Hardhetstestveiledning: Vickers, Rockwell, Brinell & Sample Prep

Metallografisk prøveforberedelse: hvorfor det er viktig før en hardhetstest

Nøyaktig hardhetstesting begynner lenge før indenteren kommer i kontakt med prøven. Metallografisk prøveforberedelse — den kontrollerte prosessen med seksjonering, montering, sliping og polering av en metallprøve — bestemmer direkte om en hardhetsavlesning gjenspeiler materialets sanne egenskaper eller en artefakt introdusert under håndtering.

Spesielt for mikrohardhetsmetoder er overflatens tilstand kritisk. En dårlig polert prøve introduserer topografisk variasjon som avleder innrykk, blåser opp spredning og produserer avlesninger som ikke kan korreleres med noen publisert konverteringstabell. Det generelle kravet for Vickers og Knoops mikrohardhetstesting er en overflatefinish på 0,1 µm Ra eller bedre – kun oppnåelig gjennom systematisk metallografisk forberedelse.

Forberedelsessekvensen inkluderer vanligvis:

1. Seksjonering med en slipende kappeskive med tilstrekkelig kjølevæske for å forhindre termisk skade
2. Kald eller varm montering i epoksy eller fenolharpiks for å gi kantstøtte og sikker håndtering
3. Plansliping for å fjerne snittskader og oppnå et flatt referanseplan
4. Sekvensiell sliping gjennom gradvis finere SiC-slipemidler (typisk 240 → 400 → 600 → 1200 korn)
5. Diamantpolering (6 µm, deretter 3 µm, deretter 1 µm) for å eliminere alle sliperiper
6. Avsluttende polering med kolloidal silika (0,04–0,05 µm OPS) for overflater med speilfinish som kreves av standarder for mikrohardhet

Hvert trinn må fullstendig fjerne skade fra den forrige. Å hoppe over trinn eller forhaste oppholdstid bygger inn deformerte underjordiske lag – arbeidsherdede soner som produserer falskt høye Vickers-avlesninger i området 10–50 HV, en betydelig feil ved testing av tynne belegg, varmepåvirkede soner eller kasseherdede lag.

Hva brukes Vickers hardhetstest til?

Vickers hardhetstest brukes til å måle motstanden til et materiale mot permanent innrykk ved å bruke en firkantbasert diamantpyramideinnrykk med en 136° flatevinkel. Det er den mest allsidige makro- og mikrohardhetsmetoden som er tilgjengelig , anvendelig for praktisk talt alle faste materialer uavhengig av hardhetsnivå, og er den foretrukne metoden når presisjon, sporbarhet eller mikrostrukturell oppløsning er nødvendig.

I praksis brukes Vickers-testen til:

• Måling av saksdybde – profilering av hardhetsgradienter på tvers av karburerte, nitrerte eller induksjonsherdede overflater ved å lage en rekke fordypninger i økende avstand fra overflaten
• Evaluering av tynnbelegg – vurdere PVD/CVD harde belegg, elektropletterte lag og diffusjonsbehandlinger der den berørte sonen kan være bare noen få mikron tykk
• Inspeksjon av sveisekvalitet – kartlegge hardheten over basismetallet, den varmepåvirkede sonen og sveisestrengen for å oppdage mykgjøring, overherding eller følsomhet for hydrogensprekking
• Feilanalyse - identifisere avkarbonisering, utemperert martensitt, tilbakeholdt austenitt eller fasegrenser gjennom lokaliserte hardhetsmålinger
• Materialsertifisering — verifisere varmebehandlingsresultater i romfarts-, bil- og verktøykomponenter i henhold til spesifikasjoner som AMS, ISO 6507 og ASTM E92
• Forskning og utvikling – karakteriserer nyutviklede legeringer, sintret keramikk og komposittmaterialer der det ikke finnes noen eksisterende konverteringsskalaer

Fordi Vickers-skalaen er kontinuerlig fra omtrent 5 HV (veldig myke blylegeringer) til over 3000 HV (diamant), er det ikke nødvendig med endringer i rekkevidden. En enkelt metode dekker mykt kobber (40–80 HV), herdet verktøystål (700–900 HV) og sementert karbid (1400–1800 HV). Denne kontinuiteten gjør Vickers til grunnlaget for alle internasjonale hardhetskonverteringstabeller.

Rockwell hardhetsreferanseblokker: kalibrering, sporbarhet og riktig bruk

A Rockwell hardhetsreferanseblokk (også kalt en testblokk eller kalibreringsblokk) er en presisjonsslipt, sertifisert metallkupong som brukes til å bekrefte at en Rockwell hardhetstester yter innenfor angitte nøyaktighetsgrenser. Det er ikke et forbruksmateriell – en enkelt sertifisert blokk støtter vanligvis hundrevis av verifikasjonsmålinger når den brukes riktig.

I henhold til ASTM E18 og ISO 6508 må referanseblokker kalibreres på en primær standardiseringsmaskin som kan spores til et nasjonalt metrologiinstitutt (NIST i USA, PTB i Tyskland, etc.). Hver blokk sendes med et sertifikat som angir sertifisert hardhetsverdi, måleusikkerhet og antall gyldige testplasseringer som gjenstår på blokkoverflaten.

Riktig bruk av referanseblokker

Vanlige feil som ugyldiggjør referanseblokkmålinger inkluderer testing på de avfasede kantene, gjenbruk av innrykksteder innenfor en utelukkelsessone med 3 innrykk-diameter og testing på bunnflaten (som har en annen restspenningstilstand enn den kalibrerte toppflaten). Bare den tydelig markerte toppflaten er gyldig for verifikasjonstesting.

Daglig verifisering bør utføres med blokker som har en hardhet nær materialet som testes. Å bruke en 60 HRC-blokk for å verifisere en maskin som vil teste 25 HRC-deler er teknisk tillatt, men praktisk talt mindre følsom for de systematiske feilene – amboltseter, innrykktilstand og lastcelledrift – som påvirker avlesningene i mellomområdet.

Blokker bør oppbevares i en lukket boks, vekk fra fuktighet og vibrasjoner, og håndteres med bomullshansker for å forhindre korrosjon av den polerte overflaten. En blokk som har blitt mistet, riper gjennom sin aktive sone, eller viser overflateoksidasjon, bør trekkes tilbake fra kalibreringsbruk.

Hva er HK i hardhet? Knoop vs. Vickers for arbeid med mikrohardhet

HK står for Hardness Knoop , skalaen brukt i Knoops mikrohardhetstest. I likhet med Vickers (HV), bruker Knoop en diamantpyramideinnrykk og optisk måling av det resulterende inntrykket - men geometrien er fundamentalt forskjellig. Knoop-innrykk produserer en langstrakt romboedrisk innrykk med et diagonalt forhold på 7,11:1, mens Vickers produserer en nesten firkantet innrykk.

Denne geometriske forskjellen har to viktige praktiske konsekvenser:

• Grunnere inntrengningsdybde — Knoop-innrykket er omtrent 1/30-del av den lange diagonalen i dybden, sammenlignet med 1/7-del for et Vickers-innrykk med samme diagonallengde. Dette gjør Knoop betydelig bedre for svært tynne belegg, sprø keramikk og glass der dyp penetrasjon vil forårsake sprekker eller påvirkning av underlaget.
• Retningsfølsomhet – den langstrakte formen kan avsløre krystallografisk anisotropi i enkeltkrystaller eller svært teksturerte materialer ved å rotere prøven i forhold til innrykksaksen.

Knoop er den foretrukne metoden under ASTM E384 for testing: sementerte karbider, herdet glass, tynne galvaniske lag og materialer der sprekker rundt Vickers-innrykket ville kompromittere målingsgyldigheten. For de fleste bruksområder for stål, aluminium og kobberlegeringer er Vickers mikrohardhet (HV 0,1 til HV 1) standardvalget på grunn av dens enklere geometri og direkte konverterbarhet til andre hardhetsskalaer.

Konvertering av Brinell-hardhet til ultimat strekkstyrke

Brinell hardhet (HBW) korrelerer lineært med ultimat strekkfasthet (UTS) for et bredt spekter av stål og støpejern , noe som gjør det til en av de mest praktisk nyttige hardhet-til-styrke-konverteringene innen ingeniørfag. Sammenhengen oppstår fordi begge egenskapene er styrt av motstanden til materialets mikrostruktur mot plastisk flyt under en konsentrert belastning.

Den mye brukte tilnærmingen for karbon og lavlegert stål er:

UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW

I amerikanske vanlige enheter: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Disse koeffisientene holder rimelig godt for ferritiske, perlittiske og martensittiske stål i området 150–400 HBW. Nøyaktigheten faller vanligvis innenfor ±7 % for normalisert eller bråkjølt og herdet karbonstål, som er tilstrekkelig for materialverifisering og innkommende inspeksjonsformål.

Forholdet forringes og bør ikke brukes uten materialspesifikke data i følgende tilfeller:

• Austenittisk rustfritt stål — arbeidsherdingsadferd skiller seg betydelig fra ferritisk stål; multiplikatoren er nærmere 3,3–3,55 og varierer etter legering
• Aluminiumslegeringer - en multiplikator nær 3,6–3,8 blir ofte sitert, men spredningen er høy over forskjellige temperamentsforhold
• Støpejern — grafittmorfologi (flake vs. nodulær) introduserer en sekundær mikrostrukturell variabel; publiserte tabeller for seigjern og gråjern bør konsulteres separat
• HBW > 400 — det lineære forholdet brytes ned; Vickers eller Rockwell C-konvertering via ASTM E140 er mer pålitelig ved høye hardhetsnivåer

ASTM A370 og EN ISO 18265 gir begge tabulerte hardhet-til-strekkfasthetskonverteringsdata med angitte bruksområder og forventede usikkerheter, og bør være referansedokumentene for enhver spesifikasjonskritisk konvertering.

Strekkstyrke fra Rockwell hardhet: konverteringsmetoder og grenser

Estimering av strekkfasthet fra Rockwell-hardhet følger en to-trinns prosess: Konverter først Rockwell til Brinell ved å bruke ASTM E140-konverteringstabeller, og bruk deretter Brinell-til-UTS-forholdet beskrevet ovenfor - eller bruk direkte UTS-korrelasjonstabeller som konsoliderer begge trinnene.

For herdet stål i HRC 20–65-serien , gir følgende omtrentlige ekvivalenser et praktisk utgangspunkt:

Over HRC 40 (~400 HBW) er selve Brinell-testen ikke lenger gyldig fordi 10 mm karbidkulen deformeres elastisk ved høye belastninger, og gir ikke-reproduserbare resultater. I dette området, Vickers eller Rockwell C er de riktige hardhetsmetodene , og UTS-estimering bør referere direkte empiriske tabeller for den spesifikke stålkvaliteten i stedet for den generiske lineære formelen.

For tekniske beslutninger som involverer sikkerhetskritiske komponenter – trykkbeholdere, strukturelle festemidler, veivaksler – bør hardhetsavledede UTS-verdier kun behandles som screeningsdata. Fysisk strekktesting i henhold til ASTM E8 eller ISO 6892 kreves for sertifisering på designbasis.