Роквелл, Бринелль или Виккерс: какой тест на твердость лучше?

Физика, лежащая в основе каждого чтения отступов

Каждое значение твердости в сертификате материала связано с одним механическим событием: твердый индентор вдавливается в поверхность под контролируемой нагрузкой, и сопротивление материала остаточной деформации преобразуется в значение. Это значение что-то значит только в том случае, если нагрузка, геометрия индентора, время выдержки и метод измерения соответствуют известным стандартам. Это основная дисциплина, лежащая в основе металлографическое определение твердости , где цель состоит не просто в том, чтобы получить число, а в том, чтобы получить число, которое другая лаборатория, другая смена или другая страна смогут воспроизвести в пределах жесткого диапазона допуска.

На микроструктурном уровне твердость является показателем нескольких основных механических свойств: предела текучести, деформационного упрочнения и, в некоторых случаях, износостойкости. Мартенситная сталь и отожженный алюминиевый сплав совершенно по-разному реагируют на один и тот же индентор, поэтому ни один метод испытаний не охватывает одинаково хорошо каждый материал, толщину и состояние поверхности. Выбор правильного метода и его правильное применение — вот что отличает заслуживающий доверия показатель качества от числа, которое выглядит точным, но не дает реальной возможности проследить.

3 Основные методы индентирования в общепромышленном использовании

0,1-3000 Типичный диапазон приложенной нагрузки в кгс во всех масштабах

2 Стадии нагрузки, используемые в большинстве современных тестеров: предварительная нагрузка и основная нагрузка.

Почему секвенирование загрузки приложений меняет результат

Загрузка приложения происходит не одним нажатием. В большинстве современных тестеров индентор сначала контактирует с поверхностью под небольшой предварительной нагрузкой, которая фиксирует индентор и устраняет неровности поверхности при измерении. Затем основная нагрузка прикладывается с контролируемой скоростью, удерживается в течение определенного периода выдержки и снимается в определенной последовательности. Спешка в этой последовательности или допущение, что вибрация нарушает корпус во время паузы, является одним из наиболее распространенных источников разброса в твердомерной лаборатории, который часто превышает любую ошибку, вносимую самим индентором.

Время выдержки имеет значение, поскольку материалы слегка расползаются при длительной нагрузке. Испытание, проводимое в течение слишком короткого периода времени, может привести к искусственно завышенным показаниям, в то время как чрезмерное пребывание на мягких материалах или материалах с покрытием может привести к получению показаний, которые больше не отражают исследуемое объемное свойство. Контроль скорости нагрузки, времени выдержки и скорости разгрузки в соответствии с документально подтвержденными допусками позволяет с уверенностью сравнивать результаты разных тестеров.

Репрезентативные диапазоны нагрузок в обычных масштабах

Твердомеры Роквелла: скорость благодаря прямому измерению глубины

Метод Роквелла полностью исключает оптические измерения. Вместо измерения размера отступа твердомеры по Роквеллу примените небольшую предварительную нагрузку, обнулите показания глубины, примените большую нагрузку, затем снова отпустите предварительную нагрузку и считайте разницу в глубине вдавливания. Этот перепад глубины преобразуется непосредственно в число твердости на дисплее машины, поэтому тестирование по Роквеллу часто является самым быстрым из трех методов в производственной среде.

Выбор шкалы зависит от типа индентора и комбинации нагрузок. Индентор с алмазным конусом при основной нагрузке 150 кгс типичен для закаленных сталей, а индентор с шариком из закаленной стали при нагрузке 100 кгс подходит для более мягких металлов, таких как отожженная сталь, латунь или алюминиевые сплавы. Поскольку результат считывается немедленно, без интерпретации оптического изображения оператором, испытания по Роквеллу хорошо подходят для входного контроля материалов, проверки термообработки и крупномасштабных производственных проверок, где согласованность действий операторов имеет такое же значение, как и исходная точность.

Компромиссом является чувствительность к состоянию поверхности. Поскольку этот метод основан на глубине, а не на площади, шероховатые поверхности, тонкие участки или изогнутые детали могут искажать показания, если не соблюдать правильные поправочные коэффициенты и рекомендации по минимальной толщине.

rockwell hardness testers with digital depth readout

Твердомеры по Бринеллю: усреднение твердости крупных микроструктур

brinell hardness testers for large indentation testing

Где Роквелл читает глубину, твердомеры по Бринеллю вдавите шарик из закаленной стали или карбида вольфрама в поверхность под большой нагрузкой, выдержите заданное время выдержки, затем измерьте диаметр образовавшегося углубления под увеличением. Поскольку отпечаток велик по сравнению с размером зерна, метод Бринелля эффективно усредняется по грубым или неоднородным микроструктурам, что делает его предпочтительным методом для отливок, поковок и материалов, в которых локализованные границы зерен или включения могут исказить меньший отпечаток.

Нагрузки при испытаниях по Бринеллю обычно составляют от нескольких сотен до трех тысяч кгс и прикладываются к шару диаметром несколько миллиметров. В результате во многих случаях образуется углубление, достаточно большое, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, хотя для точного измерения диаметра по-прежнему требуется калиброванный микроскоп или цифровая измерительная система. Шкала хорошо подходит для толстых срезов, сырья и термообработанных компонентов, где значение объемной твердости более значимо, чем строго локализованное показание.

Поскольку отпечаток большой, испытание по Бринеллю, как правило, не подходит для тонких деталей, поверхностей с покрытием или готовых компонентов, где видимая маркировка неприемлема, и именно здесь используются два других метода.

Твердомеры по Виккерсу и Микро-Виккерсу: точность в микроструктурном масштабе

Твердомеры по Виккерсу и микро-Виккерсу используйте пирамидальный алмазный индентор, который производит небольшое квадратное углубление независимо от нагрузки, которое измеряется оптически по обеим диагоналям под увеличением. Поскольку одна и та же геометрия индентора используется во всем диапазоне нагрузок, от макронагрузок Виккерса до микронагрузок значительно ниже одного кгс, метод легко масштабируется от испытания сыпучего материала до отдельных зерен, зон термического влияния сварных швов и поперечных сечений покрытия толщиной всего лишь доли миллиметра.

Микро-Викерс testing in particular is the method of choice for case-hardened layers, nitrided surfaces, plated coatings, and hardness gradient mapping across a polished cross-section. Because the indentation size can be kept extremely small, a single sample can carry dozens of individual readings without the indentations overlapping or interfering with each other, allowing a full hardness profile to be built from surface to core.

За точность приходится платить скоростью и подготовкой проб. Для точного измерения диагонали требуется хорошо отполированная плоская поверхность и обученный оператор или калиброванная система анализа изображений, поскольку даже небольшие ошибки фокусировки или освещения могут сместить измеренную диагональ настолько, что изменятся заявленные значения твердости.

vickers and micro-vickers hardness testers with optical measurement

Сравнение трех методов бок о бок

Ни одна шкала не является универсально правильной. В таблице ниже суммированы практические различия, которые обычно определяют, какой метод используется для конкретной детали или материала.

Атрибут	Роквелл	Бринелл	Виккерс / Микро-Виккерс
Тип индентора	Алмазный конус или стальной шар	Стальной или твердосплавный шарик	Алмазная пирамида
Основа измерения	Перепад глубины	Диаметр отпечатка	Диагональ отступа
Типичный диапазон нагрузки	60-150 кгс	500-3000 кгс	0,1-50 кгс
Лучше всего подходит для	Проверка производственной линии	Отливки и крупнозернистая заготовка	Покрытия и шлифы
Зависимость от оператора	Низкий	Умеренный	Высшее

Сравнение методов по пяти эксплуатационным факторам

Роквелл Бринелл Викерс

Стандарты калибровки и испытаний материалов, обеспечивающие надежность результатов

Твердомеру можно доверять ровно настолько, насколько ему можно доверять при последней проверке. Сертифицированные эталонные образцы с известным, отслеживаемым значением твердости используются для проверки точности тестера через регулярные промежутки времени, а отклонение между показаниями тестера и сертифицированным значением твердости блока регистрируется с течением времени. Международно признанные стандарты испытаний материалов определяют пределы допуска для этого отклонения, частоту проверок и документацию, необходимую для поддержания тестера в эксплуатации для регламентированных или проверяемых работ.

Дрейф редко бывает внезапным. Оно имеет тенденцию постепенно проявляться по мере износа индентора, старения датчика нагрузки или незначительного отклонения оптической измерительной системы от калибровки. Отслеживание отклонений в последовательных циклах проверки вместо того, чтобы полагаться на один результат «пройден или не пройден», дает гораздо более раннее предупреждение о необходимости технического обслуживания.

Последовательная дисциплина калибровки – это то, что позволяет доверять значению твердости, измеренному на одном станке, на другом, в другом здании, с разницей в несколько месяцев.

Отклонение от эталонного образца в течение циклов проверки

Выбор правильного метода измерения твердости для вашего применения

Выбор метода обычно сводится к трем вопросам: насколько крупной или однородной является микроструктура, насколько тонким или покрытым является испытуемый участок и сколько деталей необходимо проверять за смену. Простой путь принятия решения охватывает большинство реальных случаев.

Порядок выбора метода

Пропускная способность часто является решающим фактором при соблюдении требований к точности. При тестировании по Роквеллу обычно обрабатывается наибольшее количество деталей в час, поскольку измерение глубины происходит автоматически, методы Виккерса и микро-Виккерса находятся посередине в зависимости от того, сколько отпечатков необходимо на образец, а метод Бринелля обычно самый медленный из-за измерения оптического диаметра и большего отпечатка.

Типичная относительная производительность по методу

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: Можно ли проверить одну и ту же деталь более чем одним методом определения твердости?

Да, при условии, что площадь поверхности позволяет выделить отдельные зоны вдавливания. Многие лаборатории используют Rockwell для быстрой проверки производства и затем используют Vickers для проверки поперечного сечения, когда требуется детальный градиент твердости вблизи термообработанной или покрытой поверхности.

Вопрос 2. Почему значения твердости из разных шкал не конвертируются напрямую друг в друга?

Каждый метод измеряет различную физическую реакцию, глубину, диаметр или диагональную длину при различной нагрузке и геометрии индентора. Таблицы преобразования существуют для некоторых семейств материалов, но они являются приблизительными, а не точными эквивалентами, и результаты, представленные в исходной шкале, всегда более надежны.

Вопрос 3: Как часто следует проверять твердомер по эталонному образцу?

Частота проверок зависит от объема использования, критичности испытуемых деталей и требований соответствующего стандарта тестирования материалов, в соответствии с которым работает лаборатория. Тестеры массового производства обычно проверяются чаще, чем тестеры, используемые для периодических лабораторных работ.

Вопрос 4. Подходит ли тестирование микро-Виккерса для готовых компонентов, находящихся в эксплуатации?

Вмятины, оставленные при тестировании по микро-Виккерсу, чрезвычайно малы, что делает их распространенным выбором для проверки качества готовых деталей, где маркировка поверхности должна быть сведена к минимуму, хотя критерии приемки все равно должны подтверждать, что вмятины не влияют на функционирование детали.

Вопрос 5. Что вызывает наибольший разброс результатов при ежедневных измерениях твердости?

Неправильная подготовка поверхности и отклонения оператора в оптических измерениях являются двумя наиболее распространенными источниками разброса, за которыми следуют неправильное время приложения нагрузки и износ индентора, который не выявляется при регулярных проверках калибровки.