راهنمای تست سختی: Vickers, Rockwell, Brinell & Sample Prep

آماده سازی نمونه متالوگرافی: چرا قبل از هر آزمون سختی مهم است

آزمایش سختی دقیق مدت ها قبل از تماس دندانه دار با نمونه آغاز می شود. آماده سازی نمونه متالوگرافی - فرآیند کنترل شده برش دادن، نصب، سنگ زنی و صیقل دادن یک نمونه فلزی - به طور مستقیم تعیین می کند که آیا سختی خوانی خواص واقعی ماده را منعکس می کند یا یک مصنوع را که در حین جابجایی معرفی شده است.

به ویژه برای روش های میکروسختی، شرایط سطح بسیار مهم است. یک نمونه با صیقل ضعیف، تنوع توپوگرافی را معرفی می‌کند که فرورفتگی را منحرف می‌کند، پراکندگی را باد می‌کند، و خوانش‌هایی را تولید می‌کند که نمی‌تواند با هیچ جدول تبدیل منتشر شده مرتبط باشد. نیاز کلی برای تست میکروسختی ویکرز و Knoop، پرداخت سطحی 0.1 میکرومتر رادیوم یا بهتر است - که فقط از طریق آماده سازی متالوگرافی سیستماتیک قابل دستیابی است.

توالی آماده سازی معمولاً شامل موارد زیر است:

1. برش دادن با چرخ قطع کننده ساینده با استفاده از خنک کننده کافی برای جلوگیری از آسیب حرارتی
2. نصب سرد یا گرم در رزین اپوکسی یا فنولیک برای ایجاد پشتیبانی از لبه و حمل ایمن
3. سنگ زنی مسطح برای حذف آسیب برش و دستیابی به صفحه مرجع تخت
4. سنگ زنی متوالی از طریق ساینده های SiC به تدریج ریزتر (معمولاً 240 → 400 → 600 → 1200 شن)
5. پرداخت الماس (6 میکرومتر، سپس 3 میکرومتر، سپس 1 میکرومتر) برای از بین بردن تمام خراش های آسیاب
6. پرداخت نهایی با سیلیس کلوئیدی (0.04-0.05 میکرومتر OPS) برای سطوح آینه ای مورد نیاز استانداردهای میکروسختی

هر مرحله باید به طور کامل آسیب را از مرحله قبلی حذف کند. رد شدن از مراحل یا تسریع در زمان ماندن، لایه‌های زیرسطحی تغییر شکل یافته را جاسازی می‌کند - مناطق سخت کاری شده که خوانش‌های ویکرز کاذب در محدوده 10 تا 50 HV ایجاد می‌کنند، یک خطای قابل‌توجه در هنگام آزمایش پوشش‌های نازک، مناطق متاثر از حرارت، یا لایه‌های سخت‌شده.

تست سختی ویکرز برای چه مواردی استفاده می شود؟

تست سختی ویکرز برای اندازه گیری مقاومت یک ماده در برابر فرورفتگی دائمی با استفاده از یک فرورفتگی هرمی الماس مربعی با زاویه 136 درجه استفاده می شود. این همه کاره ترین روش ماکرو و میکرو سختی موجود است ، تقریباً برای هر ماده جامد بدون در نظر گرفتن سطح سختی قابل استفاده است و زمانی که به دقت، قابلیت ردیابی یا وضوح ریزساختاری نیاز است، روش ارجح است.

در عمل، آزمون ویکرز برای موارد زیر استفاده می شود:

• اندازه گیری عمق کیس - پروفیل کردن شیب سختی در سطوح کربوری، نیترید شده یا سخت شده القایی با ایجاد یک سری فرورفتگی در فواصل فزاینده از سطح
• ارزیابی پوشش نازک - ارزیابی پوشش‌های سخت PVD/CVD، لایه‌های آبکاری شده و روش‌های انتشار که در آن ناحیه آسیب‌دیده ممکن است تنها چند میکرون ضخامت داشته باشد.
• بازرسی کیفیت جوش - نگاشت سختی در سراسر فلز پایه، منطقه متاثر از حرارت و مهره جوش برای تشخیص نرم شدن، سخت شدن بیش از حد، یا حساسیت به ترک هیدروژنی
• تجزیه و تحلیل شکست - شناسایی کربن زدایی، مارتنزیت تمپر نشده، آستنیت حفظ شده، یا مرزهای فاز از طریق اندازه گیری های سختی موضعی
• گواهی مواد - تأیید نتایج عملیات حرارتی در قطعات هوافضا، خودرو و ابزار بر اساس مشخصاتی مانند AMS، ISO 6507، و ASTM E92
• تحقیق و توسعه - مشخص کردن آلیاژهای تازه توسعه یافته، سرامیک های متخلخل و مواد کامپوزیتی که در آن هیچ مقیاس تبدیلی از قبل وجود نداشته باشد.

از آنجایی که مقیاس ویکرز از تقریباً 5 HV (آلیاژهای سرب بسیار نرم) تا بیش از 3000 HV (الماس) پیوسته است، نیازی به تغییر محدوده نیست. یک روش واحد مس نرم (40-80 HV)، فولاد ابزار سخت شده (700-900 HV) و کاربید سیمانی (1400-1800 HV) را پوشش می دهد. این تداوم ویکرز را پایه و اساس تمام جداول تبدیل سختی بین المللی می کند.

بلوک های مرجع سختی راکول: کالیبراسیون، قابلیت ردیابی و استفاده مناسب

A بلوک مرجع سختی راکول (همچنین بلوک تست یا بلوک کالیبراسیون نیز نامیده می شود) یک کوپن فلزی معتبر و دارای آسیاب دقیق است که برای تأیید اینکه دستگاه سختی سنج راکول در محدوده دقت اعلام شده کار می کند استفاده می شود. این یک ماده مصرفی نیست - یک بلوک تأیید شده معمولاً در صورت استفاده صحیح از صدها اندازه گیری تأیید پشتیبانی می کند.

طبق ASTM E18 و ISO 6508، بلوک های مرجع باید بر روی یک ماشین استاندارد اولیه قابل ردیابی به یک موسسه ملی اندازه گیری (NIST در ایالات متحده، PTB در آلمان و غیره) کالیبره شوند. هر بلوک با یک گواهی ارسال می شود که مقدار سختی تایید شده، عدم قطعیت اندازه گیری و تعداد مکان های آزمایش معتبر باقی مانده روی سطح بلوک را بیان می کند.

استفاده صحیح از بلوک های مرجع

خطاهای رایجی که اندازه‌گیری‌های بلوک مرجع را باطل می‌کنند شامل آزمایش بر روی لبه‌های پخ‌دار، استفاده مجدد از محل‌های فرورفتگی در یک ناحیه حذف با قطر 3 تورفتگی، و آزمایش در سطح پایین (که دارای حالت تنش پسماند متفاوتی نسبت به وجه بالایی کالیبره‌شده است) است. فقط سطح بالایی که به وضوح مشخص شده است برای آزمایش تأیید معتبر است.

راستی‌آزمایی روزانه باید با بلوک‌هایی که سختی نزدیک به ماده مورد آزمایش دارند انجام شود. استفاده از یک بلوک 60 HRC برای تأیید ماشینی که 25 قطعه HRC را آزمایش می‌کند، از نظر فنی مجاز است، اما عملاً نسبت به خطاهای سیستماتیک - نشستن سندان، وضعیت فرورفتگی، و رانش سلول بار - که بر خوانش‌های محدوده متوسط ​​تأثیر می‌گذارند، حساسیت کمتری دارد.

بلوک ها باید در یک محفظه دربسته و به دور از رطوبت و لرزش نگهداری شوند و برای جلوگیری از خوردگی سطح صیقلی با دستکش های نخی نگهداری شوند. بلوکی که رها شده است، در منطقه فعال خود خراشیده شده است، یا اکسیداسیون سطحی را نشان می دهد، باید از استفاده کالیبراسیون کنار گذاشته شود.

HK در سختی چیست؟ Knoop در مقابل Vickers برای Micro-Hardness Work

HK مخفف Hardness Knoop است ، مقیاس مورد استفاده در تست میکروسختی Knoop. مانند ویکرز (HV)، Knoop از یک فرورفتگی هرم الماس و اندازه‌گیری نوری برداشت حاصل استفاده می‌کند – اما هندسه آن اساساً متفاوت است. فرورفتگی Knoop یک فرورفتگی لوزی شکل دراز با نسبت مورب 7.11:1 ایجاد می کند، در حالی که Vickers یک فرورفتگی تقریباً مربعی ایجاد می کند.

این تفاوت هندسی دو نتیجه عملی مهم دارد:

• عمق نفوذ کمتر - تورفتگی Knoop تقریباً 1/30 قطر مورب در عمق است، در مقایسه با 1/7th برای تورفتگی Vickers با همان طول مورب. این امر Knoop را برای پوشش‌های بسیار نازک، سرامیک‌های شکننده و شیشه‌ها که در آن‌ها نفوذ عمیق می‌تواند باعث ترک خوردن یا نفوذ زیرلایه شود، به‌طور قابل‌توجهی بهتر می‌کند.
• حساسیت جهت گیری - شکل کشیده می تواند ناهمسانگردی کریستالوگرافیک را در تک بلورها یا مواد با بافت بسیار بالا با چرخاندن نمونه نسبت به محور فرورفتگی نشان دهد.

Knoop روش ارجح تحت ASTM E384 برای آزمایش است: کاربیدهای سیمانی، شیشه های سخت شده، لایه های نازک گالوانیکی، و موادی که ترک خوردن در اطراف تورفتگی ویکرز اعتبار اندازه گیری را به خطر می اندازد. برای اکثر کاربردهای فولاد، آلومینیوم و آلیاژ مس، میکروسختی ویکرز (HV 0.1 تا HV 1) به دلیل هندسه ساده‌تر و قابلیت تبدیل مستقیم به سایر مقیاس‌های سختی، انتخاب پیش‌فرض است.

تبدیل سختی برینل به مقاومت کششی نهایی

سختی برینل (HBW) با مقاومت کششی نهایی (UTS) برای طیف وسیعی از فولادها و چدن ها ارتباط خطی دارد. ، آن را به یکی از کاربردی ترین تبدیل سختی به مقاومت در مهندسی تبدیل می کند. این رابطه به این دلیل به وجود می آید که هر دو ویژگی توسط مقاومت ریزساختار ماده در برابر جریان پلاستیک تحت یک بار متمرکز کنترل می شود.

تقریب به طور گسترده برای فولادهای کربنی و کم آلیاژی به کار می رود:

UTS (MPa) ≈ 3.45 × HBW

در واحدهای مرسوم ایالات متحده: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

این ضرایب برای فولادهای فریتی، پرلیتی و مارتنزیتی در محدوده 150 تا 400 HBW به خوبی قابل قبول است. دقت معمولاً برای فولاد کربنی نرمال شده یا خاموش شده و تمپر شده در محدوده 7±٪ است که برای تأیید مواد و اهداف بازرسی ورودی کافی است.

این رابطه کاهش می یابد و در موارد زیر نباید بدون داده های مربوط به مواد مورد استفاده قرار گیرد:

• فولادهای زنگ نزن آستنیتی - رفتار سخت شدن کار به طور قابل توجهی با فولادهای فریتی متفاوت است. ضریب به 3.3-3.55 نزدیکتر است و بر اساس آلیاژ تغییر می کند
• آلیاژهای آلومینیوم - یک ضریب نزدیک به 3.6-3.8 اغلب ذکر می شود، اما پراکندگی در شرایط مختلف مزاج زیاد است.
• چدن - مورفولوژی گرافیت (فلکه در مقابل گره) یک متغیر ریزساختاری ثانویه را معرفی می کند. جداول منتشر شده برای چدن داکتیل و آهن خاکستری باید به طور جداگانه بررسی شوند
• HBW > 400 - رابطه خطی از بین می رود. تبدیل Vickers یا Rockwell C از طریق ASTM E140 در سطوح سختی بالا قابل اعتمادتر است

ASTM A370 و EN ISO 18265 هر دو داده‌های تبدیل سختی به استحکام کششی جدول‌بندی شده را با محدوده‌های کاربردی اعلام شده و عدم قطعیت‌های مورد انتظار ارائه می‌کنند و باید اسناد مرجع برای هر تبدیل با مشخصات حیاتی باشند.

استحکام کششی از سختی راکول: روش‌ها و محدودیت‌های تبدیل

تخمین استحکام کششی از سختی راکول از یک فرآیند دو مرحله ای پیروی می کند: ابتدا راکول را با استفاده از جداول تبدیل ASTM E140 به برینل تبدیل کنید، سپس رابطه برینل به UTS را که در بالا توضیح داده شد اعمال کنید - یا از جداول همبستگی مستقیم UTS استفاده کنید که هر دو مرحله را ادغام می کند.

برای فولاد سخت شده در محدوده HRC 20-65 معادله های تقریبی زیر یک نقطه شروع عملی را ارائه می دهند:

بالاتر از HRC 40 (~ 400 HBW)، خود آزمایش برینل دیگر معتبر نیست زیرا توپ کاربید 10 میلی متری در بارهای زیاد به طور الاستیک تغییر شکل می دهد و نتایج غیر قابل تکراری را ایجاد می کند. در این محدوده، ویکرز یا راکول سی روش های سختی صحیح هستند و برآورد UTS باید به جداول تجربی مستقیم برای عیار فولاد خاص به جای فرمول خطی عمومی ارجاع دهد.

برای تصمیمات مهندسی مربوط به اجزای حیاتی ایمنی - مخازن تحت فشار، اتصال دهنده های ساختاری، میل لنگ - مقادیر UTS ناشی از سختی باید فقط به عنوان داده های غربالگری در نظر گرفته شوند. آزمایش کشش فیزیکی بر اساس ASTM E8 یا ISO 6892 برای صدور گواهینامه بر اساس طراحی مورد نیاز است.