Độ cứng không phải là một đặc tính cơ bản của vật liệu mà là phản ứng đo được đối với một phương pháp thụt đầu dòng cụ thể. Câu trả lời thực tế trực tiếp là Rockwell, Brinell và Vickers là ba thử nghiệm độ cứng vết lõm riêng biệt, mỗi thử nghiệm sử dụng đầu đo và tải khác nhau, đồng thời tạo ra các giá trị theo đơn vị hoặc thang đo khác nhau . Rockwell sử dụng phép đo độ sâu và báo cáo số không thứ nguyên trên các thang đo như HRC hoặc HRB. Brinell ép một quả bóng cacbua vào bề mặt và báo cáo giá trị theo HBW (kgf/mm2) . Vickers sử dụng kim tự tháp kim cương và báo cáo độ cứng là HV (cũng tính bằng kgf/mm2) , làm cho nó trở nên linh hoạt cho mọi thứ từ lớp phủ mỏng đến vật liệu rời. A máy kiểm tra độ cứng phổ quát tích hợp các phương pháp này vào một thiết bị duy nhất, thường bổ sung thêm khả năng đo độ cứng Martens cảm nhận độ sâu. Không có đơn vị đo độ cứng duy nhất; "đơn vị đo độ cứng" phụ thuộc vào thang đo và việc lựa chọn giữa các thử nghiệm phụ thuộc vào loại vật liệu, hình dạng mẫu và thông tin cụ thể được yêu cầu.
Máy kiểm tra độ cứng vạn năng
A máy đo độ cứng phổ quát là một thiết bị duy nhất được thiết kế để thực hiện nhiều phương pháp kiểm tra độ cứng được tiêu chuẩn hóa, điển hình là Rockwell, Brinell và Vickers, bằng cách hoán đổi vết lõm, vật kính và biên dạng tải. Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của những người thử nghiệm chuyên dụng riêng biệt. Ngoài các phương pháp quang học truyền thống, các máy phổ thông tiên tiến còn sử dụng công nghệ cảm biến độ sâu để đo Độ cứng Martens (HM) và mô đun vết lõm theo tiêu chuẩn ISO 14577. Điều này đạt được bằng cách ghi lại đường cong chuyển vị lực liên tục trong chu kỳ vết lõm, cung cấp các thông số vật liệu tương đương với thử nghiệm nén tốc độ cao. Ví dụ, một máy vạn năng hiện đại có thể tác dụng lực kiểm tra từ 1 gf đến 3000 kgf , bao gồm các phạm vi vi mô, tải thấp và vĩ mô cho các thử nghiệm Vickers, Brinell, Rockwell và thậm chí cả Knoop và nhựa. Hệ thống điều khiển lực vòng kín, thường có tốc độ lấy mẫu là 1 đến 2 kHz , đảm bảo tốc độ tải và thời gian dừng tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn như ASTM E92 và ISO 6506.
Nguyên tắc cơ bản về kiểm tra độ cứng của Rockwell, Brinell và Vickers
Cả ba thử nghiệm đều định lượng khả năng chống biến dạng dẻo vĩnh viễn của vật liệu, nhưng chúng khác nhau về cơ bản về hình học của đầu đo, ứng dụng tải trọng và nguyên lý đo.
Kiểm tra độ cứng Rockwell
Phương pháp Rockwell đo lường độ sâu thâm nhập khác nhau của một vết lõm dưới tải trọng nhỏ ban đầu, sau đó là tải trọng lớn. Tải trọng nhỏ (thường là 10 kgf hoặc 3 kgf) thiết lập vị trí tham chiếu, hấp thụ các khuyết tật bề mặt và biến dạng đàn hồi. Sau đó, tải trọng chính (60, 100 hoặc 150 kgf) được tác dụng và loại bỏ, đồng thời đo mức tăng vĩnh viễn về độ sâu xuyên thấu. Số độ cứng có liên quan nghịch với độ sâu này và được đọc trực tiếp từ mặt số hoặc màn hình kỹ thuật số. A Giá trị Rockwell HRC là 60 , ví dụ, tương ứng với độ sâu khoảng 0,080 mm. Cân phổ biến bao gồm HRC (hình nón kim cương, 150 kgf) cho thép cứng và HRB (quả bóng 1/16 inch, 100 kgf) cho hợp kim mềm hơn. Ưu điểm chính là tốc độ, vì kết quả thu được sau vài giây mà không cần đo quang học.
Kiểm tra độ cứng Brinell
Thử nghiệm Brinell sử dụng một đầu dò bóng cacbua vonfram , đường kính thường là 10 mm, được ép vào bề mặt với lực thử cao (thường là 3000 kgf đối với kim loại đen). Sau khi loại bỏ tải trọng, đường kính của vết in vĩnh viễn được đo bằng phương pháp quang học. Số độ cứng Brinell (HBW) được tính bằng tải trọng tác dụng chia cho diện tích bề mặt hình cầu của vết lõm. Một kết quả điển hình được viết là 350 HBW 10/3000 , biểu thị độ cứng Brinell là 350 khi sử dụng quả bóng 10 mm và tải trọng 3000 kgf trong thời gian dừng từ 10 đến 15 giây. Vết lõm lớn tính trung bình các biến thể cấu trúc vi mô cục bộ, khiến Brinell trở nên lý tưởng cho vật đúc, vật rèn và vật liệu có cấu trúc hạt thô. Nó không phù hợp với các vật liệu quá cứng (trên 650 HBW) hoặc các phần mỏng, vì viên bi có thể bị biến dạng hoặc mẫu có thể bị hỏng.
Kiểm tra độ cứng Vickers
Thử nghiệm Vickers sử dụng một mũi khoan kim tự tháp hình vuông bằng kim cương với góc đỉnh là 136 độ. Nguyên tắc giống hệt nhau trong toàn bộ phạm vi tải: đầu đo được ấn vào mẫu dưới một lực chính xác và hai đường chéo của dấu vuông thu được được đo bằng phương pháp quang học và lấy trung bình. Độ cứng Vickers được báo cáo là HV , theo sau là lực thử tính bằng kgf, ví dụ 640 HV 30 . Đơn vị đo độ cứng Vickers về mặt kỹ thuật là kgf/mm2 , nhưng nó thường được biểu diễn dưới dạng số không thứ nguyên. Do hình dạng đầu đo tương tự được sử dụng cho các lực từ 1 gf đến 120 kgf, nên Vickers có khả năng đo độ cứng độc đáo trên các thang đo, từ các lá kim loại mỏng và các lớp được làm cứng bằng vỏ cho đến các vật liệu rời và kết quả thường không phụ thuộc vào tải trọng trên vài trăm gam lực.
Đơn vị đo độ cứng trên các phương pháp
Khái niệm "đơn vị độ cứng" tùy thuộc vào từng phương pháp. Mỗi thử nghiệm có quy ước báo cáo riêng và các giá trị không thể được chuyển giao trực tiếp nếu không có bảng chuyển đổi được xác định bởi ASTM E140 và ISO 18265. Bảng dưới đây làm rõ cấu trúc đơn vị và thang đo cho các phương pháp thử nghiệm chính.
| Phương pháp kiểm tra | Biểu tượng | Đơn vị vật lý | Chỉ định ví dụ |
|---|---|---|---|
| Rockwell | Thang đo nhân sự | Không thứ nguyên | 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 (Phổ thông) | HM | N/mm2 | 4500 HM 0,5/20/15 |
So sánh toàn diện ba phương pháp
Sự khác biệt giữa các bài kiểm tra độ cứng Brinell, Rockwell và Vickers không chỉ mang tính thủ tục; họ xác định phương pháp nào phù hợp cho một nhiệm vụ công nghiệp nhất định. Bảng sau đây cung cấp sự so sánh trực tiếp, hướng đến ứng dụng.
| tính năng | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| Người thụt lề | Nón kim cương hoặc bóng cacbua | Bi cacbua 10 mm (hoặc 5/2,5 mm) | Kim tự tháp kim cương (136 độ) |
| Đo lường | Độ sâu thâm nhập | Đường kính ấn tượng | Đường chéo của ấn tượng |
| Tốc độ | Rất nhanh (3-5 giây) | Chậm (quang học 30 giây) | Trung bình đến chậm |
| Sự phù hợp | QA sản xuất, thép cứng, hợp kim | Vật đúc, vật rèn, kim loại hạt thô | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Hạn chế chính | Không dành cho các lớp mỏng hoặc cứng | Không quá 650 HBW; diện tích thiệt hại lớn | Chậm, bề mặt hoàn thiện quan trọng |
Vickers là gì Kiểm tra độ cứng Được sử dụng cho
Kiểm tra độ cứng Vickers là phương pháp được ưu tiên khi một thang đo độ cứng duy nhất phải bao trùm toàn bộ phạm vi độ cứng vật liệu của sản phẩm. Các ứng dụng chính của nó bao gồm phân tích theo chiều sâu trường hợp của thép được cacbon hóa hoặc thấm nitơ , trong đó một loạt các vết lõm vi mô từ cạnh bề mặt đến lõi ánh xạ độ cứng. Một đặc điểm kỹ thuật điển hình, chẳng hạn như HV 550 ở độ sâu vỏ 0,5 mm , chỉ có thể được xác minh bằng phép đo độ cứng vi mô Vickers. Việc kiểm tra cũng rất cần thiết đối với mối hàn đủ tiêu chuẩn , trong đó vùng chịu ảnh hưởng nhiệt, kim loại cơ bản và kim loại hàn đều có các đặc tính khác nhau và vết lõm nhỏ có thể cô lập các vùng này. Trong nghiên cứu và phát triển, Vickers được sử dụng để mô tả đặc tính của gốm sứ, vật liệu tổng hợp và lớp phủ màng mỏng mà các vật liệu lõm khác có thể vỡ hoặc yêu cầu diện tích quá lớn. Ví dụ, lớp phủ cứng TiN dày 3 micron có thể được kiểm tra một cách đáng tin cậy ở 0,025 kgf (25 gf) , tạo ra vết lõm sâu khoảng 0,5 micron mà không bị ảnh hưởng từ chất nền.
Độ cứng Webster và Rockwell
Máy đo độ cứng Webster là một thiết bị cầm tay, đọc trực tiếp, áp dụng phương pháp thụt đầu dòng cụ thể. Nó không tương đương trực tiếp với thang đo Rockwell cụ thể, nhưng Giá trị độ cứng Webster có mối tương quan thực nghiệm với thang đo Rockwell B và Rockwell H đối với hợp kim nhôm . Ví dụ, thang đo Webster B bao gồm khoảng từ NH 0 đến NH 20 , tương ứng với khoảng 25 đến 100 HRB cho ép đùn nhôm và tấm. Ưu điểm của máy kiểm tra Webster nằm ở tính di động và khả năng kiểm tra các cụm lắp ráp lớn, bộ trao đổi nhiệt và cấu trúc máy bay mà không thể mang đến máy kiểm tra Rockwell để bàn. Tuy nhiên, mối tương quan là cụ thể về vật chất. Máy kiểm tra Webster được hiệu chuẩn cho nhôm 6061-T6 sẽ không cung cấp kết quả tương đương Rockwell chính xác cho 7075 hoặc cho các kim loại khác. Để chứng nhận vật liệu chính xác, cần phải thực hiện bài kiểm tra trên băng ghế Rockwell hoặc Brinell, với Webster đóng vai trò là công cụ sàng lọc hiện trường thuận tiện.
Cách chọn bài kiểm tra độ cứng chính xác cho ứng dụng của bạn
Việc lựa chọn thử nghiệm được quyết định bởi loại vật liệu, hình dạng mẫu, khối lượng sản xuất và thông tin cần thiết. Logic quyết định sau đây, dựa trên các kịch bản công nghiệp thực tế, cung cấp hướng dẫn mang tính xây dựng.
- Đối với vật đúc lớn hoặc vật rèn có cấu trúc vi mô thô , chọn phép thử Brinell. Vết lõm bi 10 mm tính trung bình các biến đổi pha và ranh giới hạt, mang lại đại diện độ cứng lớn cho các đặc tính cơ học tổng thể của thành phần. Thử nghiệm tiêu chuẩn ở mức 3000 kgf với quả bóng 10 mm là tiêu chuẩn đối với vật đúc bằng sắt và thép.
- Để kiểm soát chất lượng sản xuất khối lượng lớn các bộ phận gia công , Rockwell là tiêu chuẩn. Thử nghiệm HRC trong 3 giây có thể duy trì chỉ số năng lực xử lý của dây chuyền xử lý nhiệt mà không tạo ra tắc nghẽn. Sử dụng HRC cho thép cứng trên 20 HRC và HRB cho các hợp kim màu mềm hơn.
- Đối với các bộ phận được làm cứng bằng vỏ, mỏng hoặc được phủ , micro-Vickers là sự lựa chọn phù hợp duy nhất. Tải trọng 500 gf hoặc 1 kgf và đầu đo Knoop hoặc Vickers có thể đo độ dốc từ lõi đến vỏ mà không cần vết lõm kéo dài qua lớp cứng.
- Đối với các mối hàn, mối nối và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt , Thử nghiệm lực thấp Vickers hoặc Knoop (1-5 kgf) có thể giải quyết các biến đổi độ cứng trên dải hẹp của bề mặt mối hàn, điều này rất quan trọng để tránh nứt hydro hoặc hình thành pha giòn.
- Khi cần có đặc tính vật liệu vượt quá một số độ cứng duy nhất , máy kiểm tra độ cứng phổ quát ở chế độ Martens cung cấp độ cứng vết lõm, mô đun đàn hồi, độ rão và trạng thái giãn từ một thử nghiệm vết lõm thiết bị duy nhất, có giá trị cho việc phát triển polyme, gốm và vật liệu tiên tiến.
Chuyển đổi giữa các thang đo độ cứng
Chuyển đổi thang đo độ cứng là gần đúng và thực hành có trách nhiệm là chỉ sử dụng chúng để so sánh, không bao giờ để xác định thông số kỹ thuật . Mối quan hệ chuyển đổi giữa Brinell, Rockwell và Vickers phụ thuộc vào đặc tính làm cứng của vật liệu, do đó, bảng chuyển đổi ASTM E140 cho thép không gỉ austenit sẽ khác với bảng chuyển đổi đối với thép cacbon và thép hợp kim thấp. Lấy một ví dụ thực tế, một loại thép cacbon điển hình có 640 HV 30 tương ứng với khoảng 56 HRC và 600 HBW . Tuy nhiên, đối với thép không gỉ austenit được tôi cứng hoàn toàn, 56 HRC tương tự có thể chỉ tương ứng với 250 HBW. Khi một thông số kỹ thuật yêu cầu báo cáo ở một thang đo cụ thể thì việc kiểm tra phải được thực hiện trực tiếp ở thang đo đó. Máy kiểm tra độ cứng đa năng có thể giảm thiểu độ không đảm bảo này bằng cách thực hiện kiểm tra theo phương pháp được yêu cầu mà không cần chuyển đổi.
