Rockwell, Brinell és Vickers: A három fő keménységvizsgálati módszer megértése
A keménységvizsgálat méri az anyag tartós alakváltozással szembeni ellenállását meghatározott terhelés mellett. A három domináns módszer – Rockwell, Brinell és Vickers – mindegyik más-más behúzási geometriát, terhelési tartományt és mérési megközelítést alkalmaz, így különböző anyagokhoz és alkalmazásokhoz alkalmas.
Rockwell keménység (HR) kisebb előterhelést alkalmaz, majd egy nagyobb terhelést, majd méri a bemélyedés nettó mélységét. Az eredményt közvetlenül a tárcsáról vagy a digitális kijelzőről olvassa le optikai mérés nélkül, így ez a leggyorsabb módszer a gyártási padlón történő teszteléshez. Több skálát használ – HRC a kemény acélokhoz, HRB a lágyabb fémekhez, HRA a keményfémekhez – mindegyiket egy adott behúzás és terhelés kombináció határozza meg.
Brinell keménység (HB vagy HBW) edzett acél vagy keményfém golyót présel a felületbe fix terhelés mellett, acél és öntöttvas esetében jellemzően 3000 kgf. A bemélyedés átmérőjét optikailag mérjük, és a HB-számot az alkalmazott terhelés és a bemélyedés ívelt felületének hányadosa alapján számítjuk ki. Mivel a bemélyedés viszonylag nagy, a Brinell-átlagolás kevésbé érzékeny a helyi mikroszerkezeti változásokra, ezért előnyösebb durva szemcsés anyagokhoz, például öntvényekhez és kovácsolt anyagokhoz.
Vickers keménység (HV) négyzet alapú gyémánt piramis behúzót használ 136°-os homlokszöggel 1 gf (mikro-Vickers) és 120 kgf (makro-Vickers) terhelés mellett. A négyzet alakú behúzás mindkét átlóját megmérjük és átlagoljuk. A HV-szám kiszámítása a terhelés és a lenyomat érintkezési felületének hányadosa alapján történik. A Vickers a legsokoldalúbb módszer: vékony bevonatokra, edzett rétegekre, hegesztési hőhatású zónákra és ömlesztett anyagokra egyaránt alkalmazható, mindezt egyetlen folyamatos skálán.
| módszer | Behúzás | Mérés | Legjobb For |
|---|---|---|---|
| Rockwell | Gyémánt kúp vagy acélgolyó | A behúzás mélysége | Edzett acél gyors gyártási tesztelése |
| Brinell | Volfrámkarbid golyó (ø1-10 mm) | Behúzás átmérője (optikai) | Öntvények, kovácsolt anyagok, durvaszemcsés ötvözetek |
| Vickers | Gyémánt piramis (136°) | Átló hossza (optikai) | Vékony bevonatok, hegesztések, mikrokeménység |
A Vickerstől a Rockwell-ig terjedő keménységkonverzió: Hogyan működik, és hol marad el
A Vickers-keménység átszámítása Rockwell-keménységre – és fordítva – gyakori követelmény, amikor a műszaki rajzok egy skálát határoznak meg, de a rendelkezésre álló tesztberendezések egy másikat használnak. A legszélesebb körben elfogadott hivatkozás az ASTM E140 , amely szabványosított konverziós táblázatokat biztosít különféle vas- és nemvastartalmú anyagokhoz.
A szerszám- és szerkezeti alkalmazásokban általánosan használt edzett acél esetében a hozzávetőleges összefüggések a következők:
- HV 940 ≈ HRC 68 (közel a Rockwell C skála felső határához)
- HV 800 ≈ HRC 65
- HV 600 ≈ HRC 57
- HV 400 ≈ HRC 41
- HV 200 ≈ HRB 93 (áttérés a B skálára a lágyabb anyagokhoz)
- HV 100 ≈ HRB 56
Ezek az átalakítások egy fontos figyelmeztetést tartalmaznak: anyagspecifikusak . A rugalmas-képlékeny alakváltozási arány különbözik a szénacél, a rozsdamentes acél, az alumíniumötvözetek és a titán esetében. A szénacélra érvényes Vickers-Rockwell konverzió hibát okoz, ha ausztenites rozsdamentes acélra vagy nikkel szuperötvözetre alkalmazzák. Az ASTM E140 pontosan ezért biztosít külön oszlopokat a különböző anyagcsaládokhoz.
A szélsőségeknél további korlátozás adódik: a Rockwell C skála csak HRC 20 és HRC 70 között megbízható. Az ezen a tartományon kívüli értékeket egy megfelelőbb skálán kell mérni (HRA nagyon kemény anyagok esetén HRC 70 felett, HRB lágyabb anyagok esetén HRC 20 alatt), vagy közvetlenül HV-ben kell jelenteni, konverzió nélkül.
A hegesztési varratok ellenőrzése és a minőség-ellenőrzött környezet esetén az átszámított értékeket mindig a becsült értéknek megfelelően kell megjelölni. A kívánt léptékű közvetlen mérés az egyetlen módja annak, hogy nyomon követhető, a specifikációnak megfelelő eredményt kapjunk.
Kohászati mintaelőkészítés: A megbízható keménységi adatok megalapozása
A keménységi teszt csak annyira pontos, amennyire a felületet méri. A rossz minta-előkészítés olyan hibát okoz, amelyet semmilyen műszerkalibráció nem tud kijavítani. Ez különösen igaz a Vickers- és Brinell-módszerekre, ahol a mérés optikai jellegű, és a felületi visszaverődés közvetlenül befolyásolja az átló- vagy átmérő-leolvasási pontosságot.
Szakaszolás
Az első lépés egy lapos, reprezentatív keresztmetszet készítése. A precíziós vágógép (abrazív vagy gyémánt vágófűrésznek is nevezik) a munkadarab minimális hőbevitellel és mechanikai deformációval történő metszésére szolgál. A visszaélésszerű vágás – tompa penge, túlzott előtolás vagy nem megfelelő hűtőfolyadék használata – deformálódott vagy hőhatásnak kitett felületi réteget okoz, amely mesterségesen megemeli vagy csökkenti a keménységi értékeket. A kohászati minőségű vágásokhoz a folyamatos vízhűtéssel ellátott gyémánt lapkalapátok alapfelszereltség a keményacélokhoz és keményfémekhez, míg a gyantakötésű alumínium-oxid vágókorongok puhább szerkezeti fémekhez illeszkednek.
Szerelés és köszörülés
A metszés után a mintákat általában hőre keményedő vagy hidegen keményedő epoxigyantába helyezik, hogy lehetővé tegyék a biztonságos kezelést a csiszolás és polírozás során. Az élrögzítő szerelvények akkor vannak megadva, ha a felülethez közeli keménységi gradienseket – például a ház mélységét vagy a bevonat felületeit – éllekerekítés nélkül kell mérni.
A köszörülés egy szekvenciát követ a durvábbtól a finomabb SiC csiszolópapírokig (általában 120 → 320 → 600 → 1200 szemcseméretű), és a mintát 90°-kal elforgatják az egyes lépések között, hogy eltávolítsák az előző irányból származó karcolásokat. Minden szakasznak teljesen el kell távolítania az előző által okozott deformációt.
Polírozás
A végső polírozáshoz 3 µm-es és 1 µm-es gyémánt szuszpenziót használnak a takarós törlőkendőkre, így karcmentes tükörfelületet kapunk. Vickers mikrokeménységhez a 0,25 µm kolloid szilícium-dioxid bevonat gyakran úgy van megadva, hogy minimálisra csökkentsék a felületi tükrözési hibákat kis bemélyedések kis terhelés melletti mérésekor. A vizsgálat megkezdése előtt a polírozott felületnek mentesnek kell lennie domborműtől, elkenődéstől és lyukasztástól.
Keménységmérő eszközök és Kiválasztási kritériumaik
A megfelelő keménységmérő eszköz kiválasztása magában foglalja a műszer terhelési tartományának és behúzó típusának az anyagvastagsághoz, a várható keménységi tartományhoz és a szükséges térbeli felbontáshoz való igazítását.
- Asztali Rockwell teszterek — a szabványos választás az ömlesztett acél alkatrészek bejövő vizsgálatához és hőkezelési ellenőrzéséhez. A betöltési alkalmazás motorizált és konzisztens, a modern digitális modellek pedig tesztrekordokat tárolnak az SPC-integrációhoz. A Rockwell-módszer nem használható vékony (HRC esetén jellemzően 1 mm alatti) anyagon, mert a bemélyedés mélysége megközelíti az anyagvastagságot, ami megsérti a minimális vastagság szabályát.
- Vickers / Knoop mikrokeménységmérők - vékony fóliákhoz, galvanizált bevonatokhoz, diffúziós keménységű felületekhez és mikroszerkezet egyes fázisaihoz használható. A terhelési tartomány általában 1 gf és 1 kgf között van. Az integrált optikai mikroszkóp leképezi a bemélyedést az átlós méréshez, gyakran automatizált képelemzéssel a kezelői változékonyság csökkentése érdekében.
- Hordozható visszapattanó (Leeb) keménységmérők — alkalmas nagyméretű, beépített alkatrészekhez, amelyeket nem lehet laboratóriumba vinni. Rugó által hajtott ütőtest üti a felületet; a visszapattanás és az ütközési sebesség aránya adja a Leeb-értéket (HL), amelyet ezután HRC-re, HB-re vagy HV-re konvertálunk. A pontosság a munkadarab felületi minőségétől, tömegétől és geometriájától függ.
- Ultrahangos kontaktimpedancia (UCI) tesztelők — Vickers gyémánt használata vibrációs rúdon; az érintkezéskor bekövetkező frekvenciaeltolás korrelál a keménységgel. Az UCI műszerek különösen hasznosak vékony, keményített rétegek és bevonatok in situ mérésére, szabad szemmel látható felületi károsodás nélkül.
Függetlenül a műszer típusától, rendszeres kalibrálásra van szükség a hitelesített referenciablokkokhoz (amelyek a nemzeti szabványok, például a NIST vagy a PTB szerint vezethetők vissza) a mérési megbízhatóság fenntartásához. A referenciablokkoknak át kell terjedniük a gyártási alkatrészek várható keménységi tartományán.
Szénacél hegesztési ellenőrzés: Keménységvizsgálat a hőhatás zónában
A hegesztési varratokon átívelő keménység a Vickers-tesztelés legkritikusabb alkalmazásai közé tartozik a szerkezetgyártásban. A szénacél hegesztésekor a hőhatászóna (HAZ) gyors termikus cikluson megy keresztül. Elegendő szén-egyenértékkel (CE) rendelkező acéloknál ez martenzitet eredményezhet – egy kemény, törékeny mikroszerkezetet, amely jelentősen az alapfém fölé emeli a HAZ keménységét, és növeli a hidrogén által kiváltott repedésekre való hajlamot (HIC).
Iparági elfogadási kritériumok általában a HAZ keménységét maximumra korlátozzák 350 HV10 általános szerkezeti acélhegesztésekhez (az EN ISO 15614-1 és AWS D1.1 útmutatás szerint), és 250-300 HV10 offshore, savanyú szerviz vagy nagy szilárdságú alkalmazásokhoz. E küszöbértékek túllépése kizáró feltétel, amely megköveteli az előmelegítés, az áthaladási hőmérséklet és a hegesztési eljárás felülvizsgálatát.
A szabványos hegesztési keménység áthaladása egy sor Vickers-mélyedést tartalmaz meghatározott távolságban – jellemzően 0,5 mm-es vagy 1 mm-es távolságban –, amelyek a hegesztési varrattól a fúziós vonalon keresztül a HAZ-on keresztül a nem érintett nem nemesfémbe futnak. A traverz egy metallográfiailag előkészített keresztmetszeten történik, amelyet 2–5% Nital-lal marattak, hogy felfedjék a fúziós határokat a bemélyedés elhelyezése előtt. A legfontosabb mérési helyek közé tartozik a durvaszemcsés HAZ közvetlenül a fúziós vonal mellett, ahol a legvalószínűbb a martenzitképződés.
Gyökérmeneteknél és keskeny hézagú hegesztéseknél szükség lehet a HV1 vagy HV0.5 mikro-Vickerekre, hogy megfelelő térbeli felbontást érjenek el a HAZ-on belül, amely egyes nagy hőbeviteli folyamatokban akár 0,2–0,5 mm is lehet. A próbaterhelés megválasztása közvetlenül befolyásolja a bemélyedés méretét és ezáltal a minimális mérhető zónaszélességet — A HV10 körülbelül 0,3–0,4 mm átmérőjű bemélyedést hoz létre 300 HV mellett , míg a HV1 ezt nagyjából 0,1 mm-re csökkenti.
Precíziós vágógépek a metallográfiai minták előkészítésében
A precíziós vágógép minden metallográfiai munkafolyamat belépési pontja. Elsődleges funkciója egy lapos, sérülésmentes keresztmetszet létrehozása, amely pontosan reprezentálja a vizsgált területet – legyen szó hegesztési HAZ-ról, edzett felületről vagy bevonat interfészről.
A laboratóriumi felhasználásban két fő kategória létezik:
- Csiszoló vágófűrészek — fogyó gyantakötésű kerekeket használjon, és alkalmasak a gyártási teljesítményre. A kerék kiválasztása (acélhoz és öntöttvashoz alumínium-oxid, színesfémekhez szilícium-karbid, edzett szerszámacélhoz CBN) és a hűtőfolyadék áramlási sebessége az elsődleges folyamatparaméterek. Égési nyomok vagy elkékülés a vágási felületen túlzott meleget jeleznek, és lassabb adagolást vagy új tárcsaválasztást igényelnek.
- Gyémánt lapátfűrészek — használjon fém- vagy gyantakötésű gyémánt késeket alacsony fordulatszámon olajhűtő folyadékkal. Ezek alkotják a legalacsonyabb deformációs réteget (jellemzően 5 µm alatt), és nélkülözhetetlenek a rideg kerámiákhoz, elektronikai alkatrészekhez és mintákhoz, ahol az ép mikroszerkezetet meg kell őrizni a vágott felület mikrométeres körzetében.
A keménységi teszt előkészítéséhez szükséges precíziós vágó kiválasztásakor a legfontosabb előírások közé tartozik a maximális munkadarab átmérő, a tokmány szorítóereje, a penge fordulatszám-tartománya és a hűtőfolyadék szállítási módja . Az automatikus előtolásszabályozás – ahol a fűrész állandó erővel halad előre rögzített sebesség helyett – jelentősen csökkenti a kezelők közötti változékonyságot, és meghosszabbítja a fűrészlap élettartamát.
Különösen a hegesztési vizsgálati mintáknál a marónak alkalmazkodnia kell a szabálytalan geometriákhoz (T-kötések, csőszakaszok, fedőburkolat) stabil rögzítéssel. Az instabil rögzítés vibráció által kiváltott remegési nyomokat okoz, amelyek mélyen behatolnak a mintába, és deformált réteget hoznak létre, amelyet nem lehet teljesen eltávolítani a következő csiszolási lépésekben a túlzott leforgácsolás nélkül.
