Tvrdost není základní vlastností materiálu, ale měřenou odezvou na konkrétní metodu vtlačování. Přímá praktická odpověď zní Rockwell, Brinell a Vickers jsou tři různé testy tvrdosti vtisku, z nichž každý používá jiný vtlačovač a zatížení a poskytuje hodnoty v různých jednotkách nebo měřítcích. . Rockwell používá měření hloubky a uvádí bezrozměrné číslo na stupnici jako HRC nebo HRB. Brinell vtlačí karbidovou kuličku do povrchu a nahlásí hodnotu v HBW (kgf/mm²) . Vickers používá diamantovou pyramidu a uvádí tvrdost jako HV (také v kgf/mm²) , díky čemuž je univerzální pro vše od tenkých nátěrů po sypké materiály. A univerzální tvrdoměr integruje tyto metody do jediného nástroje a často přidává schopnost hloubkového snímání Martensovy tvrdosti. Neexistuje jediná jednotka měření tvrdosti; „jednotka tvrdosti“ je závislá na měřítku a výběr mezi testy závisí na typu materiálu, geometrii vzorku a požadovaných specifických informacích.
Univerzální tvrdoměr
A univerzální tvrdoměr je jediný přístroj zkonstruovaný tak, aby prováděl několik standardizovaných zkušebních metod tvrdosti, typicky Rockwell, Brinell a Vickers, výměnou indentorů, čoček objektivů a profilů zatížení. To eliminuje potřebu samostatných vyhrazených testerů. Kromě tradičních optických metod využívají pokročilé univerzální stroje k měření technologii hloubkového snímání Martensova tvrdost (HM) a modul vtlačení podle ISO 14577. Toho je dosaženo zaznamenáváním spojité křivky síla-posunutí během cyklu vtlačování, což poskytuje materiálové parametry ekvivalentní vysokorychlostnímu kompresnímu testu. Například moderní univerzální stroj může aplikovat zkušební síly z 1 gf až 3000 kgf , pokrývající mikro, nízko-zatížení a makro rozsahy pro Vickers, Brinell, Rockwell a dokonce i Knoop a testy plastů. Systémy řízení síly s uzavřenou smyčkou, často s rychlostí vzorkování 1 až 2 kHz zajistěte, aby rychlost zatížení a doba prodlevy přesně odpovídaly normám jako ASTM E92 a ISO 6506.
Základy testu tvrdosti podle Rockwella, Brinella a Vickerse
Všechny tři testy kvantifikují odolnost materiálu vůči trvalé plastické deformaci, ale zásadně se liší v geometrii indentoru, aplikaci zatížení a principu měření.
Rockwellova zkouška tvrdosti
Rockwellova metoda měří rozdílná hloubka průniku indentoru pod předběžným menším zatížením následovaným velkým zatížením. Menší zatížení (typicky 10 kgf nebo 3 kgf) stanoví referenční polohu, absorbuje nedokonalosti povrchu a pružnou deformaci. Poté se aplikuje a odstraní hlavní zatížení (60, 100 nebo 150 kgf) a měří se trvalé zvýšení hloubky průniku. Číslo tvrdosti je nepřímo úměrné této hloubce a odečítá se přímo z číselníku nebo digitálního displeje. A Hodnota Rockwell HRC 60 například odpovídá hloubce přibližně 0,080 mm. Mezi běžné váhy patří HRC (diamantový kužel, 150 kgf) pro kalené oceli a HRB (1/16palcová koule, 100 kgf) pro měkčí slitiny. Hlavní výhodou je rychlost, protože výsledek je získán během několika sekund bez optického měření.
Zkouška tvrdosti podle Brinella
Brinellův test používá a kuličkový vtlačovač z karbidu wolframu , typicky o průměru 10 mm, vtlačený do povrchu vysokou zkušební silou (běžně 3000 kgf pro železné kovy). Po sejmutí zátěže se opticky změří průměr trvalého otisku. Číslo tvrdosti podle Brinella (HBW) se vypočítá jako aplikované zatížení dělené kulovým povrchem vtisku. Typický výsledek je zapsán jako 350 HBW 10/3000 , což ukazuje tvrdost podle Brinella 350 s použitím 10mm kuličky a zatížení 3000 kgf po dobu prodlevy 10 až 15 sekund. Velké odsazení průměruje místní mikrostrukturální variace, takže Brinell je ideální pro odlitky, výkovky a materiály s hrubozrnnou strukturou. Není vhodný pro velmi tvrdé materiály (nad 650 HBW) nebo tenké řezy, protože může dojít k deformaci koule nebo poškození vzorku.
Zkouška tvrdosti podle Vickerse
Vickersův test používá a diamantový čtvercový pyramidový vtlačovač s vrcholovým úhlem 136 stupňů. Princip je identický v celém rozsahu zatížení: indentor se do vzorku vtlačí přesnou silou a obě úhlopříčky výsledného čtvercového otisku se opticky změří a zprůměrují. Tvrdost podle Vickerse se uvádí jako HV , následuje například zkušební síla v kgf 640 HV 30 . Jednotka pro tvrdost podle Vickerse je technicky kgf/mm² , ale konvenčně se vyjadřuje jako bezrozměrné číslo. Protože se stejný tvar indentoru používá pro síly od 1 gf do 120 kgf, je Vickers jedinečně schopen měřit tvrdost napříč stupnicemi, od tenkých fólií a cementovaných vrstev až po sypké materiály, a výsledky jsou obecně nezávislé na zatížení od několika set gramů síly.
Jednotky měření tvrdosti napříč metodami
Koncept "jednotky tvrdosti" je specifický pro metodu. Každý test má svou vlastní konvenci podávání zpráv a hodnoty nejsou přímo přenosné bez převodních tabulek definovaných ASTM E140 a ISO 18265. Níže uvedená tabulka objasňuje strukturu jednotek a stupnice pro hlavní testovací metody.
| Testovací metoda | Symbol | Fyzická jednotka | Příklad označení |
|---|---|---|---|
| Rockwell | HR Scale | Bezrozměrný | 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 (univerzální) | HM | N/mm² | 4500 HM 0,5/20/15 |
Komplexní srovnání tří metod
Rozdíly mezi testy tvrdosti podle Brinella, Rockwella a Vickerse nejsou pouze procedurální; určují, která metoda je vhodná pro daný průmyslový úkol. Následující tabulka poskytuje přímé srovnání orientované na aplikace.
| Funkce | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| Indenter | Diamantový kužel nebo karbidová kulička | 10 mm karbidová kulička (nebo 5/2,5 mm) | diamantová pyramida (136 stupňů) |
| Měření | Hloubka průniku | Průměr otisku | Diagonální dojem |
| Rychlost | Velmi rychlé (3-5 sekund) | Pomalé (30 sekund optické) | Mírné až pomalé |
| Vhodnost | Výroba QA, kalené oceli, slitiny | Odlitky, výkovky, hrubozrnné kovy | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Omezení klíče | Ne pro tenké nebo cementované vrstvy | Ne vyšší než 650 HBW; velká oblast poškození | Pomalé, povrchová úprava kritická |
Co je Vickers Zkouška tvrdosti Používá se pro
Vickersova zkouška tvrdosti je preferovanou metodou, když jediná stupnice tvrdosti musí pokrýt celý rozsah tvrdosti materiálu produktu. Mezi jeho primární aplikace patří případová hloubková analýza nauhličených nebo nitridovaných ocelí , kde řada mikrovrubů od okraje povrchu k jádru mapuje gradient tvrdosti. Typická specifikace, jako je např HV 550 při hloubce pouzdra 0,5 mm , lze ověřit pouze traverzou mikrotvrdosti Vickers. Zkouška je také nezbytná pro kvalifikační svary , kde tepelně ovlivněná zóna, základní kov a svarový kov mají každý jiné vlastnosti a malý vtlačovač může tyto oblasti izolovat. Ve výzkumu a vývoji se Vickers používá k charakterizaci keramiky, kompozitů a tenkovrstvých povlaků, kde by se jiné indentory rozbily nebo vyžadovaly příliš velkou stopu. Například lze spolehlivě testovat tvrdý povlak TiN o tloušťce 3 mikrony 0,025 kgf (25 gf) , vytvářející prohlubeň o hloubce přibližně 0,5 mikronu, bez vlivu substrátu.
Tvrdost Webster vs Rockwell
Tvrdoměr Webster je přenosný přístroj s přímým odečítáním, který používá specifickou metodu vtlačování. Není přímo ekvivalentní konkrétní Rockwellově stupnici, ale Websterovy hodnoty tvrdosti jsou empiricky korelovány se stupnicemi Rockwell B a Rockwell H pro hliníkové slitiny . Websterova stupnice B například pokrývá zhruba od WB 0 až WB 20 , což odpovídá přibližně 25 až 100 HRB pro hliníkové výlisky a plechy. Výhoda testeru Webster spočívá v jeho přenosnosti a schopnosti testovat velké sestavy, tepelné výměníky a letecké konstrukce, které nelze přenést na stolní tester Rockwell. Korelace je však materiálově specifická. Tester Webster kalibrovaný pro hliník 6061-T6 neposkytne přesné ekvivalenty Rockwell pro 7075 nebo pro jiné kovy. Pro přesnou certifikaci materiálu je vyžadována zkouška na Rockwellově nebo Brinellově stolici, přičemž Webster slouží jako pohodlný nástroj pro testování v terénu.
Jak vybrat správný test tvrdosti pro vaši aplikaci
Výběr testu závisí na typu materiálu, geometrii vzorku, objemu výroby a požadovaných informacích. Následující logika rozhodování, založená na praktických průmyslových scénářích, poskytuje konstruktivní vodítko.
- Pro velké odlitky nebo výkovky s hrubou mikrostrukturou , zvolte Brinellův test. 10mm kuličkový vtisk průměruje hranice zrn a fázové variace, což dává objemovou tvrdost reprezentující celkové mechanické vlastnosti součásti. Standardní test při 3000 kgf s 10 mm kuličkou je výchozí pro odlitky ze železa a oceli.
- Pro velkoobjemovou kontrolu kvality obráběných dílů , Rockwell je standard. 3sekundový test HRC dokáže udržet index procesní způsobilosti linky tepelného zpracování, aniž by se vytvořilo úzké místo. Použijte HRC pro kalené oceli nad 20 HRC a HRB pro měkčí neželezné slitiny.
- Pro cementované, tenké nebo potažené součásti , micro-Vickers je jedinou vhodnou volbou. Zátěž 500 gf nebo 1 kgf a indentor Knoop nebo Vickers mohou měřit gradient od jádra k pouzdru, aniž by prohlubeň procházela tvrzenou vrstvou.
- Pro svary, spoje a tepelně ovlivněné oblasti , Vickers nebo Knoop testování nízkou silou (1-5 kgf) může vyřešit změny tvrdosti v úzkém pásmu svarového rozhraní, což je kritické pro zamezení praskání vodíkem nebo tvorbě křehké fáze.
- Když jsou potřebné vlastnosti materiálu přesahující jedno číslo tvrdosti , univerzální tvrdoměr v Martensově režimu poskytuje vtiskovou tvrdost, modul pružnosti, tečení a relaxační chování z jediného instrumentovaného vtiskového testu, což je cenné pro vývoj polymerů, keramiky a pokročilých materiálů.
Převod mezi stupnicemi tvrdosti
Převody stupnice tvrdosti jsou přibližné a odpovědná praxe je používejte je pouze pro srovnání, nikdy pro upřesnění . Konverzní vztah mezi Brinellem, Rockwellem a Vickersem závisí na chování materiálu při mechanickém zpevňování, takže konverzní tabulka ASTM E140 pro austenitickou nerezovou ocel se bude lišit od tabulky pro uhlíkovou a nízkolegovanou ocel. Jako praktický příklad lze uvést typickou uhlíkovou ocel s 640 HV 30 odpovídá přibližně 56 HRC a 600 HBW . Avšak pro plně mechanicky zpevněnou austenitickou nerezovou ocel může stejných 56 HRC odpovídat pouze 250 HBW. Pokud specifikace vyžaduje hlášení v určitém měřítku, musí být test proveden přímo v tomto měřítku. Univerzální stroj na zkoušení tvrdosti může tuto nejistotu minimalizovat provedením zkoušky požadovanou metodou, aniž by se musel uchylovat ke konverzi.
