Ang katigasan ay hindi isang pangunahing materyal na pag-aari ngunit isang nasusukat na tugon sa isang tiyak na paraan ng indentation. Ang direktang praktikal na sagot ay iyon Ang Rockwell, Brinell, at Vickers ay tatlong natatanging indentation hardness test, bawat isa ay gumagamit ng ibang indenter at load, at gumagawa ng mga value sa iba't ibang unit o scale. . Gumagamit ang Rockwell ng lalim na pagsukat at nag-uulat ng walang sukat na numero sa mga timbangan tulad ng HRC o HRB. Pinindot ni Brinell ang isang carbide ball sa ibabaw at nag-uulat ng isang halaga sa HBW (kgf/mm²) . Gumagamit si Vickers ng diamond pyramid at nag-uulat ng katigasan bilang HV (din sa kgf/mm²) , ginagawa itong maraming nalalaman para sa lahat mula sa manipis na mga coatings hanggang sa maramihang materyales. A universal hardness testing machine isinasama ang mga pamamaraang ito sa iisang instrumento, kadalasang nagdaragdag ng kakayahan sa tigas ng Martens na nakaka-depth. Walang iisang yunit ng pagsukat ng katigasan; ang "unit para sa tigas" ay nakadepende sa sukat, at ang pagpili sa pagitan ng mga pagsubok ay nakasalalay sa uri ng materyal, sample na geometry, at ang partikular na impormasyong kinakailangan.
Ang Universal Hardness Testing Machine
A universal hardness tester ay isang instrumento na ininhinyero upang magsagawa ng maramihang standardized hardness test method, karaniwang Rockwell, Brinell, at Vickers, sa pamamagitan ng pagpapalit ng mga indenter, objective lens, at pag-load ng mga profile. Inaalis nito ang pangangailangan para sa mga hiwalay na nakatuong tester. Higit pa sa mga tradisyonal na optical na pamamaraan, ang mga advanced na unibersal na makina ay gumagamit ng depth-sensing na teknolohiya upang sukatin Martens tigas (HM) at indentation modulus ayon sa ISO 14577. Ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pagtatala ng tuluy-tuloy na force-displacement curve sa panahon ng indentation cycle, na nagbibigay ng mga parameter ng materyal na katumbas ng isang high-speed compression test. Ang isang modernong unibersal na makina, halimbawa, ay maaaring maglapat ng mga puwersa ng pagsubok mula sa 1 gf hanggang 3000 kgf , na sumasaklaw sa micro, low-load, at macro range para sa Vickers, Brinell, Rockwell, at maging sa Knoop at mga plastic na pagsubok. Closed-loop force control system, kadalasang may sampling rate na 1 hanggang 2 kHz , tiyaking ang bilis ng paglo-load at oras ng tirahan ay mahigpit na sumusunod sa mga pamantayan tulad ng ASTM E92 at ISO 6506.
Rockwell, Brinell, at Vickers Hardness Test Fundamentals
Lahat ng tatlong pagsubok ay binibilang ang paglaban ng isang materyal sa permanenteng plastic deformation, ngunit naiiba ang mga ito sa indenter geometry, aplikasyon ng pagkarga, at prinsipyo ng pagsukat.
Rockwell Hardness Test
Ang paraan ng Rockwell ay sumusukat sa pagkakaiba-iba ng lalim ng pagtagos ng isang indenter sa ilalim ng isang paunang menor na pagkarga na sinusundan ng isang pangunahing pagkarga. Ang menor de edad na pagkarga (karaniwang 10 kgf o 3 kgf) ay nagtatatag ng reference na posisyon, sumisipsip ng mga imperpeksyon sa ibabaw at nababanat na pagpapapangit. Ang pangunahing pagkarga (60, 100, o 150 kgf) ay pagkatapos ay inilapat at tinanggal, at ang permanenteng pagtaas sa lalim ng pagtagos ay sinusukat. Ang numero ng katigasan ay inversely na nauugnay sa lalim na ito at direktang binabasa mula sa isang dial o digital display. A Ang halaga ng Rockwell HRC na 60 , halimbawa, ay tumutugma sa lalim na humigit-kumulang 0.080 mm. Kasama sa mga karaniwang kaliskis ang HRC (diamond cone, 150 kgf) para sa mga tumigas na bakal at HRB (1/16-pulgadang bola, 100 kgf) para sa mas malambot na mga haluang metal. Ang pangunahing bentahe ay bilis, dahil ang resulta ay nakuha sa ilang segundo nang walang optical na pagsukat.
Pagsusuri sa Katigasan ng Brinell
Ang pagsubok ng Brinell ay gumagamit ng a tungsten carbide ball indenter , karaniwang 10 mm ang lapad, idiniin sa ibabaw na may mataas na puwersa ng pagsubok (karaniwang 3000 kgf para sa mga ferrous na metal). Pagkatapos alisin ang pag-load, ang diameter ng permanenteng impression ay sinusukat nang optically. Ang Brinell hardness number (HBW) ay kinakalkula bilang ang inilapat na load na hinati sa spherical surface area ng indentation. Ang isang karaniwang resulta ay nakasulat bilang 350 HBW 10/3000 , na nagpapahiwatig ng katigasan ng Brinell na 350 gamit ang isang 10 mm na bola at isang 3000 kgf load para sa isang dwell time na 10 hanggang 15 segundo. Ang malaking indentation ay nag-a-average ng mga lokal na microstructural variation, na ginagawang perpekto ang Brinell para sa mga casting, forging, at mga materyales na may mga magaspang na istruktura ng butil. Hindi ito angkop para sa napakatigas na materyales (mahigit sa 650 HBW) o manipis na mga seksyon, dahil maaaring mag-deform ang bola o masira ang sample.
Vickers Hardness Test
Ang Vickers test ay gumagamit ng a diamond square-based pyramid indenter na may tuktok na anggulo na 136 degrees. Ang prinsipyo ay magkapareho sa buong hanay ng pag-load: ang indenter ay pinindot sa sample sa ilalim ng isang tumpak na puwersa, at ang dalawang diagonal ng resultang square impression ay sinusukat nang optically at na-average. Ang katigasan ng Vickers ay iniulat bilang HV , na sinusundan ng puwersa ng pagsubok sa kgf, halimbawa 640 HV 30 . Ang yunit para sa katigasan ng Vickers ay teknikal kgf/mm² , ngunit ito ay karaniwang ipinahayag bilang isang walang sukat na numero. Dahil ang parehong indenter na hugis ay ginagamit para sa mga puwersa mula 1 gf hanggang 120 kgf, ang Vickers ay katangi-tanging may kakayahang magsukat ng katigasan sa mga kaliskis, mula sa manipis na mga foil at case-hardened na mga layer hanggang sa mga bulk na materyales, at ang mga resulta sa pangkalahatan ay load-independent sa itaas ng ilang daang gramo ng puwersa.
Mga Yunit ng Pagsukat ng Katigasan sa Iba't ibang Paraan
Ang konsepto ng "hardness unit" ay partikular sa pamamaraan. Ang bawat pagsubok ay may sarili nitong kumbensyon sa pag-uulat, at ang mga halaga ay hindi direktang maililipat nang walang mga talahanayan ng conversion na tinukoy ng ASTM E140 at ISO 18265. Nililinaw ng talahanayan sa ibaba ang istruktura ng unit at sukat para sa mga pangunahing pamamaraan ng pagsubok.
| Paraan ng Pagsubok | Simbolo | Pisikal na Yunit | Halimbawa ng Pagtatalaga |
|---|---|---|---|
| Rockwell | Scale ng HR | Walang sukat | 60 HRC |
| Brinell | HBW | kgf/mm² | 350 HBW 10/3000 |
| Vickers | HV | kgf/mm² | 640 HV 30 |
| Knoop | HK | kgf/mm² | 1000 HK 0.1 |
| Martens (Universal) | HM | N/mm² | 4500 HM 0.5/20/15 |
Komprehensibong Paghahambing ng Tatlong Paraan
Ang mga pagkakaiba sa pagitan ng mga pagsubok sa katigasan ng Brinell, Rockwell, at Vickers ay hindi lamang pamamaraan; tinutukoy nila kung aling paraan ang angkop para sa isang ibinigay na gawaing pang-industriya. Ang sumusunod na talahanayan ay nagbibigay ng direktang paghahambing na nakatuon sa aplikasyon.
| Tampok | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| Indenter | Diamond cone o carbide ball | 10 mm carbide ball (o 5/2.5 mm) | Diamond pyramid (136 deg) |
| Pagsusukat | Lalim ng pagtagos | Diameter ng impression | Diagonal ng impression |
| Bilis | Napakabilis (3-5 segundo) | Mabagal (30 segundo optical) | Katamtaman hanggang mabagal |
| Kaangkupan | Production QA, tumigas na bakal, haluang metal | Mga casting, forging, coarse-grained na mga metal | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Pangunahing Limitasyon | Hindi para sa manipis o case-hardened na mga layer | Hindi hihigit sa 650 HBW; malaking lugar ng pinsala | Mabagal, kritikal na pagtatapos sa ibabaw |
Ano ang Vickers Hardness Test Ginamit Para sa
Ang Vickers hardness test ay ang gustong paraan kapag ang isang hardness scale ay dapat sumasakop sa buong hanay ng materyal na tigas ng isang produkto. Kabilang sa mga pangunahing aplikasyon nito case-depth analysis ng carburized o nitrided steels , kung saan ang isang serye ng mga micro-indentation mula sa ibabaw na gilid hanggang sa core ay nagmamapa ng hardness gradient. Isang tipikal na detalye, tulad ng HV 550 sa lalim ng case na 0.5 mm , maaari lamang ma-verify gamit ang isang Vickers micro-hardness traverse. Mahalaga rin ang pagsusulit para sa qualifying welds , kung saan ang heat-affected zone, base metal, at weld metal ay may magkakaibang katangian, at ang maliit na indenter ay maaaring ihiwalay ang mga rehiyong ito. Sa pagsasaliksik at pagpapaunlad, ginagamit ang Vickers upang tukuyin ang mga ceramics, composite, at thin-film coating kung saan ang ibang mga indent ay mababasag o nangangailangan ng masyadong malaking footprint. Halimbawa, ang isang TiN hard coating na 3 microns ang kapal ay maaasahang masuri sa 0.025 kgf (25 gf) , na gumagawa ng indentation na humigit-kumulang 0.5 microns ang lalim, nang walang impluwensya mula sa substrate.
Webster vs Rockwell Hardness
Ang Webster hardness tester ay isang portable, direktang pagbabasa na instrumento na naglalapat ng isang partikular na paraan ng indentation. Ito ay hindi direktang katumbas ng isang tiyak na sukat ng Rockwell, ngunit Ang mga halaga ng katigasan ng Webster ay empirically na nauugnay sa mga scale ng Rockwell B at Rockwell H para sa mga aluminyo na haluang metal . Ang sukat ng Webster B, halimbawa, ay sumasaklaw sa halos mula sa WB 0 hanggang WB 20 , na tumutugma sa humigit-kumulang 25 hanggang 100 HRB para sa aluminyo extrusions at sheet. Ang bentahe ng Webster tester ay nakasalalay sa portability at kakayahang subukan ang malalaking assemblies, heat exchanger, at mga istruktura ng sasakyang panghimpapawid na hindi maaaring dalhin sa isang bench na Rockwell tester. Gayunpaman, ang ugnayan ay partikular sa materyal. Ang isang Webster tester na na-calibrate para sa 6061-T6 aluminum ay hindi magbibigay ng tumpak na katumbas ng Rockwell para sa 7075 o para sa iba pang mga metal. Para sa tumpak na sertipikasyon ng materyal, kinakailangan ang isang Rockwell o Brinell bench test, kung saan ang Webster ay nagsisilbing isang maginhawang field-screening tool.
Paano Piliin ang Tamang Hardness Test para sa Iyong Application
Ang pagpili ng pagsubok ay hinihimok ng uri ng materyal, sample geometry, dami ng produksyon, at ang kinakailangang impormasyon. Ang sumusunod na lohika ng pagpapasya, batay sa mga praktikal na pang-industriyang sitwasyon, ay nagbibigay ng isang nakabubuo na gabay.
- Para sa malalaking casting o forging na may magaspang na microstructure , piliin ang Brinell test. Ang 10 mm ball indentation ay nag-average ng hangganan ng butil at mga pagkakaiba-iba ng phase, na nagbibigay ng bultuhang tigas na kinatawan ng mga pangkalahatang mekanikal na katangian ng bahagi. Ang karaniwang pagsubok sa 3000 kgf na may 10 mm na bola ay ang default para sa mga casting ng bakal at bakal.
- Para sa mataas na dami ng kontrol sa kalidad ng produksyon ng mga machined na bahagi , Rockwell ang pamantayan. Ang isang 3-segundong pagsusuri sa HRC ay maaaring mapanatili ang index ng kakayahan sa proseso ng isang linya ng paggamot sa init nang hindi gumagawa ng bottleneck. Gamitin ang HRC para sa mga tumigas na bakal na higit sa 20 HRC at HRB para sa mas malambot na non-ferrous na haluang metal.
- Para sa case-hardened, manipis, o pinahiran na mga bahagi , ang micro-Vickers ay ang tanging angkop na pagpipilian. Maaaring sukatin ng isang load na 500 gf o 1 kgf at isang Knoop o Vickers indenter ang core-to-case gradient nang walang indentation na umaabot sa hardened layer.
- Para sa mga welds, joints, at heat-affected zones , Vickers o Knoop low-force testing (1-5 kgf) ay maaaring malutas ang mga pagkakaiba-iba ng tigas sa makitid na banda ng isang weld interface, na mahalaga para maiwasan ang hydrogen cracking o brittle phase formation.
- Kapag ang mga materyal na katangian na higit sa isang numero ng katigasan ay kinakailangan , isang unibersal na hardness tester sa Martens mode ang nagbibigay ng indentation hardness, elastic modulus, creep, at relaxation behavior mula sa iisang instrumented indentation test, na mahalaga para sa polymer, ceramic, at advanced material development.
Pag-convert sa pagitan ng Hardness Scales
Ang mga conversion ng sukat ng hardness ay tinatayang, at ang responsableng kasanayan ay ang gamitin ang mga ito para sa paghahambing lamang, hindi kailanman para sa pagtutukoy . Ang ugnayan ng conversion sa pagitan ng Brinell, Rockwell, at Vickers ay nakasalalay sa pag-uugali ng materyal na nagpapatigas sa trabaho, kaya't ang ASTM E140 na talahanayan ng conversion para sa austenitic na hindi kinakalawang na asero ay mag-iiba mula doon para sa carbon at low-alloy steel. Bilang isang praktikal na halimbawa, isang tipikal na carbon steel na may 640 HV 30 tumutugon sa humigit-kumulang 56 HRC at 600 HBW . Gayunpaman, para sa isang ganap na pinatigas na austenitic na hindi kinakalawang na asero, ang parehong 56 HRC ay maaaring tumugma sa 250 HBW lamang. Kapag ang isang detalye ay nangangailangan ng pag-uulat sa isang partikular na sukat, ang pagsubok ay dapat na direktang isagawa sa sukat na iyon. Ang isang unibersal na hardness testing machine ay maaaring mabawasan ang kawalan ng katiyakan na ito sa pamamagitan ng pagsasagawa ng pagsubok sa kinakailangang pamamaraan nang hindi gumagamit ng conversion.
