Rockwell vs. Brinell vs. Vickers: care test de duritate este cel mai bun?

Fizica din spatele fiecărei lecturi indentare

Fiecare număr de duritate de pe un certificat de material provine de la un singur eveniment mecanic: un indentor dur este presat într-o suprafață sub o sarcină controlată, iar rezistența materialului la deformarea permanentă este convertită într-o valoare. Această valoare înseamnă ceva doar dacă sarcina, geometria indentatorului, timpul de stație și tehnica de măsurare sunt toate menținute la un standard cunoscut. Aceasta este disciplina de bază din spate testarea durității metalografice , unde scopul nu este doar de a produce un număr, ci de a produce un număr pe care un alt laborator, o altă schimbare sau o altă țară îl poate reproduce într-o bandă de toleranță strânsă.

La nivel microstructural, duritatea este un indicator pentru mai multe proprietăți mecanice subiacente: rezistența la curgere, comportamentul la întărire și, în unele cazuri, rezistența la uzură. Un oțel martensitic și un aliaj de aluminiu recoapt răspund la același indentor în moduri complet diferite, motiv pentru care nicio metodă de testare nu acoperă la fel de bine fiecare material, grosime și stare de suprafață. Selectarea metodei potrivite și rularea corectă a acesteia este ceea ce separă o înregistrare de calitate susținută de un număr care pare precis, dar nu are trasabilitate reală.

3 Metode de indentare primară în uz industrial obișnuit

0,1-3000 Intervalul de sarcină aplicat tipic în kgf pe toate scalele

2 Etapele de încărcare utilizate în majoritatea testerelor moderne: preîncărcare și sarcină majoră

De ce se încarcă secvențierea aplicației modifică rezultatul

Aplicația de încărcare nu este o singură apăsare. La cele mai multe testere moderne, indentorul este mai întâi adus în contact cu suprafața sub o mică sarcină preliminară, care așează indentorul și elimină neregularitățile de suprafață din măsurare. Sarcina majoră este apoi aplicată la o rată controlată, menținută pentru o perioadă de timp specificată și eliberată într-o secvență definită. Precipitarea acestei secvențe sau lăsarea vibrațiilor să perturbe cadrul în timpul staționării este una dintre cele mai comune surse de împrăștiere într-un laborator de duritate, adesea mai mare decât orice eroare introdusă de indenter în sine.

Timpul de ședere contează deoarece materialele se strecoară ușor sub sarcină susținută. Un test desfășurat pentru o perioadă prea scurtă poate avea o valoare artificială ridicată, în timp ce o oprire excesivă pe materiale moi sau acoperite poate produce o citire care nu mai reprezintă proprietatea în vrac investigată. Controlarea vitezei de încărcare, a timpului de așteptare și a ratei de descărcare la o toleranță documentată este ceea ce permite compararea cu încredere a rezultatelor de la diferiți testeri.

Intervalele de sarcină reprezentative pe scale comune

Testoare de duritate Rockwell: Viteza prin măsurarea directă a adâncimii

Metoda Rockwell omite complet măsurarea optică. În loc să măsori dimensiunea unei indentări, teste de duritate Rockwell aplicați o sarcină preliminară mică, zero citirea adâncimii, aplicați sarcina majoră, apoi eliberați înapoi la sarcina preliminară și citiți diferența de adâncime a adâncimii. Acea diferență de adâncime este convertită direct într-un număr de duritate pe afișajul mașinii, motiv pentru care testarea Rockwell este adesea cea mai rapidă dintre cele trei metode dintr-un mediu de producție.

Selectarea scalei depinde de tipul de indentor și de combinația de încărcare. Un indentor cu con de diamant sub o sarcină majoră de 150 kgf este tipic pentru oțelurile întărite, în timp ce un indentor cu bile de oțel întărit sub o sarcină de 100 kgf se potrivește cu metale mai moi, cum ar fi oțel recoapt, alamă sau aliaje de aluminiu. Deoarece rezultatul se citește imediat, fără ca un operator să interpreteze o imagine optică, testarea Rockwell este potrivită pentru inspecția materialului primit, verificarea tratamentului termic și verificările de producție în volum mare, unde consecvența între operatori contează la fel de mult ca precizia brută.

Schimbul este sensibilitatea la starea suprafeței. Deoarece metoda se bazează mai degrabă pe adâncime decât pe suprafață, suprafețele aspre, secțiunile subțiri sau părțile curbe pot distorsiona citirea dacă nu sunt respectați factorii de corecție corespunzători și liniile directoare privind grosimea minimă.

rockwell hardness testers with digital depth readout

Testoare de duritate Brinell: medierea durității în microstructurile grosiere

brinell hardness testers for large indentation testing

Acolo unde Rockwell citește adâncimea, teste de duritate Brinell apăsați o bilă de oțel întărit sau carbură de tungsten în suprafață sub o sarcină mare, susținută pentru o perioadă de timp stabilită, apoi măsurați diametrul indentării rezultate sub mărire. Deoarece indentația este mare în raport cu dimensiunea granulelor, testarea Brinell realizează în mod eficient o medie pe microstructurile grosiere sau neuniforme, ceea ce o face metoda preferată pentru piese turnate, forjate și materiale în care limitele sau incluziunile localizate ale granulelor ar putea distorsiona o indentație mai mică.

Încărcările în testarea Brinell variază în mod obișnuit de la câteva sute la trei mii de kgf, aplicate printr-o bilă care poate avea câțiva milimetri în diametru. Acest lucru produce o adâncime suficient de mare pentru a putea vedea cu ochiul liber în multe cazuri, deși măsurarea precisă a diametrului necesită încă un microscop calibrat sau un sistem digital de măsurare. Scara se potrivește bine secțiunilor groase, materialului brut și componentelor tratate termic, unde o valoare a durității în vrac este mai semnificativă decât o citire foarte localizată.

Deoarece adâncitura este mare, testarea Brinell este, în general, nepotrivită pentru părți subțiri, suprafețe acoperite sau componente finisate în care un semn vizibil nu este acceptabil, ceea ce este locul în care celelalte două metode preiau controlul.

Testoare de duritate Vickers și Micro-Vickers: Precizie la scară microstructurală

Testoare de duritate Vickers și micro-vickers utilizați un indentor de diamant piramidal care produce o mică adâncime pătrată, indiferent de sarcină, care este măsurată optic de ambele diagonale sub mărire. Deoarece aceeași geometrie a indentorului este utilizată pe întreaga gamă de încărcări, de la sarcini Vickers macro până la încărcări micro cu mult sub un kgf, metoda se scalează clar de la testarea materialului în vrac până la granule individuale, zone afectate de căldură de sudare și secțiuni transversale de acoperire cu o grosime de doar o fracțiune de milimetru.

Testarea Micro-Vickers, în special, este metoda de alegere pentru straturile cementate, suprafețele nitrurate, acoperirile placate și cartografierea gradientului de duritate pe o secțiune transversală lustruită. Deoarece dimensiunea indentării poate fi menținută extrem de mică, o singură probă poate transporta zeci de citiri individuale fără ca indentările să se suprapună sau să interfereze unele cu altele, permițând construirea unui profil de duritate complet de la suprafață la miez.

Precizia vine cu un cost al vitezei și al pregătirii probelor. Măsurarea precisă a diagonalei necesită o suprafață plană bine lustruită și un operator instruit sau un sistem calibrat de analiză a imaginii, deoarece chiar și erorile mici de focalizare sau de iluminare pot schimba diagonala măsurată suficient pentru a modifica duritatea raportată.

vickers and micro-vickers hardness testers with optical measurement

Compararea celor trei metode una lângă alta

Nicio scară nu este universal corectă. Tabelul de mai jos rezumă diferențele practice care decid de obicei ce metodă este utilizată pentru o anumită piesă sau material.

Atribut	Rockwell	Brinell	Vickers / Micro-Vickers
Tip indentor	Con de diamant sau bilă de oțel	Bilă de oțel sau carbură	Piramida de diamant
Baza de măsurare	Diferența de adâncime	Diametrul de indentare	Diagonala de indentare
Interval de sarcină tipic	60-150 kgf	500-3000 kgf	0,1-50 kgf
Cel mai potrivit pentru	Verificări pe linia de producție	Piese turnate și stoc de cereale grosiere	Acoperiri și secțiuni subțiri
Dependenta de operator	Scăzut	Moderat	Mai sus

Compararea metodelor între cinci factori de operare

Rockwell Brinell Vickers

Standarde de calibrare și testare a materialelor care mențin rezultatele fiabile

Un tester de duritate este la fel de demn de încredere ca și ultima sa verificare. Blocurile de referință certificate cu o valoare de duritate cunoscută și urmăribilă sunt utilizate pentru a verifica acuratețea unui tester la intervale regulate, iar abaterea dintre citirea testerului și valoarea certificată a blocului este înregistrată în timp. Standardele de testare a materialelor recunoscute la nivel internațional definesc benzile de toleranță pentru această abatere, frecvența verificării și documentația necesară pentru a menține un tester în funcțiune pentru lucrări reglementate sau auditate.

Deriva este rareori bruscă. Are tendința de a se strecura treptat pe măsură ce un indentor se uzează, o celulă de sarcină îmbătrânește sau un sistem optic de măsurare cade ușor din calibrare. Urmărirea abaterii de-a lungul ciclurilor succesive de verificare, în loc să se bazeze pe un singur rezultat de trecere sau eșec, oferă un avertisment mult mai devreme că este necesară întreținerea.

Disciplina de calibrare consecventă este cea care permite ca o valoare a durității măsurată pe o mașină să fie de încredere pe alta, într-o altă clădire, la câteva luni distanță.

Abaterea de la blocul de referință de-a lungul ciclurilor de verificare

Alegerea metodei potrivite de testare a durității pentru aplicația dvs

Selectarea metodei se reduce, în general, la trei întrebări: cât de grosieră sau uniformă este microstructura, cât de subțire sau acoperită este secțiunea testată și câte piese trebuie verificate pe schimb. O cale de decizie simplă acoperă majoritatea cazurilor din lumea reală.

Flux de selecție a metodei

Debitul este adesea factorul decisiv odată ce cerințele de precizie sunt îndeplinite. Testarea Rockwell procesează de obicei cel mai mare număr de piese pe oră, deoarece citirea adâncimii este automată, Vickers și micro-Vickers se încadrează la mijloc în funcție de câte indentări sunt necesare per probă, iar Brinell este, în general, cea mai lentă datorită măsurării diametrului optic și a indentării mai mari.

Debit relativ tipic prin metodă

Întrebări frecvente

Î1: Poate fi testată aceeași piesă cu mai multe metode de duritate?

Da, cu condiția ca suprafața să permită zone de indentare separate. Multe laboratoare folosesc Rockwell pentru o verificare rapidă a producției și pentru a continua cu Vickers pe o secțiune transversală atunci când este necesar un gradient de duritate detaliat lângă o suprafață tratată termic sau acoperită.

Î2: De ce valorile durității de la diferite scale nu se convertesc direct una în alta?

Fiecare metodă măsoară un răspuns fizic diferit, adâncime, diametru sau lungime diagonală, sub o sarcină diferită și geometrie de penetrare. Există tabele de conversie pentru unele familii de materiale, dar sunt mai degrabă aproximări decât echivalente exacte, iar rezultatele raportate la scara originală sunt întotdeauna mai fiabile.

Î3: Cât de des ar trebui verificat un tester de duritate față de un bloc de referință?

Frecvența verificării depinde de volumul de utilizare, de criticitatea pieselor testate și de cerințele standardului relevant de testare a materialelor sub care operează laboratorul. Testerele de producție de mare volum sunt de obicei verificate mai frecvent decât testerele utilizate pentru lucrări ocazionale de laborator.

Î4: Testarea micro-Vickers este potrivită pentru componentele finite, aflate în funcțiune?

Indentația lăsată de testarea micro-Vickers este extrem de mică, ceea ce o face o alegere obișnuită pentru verificările de calitate pe piesele finite, unde marcarea suprafeței trebuie redusă la minimum, deși criteriile de acceptare ar trebui să confirme totuși că indentarea nu afectează funcționarea piesei.

Î5: Ce cauzează cea mai mare împrăștiere a măsurătorilor în testarea de zi cu zi a durității?

Pregătirea inconsecventă a suprafeței și variația operatorului în măsurarea optică sunt cele mai frecvente două surse de împrăștiere, urmate de sincronizarea necorespunzătoare a aplicării sarcinii și uzura indentorului care nu a fost surprinsă de verificările de rutină de calibrare.