Metallografisen näytteen valmistelu: miksi sillä on merkitystä ennen kovuustestiä
Tarkka kovuustestaus alkaa kauan ennen kuin sisennys koskettaa näytettä. Metallografisen näytteen valmistus — metallinäytteen leikkaus-, asennus-, hionta- ja kiillotusprosessi — määrittää suoraan, heijastaako kovuuslukema materiaalin todellisia ominaisuuksia vai käsittelyn aikana syntynyttä artefaktia.
Erityisesti mikrokovuusmenetelmissä pinnan kunto on kriittinen. Huonosti kiillotettu näyte aiheuttaa topografista vaihtelua, joka poikkeaa sisennystä, lisää sirontaa ja tuottaa lukemia, joita ei voida korreloida minkään julkaistun muunnostaulukon kanssa. Vickersin ja Knoopin mikrokovuustestauksen yleinen vaatimus on pinnan viimeistely 0,1 µm Ra tai parempi – tämä saavutetaan vain systemaattisella metallografisella valmistelulla.
Valmistusjakso sisältää tyypillisesti:
- Leikkaus hankaavalla katkaisulaikalla käyttämällä riittävää jäähdytysnestettä lämpövaurioiden estämiseksi
- Kylmä- tai kuumaasennus epoksi- tai fenolihartsiin reunatuen ja turvallisen käsittelyn takaamiseksi
- Tasomaista hiontaa leikkausvaurioiden poistamiseksi ja tasaisen vertailutason saavuttamiseksi
- Jaksottainen hionta asteittain hienompien piikarbidihioma-aineiden kautta (tyypillisesti 240 → 400 → 600 → 1200 karkeus)
- Timanttikiillotus (6 µm, sitten 3 µm, sitten 1 µm) poistaa kaikki hiontanaarmut
- Loppukiillotus kolloidisella piidioksidilla (0,04–0,05 µm OPS) mikrokovuusstandardien edellyttämille peilipinnoille
Jokaisen vaiheen on poistettava edellisen vaiheen vauriot kokonaan. Vaiheiden väliin jääminen tai kiireinen viipymäaika upottaa epämuodostuneita pintakerroksia – työkarkaistuja vyöhykkeitä, jotka tuottavat vääriä korkeita Vickers-lukemia alueella 10–50 HV, mikä on merkittävä virhe testattaessa ohuita pinnoitteita, lämpövaikutteisia vyöhykkeitä tai kotelokarkaistuja kerroksia.
Mihin Vickersin kovuustestiä käytetään?
Vickers-kovuustestiä käytetään materiaalin kestävyyden mittaamiseen pysyvää painaumaa vastaan neliömäisellä timanttipyramidin sisennyksellä, jonka pintakulma on 136°. Se on monipuolisin saatavilla oleva makro- ja mikrokovuusmenetelmä , soveltuu käytännöllisesti katsoen mihin tahansa kiinteään materiaaliin kovuustasosta riippumatta, ja se on suositeltava menetelmä, kun vaaditaan tarkkuutta, jäljitettävyyttä tai mikrorakenteen erottelukykyä.
Käytännössä Vickers-testiä käytetään:
- Kotelon syvyyden mittaus — kovuusgradienttien profilointi karburoitujen, nitridoitujen tai induktiokarkaistujen pintojen poikki tekemällä sarjan syvennyksiä kasvavilla etäisyyksillä pinnasta
- Ohuen pinnoitteen arviointi — PVD/CVD-kovien pinnoitteiden, galvanoitujen kerrosten ja diffuusiokäsittelyjen arvioiminen, jos vaikutusalue voi olla vain muutaman mikronin paksuinen
- Hitsauksen laadun tarkastus - kovuuden kartoittaminen epäjaloa metallia, lämpövaikuttamaa aluetta ja hitsauspaaleja poikki pehmenemis-, ylikovettumis- tai vetyhalkeiluherkkyyden havaitsemiseksi
- Epäonnistumisen analyysi — hiilenpoiston, karkaisemattoman martensiitin, säilyneen austeniitin tai vaiherajojen tunnistaminen paikallisten kovuusmittausten avulla
- Materiaalin sertifiointi — lämpökäsittelyn tulosten tarkistaminen ilmailu-, auto- ja työkalukomponenteissa eritelmien, kuten AMS, ISO 6507 ja ASTM E92, mukaisesti
- Tutkimus ja kehitys — luonnehditaan äskettäin kehitettyjä metalliseoksia, sintrattua keramiikkaa ja komposiittimateriaaleja, joissa ei ole olemassa olemassa olevia konversioasteikkoja
Koska Vickers-asteikko on jatkuva noin 5 HV:stä (erittäin pehmeät lyijylejeeringit) yli 3000 HV:iin (timantti), aluemuutoksia ei tarvita. Yksi menetelmä kattaa pehmeän kuparin (40–80 HV), karkaistun työkaluteräksen (700–900 HV) ja kovametallin (1400–1800 HV). Tämä jatkuvuus tekee Vickersistä perustan kaikille kansainvälisille kovuusmuunnostaulukoille.
Rockwellin kovuuden vertailulohkot: kalibrointi, jäljitettävyys ja oikea käyttö
A Rockwellin kovuuden vertailulohko (kutsutaan myös testilohkoksi tai kalibrointilohkoksi) on tarkkuushiottu, sertifioitu metallikuponki, jota käytetään varmistamaan, että Rockwellin kovuusmittari toimii ilmoitettujen tarkkuusrajojen sisällä. Se ei ole kulutustavara – yksi sertifioitu lohko tukee yleensä satoja varmistusmittauksia oikein käytettynä.
Vakioien ASTM E18 ja ISO 6508 mukaan vertailulohkot on kalibroitava ensisijaisella standardointikoneella, joka on jäljitettävissä kansalliseen metrologiainstituuttiin (NIST Yhdysvalloissa, PTB Saksassa jne.). Jokaisen lohkon mukana toimitetaan sertifikaatti, jossa ilmoitetaan sertifioitu kovuusarvo, mittausepävarmuus ja lohkon pinnalla jäljellä olevien kelvollisten testipaikkojen lukumäärä.
Viitelohkojen oikea käyttö
Yleisiä virheitä, jotka mitätöivät referenssilohkon mittaukset, ovat testaus viistetyillä reunoilla, sisennyskohtien uudelleenkäyttö 3 sisennyksen halkaisijan suojavyöhykkeellä ja testaus alapinnalla (jolla on erilainen jäännösjännitystila kuin kalibroidulla yläpinnalla). Vain selvästi merkitty yläpinta kelpaa tarkastustestaukseen.
Päivittäinen tarkastus on suoritettava lohkoilla, joiden kovuus on lähellä testattavaa materiaalia. 60 HRC:n lohkon käyttäminen 25 HRC-osaa testaavan koneen tarkistamiseen on teknisesti sallittua, mutta käytännössä vähemmän herkkä järjestelmällisille virheille – alasin istukka, sisennystila ja punnituskennon ajautuminen – jotka vaikuttavat keskialueen lukemiin.
Lohkot tulee säilyttää suljetussa kotelossa, suojassa kosteudelta ja tärinältä, ja niitä on käsiteltävä puuvillakäsineillä kiillotetun pinnan korroosion estämiseksi. Pala, joka on pudonnut, naarmuuntunut aktiivisen alueensa läpi tai jossa näkyy pinnan hapettumista, tulee poistaa kalibrointikäytöstä.
Mikä on HK kovuudessa? Knoop vs. Vickers mikrokovuustyössä
HK tulee sanoista Hardness Knoop , Knoopin mikrokovuustestissä käytetty asteikko. Kuten Vickers (HV), Knoop käyttää timanttipyramidin sisennystä ja tuloksena olevan jäljen optista mittausta - mutta geometria eroaa perusteellisesti. Knoopin sisennys tuottaa pitkänomaisen romboedrisen sisennyksen, jonka diagonaalisuhde on 7,11:1, kun taas Vickers tuottaa lähes neliön sisennyksen.
Tällä geometrisella erolla on kaksi tärkeää käytännön seurausta:
- Matalampi tunkeutumissyvyys — Knoopin sisennyksen syvyys on noin 1/30 pitkästä lävistäjästä, verrattuna 1/7 Vickersin sisennykseen, jonka diagonaali on sama. Tämä tekee Knoopista huomattavasti paremman erittäin ohuille pinnoitteille, hauraalle keramiikalle ja lasille, joissa syvä tunkeutuminen aiheuttaisi halkeilua tai vaikutusta alustaan.
- Suuntausherkkyys — pitkänomainen muoto voi paljastaa kristallografisen anisotropian yksittäisissä kiteissä tai erittäin teksturoiduissa materiaaleissa pyörittämällä näytettä sisennysakselin suhteen.
Knoop on suositeltu menetelmä ASTM E384:n testauksessa: sementoidut karbidit, karkaistu lasi, ohuet galvaaniset kerrokset ja materiaalit, joissa halkeilu Vickersin sisennyksen ympärillä vaarantaisi mittauksen oikeellisuuden. Useimmissa teräs-, alumiini- ja kupariseossovelluksissa Vickersin mikrokovuus (HV 0,1 - HV 1) on oletusvalinta sen yksinkertaisemman geometrian ja suoran muunnettavuuden vuoksi muihin kovuusasteikoihin.
| Parametri | Vickers (HV) | Knoop (HK) |
|---|---|---|
| Sisennä muoto | Neliömäinen pyramidi (136°) | Pitkänomainen pyramidi (suhde 7,11:1) |
| Sisennyssyvyys suhteessa diagonaaliin | ~1/7 | ~1/30 |
| Parasta varten | Metallit, metalliseokset, lämpökäsitellyt profiilit | Keramiikka, lasi, ohuet pinnoitteet |
| Standard | ASTM E92 / ISO 6507 | ASTM E384 |
| Mittakaavamuunnos | Suorat pöydät HRC:lle, HB:lle, UTS:lle | Ei universaalia muuntamista Rockwelliin |
Brinell-kovuuden muuntaminen äärimmäiseksi vetolujuudeksi
Brinell-kovuus (HBW) korreloi lineaarisesti äärimmäisen vetolujuuden (UTS) kanssa useilla teräksillä ja valuraudoilla , mikä tekee siitä yhden käytännöllisesti hyödyllisimmistä kovuus-lujuusmuunnoksista tekniikan alalla. Suhde syntyy, koska molempia ominaisuuksia ohjaa materiaalin mikrorakenteen kestävyys muovivirtaukselle tiivistetyssä kuormituksessa.
Laajalti käytetty likiarvo hiili- ja niukkaseosteisille teräksille on:
UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW
Yhdysvaltain tavanomaisissa yksiköissä: UTS (psi) ≈ 500 × HBW
Nämä kertoimet pätevät kohtuullisen hyvin ferriittisille, perliittisille ja martensiittisille teräksille välillä 150–400 HBW. Normalisoidun tai karkaistun hiiliteräksen tarkkuus on tyypillisesti ±7 %, mikä riittää materiaalin varmentamiseen ja saapuviin tarkastustarkoituksiin.
Suhde huononee, eikä sitä tule käyttää ilman materiaalikohtaisia tietoja seuraavissa tapauksissa:
- Austeniittiset ruostumattomat teräkset — Kovettumiskäyttäytyminen poikkeaa merkittävästi ferriittisten terästen ominaisuuksista; kerroin on lähempänä 3,3–3,55 ja vaihtelee seoksittain
- Alumiiniseokset - kerroin lähellä 3,6–3,8 mainitaan usein, mutta sironta on korkea eri luonneolosuhteissa
- Valurauta — grafiittimorfologia (hiutale vs. nodulaarinen) tuo sekundaarisen mikrorakennemuuttujan; julkaistuja pallografiittiraudan ja harmaan raudan taulukoita tulee lukea erikseen
- HBW > 400 — lineaarinen suhde katkeaa; Vickers- tai Rockwell C -muunnos ASTM E140:n kautta on luotettavampi korkeilla kovuustasoilla
ASTM A370 ja EN ISO 18265 tarjoavat molemmat taulukoituja kovuudesta vetolujuuteen muunnostiedot ilmoitetuilla sovellettavuusalueilla ja odotettavissa olevilla epävarmuuksilla, ja niiden tulisi olla viiteasiakirjoja kaikille spesifikaatiokriittisille muunnoksille.
Vetolujuus Rockwell Hardnessista: muunnosmenetelmät ja rajat
Vetolujuuden arvioiminen Rockwellin kovuudesta seuraa kaksivaiheista prosessia: muunna ensin Rockwell Brinelliksi käyttämällä ASTM E140 -muunnostaulukoita ja käytä sitten yllä kuvattua Brinell-UTS-suhdetta - tai käytä suoria UTS-korrelaatiotaulukoita, jotka yhdistävät molemmat vaiheet.
Karkaistulle teräkselle alueella HRC 20–65 , seuraavat likimääräiset vastaavuudet tarjoavat käytännön lähtökohdan:
| Rockwell C (HRC) | Brinell (HBW) | Noin UTS (MPa) | Noin UTS (psi) |
|---|---|---|---|
| 20 | 226 | 780 | 113 000 |
| 30 | 286 | 987 | 143 000 |
| 40 | 371 | 1 280 | 185 500 |
| 50 | 481 | — | — (lineaarinen kaava ei kelpaa yli ~400 HBW) |
| 60 | 746 | — | — (käytä suoraa vetokoetta) |
HRC 40:n (~400 HBW) yläpuolella itse Brinell-testi ei ole enää voimassa, koska 10 mm:n kovametallikuula deformoituu elastisesti suurilla kuormituksilla, mikä tuottaa ei-toistettavia tuloksia. Tällä alueella Vickers tai Rockwell C ovat oikeat kovuusmenetelmät , ja UTS-estimaatin tulisi viitata suoriin empiirisiin taulukoihin tietylle teräslaadulle yleisen lineaarisen kaavan sijaan.
Turvallisuuden kannalta kriittisiä komponentteja – paineastioita, rakenteellisia kiinnikkeitä, kampiakselia – koskevissa teknisissä päätöksissä kovuudesta johdettuja UTS-arvoja tulisi käsitellä vain seulontatietoina. Fyysinen vetotestaus ASTM E8:n tai ISO 6892:n mukaan vaaditaan suunnitteluperusteisen sertifioinnin saamiseksi.
