คู่มือการทดสอบความแข็ง: Vickers, Rockwell, Brinell และการเตรียมตัวอย่าง

การเตรียมตัวอย่างทางโลหะวิทยา: เหตุใดจึงมีความสำคัญก่อนการทดสอบความแข็งใดๆ

การทดสอบความแข็งที่แม่นยำเริ่มต้นก่อนที่หัวกดจะสัมผัสกับชิ้นงานทดสอบ การเตรียมตัวอย่างทางโลหะวิทยา — กระบวนการควบคุมในการตัดส่วน การติดตั้ง เจียร และขัดตัวอย่างโลหะ — จะกำหนดโดยตรงว่าการอ่านค่าความแข็งสะท้อนถึงคุณสมบัติที่แท้จริงของวัสดุหรือสิ่งประดิษฐ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการจัดการหรือไม่

สำหรับวิธีความแข็งระดับไมโครโดยเฉพาะ สภาพพื้นผิวถือเป็นสิ่งสำคัญ ชิ้นงานที่มีการขัดเงาไม่ดีจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของภูมิประเทศที่เบี่ยงเบนหัวกด กระจายกระจาย และทำให้อ่านค่าได้ซึ่งไม่สามารถเชื่อมโยงกับตารางการแปลงใดๆ ที่เผยแพร่ได้ ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับการทดสอบความแข็งระดับไมโครของ Vickers และ Knoop คือผิวสำเร็จที่ 0.1 µm Ra หรือดีกว่า ซึ่งทำได้โดยการเตรียมทางโลหะวิทยาอย่างเป็นระบบเท่านั้น

ลำดับการเตรียมโดยทั่วไปประกอบด้วย:

1. การตัดโดยใช้ล้อตัดที่มีฤทธิ์กัดกร่อนโดยใช้สารหล่อเย็นที่เพียงพอเพื่อป้องกันความเสียหายจากความร้อน
2. การติดตั้งแบบเย็นหรือแบบร้อนในอีพอกซีหรือฟีนอลิกเรซินเพื่อให้การรองรับขอบและการจัดการที่ปลอดภัย
3. การเจียรแนวระนาบเพื่อขจัดความเสียหายจากการแบ่งส่วนและทำให้ได้ระนาบอ้างอิงแบบเรียบ
4. การเจียรตามลำดับโดยใช้สารกัดกร่อน SiC ที่ละเอียดมากขึ้นเรื่อยๆ (โดยทั่วไปคือ 240 → 400 → 600 → 1200 กรวด)
5. การขัดเพชร (6 µm จากนั้น 3 µm และ 1 µm) เพื่อขจัดรอยขีดข่วนจากการเจียรทั้งหมด
6. การขัดขั้นสุดท้ายด้วยซิลิกาคอลลอยด์ (0.04–0.05 µm OPS) สำหรับพื้นผิวขัดเงาเหมือนกระจกที่ต้องการตามมาตรฐานความแข็งระดับไมโคร

แต่ละด่านจะต้องกำจัดความเสียหายจากครั้งก่อนให้หมด การข้ามขั้นตอนหรือเวลารอที่เร่งรีบจะฝังชั้นใต้ผิวดินที่ผิดรูปไว้ — โซนที่แข็งตัวจากการทำงานซึ่งสร้างการอ่านค่า Vickers สูงผิดพลาดในช่วง 10–50 HV ซึ่งเป็นข้อผิดพลาดที่สำคัญเมื่อทดสอบการเคลือบบาง โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน หรือชั้นที่ชุบแข็งด้วยเคส

การทดสอบความแข็งของ Vickers ใช้ทำอะไร?

การทดสอบความแข็งแบบ Vickers ใช้เพื่อวัดความต้านทานของวัสดุต่อการเยื้องถาวรโดยใช้หัวกดปิรามิดรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนที่มีมุมหน้า 136° เป็นวิธีความแข็งระดับมาโครและระดับไมโครที่หลากหลายที่สุดที่มีอยู่ ใช้ได้กับวัสดุแข็งแทบทุกชนิดโดยไม่คำนึงถึงระดับความแข็ง และเป็นวิธีที่นิยมใช้เมื่อต้องการความแม่นยำ ความสามารถในการตรวจสอบย้อนกลับ หรือความละเอียดของโครงสร้างจุลภาค

ในทางปฏิบัติ การทดสอบ Vickers ใช้สำหรับ:

• การวัดความลึกของเคส — การทำโปรไฟล์การไล่ระดับความแข็งทั่วทั้งพื้นผิวคาร์บูไรซ์ ไนไตรด์ หรือพื้นผิวชุบแข็งแบบเหนี่ยวนำ โดยการสร้างชุดของการเยื้องที่ระยะห่างที่เพิ่มขึ้นจากพื้นผิว
• การประเมินการเคลือบบาง — การประเมินการเคลือบแข็งแบบ PVD/CVD ชั้นเคลือบด้วยไฟฟ้า และการบำบัดการแพร่กระจาย โดยที่โซนที่ได้รับผลกระทบอาจมีความหนาเพียงไม่กี่ไมครอน
• การตรวจสอบคุณภาพการเชื่อม — การทำแผนที่ความแข็งทั่วทั้งโลหะฐาน โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน และเม็ดบีดเชื่อมเพื่อตรวจจับความไวต่อการอ่อนตัว การแข็งตัวมากเกินไป หรือการแตกร้าวของไฮโดรเจน
• การวิเคราะห์ความล้มเหลว — การระบุการแยกสลายคาร์บอน มาร์เทนไซต์ที่ไม่ได้รับการบำบัด ออสเทนไนต์ที่คงสภาพไว้ หรือขอบเขตเฟสผ่านการวัดความแข็งเฉพาะที่
• การรับรองวัสดุ — การตรวจสอบผลลัพธ์การรักษาความร้อนในชิ้นส่วนการบินและอวกาศ ยานยนต์ และเครื่องมือตามข้อกำหนด เช่น AMS, ISO 6507 และ ASTM E92
• การวิจัยและพัฒนา — การระบุคุณลักษณะของโลหะผสมที่พัฒนาขึ้นใหม่ เซรามิกเผาผนึก และวัสดุคอมโพสิตที่ไม่มีระดับการแปลงที่มีอยู่ก่อน

เนื่องจากสเกล Vickers มีความต่อเนื่องตั้งแต่ประมาณ 5 HV (โลหะผสมตะกั่วที่อ่อนมาก) ถึงมากกว่า 3000 HV (เพชร) จึงไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนช่วง วิธีการเดียวครอบคลุมทองแดงอ่อน (40–80 HV) เหล็กกล้าเครื่องมือชุบแข็ง (700–900 HV) และซีเมนต์คาร์ไบด์ (1400–1800 HV) ความต่อเนื่องนี้ทำให้ Vickers เป็นรากฐานของตารางการแปลงความแข็งระดับสากลทั้งหมด

บล็อกอ้างอิงความแข็งแบบร็อกเวลล์: การสอบเทียบ ความสามารถในการตรวจสอบย้อนกลับ และการใช้งานที่เหมาะสม

A บล็อกอ้างอิงความแข็ง Rockwell (หรือที่เรียกว่าบล็อกทดสอบหรือบล็อกสอบเทียบ) เป็นคูปองโลหะที่ผ่านการกราวด์อย่างแม่นยำ ซึ่งใช้เพื่อตรวจสอบว่าเครื่องทดสอบความแข็งแบบ Rockwell ทำงานภายในขีดจำกัดความแม่นยำที่ระบุไว้ ไม่ใช่วัสดุสิ้นเปลือง — โดยทั่วไปบล็อกที่ผ่านการรับรองเพียงบล็อกเดียวจะรองรับการตรวจวัดการตรวจสอบหลายร้อยรายการเมื่อใช้อย่างถูกต้อง

ตาม ASTM E18 และ ISO 6508 บล็อกอ้างอิงจะต้องได้รับการสอบเทียบบนเครื่องกำหนดมาตรฐานหลักที่สามารถตรวจสอบย้อนกลับไปยังสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ (NIST ในสหรัฐอเมริกา PTB ​​ในเยอรมนี ฯลฯ) แต่ละบล็อกจัดส่งพร้อมใบรับรองที่ระบุค่าความแข็งที่ได้รับการรับรอง ความไม่แน่นอนในการวัด และจำนวนตำแหน่งทดสอบที่ถูกต้องที่เหลืออยู่บนพื้นผิวบล็อก

การใช้บล็อกอ้างอิงอย่างถูกต้อง

ข้อผิดพลาดทั่วไปที่ทำให้การวัดบล็อกอ้างอิงเป็นโมฆะ ได้แก่ การทดสอบบนขอบลบมุม การนำตำแหน่งการเยื้องกลับมาใช้ใหม่ภายในโซนแยกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 เยื้อง และการทดสอบที่พื้นผิวด้านล่าง (ซึ่งมีสถานะความเค้นตกค้างแตกต่างจากพื้นผิวด้านบนที่ปรับเทียบแล้ว) เฉพาะพื้นผิวด้านบนที่มีการทำเครื่องหมายไว้อย่างชัดเจนเท่านั้นจึงจะใช้ได้สำหรับการทดสอบการตรวจสอบ

การตรวจสอบรายวันควรทำโดยใช้บล็อกที่มีความแข็งใกล้เคียงกับวัสดุที่กำลังทดสอบ การใช้บล็อก 60 HRC เพื่อตรวจสอบเครื่องจักรที่จะทดสอบชิ้นส่วน HRC 25 ชิ้นนั้นได้รับอนุญาตทางเทคนิค แต่มีความไวน้อยกว่าต่อข้อผิดพลาดที่เป็นระบบ เช่น ฐานทั่ง สภาพของหัวกด และการเคลื่อนตัวของโหลดเซลล์ ซึ่งส่งผลต่อการอ่านค่าในช่วงกลาง

ควรเก็บบล็อกไว้ในกล่องปิด ห่างจากความชื้นและการสั่นสะเทือน และใช้งานด้วยถุงมือผ้าฝ้ายเพื่อป้องกันการกัดกร่อนของพื้นผิวขัดเงา บล็อกที่หล่น มีรอยขีดข่วนผ่านโซนที่ทำงานอยู่ หรือแสดงการเกิดออกซิเดชันที่พื้นผิว ควรยกเลิกการใช้การสอบเทียบ

HK ในความแข็งคืออะไร? Knoop กับ Vickers สำหรับงานที่มีความแข็งระดับไมโคร

HK ย่อมาจาก Hardness Knoop ซึ่งเป็นสเกลที่ใช้ในการทดสอบความแข็งระดับไมโครของ Knoop เช่นเดียวกับ วิคเกอร์ส (HV) Knoop ใช้หัวกดแบบพีระมิดเพชรและการวัดแบบออปติคอลของรอยพิมพ์ที่เกิดขึ้น แต่รูปทรงเรขาคณิตจะแตกต่างกันโดยพื้นฐาน หัวกด Knoop สร้างการเยื้องรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนแบบยาวด้วยอัตราส่วนแนวทแยง 7.11:1 ในขณะที่ Vickers สร้างการเยื้องเกือบเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส

ความแตกต่างทางเรขาคณิตนี้มีผลกระทบในทางปฏิบัติที่สำคัญสองประการ:

• เจาะลึกได้ลึกกว่า — การเยื้อง Knoop อยู่ที่ประมาณ 1/30 ของความลึกในแนวทแยงยาว เทียบกับ 1/7 สำหรับการเยื้อง Vickers ที่มีความยาวแนวทแยงเท่ากัน สิ่งนี้ทำให้ Knoop ดีขึ้นอย่างมากสำหรับการเคลือบที่บางมาก เซรามิกที่เปราะ และกระจกที่การเจาะลึกอาจทำให้เกิดการแตกร้าวหรืออิทธิพลของสารตั้งต้น
• ความไวของทิศทาง — รูปร่างที่ยาวสามารถเผยให้เห็นแอนไอโซโทรฟีของผลึกเดี่ยวหรือวัสดุที่มีพื้นผิวสูงโดยการหมุนตัวอย่างที่สัมพันธ์กับแกนหัวกด

Knoop เป็นวิธีที่แนะนำภายใต้ มาตรฐาน ASTM E384 สำหรับการทดสอบ: ซีเมนต์คาร์ไบด์ กระจกชุบแข็ง ชั้นกัลวานิกบางๆ และวัสดุที่การแตกร้าวรอบๆ รอยกด Vickers อาจทำให้ความถูกต้องในการวัดลดลง สำหรับการใช้งานเหล็ก อลูมิเนียม และโลหะผสมทองแดงส่วนใหญ่ ความแข็งระดับไมโครของ Vickers (HV 0.1 ถึง HV 1) เป็นตัวเลือกเริ่มต้นเนื่องจากมีรูปทรงที่เรียบง่ายกว่าและสามารถแปลงเป็นระดับความแข็งอื่นๆ ได้โดยตรง

การแปลงความแข็งบริเนลเป็นความต้านแรงดึงขั้นสูงสุด

ความแข็งบริเนล (HBW) มีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงกับความต้านทานแรงดึงสูงสุด (UTS) สำหรับเหล็กและเหล็กหล่อหลายประเภท ทำให้เป็นหนึ่งในการแปลงความแข็งเป็นความแข็งแกร่งที่เป็นประโยชน์มากที่สุดในทางวิศวกรรม ความสัมพันธ์เกิดขึ้นเนื่องจากคุณสมบัติทั้งสองถูกควบคุมโดยความต้านทานของโครงสร้างจุลภาคของวัสดุต่อการไหลของพลาสติกภายใต้ภาระที่มีความเข้มข้น

การประมาณที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าอัลลอยด์ต่ำคือ:

UTS (เมกะปาสคาล) µs 3.45 × HBW

ในหน่วยตามธรรมเนียมของสหรัฐอเมริกา: UTS (psi) µs 500 × HBW

ค่าสัมประสิทธิ์เหล่านี้ยึดเกาะได้ดีพอสมควรสำหรับเหล็กกล้าเฟอริติก เพิร์ลไลติก และมาร์เทนซิติกในช่วง 150–400 HBW โดยทั่วไปความแม่นยำจะอยู่ภายใน ±7% สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนที่ได้มาตรฐานหรือดับแล้วและอบคืนสภาพ ซึ่งเพียงพอสำหรับวัตถุประสงค์ในการตรวจสอบยืนยันวัสดุและการตรวจสอบขาเข้า

ความสัมพันธ์จะลดลงและไม่ควรใช้โดยไม่มีข้อมูลเฉพาะวัสดุในกรณีต่อไปนี้:

• เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก — พฤติกรรมการแข็งตัวของงานแตกต่างอย่างมากจากเหล็กเฟอร์ริติก ตัวคูณจะใกล้เคียงกับ 3.3–3.55 มากขึ้นและแตกต่างกันไปตามโลหะผสม
• อลูมิเนียมอัลลอยด์ - ตัวคูณที่ใกล้ 3.6–3.8 มักถูกอ้างถึง แต่การกระจายจะสูงตามสภาวะอารมณ์ที่แตกต่างกัน
• เหล็กหล่อ — สัณฐานวิทยาของกราไฟท์ (เกล็ดเทียบกับก้อนกลม) แนะนำตัวแปรจุลภาคทุติยภูมิ ควรปรึกษาตารางที่เผยแพร่สำหรับเหล็กดัดและเหล็กสีเทาแยกกัน
• HBW > 400 — ความสัมพันธ์เชิงเส้นพังทลาย; การแปลง Vickers หรือ Rockwell C ผ่าน ASTM E140 มีความน่าเชื่อถือมากกว่าที่ระดับความแข็งสูง

ASTM A370 และ EN ISO 18265 ให้ข้อมูลการแปลงค่าความแข็งเป็นแรงดึงแบบตารางพร้อมช่วงการใช้งานที่ระบุไว้และความไม่แน่นอนที่คาดไว้ และควรเป็นเอกสารอ้างอิงสำหรับการแปลงที่มีความสำคัญต่อข้อมูลจำเพาะใดๆ

ความต้านแรงดึงจากความแข็งร็อกเวลล์: วิธีการแปลงและขีดจำกัด

การประมาณค่าความต้านทานแรงดึงจากความแข็งแบบร็อกเวลล์เป็นไปตามกระบวนการสองขั้นตอน ขั้นแรกให้แปลง Rockwell เป็น Brinell โดยใช้ตารางการแปลง ASTM E140 จากนั้นใช้ความสัมพันธ์ระหว่าง Brinell กับ UTS ที่อธิบายไว้ข้างต้น หรือใช้ตารางความสัมพันธ์ UTS โดยตรงที่รวมทั้งสองขั้นตอนเข้าด้วยกัน

สำหรับเหล็กชุบแข็งในช่วง HRC 20–65 ความเท่าเทียมกันโดยประมาณต่อไปนี้เป็นจุดเริ่มต้นที่ใช้งานได้จริง:

การทดสอบ Brinell ที่สูงกว่า HRC 40 (~400 HBW) นั้นใช้ไม่ได้อีกต่อไป เนื่องจากลูกบอลคาร์ไบด์ขนาด 10 มม. จะเปลี่ยนรูปอย่างยืดหยุ่นที่การรับน้ำหนักสูง ทำให้ได้ผลลัพธ์ที่ไม่สามารถทำซ้ำได้ ในช่วงนี้ Vickers หรือ Rockwell C เป็นวิธีความแข็งที่ถูกต้อง และการประมาณค่า UTS ควรอ้างอิงตารางเชิงประจักษ์โดยตรงสำหรับเกรดเหล็กเฉพาะ แทนที่จะเป็นสูตรเชิงเส้นทั่วไป

สำหรับการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับส่วนประกอบที่มีความสำคัญต่อความปลอดภัย เช่น ภาชนะรับความดัน ตัวยึดโครงสร้าง เพลาข้อเหวี่ยง ค่า UTS ที่ได้มาจากความแข็ง ควรถือเป็นข้อมูลคัดกรองเท่านั้น การทดสอบแรงดึงทางกายภาพตามมาตรฐาน ASTM E8 หรือ ISO 6892 จำเป็นสำหรับการรับรองพื้นฐานการออกแบบ