Ghid de testare a durității: Vickers, Rockwell, Brinell și Sample Prep

Pregătirea probelor metalografice: de ce contează înainte de orice test de duritate

Testarea precisă a durității începe cu mult înainte ca indentatorul să intre în contact cu proba. Pregătirea probelor metalografice — procesul controlat de secționare, montare, șlefuire și lustruire a unei probe de metal — determină în mod direct dacă o citire a durității reflectă adevăratele proprietăți ale materialului sau un artefact introdus în timpul manipulării.

În special pentru metodele de microduritate, starea suprafeței este critică. Un specimen prost lustruit introduce variații topografice care deviază indentatorul, umflă împrăștierea și produce citiri care nu pot fi corelate cu niciun tabel de conversie publicat. Cerința generală pentru testele de micro-duritate Vickers și Knoop este un finisaj al suprafeței de 0,1 µm Ra sau mai bine - realizabil numai prin pregătire metalografică sistematică.

Secvența de pregătire include de obicei:

1. Secționarea cu o roată de tăiere abrazivă folosind lichid de răcire adecvat pentru a preveni deteriorarea termică
2. Montare la rece sau la cald în rășină epoxidică sau fenolică pentru a oferi suport pentru margini și manipulare sigură
3. Slefuire plană pentru a elimina deteriorarea secționării și a obține un plan de referință plat
4. Măcinare secvenţială prin abrazivi SiC din ce în ce mai fine (de obicei 240 → 400 → 600 → 1200 granulaţie)
5. Lustruire cu diamant (6 µm, apoi 3 µm, apoi 1 µm) pentru a elimina toate zgârieturile de șlefuire
6. Lustruire finală cu silice coloidală (0,04–0,05 µm OPS) pentru suprafețele cu finisaj în oglindă cerute de standardele de microduritate

Fiecare etapă trebuie să îndepărteze complet daunele de la cea anterioară. Omiterea pașilor sau timpul de așteptare grăbit încorporează straturi subterane deformate - zone întărite prin lucru care produc citiri Vickers false-înalte în intervalul 10-50 HV, o eroare semnificativă la testarea straturilor subțiri, zone afectate de căldură sau straturi întărite.

Pentru ce este folosit testul de duritate Vickers?

Testul de duritate Vickers este utilizat pentru a măsura rezistența unui material la indentarea permanentă folosind un indentor piramidal de diamant cu un unghi de față de 136°. Este cea mai versatilă metodă de macro și microduritate disponibilă , aplicabilă practic oricărui material solid, indiferent de nivelul de duritate și este metoda preferată atunci când sunt necesare precizie, trasabilitate sau rezoluție microstructurală.

În practică, testul Vickers este utilizat pentru:

• Măsurarea adâncimii carcasei — profilarea gradienților de duritate pe suprafețele carburate, nitrurate sau călite prin inducție, prin realizarea unei serii de adâncituri la distanțe crescânde de suprafață
• Evaluarea stratului subțire — evaluarea acoperirilor dure PVD/CVD, a straturilor galvanizate și a tratamentelor de difuzie în care zona afectată poate avea o grosime de doar câțiva microni
• Controlul calității sudurii — cartografierea durității pe metalul de bază, zona afectată de căldură și cordonul de sudură pentru a detecta susceptibilitatea la înmuiere, supraîntărire sau la fisurarea hidrogenului
• Analiza eșecului — identificarea decarburării, a martensitei netemperate, a austenitei reținute sau a limitelor de fază prin măsurători de duritate localizate
• Certificarea materialului — verificarea rezultatelor tratamentului termic în componentele aerospațiale, auto și de scule conform specificațiilor, cum ar fi AMS, ISO 6507 și ASTM E92
• Cercetare și dezvoltare — caracterizarea aliajelor nou dezvoltate, a ceramicii sinterizate și a materialelor compozite în care nu există scale de conversie preexistente

Deoarece scara Vickers este continuă de la aproximativ 5 HV (aliaje foarte moale de plumb) la peste 3000 HV (diamant), nu sunt necesare modificări ale intervalului. O singură metodă acoperă cuprul moale (40–80 HV), oțelul de scule călit (700–900 HV) și carbura cimentată (1400–1800 HV). Această continuitate face din Vickers baza tuturor tabelelor internaționale de conversie a durității.

Blocuri de referință de duritate Rockwell: calibrare, trasabilitate și utilizare adecvată

A Bloc de referință de duritate Rockwell (numit și bloc de testare sau bloc de calibrare) este un cupon de metal certificat, șlefuit cu precizie, utilizat pentru a verifica dacă un tester de duritate Rockwell funcționează în limitele de precizie stabilite. Nu este un consumabil - un singur bloc certificat acceptă de obicei sute de măsurători de verificare atunci când este utilizat corect.

Conform ASTM E18 și ISO 6508, blocurile de referință trebuie calibrate pe o mașină de standardizare primară trasabilă la un institut național de metrologie (NIST în Statele Unite, PTB în Germania etc.). Fiecare bloc este livrat cu un certificat care indică valoarea certificată a durității, incertitudinea de măsurare și numărul de locuri de testare valabile rămase pe suprafața blocului.

Utilizarea corectă a blocurilor de referință

Erorile obișnuite care invalidează măsurătorile blocului de referință includ testarea pe marginile teșite, reutilizarea locurilor de indentare într-o zonă de excludere cu diametrul de 3 indentări și testarea pe fața inferioară (care are o stare de tensiune reziduală diferită de cea a faței superioare calibrate). Numai suprafața superioară marcată clar este valabilă pentru testarea de verificare.

Verificarea zilnică trebuie efectuată cu blocuri apropiate ca duritate de materialul testat. Utilizarea unui bloc de 60 HRC pentru a verifica o mașină care va testa 25 de piese HRC este permisă din punct de vedere tehnic, dar practic mai puțin sensibilă la erorile sistematice - așezarea nicovalei, starea indentorului și deplasarea celulei de sarcină - care afectează citirile medii.

Blocurile trebuie depozitate într-o carcasă închisă, ferit de umiditate și vibrații și manipulate cu mănuși de bumbac pentru a preveni coroziunea suprafeței lustruite. Un bloc care a fost scăpat, zgâriat prin zona sa activă sau care prezintă oxidare la suprafață trebuie retras de la calibrare.

Ce este HK în duritate? Knoop vs. Vickers pentru lucrări de micro-duritate

HK înseamnă Hardness Knoop , scara utilizată în testul de microduritate Knoop. La fel ca Vickers (HV), Knoop folosește un indentor piramidal de diamant și măsurarea optică a amprentei rezultate - dar geometria diferă fundamental. Indentatorul Knoop produce o indentare romboedrică alungită cu un raport diagonal de 7,11:1, în timp ce Vickers produce o indentare aproape pătrată.

Această diferență geometrică are două consecințe practice importante:

• Adâncime de penetrare mai mică — indentarea Knoop este de aproximativ 1/30 din adâncimea diagonalei lungi, comparativ cu 1/7 pentru o indentare Vickers de aceeași lungime a diagonalei. Acest lucru face ca Knoop să fie semnificativ mai bun pentru acoperiri foarte subțiri, ceramică fragilă și sticlă, unde penetrarea adâncă ar provoca crăpare sau influența substratului.
• Sensibilitate la direcționalitate — forma alungită poate dezvălui anizotropia cristalografică în monocristale sau materiale cu textura ridicată prin rotirea probei în raport cu axa indentorului.

Knoop este metoda preferată conform ASTM E384 pentru testare: carburi cimentate, sticlă călită, straturi galvanice subțiri și materiale în care fisurarea în jurul indentării Vickers ar compromite validitatea măsurării. Pentru majoritatea aplicațiilor din oțel, aluminiu și aliaje de cupru, micro-duritatea Vickers (HV 0,1 până la HV 1) este alegerea implicită datorită geometriei mai simple și convertibilității directe la alte scale de duritate.

Conversia durității Brinell la rezistența maximă la tracțiune

Duritatea Brinell (HBW) se corelează liniar cu rezistența maximă la tracțiune (UTS) pentru o gamă largă de oțeluri și fonte , ceea ce o face una dintre cele mai utile conversii de la duritate la rezistență din inginerie. Relația apare deoarece ambele proprietăți sunt guvernate de rezistența microstructurii materialului la curgerea plasticului sub o sarcină concentrată.

Aproximația aplicată pe scară largă pentru oțelurile carbon și slab aliate este:

UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW

În unitățile uzuale din SUA: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Acești coeficienți se mențin destul de bine pentru oțelurile feritice, perlitice și martensitice în intervalul 150-400 HBW. Precizia se încadrează în mod obișnuit în ±7% pentru oțelul carbon normalizat sau stins și revenit, ceea ce este suficient pentru verificarea materialului și în scopuri de inspecție.

Relația se degradează și nu ar trebui utilizată fără date specifice materialelor în următoarele cazuri:

• Oteluri inoxidabile austenitice — comportamentul la călirea prin muncă diferă semnificativ de oțelurile feritice; multiplicatorul este mai aproape de 3,3–3,55 și variază în funcție de aliaj
• Aliaje de aluminiu — un multiplicator aproape de 3,6–3,8 este adesea citat, dar dispersia este mare în diferite condiții de temperatură
• Fontă — morfologia grafitului (fulg vs. nodular) introduce o variabilă microstructurală secundară; tabelele publicate pentru fontă ductilă și fontă cenușie trebuie consultate separat
• HBW > 400 — se rupe relația liniară; Conversia Vickers sau Rockwell C prin ASTM E140 este mai fiabilă la niveluri ridicate de duritate

Ambele ASTM A370 și EN ISO 18265 furnizează date tabelate de conversie de la duritate la rezistența la tracțiune cu intervale de aplicabilitate declarate și incertitudini așteptate și ar trebui să fie documentele de referință pentru orice conversie critică pentru specificații.

Rezistența la tracțiune de la duritatea Rockwell: metode de conversie și limite

Estimarea rezistenței la tracțiune din duritatea Rockwell urmează un proces în două etape: mai întâi convertiți Rockwell în Brinell utilizând tabelele de conversie ASTM E140, apoi aplicați relația Brinell-UTS descrisă mai sus - sau utilizați tabelele de corelare UTS directe care consolidează ambii pași.

Pentru oțel călit din gama HRC 20–65 , următoarele echivalențe aproximative oferă un punct de plecare practic:

Peste HRC 40 (~400 HBW), testul Brinell în sine nu mai este valabil deoarece bila de carbură de 10 mm se deformează elastic la sarcini mari, producând rezultate nereproductibile. În acest interval, Vickers sau Rockwell C sunt metodele corecte de duritate , iar estimarea UTS ar trebui să facă referire la tabele empirice directe pentru gradul specific de oțel, mai degrabă decât la formula liniară generică.

Pentru deciziile de inginerie care implică componente critice din punct de vedere al siguranței — recipiente sub presiune, elemente de fixare structurale, arbori cotit — valorile UTS derivate din duritate ar trebui tratate doar ca date de screening. Testarea fizică la tracțiune conform ASTM E8 sau ISO 6892 este necesară pentru certificarea pe bază de proiectare.