Kiểm tra độ cứng Rockwell Brinell Vickers: Phương pháp, chuyển đổi & công cụ

Rockwell, Brinell và Vickers: Tìm hiểu ba phương pháp kiểm tra độ cứng chính

Kiểm tra độ cứng đo khả năng chống biến dạng vĩnh viễn của vật liệu dưới một tải trọng xác định. Ba phương pháp nổi bật — Rockwell, Brinell và Vickers — mỗi phương pháp sử dụng hình học đầu đo, phạm vi tải và phương pháp đo khác nhau, khiến chúng phù hợp với các vật liệu và ứng dụng khác nhau.

Độ cứng Rockwell (HR) áp dụng tải trước nhỏ, sau đó là tải chính, sau đó đo độ sâu thực của vết lõm. Kết quả được đọc trực tiếp từ mặt số hoặc màn hình kỹ thuật số mà không cần bất kỳ phép đo quang học nào, khiến đây trở thành phương pháp nhanh nhất để kiểm tra tại xưởng sản xuất. Nó sử dụng nhiều thang đo - HRC cho thép cứng, HRB cho kim loại mềm hơn, HRA cho cacbua - mỗi thang đo được xác định bởi một đầu đo cụ thể và tổ hợp tải trọng.

Độ cứng Brinell (HB hoặc HBW) ép một quả bóng thép cứng hoặc cacbua vonfram vào bề mặt dưới một tải trọng cố định, thường là 3.000 kgf đối với thép và gang. Đường kính vết lõm được đo bằng phương pháp quang học và số HB được tính từ tải trọng tác dụng chia cho diện tích bề mặt cong của vết lõm. Bởi vì vết lõm tương đối lớn nên phương pháp lấy trung bình Brinell ít nhạy cảm hơn với sự biến đổi cấu trúc vi mô cục bộ, khiến nó được ưa chuộng hơn đối với các vật liệu có hạt thô như vật đúc và vật rèn.

Độ cứng Vickers (HV) sử dụng đầu đo kim cương hình chóp hình vuông có góc mặt 136° với tải trọng từ dưới 1 gf (vickers) đến 120 kgf (vickers vĩ mô). Cả hai đường chéo của vết lõm hình vuông đều được đo và tính trung bình. Số HV được tính bằng cách sử dụng tải trọng chia cho diện tích bề mặt tiếp xúc của dấu ấn. Vickers là phương pháp linh hoạt nhất: nó áp dụng cho các lớp phủ mỏng, các lớp cứng, các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn và các vật liệu rời, tất cả đều trên một thang đo liên tục duy nhất.

Chuyển đổi độ cứng Vickers sang Rockwell: Cách thức hoạt động và vị trí thiếu hụt

Chuyển đổi độ cứng Vickers sang độ cứng Rockwell - và ngược lại - là yêu cầu thường xuyên khi các bản vẽ kỹ thuật chỉ định một thang đo nhưng thiết bị kiểm tra hiện có lại sử dụng thang đo khác. Tài liệu tham khảo được chấp nhận rộng rãi nhất là ASTM E140 , cung cấp các bảng chuyển đổi được tiêu chuẩn hóa cho các vật liệu kim loại màu và kim loại màu khác nhau.

Đối với thép cứng trong phạm vi thường được sử dụng trong các ứng dụng công cụ và kết cấu, các mối quan hệ gần đúng là:

• HV 940 ≈ HRC 68 (gần giới hạn trên của thang đo Rockwell C)
• HV 800 ≈ HRC 65
• HV 600 ≈ HRC 57
• HV 400 ≈ HRC 41
• HV 200 ≈ HRB 93 (chuyển sang thang B cho vật liệu mềm hơn)
• HV 100 ≈ HRB 56

Những chuyển đổi này mang một cảnh báo quan trọng: chúng đặc trưng cho vật chất . Tỷ lệ biến dạng đàn hồi và dẻo khác nhau giữa thép cacbon, thép không gỉ, hợp kim nhôm và titan. Chuyển đổi Vickers-to-Rockwell hợp lệ đối với thép cacbon sẽ gây ra lỗi khi áp dụng cho siêu hợp kim không gỉ austenit hoặc niken. Chính vì lý do này mà ASTM E140 cung cấp các cột riêng biệt cho các họ vật liệu khác nhau.

Một hạn chế bổ sung phát sinh ở các mức cực đoan: thang đo Rockwell C chỉ đáng tin cậy trong khoảng HRC 20 và HRC 70. Các giá trị nằm ngoài phạm vi này phải được đo trên thang đo thích hợp hơn (HRA đối với vật liệu rất cứng trên HRC 70, HRB đối với vật liệu mềm hơn dưới HRC 20) hoặc được báo cáo trực tiếp bằng HV mà không cần chuyển đổi.

Đối với môi trường kiểm tra mối hàn và kiểm soát chất lượng, các giá trị được chuyển đổi phải luôn được gắn cờ như ước tính. Đo lường trực tiếp trên thang đo dự định là cách duy nhất để có được kết quả tuân thủ thông số kỹ thuật, có thể theo dõi được.

Chuẩn bị mẫu luyện kim: Nền tảng của dữ liệu độ cứng đáng tin cậy

Kiểm tra độ cứng chỉ chính xác bằng bề mặt mà nó đo. Việc chuẩn bị mẫu kém gây ra lỗi mà không hiệu chuẩn thiết bị nào có thể sửa được. Điều này đặc biệt đúng đối với các phương pháp Vickers và Brinell, trong đó phép đo là quang học và độ phản xạ bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của đường chéo hoặc đường kính.

Phân chia

Bước đầu tiên là tạo ra một mặt cắt ngang phẳng, đại diện. A máy cắt chính xác (còn gọi là cưa cắt mài mòn hoặc kim cương) được sử dụng để cắt phôi với lượng nhiệt đầu vào và biến dạng cơ học tối thiểu. Cắt lạm dụng - sử dụng lưỡi dao cùn, tốc độ tiến dao quá mức hoặc chất làm mát không đủ - gây ra biến dạng hoặc ảnh hưởng đến lớp bề mặt nhiệt làm tăng hoặc giảm chỉ số độ cứng một cách giả tạo. Đối với các vết cắt cấp độ luyện kim, lưỡi cắt wafer kim cương có khả năng làm mát bằng nước liên tục là tiêu chuẩn cho thép cứng và cacbua, trong khi bánh xe cắt nhôm oxit liên kết bằng nhựa phù hợp với kim loại có kết cấu mềm hơn.

Gắn và mài

Sau khi cắt, các mẫu thường được gắn trong nhựa epoxy nhiệt rắn hoặc xử lý nguội để cho phép xử lý an toàn trong quá trình mài và đánh bóng. Giá đỡ giữ cạnh được chỉ định khi phải đo độ dốc độ cứng gần bề mặt - chẳng hạn như độ sâu vỏ hoặc bề mặt lớp phủ - mà không làm tròn cạnh.

Quá trình mài tuân theo trình tự từ giấy nhám SiC thô hơn đến mịn hơn (thường là 120 → 320 → 600 → 1200 grit), với mẫu được xoay 90° giữa mỗi bước để loại bỏ các vết xước khỏi hướng trước đó. Mỗi giai đoạn phải loại bỏ hoàn toàn biến dạng do giai đoạn trước gây ra.

đánh bóng

Quá trình đánh bóng cuối cùng sử dụng huyền phù kim cương 3 µm và 1 µm trên vải nỉ, tạo ra lớp hoàn thiện tráng gương không bị trầy xước. Đối với độ cứng vi mô Vickers, Lớp hoàn thiện keo silica 0,25 µm thường được chỉ định để giảm thiểu sai số phản xạ bề mặt khi đo các vết lõm nhỏ ở mức tải thấp. Bề mặt được đánh bóng phải không có vết nổi, vết bẩn và vết rỗ trước khi bắt đầu thử nghiệm.

Dụng cụ kiểm tra độ cứng và tiêu chí lựa chọn của họ

Việc chọn công cụ kiểm tra độ cứng phù hợp bao gồm việc kết hợp phạm vi tải của thiết bị và loại đầu đo với độ dày vật liệu, phạm vi độ cứng dự kiến và độ phân giải không gian cần thiết.

• Máy kiểm tra Rockwell để bàn — sự lựa chọn tiêu chuẩn để kiểm tra đầu vào và xác minh xử lý nhiệt các bộ phận thép rời. Ứng dụng tải được cơ giới hóa và nhất quán, đồng thời các mô hình kỹ thuật số hiện đại lưu trữ hồ sơ kiểm tra để tích hợp SPC. Phương pháp Rockwell không thể được sử dụng trên vật liệu mỏng (thường dưới 1 mm đối với HRC) vì độ sâu vết lõm gần bằng độ dày vật liệu, vi phạm quy tắc độ dày tối thiểu.
• Máy đo độ cứng vi mô Vickers / Knoop - được sử dụng cho các lá mỏng, lớp phủ mạ điện, bề mặt được làm cứng bằng khuếch tán và các pha riêng lẻ trong cấu trúc vi mô. Phạm vi tải thường là 1 gf đến 1 kgf. Kính hiển vi quang học tích hợp ghi lại hình ảnh vết lõm để đo đường chéo, thường có phân tích hình ảnh tự động để giảm độ biến thiên của người vận hành.
• Máy đo độ cứng phục hồi di động (Leeb) - thích hợp cho các bộ phận lớn, được lắp đặt mà không thể mang đến phòng thí nghiệm. Một vật thể tác động bằng lò xo đập vào bề mặt; tỷ lệ giữa lực bật lại và vận tốc va chạm cho giá trị Leeb (HL), sau đó được chuyển đổi thành HRC, HB hoặc HV. Độ chính xác phụ thuộc vào độ bóng bề mặt, khối lượng và hình dạng của phôi.
• Máy kiểm tra trở kháng tiếp xúc siêu âm (UCI) - sử dụng viên kim cương Vickers trên thanh rung; sự thay đổi tần số khi tiếp xúc tương quan với độ cứng. Thiết bị UCI đặc biệt hữu ích để đo các lớp và lớp phủ được làm cứng bằng vỏ mỏng tại chỗ mà không gây hư hại bề mặt có thể nhìn thấy bằng mắt thường.

Bất kể loại thiết bị nào, cần phải hiệu chuẩn thường xuyên dựa trên các khối tham chiếu được chứng nhận (có thể truy nguyên theo các tiêu chuẩn quốc gia như NIST hoặc PTB) để duy trì độ tin cậy của phép đo. Các khối tham chiếu phải trải rộng trong phạm vi độ cứng dự kiến ​​của các bộ phận sản xuất.

Kiểm tra mối hàn thép cacbon: Kiểm tra độ cứng ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt

Độ cứng đi ngang qua các mối hàn là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của thử nghiệm Vickers trong chế tạo kết cấu. Khi hàn thép carbon, vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trải qua chu kỳ nhiệt nhanh. Trong các loại thép có lượng cacbon tương đương (CE) vừa đủ, điều này có thể tạo ra martensite - một cấu trúc vi mô cứng, giòn làm tăng độ cứng HAZ đáng kể so với kim loại cơ bản và làm tăng khả năng bị nứt do hydro gây ra (HIC).

Tiêu chí chấp nhận của ngành thường giới hạn độ cứng HAZ ở mức tối đa 350 HV10 cho các mối hàn thép kết cấu chung (theo hướng dẫn EN ISO 15614-1 và AWS D1.1), và để 250–300 HV10 cho các ứng dụng ngoài khơi, dịch vụ chua hoặc có độ bền cao. Vượt quá các ngưỡng này là điều kiện không đủ tiêu chuẩn cần phải xem xét lại quá trình làm nóng trước, nhiệt độ giữa các lớp và quy trình hàn.

Đường hàn có độ cứng tiêu chuẩn bao gồm một loạt các vết lõm Vickers ở khoảng cách xác định - thường cách nhau 0,5 mm hoặc 1 mm - chạy từ kim loại mối hàn qua đường nóng chảy, qua HAZ và vào kim loại cơ bản không bị ảnh hưởng. Quá trình di chuyển ngang được thực hiện trên một mặt cắt ngang được chuẩn bị bằng phương pháp kim loại, được khắc bằng 2–5% Nital để lộ ra các ranh giới hợp nhất trước khi đặt vết lõm. Các vị trí đo chính bao gồm HAZ hạt thô ngay sát đường nhiệt hạch, nơi có nhiều khả năng hình thành martensite nhất.

Đối với các đường hàn gốc và các mối hàn có khe hở hẹp, có thể cần phải có micro-Vickers ở HV1 hoặc HV0,5 để đạt được độ phân giải không gian phù hợp trong HAZ, độ phân giải này có thể hẹp tới 0,2–0,5 mm trong một số quy trình sử dụng nhiệt lượng cao. Việc lựa chọn tải thử nghiệm ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước vết lõm và do đó chiều rộng vùng đo được tối thiểu - HV10 tạo ra vết lõm khoảng 0,3–0,4 mm ở 300 HV , trong khi HV1 giảm mức này xuống còn khoảng 0,1 mm.

Máy cắt chính xác trong chuẩn bị mẫu kim loại

Máy cắt chính xác là điểm khởi đầu của mọi quy trình xử lý kim loại. Chức năng chính của nó là tạo ra mặt cắt phẳng, giảm thiểu hư hỏng, thể hiện chính xác khu vực quan tâm - cho dù đó là mối hàn HAZ, bề mặt được làm cứng bằng vỏ hay bề mặt lớp phủ.

Hai loại chính tồn tại trong sử dụng trong phòng thí nghiệm:

• Máy cưa cắt mài mòn — sử dụng bánh xe được liên kết bằng nhựa tiêu hao và phù hợp với năng suất sản xuất. Lựa chọn bánh xe (nhôm oxit cho thép và gang, cacbua silic cho kim loại màu, CBN cho thép công cụ cứng) và tốc độ dòng nước làm mát là các thông số chính của quy trình. Các vết cháy hoặc vết xanh trên bề mặt cắt cho thấy nhiệt độ quá cao và yêu cầu cấp liệu chậm hơn hoặc lựa chọn bánh xe mới.
• Máy cưa tấm kim cương - sử dụng lưỡi kim cương được liên kết bằng kim loại hoặc nhựa ở tốc độ thấp với chất làm mát bằng dầu. Chúng tạo ra lớp biến dạng thấp nhất (thường dưới 5 µm) và rất cần thiết cho gốm sứ giòn, linh kiện điện tử và các mẫu trong đó cấu trúc vi mô nguyên vẹn phải được bảo toàn trong phạm vi micron của bề mặt cắt.

Các thông số kỹ thuật chính khi chọn máy cắt chính xác để chuẩn bị kiểm tra độ cứng bao gồm đường kính phôi tối đa, lực kẹp mâm cặp, phạm vi RPM của lưỡi dao và phương pháp phân phối chất làm mát . Kiểm soát cấp liệu tự động — trong đó cưa di chuyển với lực không đổi thay vì tốc độ cố định — làm giảm đáng kể sự biến thiên giữa người vận hành và kéo dài tuổi thọ của lưỡi cắt.

Đặc biệt, đối với các mẫu kiểm tra mối hàn, máy cắt phải phù hợp với các hình dạng không đều (khớp chữ T, phần ống, lớp phủ ngoài) bằng vật cố định ổn định. Việc kẹp không ổn định gây ra các vết rung do rung động lan truyền sâu vào mẫu, tạo ra một lớp bị biến dạng không thể loại bỏ hoàn toàn trong các bước nghiền tiếp theo nếu không loại bỏ quá nhiều nguyên liệu.