шкала Роквелла C надежна только между HRC 20 и HRC 70. Значения за пределами этого диапазона следует измерять по более подходящей шкале (HRA для очень твердых материалов выше HRC 70, HRB для более мягких материалов ниже HRC 20) или сообщать непосредственно в HV без преобразования.
Для контроля сварных швов и сред с контролем качества преобразованные значения всегда должны помечаться как расчетные. Прямое измерение в заданном масштабе — единственный способ получить прослеживаемый результат, соответствующий спецификациям.
Металлургическая подготовка образцов: основа надежных данных о твердости
Точность измерения твердости зависит от точности измеряемой поверхности. Плохая подготовка проб приводит к ошибке, которую не может исправить никакая калибровка прибора. Это особенно справедливо для методов Виккерса и Бринелля, где измерения являются оптическими, а отражательная способность поверхности напрямую влияет на точность считывания диагонали или диаметра.
Секционирование
Первым шагом является создание плоского репрезентативного поперечного сечения. А прецизионный режущий станок (также называемая абразивной или алмазной отрезной пилой) используется для резки заготовки с минимальным подводом тепла и механической деформацией. Неправильная резка — использование тупого лезвия, чрезмерная скорость подачи или недостаточное количество охлаждающей жидкости — приводит к деформации или термическому воздействию поверхностного слоя, что искусственно повышает или занижает показания твердости. Для металлургической резки алмазные пластины с непрерывным водяным охлаждением являются стандартными для твердых сталей и карбидов, а отрезные круги из оксида алюминия на связке из смолы подходят для более мягких конструкционных металлов.
Монтаж и шлифовка
После секционирования образцы обычно закрепляют в термореактивной эпоксидной смоле или эпоксидной смоле холодного отверждения, чтобы обеспечить безопасное обращение во время шлифовки и полировки. Крепления для удержания кромок используются в тех случаях, когда необходимо измерить градиенты твердости вблизи поверхности, такие как глубина корпуса или границы раздела покрытия, без закругления кромок.
Шлифование следует последовательности от более грубой к более мелкой абразивной бумаге SiC (обычно зернистость 120 → 320 → 600 → 1200), при этом образец поворачивается на 90 ° между каждым этапом для удаления царапин из предыдущего направления. Каждый этап должен полностью устранить деформацию, внесенную предыдущим.
Полировка
Для окончательной полировки используется алмазная суспензия размером 3 и 1 мкм на ворсовой ткани, что обеспечивает зеркальную поверхность без царапин. Для микротвердости по Виккерсу Покрытие из коллоидного диоксида кремния 0,25 мкм часто указывается для минимизации ошибок отражения поверхности при измерении небольших отпечатков при низких нагрузках. Перед началом испытаний полированная поверхность должна быть очищена от рельефа, пятен и ямок.
Инструменты для измерения твердости и критерии их выбора
Выбор подходящего инструмента для измерения твердости предполагает соответствие диапазона нагрузки прибора и типа индентора толщине материала, ожидаемому диапазону твердости и требуемому пространственному разрешению.
- Настольные тестеры Rockwell — стандартный выбор для входного контроля и проверки термообработки объемных стальных компонентов. Приложение нагрузки является моторизованным и последовательным, а современные цифровые модели сохраняют записи испытаний для интеграции с SPC. Метод Роквелла нельзя использовать на тонкой заготовке (обычно менее 1 мм для HRC), поскольку глубина вмятины приближается к толщине материала, что нарушает правило минимальной толщины.
- Микротвердомеры по Виккерсу/Кнупу — используется для тонкой фольги, гальванических покрытий, диффузионно-упрочненных поверхностей и отдельных фаз микроструктуры. Диапазон нагрузок обычно составляет от 1 г до 1 кгс. Встроенный оптический микроскоп отображает отступ для измерения диагонали, часто с автоматическим анализом изображения для уменьшения вариативности оператора.
- Портативные твердомеры по отскоку (Leeb) — подходит для крупных установленных компонентов, которые невозможно доставить в лабораторию. Пружинный ударный корпус ударяется о поверхность; отношение скорости отскока к скорости удара дает значение Либа (HL), которое затем преобразуется в HRC, HB или HV. Точность зависит от качества поверхности, массы и геометрии заготовки.
- Ультразвуковые контактные тестеры импеданса (UCI) — используйте алмаз Виккерса на вибрирующем стержне; сдвиг частоты при контакте коррелирует с твердостью. Приборы UCI особенно полезны для измерения тонких закаленных слоев и покрытий на месте без видимых невооруженным глазом повреждений поверхности.
Независимо от типа прибора, для поддержания достоверности измерений требуется регулярная калибровка по сертифицированным эталонным образцам (соответствующим национальным стандартам, таким как NIST или PTB). Эталонные образцы должны охватывать ожидаемый диапазон твердости изготавливаемых деталей.
Контроль сварных швов углеродистой стали: определение твердости в зоне термического влияния
Измерение твердости сварных швов является одним из наиболее важных применений испытаний по Виккерсу при изготовлении конструкций. При сварке углеродистой стали зона термического влияния (ЗТВ) подвергается быстрому термическому циклированию. В сталях с достаточным углеродным эквивалентом (CE) это может привести к образованию мартенсита — твердой, хрупкой микроструктуры, которая значительно повышает твердость ЗТВ по сравнению с основным металлом и увеличивает склонность к водородному растрескиванию (HIC).
Критерии приемлемости отрасли обычно ограничивают твердость HAZ максимумом 350 ХВ10 для сварных конструкций из общей конструкционной стали (согласно EN ISO 15614-1 и рекомендациям AWS D1.1), а также для 250–300 ХВ10 для морских работ, эксплуатации в кислых средах или в условиях высокой прочности. Превышение этих пороговых значений является дисквалифицирующим условием, требующим пересмотра предварительного нагрева, температуры между проходами и процедуры сварки.
Стандартная траверса твердости сварного шва включает в себя серию углублений по Виккерсу с определенным интервалом — обычно на расстоянии 0,5 мм или 1 мм друг от друга — идущих от металла сварного шва через линию плавления, через ЗТВ и в незатронутый основной металл. Траверс проводится на металлографически подготовленном поперечном сечении, протравленном 2–5% ниталом для выявления границ сплавления перед размещением отпечатка. Ключевые места измерения включают крупнозернистую ЗТВ, непосредственно примыкающую к линии плавления, где наиболее вероятно образование мартенсита.
Для корневых проходов и сварных швов с узким зазором может потребоваться микро-Виккерс при HV1 или HV0,5 для достижения адекватного пространственного разрешения в пределах зоны термического влияния, которая может достигать 0,2–0,5 мм в некоторых процессах с высоким тепловложением. Выбор испытательной нагрузки напрямую влияет на размер отпечатка и, следовательно, на минимальную ширину измеряемой зоны — HV10 создает отпечаток диаметром примерно 0,3–0,4 мм при 300 HV. , а HV1 уменьшает это значение примерно до 0,1 мм.
Прецизионные режущие станки при подготовке металлографических образцов
Прецизионный режущий станок является отправной точкой любого металлографического рабочего процесса. Его основная функция — создать плоское поперечное сечение с минимальными повреждениями, которое точно отображает интересующую область — будь то зона сварного шва, цементируемая поверхность или граница раздела с покрытием.
В лабораторном использовании существуют две основные категории:
- Абразивные отрезные пилы — использовать расходуемые круги на связке смолы, соответствующие производительности. Выбор круга (оксид алюминия для стали и чугуна, карбид кремния для цветных металлов, CBN для закаленной инструментальной стали) и расход охлаждающей жидкости являются основными параметрами процесса. Следы поджогов или посинение на поверхности разреза указывают на перегрев и требуют более медленной подачи или выбора нового круга.
- Алмазные пилы для вафель — используйте алмазные диски на металлической или смоляной связке на низкой скорости с масляной охлаждающей жидкостью. Они создают слой с наименьшей деформацией (обычно менее 5 мкм) и необходимы для хрупкой керамики, электронных компонентов и образцов, где неповрежденная микроструктура должна сохраняться в пределах микрон от поверхности разреза.
Ключевые характеристики при выборе прецизионного резака для подготовки к испытаниям на твердость включают: максимальный диаметр заготовки, усилие зажима патрона, диапазон оборотов полотна и способ подачи СОЖ. . Автоматизированное управление подачей, при котором пила продвигается с постоянной силой, а не с фиксированной скоростью, значительно снижает вариативность работы от оператора к оператору и продлевает срок службы полотна.
В частности, при проверке образцов сварных швов резак должен обрабатывать объекты неправильной геометрии (Т-образные соединения, секции труб, наплавка) с устойчивым креплением. Нестабильный зажим приводит к появлению вибрационных следов, которые распространяются глубоко в образец, создавая деформированный слой, который невозможно полностью удалить на последующих этапах шлифования без чрезмерного удаления припуска.
