Rockwell, Brinell și Vickers: înțelegerea celor trei metode majore de testare a durității
Testarea durității măsoară rezistența unui material la deformarea permanentă sub o sarcină definită. Cele trei metode dominante - Rockwell, Brinell și Vickers - folosesc fiecare o geometrie a indentorului, un domeniu de sarcină și o abordare de măsurare diferite, făcându-le potrivite pentru diferite materiale și aplicații.
Duritatea Rockwell (HR) aplică o preîncărcare minoră urmată de o sarcină majoră, apoi măsoară adâncimea netă a adâncirii. Rezultatul este citit direct de pe cadran sau de pe afișajul digital fără nicio măsurătoare optică, ceea ce îl face cea mai rapidă metodă de testare la nivelul producției. Utilizează mai multe scale - HRC pentru oțeluri dure, HRB pentru metale mai moi, HRA pentru carburi - fiecare definită de o combinație specifică de indentor și sarcină.
Duritatea Brinell (HB sau HBW) presează o bilă de oțel călit sau carbură de tungsten în suprafață sub o sarcină fixă, de obicei 3.000 kgf pentru oțel și fontă. Diametrul indentării este măsurat optic, iar numărul HB este calculat din sarcina aplicată împărțită la suprafața curbată a indentării. Deoarece indentarea este relativ mare, media Brinell este mai puțin sensibilă la variația microstructurală locală, ceea ce o face preferată pentru materialele cu granulație grosieră, cum ar fi piesele turnate și forjate.
Duritate Vickers (HV) folosește un indentor piramidal de diamant cu un unghi de 136° la sarcini care variază de la sub 1 gf (micro-Vickers) la 120 kgf (macro-Vickers). Ambele diagonale ale liniuței pătrate sunt măsurate și mediate. Numărul HV este calculat utilizând sarcina împărțită la aria suprafeței de contact a amprentei. Vickers este cea mai versatilă metodă: se aplică la straturile subțiri, straturile întărite, zonele afectate de căldură de sudare și materialul în vrac deopotrivă, toate pe o singură scară continuă.
| Metoda | Indentor | Măsurare | Cel mai bun pentru |
|---|---|---|---|
| Rockwell | Con de diamant sau bilă de oțel | Adâncimea indentării | Testarea rapidă a producției de oțel călit |
| Brinell | Bilă din carbură de tungsten (ø1–10 mm) | Diametrul indentării (optic) | Piese turnate, forjate, aliaje cu granulație grosieră |
| Vickers | Piramida de diamant (136°) | Lungime diagonală (optică) | Acoperiri subțiri, suduri, microduritate |
Conversia durității de la Vickers la Rockwell: cum funcționează și unde este scurt
Convertirea durității Vickers în duritatea Rockwell - și invers - este o cerință frecventă atunci când desenele de inginerie specifică o scară, dar echipamentele de testare disponibile folosesc alta. Referința cea mai larg acceptată este ASTM E140 , care oferă tabele de conversie standardizate pentru diferite materiale feroase și neferoase.
Pentru oțelul călit din gama utilizată în mod obișnuit în aplicații de scule și structuri, relațiile aproximative sunt:
- HV 940 ≈ HRC 68 (aproape de limita superioară a scalei Rockwell C)
- HV 800 ≈ HRC 65
- HV 600 ≈ HRC 57
- HV 400 ≈ HRC 41
- HV 200 ≈ HRB 93 (tranziție la scara B pentru materiale mai moi)
- HV 100 ≈ HRB 56
Aceste conversii au un avertisment important: sunt specifice materialelor . Raportul de deformare elastic-plastic diferă între oțel carbon, oțel inoxidabil, aliaje de aluminiu și titan. O conversie Vickers-la-Rockwell valabilă pentru oțelul carbon va produce eroare atunci când este aplicată pe inoxidabil austenitic sau un superaliaj de nichel. ASTM E140 oferă coloane separate pentru diferite familii de materiale tocmai din acest motiv.
O limitare suplimentară apare la extreme: scala Rockwell C este fiabilă doar între HRC 20 și HRC 70. Valorile în afara acestui interval ar trebui măsurate pe o scară mai adecvată (HRA pentru materiale foarte dure peste HRC 70, HRB pentru materiale mai moi sub HRC 20) sau raportate direct în HV fără conversie.
Pentru inspecția sudurii și mediile controlate de calitate, valorile convertite trebuie întotdeauna marcate ca estimate. Măsurarea directă la scara prevăzută este singura modalitate de a obține un rezultat trasabil, conform specificațiilor.
Pregătirea probelor metalurgice: fundamentul datelor fiabile de duritate
Un test de duritate este la fel de precis ca suprafața pe care o măsoară. Pregătirea slabă a probei introduce o eroare pe care nicio calibrare a instrumentului nu o poate corecta. Acest lucru este valabil mai ales pentru metodele Vickers și Brinell, unde măsurarea este optică și reflectivitatea suprafeței afectează în mod direct precizia citirii diagonalei sau diametrului.
Secționarea
Primul pas este producerea unei secțiuni transversale plane, reprezentative. A mașină de tăiat de precizie (numit și ferăstrău de tăiere abraziv sau diamant) este utilizat pentru a secționa piesa de prelucrat cu aport minim de căldură și deformare mecanică. Tăierea abuzivă - folosind o lamă tocită, viteză de avans excesivă sau lichid de răcire inadecvat - determină un strat de suprafață deformat sau afectat de căldură, care ridică sau deprimă artificial citirile de duritate. Pentru tăierile de calitate metalurgică, lamele de diamant cu răcire continuă cu apă sunt standard pentru oțeluri dure și carburi, în timp ce discurile de tăiere cu oxid de aluminiu lipite cu rășină se potrivesc metalelor structurale mai moi.
Montare și șlefuire
După secționare, eșantioanele sunt de obicei montate în rășină epoxidică termorezistabilă sau polimerizată la rece pentru a permite manipularea în siguranță în timpul șlefuirii și lustruirii. Suporturile de reținere a marginilor sunt specificate atunci când gradienții de duritate aproape de suprafață - cum ar fi adâncimile carcasei sau interfețele de acoperire - trebuie măsurați fără rotunjirea marginilor.
Măcinarea urmează o secvență de la hârtie abrazivă SiC mai grosieră la mai fine (de obicei 120 → 320 → 600 → 1200 granulație), cu proba rotită cu 90° între fiecare pas pentru a îndepărta zgârieturile din direcția anterioară. Fiecare etapă trebuie să îndepărteze complet deformația introdusă de cea anterioară.
Lustruire
Lustruirea finală folosește suspensie de diamant de 3 µm și 1 µm pe cârpe acoperite, producând un finisaj în oglindă fără zgârieturi. Pentru micro-duritate Vickers, a Finisaj cu silice coloidal de 0,25 µm este adesea specificat pentru a minimiza erorile de reflectivitate la suprafață atunci când se măsoară adâncituri mici la sarcini mici. Suprafața lustruită trebuie să fie fără relief, pete și sâmburi înainte de a începe testarea.
Instrumente de testare a durității și criteriile lor de selecție
Selectarea instrumentului potrivit de testare a durității implică potrivirea intervalului de sarcină al instrumentului și tipului de indentor la grosimea materialului, intervalul de duritate așteptat și rezoluția spațială necesară.
- Testere de banc Rockwell — alegerea standard pentru inspecția de intrare și verificarea tratamentului termic al componentelor din oțel în vrac. Aplicația de încărcare este motorizată și coerentă, iar modelele digitale moderne stochează înregistrările de testare pentru integrarea SPC. Metoda Rockwell nu poate fi utilizată pe material subțire (de obicei sub 1 mm pentru HRC) deoarece adâncimea indentării se apropie de grosimea materialului, încălcând regula grosimii minime.
- Testare de microduritate Vickers / Knoop — utilizat pentru folii subțiri, acoperiri galvanizate, suprafețe întărite prin difuzie și faze individuale într-o microstructură. Domeniul de încărcare este de obicei de la 1 gf până la 1 kgf. Un microscop optic integrat imaginează indentarea pentru măsurarea diagonală, adesea cu analiză automată a imaginii pentru o variabilitate redusă a operatorului.
- Testoare portabile de duritate cu rebound (Leeb). — potrivit pentru componente mari, instalate, care nu pot fi aduse la un laborator. Un corp de impact actionat de arc loveste suprafata; raportul dintre rebound și viteza impactului dă valoarea Leeb (HL), care este apoi convertită în HRC, HB sau HV. Precizia depinde de finisarea suprafeței, masa și geometria piesei de prelucrat.
- Testere de impedanță de contact cu ultrasunete (UCI). — folosiți un diamant Vickers pe o tijă vibrantă; deplasarea de frecvență la contact se corelează cu duritatea. Instrumentele UCI sunt deosebit de utile pentru măsurarea in situ a straturilor subțiri și a straturilor întărite, fără deteriorarea suprafeței vizibile cu ochiul liber.
Indiferent de tipul de instrument, calibrarea regulată împotriva blocurilor de referință certificate (trasabile la standarde naționale, cum ar fi NIST sau PTB) este necesară pentru a menține încrederea în măsurare. Blocurile de referință ar trebui să acopere intervalul de duritate așteptat al pieselor de producție.
Inspecția sudurii din oțel carbon: Testarea durității în zona afectată de căldură
Traversele de duritate prin suduri sunt printre cele mai critice aplicații ale testării Vickers în fabricarea structurală. Când oțelul carbon este sudat, zona afectată de căldură (HAZ) suferă un ciclu termic rapid. În oțelurile cu suficient echivalent de carbon (CE), aceasta poate produce martensită - o microstructură dură și fragilă care ridică duritatea HAZ semnificativ peste metalul de bază și crește susceptibilitatea la fisurarea indusă de hidrogen (HIC).
Criterii de acceptare a industriei limitează în mod obișnuit duritatea HAZ la maximum 350 HV10 pentru suduri generale din oțel structural (conform EN ISO 15614-1 și ghidul AWS D1.1) și pentru 250–300 HV10 pentru aplicații offshore, servicii acru sau de înaltă rezistență. Depășirea acestor praguri este o condiție de descalificare care necesită revizuirea preîncălzirii, a temperaturii între treceri și a procedurii de sudare.
O traversare standard de duritate a sudurii implică o serie de adâncituri Vickers la o distanță definită - de obicei 0,5 mm sau 1 mm una de cealaltă - care trec de la metalul de sudură prin linia de fuziune, peste HAZ și în metalul de bază neafectat. Traversa este efectuată pe o secțiune transversală pregătită metalografic, gravată cu 2-5% Nital pentru a dezvălui limitele de fuziune înainte de plasarea indentării. Locațiile cheie de măsurare includ HAZ cu granulație grosieră imediat adiacentă liniei de fuziune, unde este cel mai probabil formarea de martensite.
Pentru trecerile de rădăcină și sudurile cu goluri înguste, pot fi necesare micro-Vickers la HV1 sau HV0.5 pentru a obține o rezoluție spațială adecvată în HAZ, care poate fi la fel de îngustă ca 0,2-0,5 mm în unele procese cu aport ridicat de căldură. Alegerea sarcinii de testare afectează direct dimensiunea indentării și, prin urmare, lățimea minimă măsurabilă a zonei - HV10 produce o indentare de aproximativ 0,3–0,4 mm la 300 HV , în timp ce HV1 reduce acest lucru la aproximativ 0,1 mm.
Mașini de tăiat de precizie în pregătirea probelor metalografice
O mașină de tăiat de precizie este punctul de intrare al fiecărui flux de lucru metalografic. Funcția sa principală este de a produce o secțiune transversală plană, minimizată de deteriorare, care să reprezinte cu exactitate zona de interes - indiferent dacă este vorba despre o sudură HAZ, o suprafață cementată sau o interfață de acoperire.
Există două categorii principale în utilizarea în laborator:
- Ferăstrău pentru tăiere abrazive — utilizează roți consumabile lipite cu rășină și sunt potrivite pentru producția. Selectarea roții (oxid de aluminiu pentru oțel și fontă, carbură de siliciu pentru neferoase, CBN pentru oțel de scule întărit) și debitul de lichid de răcire sunt parametrii primari ai procesului. Urmele de arsură sau albăstrirea de pe suprafața tăiată indică căldură excesivă și necesită o avansare mai lentă sau o nouă alegere a roții.
- Fierăstraie diamantate — utilizați lame diamantate cu metal sau rășină la viteză mică cu lichid de răcire a uleiului. Acestea produc cel mai mic strat de deformare (de obicei sub 5 µm) și sunt esențiale pentru ceramica fragilă, componentele electronice și eșantioanele în care microstructura intactă trebuie păstrată în microni de suprafața tăiată.
Specificațiile cheie atunci când selectați un tăietor de precizie pentru pregătirea testului de duritate includ diametrul maxim al piesei de prelucrat, forța de strângere a mandrinei, intervalul de turații al lamei și metoda de livrare a lichidului de răcire . Controlul automat al avansului - în cazul în care ferăstrăul avansează cu o forță constantă și nu cu o rată fixă - reduce semnificativ variabilitatea de la operator la operator și prelungește durata de viață a lamei.
În special pentru probele de inspecție de sudură, freza trebuie să se potrivească cu geometrii neregulate (articulații în T, secțiuni de țeavă, placare de suprapunere) cu fixare stabilă. Prinderea instabilă provoacă urme de vibrații induse de vibrații care se propagă adânc în probă, creând un strat deformat care nu poate fi îndepărtat complet în etapele ulterioare de șlefuire fără îndepărtarea excesivă a materialului.
