Rockwell, Brinell ja Vickers: Kolmen tärkeimmän kovuuden testausmenetelmän ymmärtäminen
Kovuustestaus mittaa materiaalin kestävyyttä pysyvää muodonmuutosta vastaan tietyssä kuormituksessa. Kolme hallitsevaa menetelmää – Rockwell, Brinell ja Vickers – käyttävät kukin erilaista sisennysgeometriaa, kuormitusaluetta ja mittaustapaa, mikä tekee niistä sopivia eri materiaaleihin ja sovelluksiin.
Rockwellin kovuus (HR) käyttää pientä esikuormitusta, jota seuraa suuri kuorma, ja mittaa sitten sisennyksen nettosyvyyden. Tulos luetaan suoraan kellotaulusta tai digitaalisesta näytöstä ilman optista mittausta, mikä tekee siitä nopeimman menetelmän tuotantokerroksen testaukseen. Se käyttää useita asteikkoja – HRC koville teräksille, HRB pehmeämmille metalleille, HRA karbideille – jokainen määritellään tietyllä sisennys- ja kuormitusyhdistelmällä.
Brinell-kovuus (HB tai HBW) puristaa karkaistun teräksen tai volframikarbidipallon pintaan kiinteällä kuormituksella, tyypillisesti 3000 kgf teräkselle ja valuraudalle. Sisennyshalkaisija mitataan optisesti ja HB-luku lasketaan jaettuna kohdistetusta kuormasta sisennyksen kaarevalla pinta-alalla. Koska sisennys on suhteellisen suuri, Brinell-keskiarvo on vähemmän herkkä paikallisille mikrorakenteen vaihteluille, joten se on suositeltava karkearakeisille materiaaleille, kuten valukappaleille ja takeille.
Vickers-kovuus (HV) käyttää neliöpohjaista timanttipyramidin sisennystä, jonka pintakulma on 136° kuormituksella, joka vaihtelee alle 1 gf (mikro-Vickers) - 120 kgf (makro-Vickers). Neliön sisennyksen molemmat diagonaalit mitataan ja lasketaan keskiarvo. HV-luku lasketaan jakamalla kuorma jäljennöksen kosketuspinta-alalla. Vickers on monipuolisin menetelmä: se soveltuu ohuille pinnoitteille, karkaistuille kerroksille, hitsauslämmön vaikutuksille altistuville alueille ja bulkkimateriaalille, kaikki yhdessä jatkuvassa mittakaavassa.
| menetelmä | Sisennä | Mittaus | Paras |
|---|---|---|---|
| Rockwell | Timanttikartio tai teräskuula | Sisennyksen syvyys | Karkaistujen terästen nopea tuotantotestaus |
| Brinell | Volframikarbidipallo (ø1-10 mm) | Sisennyshalkaisija (optinen) | Valukappaleet, takeet, karkearakeiset seokset |
| Vickers | Timanttipyramidi (136°) | Diagonaalin pituus (optinen) | Ohuet pinnoitteet, hitsit, mikrokovuus |
Kovuusmuunnos Vickersistä Rockwelliin: miten se toimii ja missä se jää alle
Vickers-kovuuden muuntaminen Rockwell-kovuudeksi - ja päinvastoin - on yleinen vaatimus, kun suunnittelupiirustuksissa määritellään yksi asteikko, mutta käytettävissä olevat testilaitteet käyttävät toista. Yleisimmin hyväksytty viite on ASTM E140 , joka tarjoaa standardoituja muunnostaulukoita eri rauta- ja ei-rautapitoisille materiaaleille.
Työkalu- ja rakennesovelluksissa yleisesti käytettyjen karkaistujen terästen likimääräiset suhteet ovat:
- HV 940 ≈ HRC 68 (lähellä Rockwell C -asteikon ylärajaa)
- HV 800 ≈ HRC 65
- HV 600 ≈ HRC 57
- HV 400 ≈ HRC 41
- HV 200 ≈ HRB 93 (siirtyminen B-asteikkoon pehmeämmille materiaaleille)
- HV 100 ≈ HRB 56
Näillä muunnoksilla on tärkeä varoitus: ne ovat materiaalikohtaisia . Kimmois-plastinen muodonmuutossuhde vaihtelee hiiliteräksen, ruostumattoman teräksen, alumiiniseosten ja titaanin välillä. Hiiliteräkselle voimassa oleva Vickers-Rockwell-muunnos tuottaa virheen, kun sitä käytetään austeniittiseen ruostumattomaan teräkseen tai nikkelisuperseokseen. ASTM E140 tarjoaa erilliset sarakkeet eri materiaaliperheille juuri tästä syystä.
Äärimmäisissä tapauksissa syntyy lisärajoitus: Rockwell C -asteikko on luotettava vain välillä HRC 20 ja HRC 70. Tämän alueen ulkopuolella olevat arvot tulisi mitata sopivammalla asteikolla (HRA erittäin koville materiaaleille, jotka ovat yli HRC 70, HRB pehmeämmille materiaaleille alle HRC 20) tai raportoida suoraan HV:nä ilman muuntamista.
Hitsauksen tarkastuksessa ja laatuvalvotuissa ympäristöissä muunnetut arvot tulee aina merkitä arvioiduiksi. Suora mittaus suunnitellussa mittakaavassa on ainoa tapa saada jäljitettävä, spesifikaatioiden mukainen tulos.
Metallurgisen näytteen valmistelu: Luotettavien kovuustietojen perusta
Kovuustesti on vain niin tarkka kuin sen mittaama pinta. Huono näytteen valmistelu aiheuttaa virheen, jota mikään instrumentin kalibrointi ei voi korjata. Tämä pätee erityisesti Vickersin ja Brinellin menetelmiin, joissa mittaus on optinen ja pinnan heijastavuus vaikuttaa suoraan diagonaalin tai halkaisijan lukemisen tarkkuuteen.
Leikkaaminen
Ensimmäinen vaihe on tasaisen, edustavan poikkileikkauksen tuottaminen. A tarkkuusleikkuri (kutsutaan myös hioma- tai timanttisahaksi) käytetään työkappaleen leikkaamiseen minimaalisella lämmöntuotuksella ja mekaanisella muodonmuutoksella. Väärin leikkaaminen – käyttämällä tylsää terää, liiallista syöttönopeutta tai riittämätöntä jäähdytysnestettä – aiheuttaa epämuodostunutta tai lämpövaikutteista pintakerrosta, joka keinotekoisesti nostaa tai alentaa kovuuslukemia. Metallurgisiin leikkauksiin jatkuvalla vesijäähdytyksellä varustetut timanttikiekot ovat vakiona koville teräksille ja karbidille, kun taas hartsisidostetut alumiinioksidileikkauslaikat sopivat pehmeämmille rakennemetalleille.
Asennus ja hionta
Leikkauksen jälkeen näytteet asennetaan yleensä lämpökovettuvaan tai kylmäkovettuvaan epoksihartsiin turvallisen käsittelyn mahdollistamiseksi hionnan ja kiillotuksen aikana. Reunanpidätyskiinnikkeet määritetään, kun pintaa lähellä olevat kovuusgradientit – kuten kotelon syvyydet tai pinnoitteen rajapinnat – on mitattava ilman reunan pyöristämistä.
Hionta seuraa sarjaa karkeammista hiomapapereista hienompiin SiC-hiomapapereihin (yleensä 120 → 320 → 600 → 1200 karkeus) ja näytettä käännetään 90° kunkin vaiheen välillä naarmujen poistamiseksi edellisestä suunnasta. Jokaisen vaiheen on poistettava edellisen aiheuttama muodonmuutos kokonaan.
Kiillotus
Loppukiillotuksessa käytetään 3 µm:n ja 1 µm:n timanttisuspensiota nukattuihin kankaisiin, mikä tuottaa naarmuuntumattoman peilipinnan. Vickersin mikrokovuus, a 0,25 µm kolloidinen piidioksidiviimeistely on usein määritelty minimoimaan pinnan heijastusvirheitä mitattaessa pieniä painaumia pienillä kuormilla. Kiillotetussa pinnassa ei saa olla kohokuvioita, tahroja ja kuoppia ennen testauksen aloittamista.
Kovuustestaustyökalut ja niiden valintakriteerit
Oikean kovuuden mittaustyökalun valintaan kuuluu instrumentin kuormitusalueen ja sisennystyypin sovittaminen materiaalin paksuuteen, odotettuun kovuusalueeseen ja vaadittuun tilaresoluutioon.
- Benchtop Rockwell-testerit — vakiovalinta irtotavarateräskomponenttien saapuvan tarkastuksen ja lämpökäsittelyn tarkastukseen. Kuormasovellus on moottoroitu ja johdonmukainen, ja nykyaikaiset digitaaliset mallit tallentavat testitietueita SPC-integraatiota varten. Rockwell-menetelmää ei voida käyttää ohuelle massalle (tyypillisesti alle 1 mm HRC:lle), koska sisennyksen syvyys lähestyy materiaalin paksuutta, mikä rikkoo vähimmäispaksuussääntöä.
- Vickers / Knoop mikrokovuusmittarit — käytetään ohuille kalvoille, galvanoiduille pinnoitteille, diffuusiokarkaistuille pinnoille ja mikrorakenteen yksittäisille faaseille. Kuormitusalue on tyypillisesti 1 gf - 1 kgf. Integroitu optinen mikroskooppi kuvaa syvennyksen diagonaalimittausta varten, ja usein automaattinen kuva-analyysi vähentää käyttäjän vaihtelua.
- Kannettavat rebound (Leeb) kovuusmittarit — sopii suurille, asennetuille komponenteille, joita ei voida tuoda laboratorioon. Jousivetoinen iskurunko iskee pintaan; palautumisen suhde törmäysnopeuteen antaa Leeb-arvon (HL), joka muunnetaan sitten HRC:ksi, HB:ksi tai HV:ksi. Tarkkuus riippuu pinnan viimeistelystä, massasta ja työkappaleen geometriasta.
- Ultraäänikontaktiimpedanssin (UCI) testaajat — käytä Vickers-timanttia tärisevässä sauvassa; taajuusmuutos kosketuksessa korreloi kovuuden kanssa. UCI-instrumentit ovat erityisen hyödyllisiä ohuiden kotelokarkaistujen kerrosten ja pinnoitteiden mittaamiseen paikan päällä ilman paljaalla silmällä havaittavia pintavaurioita.
Instrumenttityypistä riippumatta vaaditaan säännöllinen kalibrointi sertifioituja vertailulohkoja (jotka voidaan jäljittää kansallisiin standardeihin, kuten NIST tai PTB) vastaan mittauksen luotettavuuden ylläpitämiseksi. Vertailulohkojen tulee kattaa tuotantoosien odotettu kovuusalue.
Hiiliteräshitsauksen tarkastus: Kovuustestaus lämmön vaikutuksesta alueella
Hitsien poikki kovuus on yksi Vickers-testauksen kriittisimmistä sovelluksista rakennevalmistuksessa. Kun hiiliteräs hitsataan, lämpövaikutusalue (HAZ) käy läpi nopean lämpökierron. Teräksissä, joissa on riittävä hiiliekvivalentti (CE), tämä voi tuottaa martensiittia – kovaa, hauraaa mikrorakennetta, joka nostaa HAZ-kovuuden merkittävästi perusmetallin yläpuolelle ja lisää herkkyyttä vedyn aiheuttamalle halkeilulle (HIC).
Toimialan hyväksymiskriteerit yleensä rajoittaa HAZ-kovuuden maksimiarvoon 350 HV10 yleisille rakenneteräshitsauksille (standardien EN ISO 15614-1 ja AWS D1.1 ohjeiden mukaan) ja 250–300 HV10 offshore-, hapanpalvelu- tai erittäin sitkeisiin sovelluksiin. Näiden kynnysarvojen ylittäminen on hylkäävä edellytys, joka edellyttää esilämmityksen, välivaiheen lämpötilan ja hitsausmenettelyn tarkistamista.
Vakiohitsauksen kovuuden poikkileikkaus sisältää sarjan Vickers-syvennyksiä määritellyllä etäisyydellä - tyypillisesti 0,5 mm tai 1 mm:n etäisyydellä toisistaan - jotka kulkevat hitsimetallista sulatuslinjan läpi HAZ:n poikki ja koskemattomaan perusmetalliin. Traverssi suoritetaan metallografisesti valmistetulle poikkileikkaukselle, joka on syövytetty 2–5 % Nitalilla sulatusrajan paljastamiseksi ennen sisennyksen sijoittamista. Tärkeimmät mittauspaikat ovat karkearaeinen HAZ, joka sijaitsee välittömästi fuusiolinjan vieressä, missä martensiitin muodostuminen on todennäköisintä.
Juuren läpiviennissä ja kapearakohitsauksissa voidaan vaatia mikro-Vickerit HV1:ssä tai HV0.5:ssä riittävän avaruudellisen resoluution saavuttamiseksi HAZ:n sisällä, joka voi olla jopa 0,2–0,5 mm joissakin korkean lämmöntuontiprosesseissa. Testikuorman valinta vaikuttaa suoraan sisennyksen kokoon ja siten pienimpään mitattavaan vyöhykkeen leveyteen — HV10 tuottaa noin 0,3–0,4 mm:n sisennyksen 300 HV:llä , kun taas HV1 pienentää tämän noin 0,1 mm:iin.
Tarkkuusleikkurikoneet metallografisten näytteiden valmistelussa
Tarkkuusleikkuri on jokaisen metallografisen työnkulun lähtökohta. Sen ensisijainen tehtävä on tuottaa tasainen, vaurioiden minimoitu poikkileikkaus, joka edustaa tarkasti kiinnostavaa aluetta – olipa kyseessä sitten hitsaus HAZ, kotelokarkaistu pinta tai pinnoiteliitäntä.
Laboratoriokäytössä on kaksi pääluokkaa:
- Hankaavat leikkaussahat — käytä kuluvia hartsisidottuja pyöriä ja ne soveltuvat tuotantokapasiteettiin. Pyörän valinta (alumiinioksidi teräkselle ja valuraudalle, piikarbidi ei-rautametallille, CBN karkaistulle työkaluteräkselle) ja jäähdytysnesteen virtausnopeus ovat ensisijaiset prosessiparametrit. Leikkauspinnan palamisjäljet tai sinertyminen osoittavat liiallista kuumuutta ja vaativat hitaampaa syöttöä tai uuden pyörän valintaa.
- Timanttikiekkosahat — käytä metalli- tai hartsisidostettuja timanttiteriä alhaisella nopeudella öljyjäähdytysnesteen kanssa. Ne tuottavat alimman muodonmuutoskerroksen (tyypillisesti alle 5 µm) ja ovat välttämättömiä hauraalle keramiikalle, elektronisille komponenteille ja näytteille, joissa ehjä mikrorakenne on säilytettävä mikrometrien sisällä leikatusta pinnasta.
Tärkeimmät tiedot valittaessa tarkkuusleikkuria kovuustestin valmisteluun ovat mm Suurin työkappaleen halkaisija, istukan puristusvoima, terän kierroslukualue ja jäähdytysnesteen toimitustapa . Automaattinen syöttöohjaus – jossa saha etenee vakiovoimalla kiinteän nopeuden sijaan – vähentää merkittävästi käyttäjän välistä vaihtelua ja pidentää terän käyttöikää.
Erityisesti hitsin tarkastusnäytteitä varten leikkurissa on oltava epäsäännölliset geometriat (T-liitokset, putkiosat, päällyspäällyste) vakaalla kiinnikkeellä. Epävakaa puristus aiheuttaa tärinän aiheuttamia tärinäjälkiä, jotka leviävät syvälle näytteeseen ja muodostavat epämuodostuneen kerroksen, jota ei voida täysin poistaa myöhemmissä hiontavaiheissa ilman liiallista massan poistoa.
