Hướng dẫn kiểm tra độ cứng: Vickers, Rockwell, Brinell & Chuẩn bị mẫu

Chuẩn bị mẫu kim loại: Tại sao nó lại quan trọng trước bất kỳ cuộc kiểm tra độ cứng nào

Kiểm tra độ cứng chính xác bắt đầu từ lâu trước khi đầu đo tiếp xúc với mẫu. Chuẩn bị mẫu kim loại — quy trình được kiểm soát về việc cắt, lắp, mài và đánh bóng mẫu kim loại — xác định trực tiếp liệu số đo độ cứng có phản ánh đặc tính thực của vật liệu hay là hiện vật được tạo ra trong quá trình xử lý hay không.

Đối với các phương pháp đo độ cứng vi mô nói riêng, điều kiện bề mặt là rất quan trọng. Một mẫu được đánh bóng kém tạo ra sự biến đổi địa hình làm lệch hướng đầu dò, làm tăng sự phân tán và tạo ra các số đọc không thể tương quan với bất kỳ bảng chuyển đổi nào đã công bố. Yêu cầu chung đối với thử nghiệm độ cứng vi mô của Vickers và Knoop là độ hoàn thiện bề mặt bằng 0,1 µm Ra hoặc cao hơn - chỉ có thể đạt được thông qua việc chuẩn bị kim loại học một cách có hệ thống.

Trình tự chuẩn bị thường bao gồm:

1. Cắt bằng bánh xe cắt mài mòn sử dụng chất làm mát thích hợp để tránh hư hỏng do nhiệt
2. Gắn nguội hoặc nóng bằng nhựa epoxy hoặc phenolic để hỗ trợ cạnh và xử lý an toàn
3. Mài phẳng để loại bỏ hư hỏng mặt cắt và đạt được mặt phẳng tham chiếu phẳng
4. Nghiền tuần tự thông qua vật liệu mài mòn SiC ngày càng mịn hơn (thường là 240 → 400 → 600 → 1200 grit)
5. Đánh bóng kim cương (6 µm, rồi 3 µm, rồi 1 µm) để loại bỏ mọi vết xước do mài
6. Đánh bóng lần cuối bằng keo silica (0,04–0,05 µm OPS) cho các bề mặt được tráng gương theo yêu cầu của tiêu chuẩn độ cứng vi mô

Mỗi giai đoạn phải loại bỏ hoàn toàn thiệt hại từ giai đoạn trước. Bỏ qua các bước hoặc thời gian dừng gấp gáp sẽ nhúng các lớp dưới bề mặt bị biến dạng - các vùng được gia công cứng tạo ra số đọc Vickers cao giả trong phạm vi 10–50 HV, một lỗi đáng kể khi kiểm tra lớp phủ mỏng, vùng bị ảnh hưởng nhiệt hoặc các lớp được làm cứng bằng vỏ.

Kiểm tra độ cứng Vickers được sử dụng để làm gì?

Kiểm tra độ cứng Vickers được sử dụng để đo khả năng chống lại vết lõm vĩnh viễn của vật liệu bằng cách sử dụng dụng cụ đo hình chóp kim cương hình vuông có góc mặt 136°. Đây là phương pháp đo độ cứng vĩ mô và vi mô linh hoạt nhất hiện có , có thể áp dụng cho hầu hết mọi vật liệu rắn bất kể mức độ cứng và là phương pháp được ưu tiên khi yêu cầu độ chính xác, khả năng truy xuất nguồn gốc hoặc độ phân giải cấu trúc vi mô.

Trong thực tế, bài kiểm tra Vickers được sử dụng để:

• Đo độ sâu trường hợp - định hình các gradient độ cứng trên các bề mặt được cacbon hóa, thấm nitơ hoặc được làm cứng bằng cảm ứng bằng cách tạo ra một loạt các vết lõm ở khoảng cách ngày càng tăng so với bề mặt
• Đánh giá lớp phủ mỏng - đánh giá các lớp phủ cứng PVD/CVD, các lớp mạ điện và các phương pháp xử lý khuếch tán trong đó vùng bị ảnh hưởng có thể chỉ dày vài micron
• Kiểm tra chất lượng mối hàn - lập bản đồ độ cứng trên kim loại cơ bản, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt và đường hàn để phát hiện độ mềm, quá cứng hoặc dễ bị nứt do hydro
• Phân tích lỗi - xác định ranh giới quá trình khử cacbon, martensite chưa được tôi luyện, austenite được giữ lại hoặc ranh giới pha thông qua các phép đo độ cứng cục bộ
• Chứng nhận vật liệu - xác minh kết quả xử lý nhiệt trong các bộ phận hàng không vũ trụ, ô tô và dụng cụ theo thông số kỹ thuật như AMS, ISO 6507 và ASTM E92
• Nghiên cứu và phát triển - mô tả đặc điểm của các hợp kim, gốm thiêu kết và vật liệu composite mới được phát triển mà trước đó chưa có thang chuyển đổi nào tồn tại

Bởi vì thang đo Vickers liên tục từ khoảng 5 HV (hợp kim chì rất mềm) đến hơn 3000 HV (kim cương) nên không cần thay đổi phạm vi. Một phương pháp duy nhất bao gồm đồng mềm (40–80 HV), thép công cụ cứng (700–900 HV) và cacbua xi măng (1400–1800 HV). Tính liên tục này làm cho Vickers trở thành nền tảng của tất cả các bảng chuyển đổi độ cứng quốc tế.

Khối tham chiếu độ cứng Rockwell: Hiệu chuẩn, truy xuất nguồn gốc và sử dụng hợp lý

A Khối tham chiếu độ cứng Rockwell (còn gọi là khối kiểm tra hoặc khối hiệu chuẩn) là một phiếu kim loại được chứng nhận, được nối đất chính xác, dùng để xác minh rằng máy kiểm tra độ cứng Rockwell đang hoạt động trong giới hạn độ chính xác đã nêu. Nó không phải là vật tư tiêu hao — một khối được chứng nhận duy nhất thường hỗ trợ hàng trăm phép đo xác minh khi được sử dụng đúng cách.

Theo tiêu chuẩn ASTM E18 và ISO 6508, các khối tham chiếu phải được hiệu chuẩn trên máy tiêu chuẩn hóa chính được truy nguyên bởi viện đo lường quốc gia (NIST ở Hoa Kỳ, PTB ở Đức, v.v.). Mỗi khối được vận chuyển kèm theo một giấy chứng nhận nêu rõ giá trị độ cứng được chứng nhận, độ không đảm bảo đo và số lượng vị trí kiểm tra hợp lệ còn lại trên bề mặt khối.

Sử dụng đúng các khối tham chiếu

Các lỗi phổ biến làm mất hiệu lực các phép đo khối tham chiếu bao gồm kiểm tra trên các cạnh vát, sử dụng lại các vị trí thụt đầu dòng trong vùng loại trừ đường kính 3 vết lõm và kiểm tra trên mặt dưới (có trạng thái ứng suất dư khác với mặt trên đã được hiệu chỉnh). Chỉ có bề mặt trên được đánh dấu rõ ràng mới có giá trị để kiểm tra xác minh.

Việc xác minh hàng ngày phải được thực hiện với các khối có độ cứng gần với vật liệu đang được thử nghiệm. Việc sử dụng khối 60 HRC để xác minh máy sẽ kiểm tra 25 bộ phận HRC được cho phép về mặt kỹ thuật nhưng trên thực tế ít nhạy cảm hơn với các lỗi hệ thống - chỗ ngồi đe, tình trạng vết lõm và độ trôi của cảm biến tải trọng - ảnh hưởng đến số đọc tầm trung.

Các khối phải được bảo quản trong hộp kín, tránh ẩm và rung, đồng thời xử lý bằng găng tay cotton để tránh ăn mòn bề mặt được đánh bóng. Một khối bị rơi, bị trầy xước trong vùng hoạt động của nó hoặc có biểu hiện oxy hóa bề mặt sẽ không được sử dụng hiệu chuẩn nữa.

HK trong độ cứng là gì? Knoop so với Vickers cho công việc về độ cứng vi mô

HK là viết tắt của Độ cứng Knoop. , thang đo được sử dụng trong bài kiểm tra độ cứng vi mô Knoop. Giống như Vickers (HV), Knoop sử dụng dụng cụ thăm dò kim tự tháp kim cương và đo quang học của dấu ấn thu được - nhưng về cơ bản thì hình dạng khác nhau. Thiết bị thụt Knoop tạo ra một vết lõm hình thoi kéo dài với tỷ lệ đường chéo 7,11:1, trong khi Vickers tạo ra một vết lõm gần như vuông.

Sự khác biệt hình học này có hai hệ quả thực tế quan trọng:

• Độ sâu thâm nhập nông hơn — độ sâu thụt lề Knoop có chiều sâu xấp xỉ 1/30 đường chéo dài, so với 1/7 đối với vết lõm Vickers có cùng độ dài đường chéo. Điều này làm cho Knoop hoạt động tốt hơn đáng kể đối với các lớp phủ rất mỏng, gốm sứ giòn và thủy tinh nơi sự thâm nhập sâu sẽ gây ra vết nứt hoặc ảnh hưởng đến chất nền.
• Độ nhạy định hướng - hình dạng thon dài có thể bộc lộ tính dị hướng tinh thể trong các tinh thể đơn lẻ hoặc các vật liệu có kết cấu cao bằng cách xoay mẫu so với trục của đầu đo.

Knoop là phương pháp được ưu tiên theo tiêu chuẩn ASTM E384 để thử nghiệm: cacbua xi măng, kính cứng, lớp mạ điện mỏng và các vật liệu mà vết nứt xung quanh vết lõm Vickers sẽ ảnh hưởng đến hiệu lực của phép đo. Đối với hầu hết các ứng dụng thép, nhôm và hợp kim đồng, độ cứng vi mô Vickers (HV 0,1 đến HV 1) là lựa chọn mặc định do hình học đơn giản hơn và khả năng chuyển đổi trực tiếp sang các thang đo độ cứng khác.

Chuyển đổi độ cứng Brinell thành độ bền kéo tối đa

Độ cứng Brinell (HBW) tương quan tuyến tính với độ bền kéo cuối cùng (UTS) đối với nhiều loại thép và gang , làm cho nó trở thành một trong những phép chuyển đổi độ cứng sang cường độ thực tế hữu ích nhất trong kỹ thuật. Mối quan hệ này nảy sinh do cả hai tính chất đều bị chi phối bởi khả năng cản của cấu trúc vi mô của vật liệu đối với dòng nhựa dưới tải trọng tập trung.

Phép tính gần đúng được áp dụng rộng rãi cho thép cacbon và thép hợp kim thấp là:

UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW

Trong các đơn vị thông thường của Hoa Kỳ: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Các hệ số này có giá trị khá tốt đối với thép ferit, thép peclit và thép martensitic trong khoảng 150–400 HBW. Độ chính xác thường nằm trong khoảng ±7% đối với thép cacbon thường hóa hoặc thép cacbon được tôi và tôi, đủ để xác minh vật liệu và mục đích kiểm tra đầu vào.

Mối quan hệ này bị suy giảm và không nên sử dụng nếu không có dữ liệu cụ thể về tài liệu trong các trường hợp sau:

• Thép không gỉ Austenit - đặc tính làm cứng khác biệt đáng kể so với thép ferit; hệ số nhân gần hơn với 3,3–3,55 và thay đổi tùy theo hợp kim
• Hợp kim nhôm — hệ số nhân gần 3,6–3,8 thường được trích dẫn, nhưng độ phân tán cao ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau
• Gang - hình thái than chì (vảy so với dạng nốt) đưa ra một biến số cấu trúc vi mô thứ cấp; bảng công bố về sắt dẻo và sắt xám cần được tư vấn riêng
• HBW > 400 - mối quan hệ tuyến tính bị phá vỡ; Chuyển đổi Vickers hoặc Rockwell C qua ASTM E140 đáng tin cậy hơn ở mức độ cứng cao

Cả ASTM A370 và EN ISO 18265 đều cung cấp dữ liệu chuyển đổi độ cứng sang độ bền kéo được lập bảng với phạm vi khả năng áp dụng đã nêu và độ không đảm bảo dự kiến, đồng thời phải là tài liệu tham khảo cho mọi chuyển đổi quan trọng về thông số kỹ thuật.

Độ bền kéo từ Độ cứng Rockwell: Phương pháp chuyển đổi và giới hạn

Việc ước tính độ bền kéo từ độ cứng Rockwell tuân theo quy trình gồm hai bước: đầu tiên chuyển đổi Rockwell sang Brinell bằng bảng chuyển đổi ASTM E140, sau đó áp dụng mối quan hệ Brinell-to-UTS được mô tả ở trên — hoặc sử dụng bảng tương quan UTS trực tiếp để hợp nhất cả hai bước.

Đối với thép cứng trong phạm vi HRC 20–65 , các giá trị tương đương gần đúng sau đây cung cấp điểm khởi đầu thực tế:

Trên HRC 40 (~400 HBW), bản thân thử nghiệm Brinell không còn hiệu lực vì quả cầu cacbua 10 mm biến dạng đàn hồi ở mức tải cao, tạo ra kết quả không thể lặp lại. Trong phạm vi này, Vickers hoặc Rockwell C là phương pháp đo độ cứng chính xác và ước tính UTS nên tham khảo các bảng thực nghiệm trực tiếp cho loại thép cụ thể thay vì công thức tuyến tính chung.

Đối với các quyết định kỹ thuật liên quan đến các bộ phận quan trọng về an toàn - bình chịu áp, ốc vít kết cấu, trục khuỷu - các giá trị UTS có nguồn gốc từ độ cứng chỉ được coi là dữ liệu sàng lọc. Cần phải kiểm tra độ bền vật lý theo tiêu chuẩn ASTM E8 hoặc ISO 6892 để được chứng nhận cơ sở thiết kế.