Metallográfiai minta előkészítése: miért fontos minden keménységi teszt előtt?
A pontos keménységvizsgálat már jóval azelőtt megkezdődik, hogy a bemélyedés a mintával érintkezne. Metallográfiai minta előkészítése – a fémminta metszésének, rögzítésének, csiszolásának és polírozásának ellenőrzött folyamata – közvetlenül meghatározza, hogy a keménységi leolvasás az anyag valódi tulajdonságait vagy a kezelés során fellépő műterméket tükrözi-e.
Különösen a mikrokeménységi módszereknél a felület állapota kritikus. A gyengén csiszolt minta topográfiai eltéréseket mutat be, amelyek eltérítik a behúzást, felfújják a szóródást, és olyan leolvasásokat produkálnak, amelyeket nem lehet korrelálni egyetlen közzétett konverziós táblázattal sem. A Vickers és Knoop mikrokeménységi vizsgálat általános követelménye a 0,1 µm Ra vagy annál jobb felületi minőség – ez csak szisztematikus metallográfiai előkészítéssel érhető el.
Az előkészítési sorrend általában a következőket tartalmazza:
- Metszés csiszoló vágókoronggal megfelelő hűtőfolyadék felhasználásával a hőkárosodás elkerülése érdekében
- Hideg vagy meleg szerelés epoxi- vagy fenolgyantába az élek megtámasztásához és biztonságos kezeléséhez
- Síkcsiszolás a vágási sérülések eltávolításához és a sík referenciasík eléréséhez
- Sorozatos köszörülés fokozatosan finomabb SiC csiszolóanyagokkal (általában 240 → 400 → 600 → 1200 szemcseméretű)
- Gyémánt polírozás (6 µm, majd 3 µm, majd 1 µm) az összes csiszolási karc eltávolításához
- Végső polírozás kolloid szilícium-dioxiddal (0,04–0,05 µm OPS) a mikrokeménységi szabványok által megkövetelt tükörfényű felületekhez
Minden szakasznak teljesen el kell távolítania az előző sérülését. A lépések kihagyása vagy a rohanó tartózkodási idő deformált felszín alatti rétegeket ágyaz be – olyan keményített zónákat, amelyek hamisan magas Vickers-értékeket adnak a 10–50 HV tartományban, ami jelentős hiba vékony bevonatok, hőhatásnak kitett zónák vagy keményített rétegek tesztelésekor.
Mire használható a Vickers keménységi teszt?
A Vickers keménységi tesztet egy anyag tartós benyomódással szembeni ellenállásának mérésére használjuk, négyzet alapú gyémánt piramis behúzással, 136°-os homlokszöggel. Ez a legsokoldalúbb makro- és mikrokeménységi módszer , gyakorlatilag bármilyen szilárd anyagra alkalmazható, keménységi szinttől függetlenül, és ez az előnyben részesített módszer, ha pontosság, nyomon követhetőség vagy mikroszerkezeti felbontás szükséges.
A gyakorlatban a Vickers-tesztet a következőkre használják:
- Tokmélységmérés - keménységi gradiensek profilozása karburált, nitridált vagy indukciósan edzett felületeken, a felülettől növekvő távolságra bemélyedések sorozatával
- Vékony bevonat értékelése — PVD/CVD kemény bevonatok, galvanizált rétegek és diffúziós kezelések értékelése, ahol az érintett zóna csak néhány mikron vastag lehet
- Hegesztési minőségellenőrzés — a keménység feltérképezése az alapfém, a hőhatás zóna és a hegesztési varrat között a lágyulási, túlkeményedési vagy hidrogénrepedés-érzékenység kimutatására
- Hibaelemzés — a dekarbonizáció, a temperálatlan martenzit, a visszatartott ausztenit vagy a fázishatárok azonosítása helyi keménységmérésekkel
- Anyagtanúsítás — a hőkezelés eredményeinek ellenőrzése a repülőgépiparban, az autóiparban és a szerszámalkatrészekben olyan előírások szerint, mint az AMS, ISO 6507 és ASTM E92
- Kutatás és fejlesztés – az újonnan kifejlesztett ötvözetek, szinterezett kerámiák és kompozit anyagok jellemzése, ahol nem léteznek előzetes konverziós lépték
Mivel a Vickers-skála nagyjából 5 HV-tól (nagyon lágy ólomötvözetek) egészen 3000 HV-ig (gyémánt) folyamatos, nincs szükség tartománymódosításra. Egyetlen módszer vonatkozik a lágy rézre (40–80 HV), az edzett szerszámacélra (700–900 HV) és a cementált keményfémre (1400–1800 HV). Ez a folytonosság teszi a Vickers-t az összes nemzetközi keménységi átszámítási táblázat alapjává.
Rockwell keménységi referenciablokkok: kalibrálás, nyomon követhetőség és megfelelő használat
A Rockwell keménységi referenciablokk (más néven tesztblokk vagy kalibrációs blokk) egy precíziósan köszörült, hitelesített fémkupon, amellyel ellenőrizhető, hogy a Rockwell keménységmérő a megadott pontossági határokon belül teljesít-e. Nem fogyóeszköz – egyetlen tanúsított blokk általában több száz ellenőrző mérést támogat, ha helyesen használják.
Az ASTM E18 és ISO 6508 szerint a referenciablokkokat egy nemzeti metrológiai intézetig visszavezethető elsődleges szabványosító gépen kell kalibrálni (az Egyesült Államokban NIST, Németországban PTB stb.). Minden blokkot egy tanúsítvánnyal szállítunk, amely tartalmazza a hitelesített keménységi értéket, a mérési bizonytalanságot és a blokk felületén maradt érvényes vizsgálati helyek számát.
A referenciablokkok helyes használata
A referenciablokk mérését érvénytelenítő gyakori hibák közé tartozik a letört élek tesztelése, a behúzási helyek újrafelhasználása egy 3 bemélyedés átmérőjű kizárási zónán belül, valamint az alsó felületen végzett tesztelés (amelynek a maradó feszültség állapota eltér a kalibrált felső felülettől). Csak a jól megjelölt felső felület érvényes az ellenőrző vizsgálatra.
A napi ellenőrzést olyan blokkokkal kell elvégezni, amelyek keménysége közel áll a vizsgált anyaghoz. Egy 60 HRC blokk használata egy olyan gép ellenőrzésére, amely 25 HRC alkatrészt tesztel, műszakilag megengedett, de gyakorlatilag kevésbé érzékeny a szisztematikus hibákra – az üllőülés, a behúzás állapota és a mérőcella eltolódása –, amelyek a középtartomány leolvasását befolyásolják.
A blokkokat zárt tokban, nedvességtől és vibrációtól védve kell tárolni, és pamutkesztyűben kell kezelni a polírozott felület korróziójának megelőzése érdekében. Ha a blokkot leejtették, átkarcolták az aktív zónáján, vagy felületi oxidációt mutat, ki kell vonni a kalibrálási használatból.
Mi az a HK keménységben? Knoop vs. Vickers a mikrokeménységű munkáért
A HK a Hardness Knoop rövidítése , a Knoop mikrokeménységi tesztben használt skála. A Vickershez (HV) hasonlóan a Knoop is gyémánt piramis behúzást és a keletkező lenyomat optikai mérését használja – de a geometria alapvetően különbözik. A Knoop behúzás egy hosszúkás romboéder bemélyedést hoz létre 7,11:1 átlóaránnyal, míg a Vickers egy közel négyzetes behúzást.
Ennek a geometriai különbségnek két fontos gyakorlati következménye van:
- Sekélyebb behatolási mélység — a Knoop behúzás körülbelül a hosszú átló 1/30-a mélységben, szemben az azonos átlós hosszúságú Vickers-behúzás 1/7-ével. Ez jelentősen jobbá teszi a Knoop-ot nagyon vékony bevonatokhoz, törékeny kerámiákhoz és üvegekhez, ahol a mély behatolás repedést vagy az aljzat befolyását okozhatja.
- Irányítási érzékenység — a megnyúlt forma felfedheti a krisztallográfiai anizotrópiát egykristályokban vagy erősen texturált anyagokban, ha a mintát a bemélyedés tengelyéhez képest elforgatják.
Az ASTM E384 szerint a Knoop az előnyben részesített módszer a teszteléshez: cementált karbidok, edzett üvegek, vékony galvanikus rétegek és olyan anyagok, ahol a Vickers bemélyedés körüli repedés veszélyeztetné a mérés érvényességét. A legtöbb acél-, alumínium- és rézötvözet-alkalmazáshoz a Vickers mikrokeménység (HV 0,1-től HV 1-ig) az alapértelmezett választás egyszerűbb geometriájának és más keménységi skálákra való közvetlen átalakíthatóságának köszönhetően.
| Paraméter | Vickers (HV) | Knoop (HK) |
|---|---|---|
| Behúzó alak | Négyzet alakú piramis (136°) | Hosszúkás piramis (7,11:1 arány) |
| Behúzás mélysége az átlóhoz képest | ~1/7 | ~1/30 |
| A legjobb | Fémek, ötvözetek, hőkezelt profilok | Kerámia, üveg, vékony bevonatok |
| Szabványos | ASTM E92 / ISO 6507 | ASTM E384 |
| Skálakonverzió | Közvetlen asztalok HRC, HB, UTS felé | Nincs univerzális átalakítás Rockwellre |
A Brinell-keménység átalakítása a végső szakítószilárdsággá
A Brinell-keménység (HBW) lineárisan korrelál a végső szakítószilárdsággal (UTS) számos acél és öntöttvas esetében , így a gyakorlatban az egyik leghasznosabb keménység-szilárdság átalakítás a mérnöki területen. Az összefüggés abból adódik, hogy mindkét tulajdonságot az anyag mikroszerkezetének koncentrált terhelés melletti képlékeny áramlással szembeni ellenállása határozza meg.
A szén- és gyengén ötvözött acélokra széles körben alkalmazott közelítés a következő:
UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW
Az Egyesült Államokban szokásos mértékegységekben: UTS (psi) ≈ 500 × HBW
Ezek az együtthatók meglehetősen jól érvényesek a 150–400 HBW tartományban lévő ferrites, perlites és martenzites acéloknál. Normalizált vagy edzett szénacél esetén a pontosság általában ±7%-on belül van, ami elegendő az anyagellenőrzés és a bejövő ellenőrzési célokra.
A kapcsolat romlik, és nem használható anyagspecifikus adatok nélkül a következő esetekben:
- Ausztenites rozsdamentes acélok — a keményedési viselkedés jelentősen eltér a ferrites acélokétól; a szorzó közelebb van a 3,3-3,55-höz, és ötvözetenként változik
- Alumíniumötvözetek – gyakran említenek egy 3,6–3,8 körüli szorzót, de a szórás nagy a különböző hangulati körülmények között
- Öntöttvas — a grafit morfológia (pelyhes vs. csomós) egy másodlagos mikroszerkezeti változót vezet be; a gömbgrafitos öntöttvasra és a szürkevasra vonatkozó közzétett táblázatokat külön kell tanulmányozni
- HBW > 400 — a lineáris kapcsolat megbomlik; Vickers vagy Rockwell C átalakítás az ASTM E140-en keresztül megbízhatóbb magas keménységi szinteken
Az ASTM A370 és az EN ISO 18265 egyaránt táblázatos formában nyújt keménység-szakítószilárdság konverziós adatokat megadott alkalmazhatósági tartományokkal és várható bizonytalanságokkal, és referenciadokumentumnak kell lennie minden specifikáció szempontjából kritikus átalakításhoz.
Szakítószilárdság a Rockwell keménységből: Átalakítási módszerek és határok
A szakítószilárdság becslése a Rockwell-keménység alapján egy kétlépéses folyamatot követ: először konvertálja a Rockwell-t Brinell-re az ASTM E140 konverziós táblázatok segítségével, majd alkalmazza a fent leírt Brinell-UTS-kapcsolatot – vagy használjon közvetlen UTS-korrelációs táblázatokat, amelyek mindkét lépést konszolidálják.
Edzett acélhoz a HRC 20-65 tartományban , a következő közelítő egyenértékűségek gyakorlati kiindulópontot adnak:
| Rockwell C (HRC) | Brinell (HBW) | kb. UTS (MPa) | kb. UTS (psi) |
|---|---|---|---|
| 20 | 226 | 780 | 113 000 |
| 30 | 286 | 987 | 143 000 |
| 40 | 371 | 1,280 | 185 500 |
| 50 | 481 | — | — (a lineáris képlet ~400 HBW felett érvénytelen) |
| 60 | 746 | — | – (közvetlen szakítóvizsgálatot használjon) |
HRC 40 (~400 HBW) felett maga a Brinell-teszt már nem érvényes, mert a 10 mm-es keményfém golyó nagy terhelés esetén rugalmasan deformálódik, így nem reprodukálható eredményeket ad. Ebben a tartományban Vickers vagy Rockwell C a megfelelő keménységi módszerek , és az UTS becslésnek az általános lineáris képlet helyett az adott acélminőségre vonatkozó közvetlen tapasztalati táblázatokra kell hivatkoznia.
A biztonság szempontjából kritikus alkatrészeket – nyomástartó edényeket, szerkezeti rögzítőket, főtengelyeket – érintő műszaki döntések esetében a keménységből származó UTS értékeket csak átvilágítási adatokként kell kezelni. Az ASTM E8 vagy ISO 6892 szerinti fizikai szakítóvizsgálat szükséges a tervezési alap tanúsításához.
