تست سختی راکول برینل ویکرز: روش ها، تبدیل و ابزار

راکول، برینل و ویکرز: درک سه روش اصلی تست سختی

تست سختی مقاومت یک ماده را در برابر تغییر شکل دائمی تحت یک بار مشخص اندازه گیری می کند. سه روش غالب - راکول، برینل و ویکرز - هر کدام از هندسه فرورفتگی، محدوده بار و رویکرد اندازه گیری متفاوتی استفاده می کنند که آنها را برای مواد و کاربردهای مختلف مناسب می کند.

سختی راکول (HR) یک پیش بار کوچک و به دنبال آن یک بار اصلی اعمال می کند، سپس عمق خالص فرورفتگی را اندازه می گیرد. نتیجه به طور مستقیم از صفحه یا صفحه نمایش دیجیتال بدون هیچ گونه اندازه گیری نوری خوانده می شود و آن را به سریع ترین روش برای تست کف تولید تبدیل می کند. از مقیاس‌های متعددی استفاده می‌کند - HRC برای فولادهای سخت، HRB برای فلزات نرم‌تر، HRA برای کاربیدها - که هر کدام توسط یک تورفتگی و ترکیب بار مشخص می‌شوند.

سختی برینل (HB یا HBW) یک توپ سخت شده از فولاد یا کاربید تنگستن را تحت یک بار ثابت به سطح فشار می دهد که معمولاً 3000 کیلوگرم برای فولاد و چدن است. قطر فرورفتگی به صورت نوری اندازه گیری می شود و عدد HB از تقسیم بار اعمال شده بر مساحت سطح منحنی فرورفتگی محاسبه می شود. از آنجایی که فرورفتگی نسبتاً بزرگ است، میانگین گیری برینل نسبت به تغییرات ریزساختاری محلی حساسیت کمتری دارد، بنابراین برای مواد درشت دانه مانند ریخته گری و آهنگری ترجیح داده می شود.

سختی ویکرز (HV) از یک فرورفتگی هرمی الماس بر پایه مربع با زاویه صورت 136 درجه در بارهای زیر 1 gf (micro-ویکرز) تا 120 kgf (macro-Vickers) استفاده می کند. هر دو مورب تورفتگی مربع اندازه گیری و میانگین می شوند. عدد HV با استفاده از بار تقسیم بر سطح تماس قالب محاسبه می شود. ویکرز همه کاره ترین روش است: این روش برای پوشش های نازک، لایه های سخت شده، نواحی متاثر از حرارت جوش و مواد حجیم به طور یکسان، همه در یک مقیاس پیوسته اعمال می شود.

تبدیل سختی ویکرز به راکول: چگونه کار می کند و کجا کوتاه می شود

تبدیل سختی ویکرز به سختی راکول - و بالعکس - زمانی که نقشه های مهندسی یک مقیاس را مشخص می کنند اما تجهیزات آزمایش موجود از مقیاس دیگری استفاده می کنند، یک نیاز مکرر است. رایج ترین مرجع پذیرفته شده است ASTM E140 که جداول تبدیل استانداردی را برای مواد مختلف آهنی و غیرآهنی ارائه می کند.

برای فولاد سخت شده در محدوده ای که معمولاً در کاربردهای ابزارسازی و سازه ای استفاده می شود، روابط تقریبی عبارتند از:

• HV 940 ≈ HRC 68 (نزدیک به حد بالای مقیاس Rockwell C)
• HV 800 ≈ HRC 65
• HV 600 ≈ HRC 57
• HV 400 ≈ HRC 41
• HV 200 ≈ HRB 93 (انتقال به مقیاس B برای مواد نرم تر)
• HV 100 ≈ HRB 56

این تبدیل ها یک هشدار مهم دارند: آنها مواد خاص هستند . نسبت تغییر شکل الاستیک به پلاستیک بین فولاد کربن، فولاد ضد زنگ، آلیاژ آلومینیوم و تیتانیوم متفاوت است. تبدیل ویکرز به راکول که برای فولاد کربنی معتبر است، هنگام اعمال بر ضد زنگ آستنیتی یا سوپرآلیاژ نیکل خطا ایجاد می کند. ASTM E140 ستون های جداگانه ای را برای خانواده های مواد مختلف دقیقاً به همین دلیل ارائه می دهد.

یک محدودیت اضافی در نهایت ایجاد می شود: مقیاس Rockwell C فقط بین HRC 20 و HRC 70 قابل اعتماد است. مقادیر خارج از این محدوده باید در مقیاس مناسب تری اندازه گیری شوند (HRA برای مواد بسیار سخت بالاتر از HRC 70، HRB برای مواد نرم تر زیر HRC 20) یا مستقیماً در HV بدون تبدیل گزارش شود.

برای بازرسی جوش و محیط های کنترل شده با کیفیت، مقادیر تبدیل شده همیشه باید به عنوان تخمین زده شده علامت گذاری شوند. اندازه گیری مستقیم در مقیاس مورد نظر تنها راه برای به دست آوردن یک نتیجه قابل ردیابی و مطابق با مشخصات است.

آماده سازی نمونه متالورژی: پایه داده های سختی قابل اعتماد

تست سختی فقط به اندازه سطحی که اندازه گیری می کند دقیق است. آماده سازی ضعیف نمونه خطایی را ایجاد می کند که هیچ کالیبراسیون ابزاری نمی تواند آن را اصلاح کند. این به ویژه برای روش های ویکرز و برینل صادق است، که در آن اندازه گیری نوری است و بازتاب سطح مستقیماً بر دقت خواندن قطر یا قطر تأثیر می گذارد.

بخش بندی

اولین گام، تولید یک مقطع مسطح و معرف است. الف دستگاه برش دقیق (که اره برش ساینده یا الماسی نیز نامیده می شود) برای برش قطعه کار با حداقل حرارت ورودی و تغییر شکل مکانیکی استفاده می شود. برش نادرست - با استفاده از تیغه کسل کننده، سرعت تغذیه بیش از حد، یا خنک کننده ناکافی - باعث تغییر شکل یا گرما لایه سطحی می شود که به طور مصنوعی خوانش سختی را بالا می برد یا کاهش می دهد. برای برش‌های درجه متالورژی، تیغه‌های ویفر الماسی با خنک‌کننده مداوم آب برای فولادهای سخت و کاربیدها استاندارد هستند، در حالی که چرخ‌های برش اکسید آلومینیوم متصل به رزین برای فلزات ساختاری نرم‌تر مناسب هستند.

نصب و سنگ زنی

پس از برش، نمونه‌ها معمولاً در رزین اپوکسی گرما سخت یا سرد نصب می‌شوند تا امکان جابجایی ایمن در حین آسیاب و پرداخت فراهم شود. پایه‌های نگهدارنده لبه زمانی مشخص می‌شوند که گرادیان‌های سختی نزدیک به سطح - مانند عمق بدنه یا رابط‌های پوشش - باید بدون گرد کردن لبه اندازه‌گیری شوند.

سنگ زنی از یک توالی از کاغذهای ساینده SiC درشت تر تا ریزتر (معمولاً 120 → 320 → 600 → 1200 گریت) پیروی می کند که نمونه بین هر مرحله 90 درجه می چرخد ​​تا خراش ها از جهت قبلی حذف شوند. هر مرحله باید به طور کامل تغییر شکل ایجاد شده توسط مرحله قبلی را حذف کند.

جلا دادن

پولیش نهایی از تعلیق الماسی 3 میکرومتری و 1 میکرومتری بر روی پارچه‌های روکش استفاده می‌کند که یک روکش آینه بدون خش ایجاد می‌کند. برای میکروسختی ویکرز، الف پرداخت سیلیس کلوئیدی 0.25 میکرومتر اغلب برای به حداقل رساندن خطاهای بازتاب سطحی هنگام اندازه گیری فرورفتگی های کوچک در بارهای کم مشخص می شود. قبل از شروع آزمایش، سطح صیقلی شده باید عاری از تسکین، لکه و حفره باشد.

ابزار تست سختی و معیارهای انتخاب آنها

انتخاب ابزار تست سختی مناسب شامل تطبیق محدوده بار ابزار و نوع دندانه دار با ضخامت مواد، محدوده سختی مورد انتظار و وضوح فضایی مورد نیاز است.

• تست کننده های Benchtop Rockwell - انتخاب استاندارد برای بازرسی ورودی و تأیید عملیات حرارتی قطعات فولادی فله. برنامه بارگذاری موتوری و سازگار است و مدل های دیجیتال مدرن سوابق تست را برای یکپارچه سازی SPC ذخیره می کنند. روش راکول را نمی توان در استوک نازک (معمولاً زیر 1 میلی متر برای HRC) استفاده کرد زیرا عمق فرورفتگی به ضخامت ماده نزدیک می شود و قانون حداقل ضخامت را نقض می کند.
• تسترهای میکروسختی ویکرز / Knoop - برای فویل های نازک، پوشش های آبکاری شده، سطوح سخت شده با انتشار و فازهای جداگانه در یک ریزساختار استفاده می شود. محدوده بار معمولاً 1 gf تا 1 kgf است. یک میکروسکوپ نوری یکپارچه تورفتگی را برای اندازه گیری مورب، اغلب با تجزیه و تحلیل تصویر خودکار برای کاهش تنوع اپراتور، تصویر می کند.
• سختی سنج های قابل حمل (Leeb). - مناسب برای قطعات بزرگ و نصب شده که نمی توان آنها را به آزمایشگاه آورد. یک بدنه ضربه ای فنر به سطح برخورد می کند. نسبت بازگشت به سرعت ضربه مقدار Leeb (HL) را می دهد که سپس به HRC، HB یا HV تبدیل می شود. دقت به پرداخت سطح، جرم و هندسه قطعه کار بستگی دارد.
• تسترهای امپدانس تماسی اولتراسونیک (UCI). - از الماس ویکرز روی میله ارتعاشی استفاده کنید. تغییر فرکانس در تماس با سختی ارتباط دارد. ابزارهای UCI مخصوصاً برای اندازه‌گیری لایه‌ها و پوشش‌های نازک سخت شده در محل بدون آسیب سطحی قابل مشاهده با چشم غیرمسلح مفید هستند.

صرف نظر از نوع ابزار، کالیبراسیون منظم در برابر بلوک های مرجع تایید شده (قابل ردیابی با استانداردهای ملی مانند NIST یا PTB) برای حفظ اطمینان اندازه گیری مورد نیاز است. بلوک های مرجع باید محدوده سختی مورد انتظار قطعات تولید را پوشش دهند.

بازرسی جوش فولاد کربنی: تست سختی در منطقه متاثر از حرارت

عبور سختی در سراسر جوش یکی از مهم ترین کاربردهای آزمایش ویکرز در ساخت سازه است. هنگامی که فولاد کربنی جوش داده می شود، منطقه متاثر از حرارت (HAZ) تحت چرخه حرارتی سریع قرار می گیرد. در فولادهایی با معادل کربن کافی (CE)، این می تواند مارتنزیت تولید کند - یک ریزساختار سخت و شکننده که سختی HAZ را به طور قابل توجهی بالاتر از فلز پایه افزایش می دهد و حساسیت به ترک ناشی از هیدروژن (HIC) را افزایش می دهد.

معیارهای پذیرش صنعت معمولا سختی HAZ را به حداکثر محدود می کنند 350 HV10 برای جوشکاری های فولادی ساختاری عمومی (بر اساس دستورالعمل EN ISO 15614-1 و AWS D1.1)، و به 250–300 HV10 برای خدمات فراساحلی، خدمات ترش یا کاربردهای با چقرمگی بالا. فراتر رفتن از این آستانه یک شرایط رد صلاحیت است که نیاز به بررسی پیش گرم کردن، دمای بین پاسی و روش جوشکاری دارد.

یک تراورس سختی جوش استاندارد شامل یک سری فرورفتگی های ویکرز در فواصل تعریف شده - معمولاً 0.5 میلی متر یا 1 میلی متر از هم - است که از فلز جوش از طریق خط همجوشی، در سراسر HAZ و به فلز پایه بدون پیرایه کشیده می شود. تراورس بر روی یک مقطع متالوگرافی آماده شده انجام می شود که با 2 تا 5 درصد نیتال حک شده است تا مرزهای همجوشی قبل از قرار دادن دندانه آشکار شود. مکان های کلیدی اندازه گیری شامل HAZ دانه درشت بلافاصله در مجاورت خط همجوشی است، جایی که احتمال تشکیل مارتنزیت وجود دارد.

برای پاس‌های ریشه و جوش‌های با شکاف باریک، میکرو ویکرز در HV1 یا HV0.5 ممکن است برای دستیابی به وضوح فضایی کافی در داخل HAZ مورد نیاز باشد، که می‌تواند در برخی از فرآیندهای ورودی گرمای بالا به ۰.۲ تا ۰.۵ میلی‌متر باریک باشد. انتخاب بار آزمایشی مستقیماً بر اندازه تورفتگی و در نتیجه حداقل عرض منطقه قابل اندازه گیری تأثیر می گذارد - HV10 یک فرورفتگی تقریباً 0.3-0.4 میلی متر در 300 HV ایجاد می کند. ، در حالی که HV1 این را تقریباً به 0.1 میلی متر کاهش می دهد.

ماشین های برش دقیق در تهیه نمونه متالوگرافی

دستگاه برش دقیق نقطه ورود هر جریان کاری متالوگرافی است. عملکرد اصلی آن تولید یک مقطع مسطح و با حداقل آسیب است که به طور دقیق منطقه مورد نظر را نشان می دهد - خواه این یک HAZ جوش، یک سطح سخت شده یا یک رابط پوشش باشد.

دو دسته اصلی در استفاده آزمایشگاهی وجود دارد:

• اره های برش ساینده - از چرخ های مصرفی متصل به رزین استفاده کنید و برای توان تولید مناسب هستند. انتخاب چرخ (اکسید آلومینیوم برای فولاد و چدن، کاربید سیلیکون برای غیر آهنی، CBN برای فولاد ابزار سخت شده) و سرعت جریان خنک کننده پارامترهای اولیه فرآیند هستند. علائم سوختگی یا آبی شدن سطح برش نشان دهنده گرمای بیش از حد است و نیاز به تغذیه کندتر یا انتخاب چرخ تازه دارد.
• اره ویفر الماس - از تیغه های الماسی متصل به فلز یا رزین با سرعت کم با خنک کننده روغن استفاده کنید. آنها کمترین لایه تغییر شکل را تولید می کنند (معمولاً زیر 5 میکرومتر) و برای سرامیک های شکننده، قطعات الکترونیکی و نمونه هایی که ریزساختار دست نخورده باید در میکرون سطح برش حفظ شود، ضروری هستند.

مشخصات کلیدی هنگام انتخاب یک برش دقیق برای آماده سازی تست سختی عبارتند از حداکثر قطر قطعه کار، نیروی گیره چاک، محدوده RPM تیغه و روش تحویل مایع خنک کننده . کنترل تغذیه خودکار - جایی که اره با نیروی ثابت به جای سرعت ثابت پیش می رود - به طور قابل توجهی تنوع اپراتور به اپراتور را کاهش می دهد و عمر تیغه را افزایش می دهد.

مخصوصاً برای نمونه های بازرسی جوش، کاتر باید هندسه های نامنظم (اتصالات T، بخش های لوله، روکش های روکش دار) با اتصالات پایدار را در خود جای دهد. بستن ناپایدار باعث ایجاد علامت‌های پچ پچ ناشی از ارتعاش می‌شود که در اعماق نمونه منتشر می‌شود و یک لایه تغییر شکل ایجاد می‌کند که نمی‌توان آن را در مراحل بعدی آسیاب کردن بدون حذف بیش از حد ذخایر به طور کامل حذف کرد.