การทดสอบความแข็ง Rockwell Brinell Vickers: วิธีการ การแปลง และเครื่องมือ

ร็อคเวลล์, บริเนล และ วิคเกอร์: ทำความเข้าใจวิธีทดสอบความแข็งหลักสามวิธี

การทดสอบความแข็งจะวัดความต้านทานของวัสดุต่อการเสียรูปถาวรภายใต้ภาระที่กำหนด วิธีการหลักสามวิธี ได้แก่ Rockwell, Brinell และ Vickers แต่ละวิธีใช้รูปทรงหัวกด ช่วงโหลด และวิธีการวัดที่แตกต่างกัน ทำให้เหมาะกับวัสดุและการใช้งานที่แตกต่างกัน

ความแข็งแบบร็อกเวลล์ (HR) ใช้พรีโหลดเล็กน้อยตามด้วยโหลดหลัก จากนั้นวัดความลึกสุทธิของการเยื้อง ผลลัพธ์จะอ่านได้โดยตรงจากหน้าปัดหรือจอแสดงผลดิจิทัลโดยไม่ต้องมีการวัดด้วยแสง ทำให้เป็นวิธีที่เร็วที่สุดสำหรับการทดสอบภาคการผลิต ใช้เครื่องชั่งหลายขนาด — HRC สำหรับเหล็กแข็ง, HRB สำหรับโลหะเนื้ออ่อน, HRA สำหรับคาร์ไบด์ — แต่ละเครื่องชั่งกำหนดโดยหัวกดเฉพาะและการผสมผสานโหลด

ความแข็งของบริเนล (HB หรือ HBW) กดลูกบอลเหล็กชุบแข็งหรือทังสเตนคาร์ไบด์ลงบนพื้นผิวภายใต้ภาระคงที่ โดยทั่วไปคือ 3,000 กก. สำหรับเหล็กและเหล็กหล่อ เส้นผ่านศูนย์กลางของรอยกดจะวัดด้วยสายตา และหมายเลข HB จะคำนวณจากโหลดที่ใช้หารด้วยพื้นที่ผิวโค้งของรอยกด เนื่องจากการเยื้องมีขนาดค่อนข้างใหญ่ ค่าเฉลี่ยของบริเนลจึงมีความไวน้อยกว่าต่อความแปรผันของโครงสร้างจุลภาคในท้องถิ่น ทำให้เป็นที่นิยมสำหรับวัสดุที่มีเนื้อหยาบ เช่น การหล่อและการตีขึ้นรูป

ความแข็งแบบวิคเกอร์ (HV) ใช้หัวกดปิรามิดรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนที่มีมุมหน้า 136° ที่โหลดตั้งแต่ต่ำกว่า 1 gf (ไมโครวิคเกอร์) ถึง 120 กก. (มาโคร-วิคเกอร์) เส้นทแยงมุมทั้งสองของการเยื้องสี่เหลี่ยมจะถูกวัดและหาค่าเฉลี่ย หมายเลข HV คำนวณโดยใช้น้ำหนักหารด้วยพื้นที่ผิวสัมผัสของรอยพิมพ์ วิกเกอร์สเป็นวิธีการที่หลากหลายที่สุด: ใช้ได้กับการเคลือบบาง ชั้นที่ชุบแข็งด้วยเคส โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนในการเชื่อม และวัสดุเทกองเหมือนกัน ทั้งหมดนี้ทำได้ในระดับต่อเนื่องเดียว

การแปลงความแข็งแบบวิคเกอร์เป็นร็อกเวลล์: วิธีการทำงานและส่วนที่ขาด

การแปลงความแข็ง Vickers เป็นความแข็ง Rockwell — และในทางกลับกัน — เป็นข้อกำหนดที่พบบ่อยเมื่อแบบวิศวกรรมระบุสเกลหนึ่ง แต่อุปกรณ์ทดสอบที่มีอยู่ใช้อีกสเกลหนึ่ง ข้อมูลอ้างอิงที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุดคือ มาตรฐาน ASTM E140 ซึ่งมีตารางการแปลงที่เป็นมาตรฐานสำหรับวัสดุที่เป็นเหล็กและอโลหะต่างๆ

สำหรับเหล็กชุบแข็งในช่วงที่ใช้กันทั่วไปในงานเครื่องมือและงานโครงสร้าง ความสัมพันธ์โดยประมาณคือ:

• HV 940 อยู่ที่ เหล็กแผ่นรีดร้อน 68 (ใกล้ขีดจำกัดบนของสเกล Rockwell C)
• HV 800 ñ HRC 65
• HV 600 µ HRC 57
• HV 400 อยู่ที่ เหล็กแผ่นรีดร้อน 41
• HV 200 พฤติกรรม HRB 93 (เปลี่ยนไปใช้สเกล B สำหรับวัสดุที่นุ่มกว่า)
• HV 100 พฤติกรรม HRB 56

การแปลงเหล่านี้มีข้อแม้ที่สำคัญ: เป็นวัสดุเฉพาะ . อัตราส่วนการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นต่อพลาสติกจะแตกต่างกันระหว่างเหล็กกล้าคาร์บอน สแตนเลส อลูมิเนียมอัลลอยด์ และไทเทเนียม การแปลงวิคเกอร์เป็นร็อคเวลล์ที่ถูกต้องสำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดเมื่อใช้กับสเตนเลสออสเทนนิติกหรือซูเปอร์อัลลอยนิกเกิล ASTM E140 มีคอลัมน์แยกสำหรับตระกูลวัสดุที่แตกต่างกันด้วยเหตุผลนี้

ข้อจำกัดเพิ่มเติมเกิดขึ้นที่ระดับสุดขั้ว: มาตราส่วน Rockwell C นั้นเชื่อถือได้ระหว่าง HRC 20 ถึง HRC 70 เท่านั้น ค่าที่อยู่นอกช่วงนี้ควรวัดในระดับที่เหมาะสมกว่า (HRA สำหรับวัสดุที่มีความแข็งมากที่สูงกว่า HRC 70, HRB สำหรับวัสดุที่นิ่มกว่า HRC 20) หรือรายงานโดยตรงใน HV โดยไม่มีการแปลง

สำหรับการตรวจสอบรอยเชื่อมและสภาพแวดล้อมที่ควบคุมคุณภาพ ค่าที่แปลงแล้วควรถูกกำหนดให้เป็นค่าประมาณเสมอ การวัดโดยตรงบนเครื่องชั่งที่ต้องการเป็นวิธีเดียวที่จะได้ผลลัพธ์ที่ตรวจสอบย้อนกลับได้และเป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะ

การเตรียมตัวอย่างทางโลหะวิทยา: รากฐานของข้อมูลความแข็งที่เชื่อถือได้

การทดสอบความแข็งจะมีความแม่นยำเท่ากับพื้นผิวที่วัดเท่านั้น การเตรียมตัวอย่างที่ไม่ดีทำให้เกิดข้อผิดพลาดซึ่งการสอบเทียบเครื่องมือไม่สามารถแก้ไขได้ นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวิธี Vickers และ Brinell ซึ่งการวัดเป็นแบบออปติคัลและการสะท้อนแสงของพื้นผิวส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำในการอ่านค่าเส้นทแยงมุมหรือเส้นผ่านศูนย์กลาง

การแบ่งส่วน

ขั้นตอนแรกคือการสร้างหน้าตัดที่เรียบและเป็นตัวแทน ก เครื่องตัดที่มีความแม่นยำ (หรือที่เรียกว่าเลื่อยตัดเพชรหรือกระดาษทราย) ใช้เพื่อตัดชิ้นงานโดยใช้ความร้อนน้อยที่สุดและมีการเสียรูปทางกล การตัดที่ไม่เหมาะสม — การใช้ใบมีดทื่อ อัตราป้อนมากเกินไป หรือใช้น้ำหล่อเย็นไม่เพียงพอ — ทำให้เกิดชั้นพื้นผิวที่ผิดรูปหรือได้รับผลกระทบจากความร้อน ซึ่งยกระดับหรือลดการอ่านค่าความแข็งโดยไม่ตั้งใจ สำหรับการเจียระไนเกรดโลหะ ใบมีดเวเฟอร์เพชรที่มีการระบายความร้อนด้วยน้ำอย่างต่อเนื่องเป็นมาตรฐานสำหรับเหล็กแข็งและคาร์ไบด์ ในขณะที่ล้อตัดอะลูมิเนียมออกไซด์ที่เชื่อมด้วยเรซินจะเหมาะกับโลหะที่มีโครงสร้างอ่อนกว่า

การติดตั้งและการเจียร

หลังจากการแบ่งส่วน โดยทั่วไปตัวอย่างจะถูกติดตั้งในเทอร์โมเซตติงหรืออีพอกซีเรซินที่แข็งตัวด้วยความเย็น เพื่อให้หยิบจับได้อย่างปลอดภัยในระหว่างการเจียรและขัดเงา มีการระบุส่วนยึดยึดขอบเมื่อต้องวัดการไล่ระดับความแข็งใกล้พื้นผิว เช่น ความลึกของเคสหรือส่วนต่อประสานการเคลือบ โดยไม่มีการปัดเศษขอบ

การเจียรเป็นไปตามลำดับจากกระดาษทราย SiC แบบหยาบไปจนถึงละเอียดกว่า (โดยทั่วไปคือ 120 → 320 → 600 → 1200 กรวด) โดยให้ตัวอย่างหมุน 90° ระหว่างแต่ละขั้นตอนเพื่อขจัดรอยขีดข่วนออกจากทิศทางก่อนหน้า แต่ละขั้นตอนจะต้องกำจัดการเสียรูปที่เกิดจากขั้นตอนก่อนหน้าอย่างสมบูรณ์

ขัด

การขัดขั้นสุดท้ายใช้ระบบกันกระเทือนเพชร 3 µm และ 1 µm บนผ้าเช็ด ทำให้เกิดผิวกระจกที่ปราศจากรอยขีดข่วน สำหรับความแข็งระดับไมโครของ Vickers a ผิวเคลือบซิลิกาคอลลอยด์ 0.25 µm มักระบุเพื่อลดข้อผิดพลาดในการสะท้อนแสงของพื้นผิวให้เหลือน้อยที่สุดเมื่อทำการวัดการเยื้องเล็กๆ ที่โหลดต่ำ พื้นผิวที่ขัดเงาจะต้องปราศจากการนูน รอยเปื้อน และรูพรุนก่อนเริ่มการทดสอบ

เครื่องมือทดสอบความแข็ง และเกณฑ์การคัดเลือก

การเลือกเครื่องมือทดสอบความแข็งที่เหมาะสมคือการจับคู่ช่วงโหลดของอุปกรณ์และประเภทของหัวกดกับความหนาของวัสดุ ช่วงความแข็งที่คาดหวัง และความละเอียดเชิงพื้นที่ที่ต้องการ

• ผู้ทดสอบแบบตั้งโต๊ะ Rockwell — ตัวเลือกมาตรฐานสำหรับการตรวจสอบขาเข้าและการตรวจสอบการรักษาความร้อนของส่วนประกอบเหล็กเทกอง การใช้งานโหลดเป็นแบบมอเตอร์และสม่ำเสมอ ส่วนโมเดลดิจิทัลสมัยใหม่จะจัดเก็บบันทึกการทดสอบสำหรับการผสานรวม SPC วิธี Rockwell ไม่สามารถใช้กับวัสดุเนื้อบางได้ (โดยทั่วไปจะต่ำกว่า 1 มม. สำหรับ HRC) เนื่องจากความลึกของรอยเยื้องเข้าใกล้ความหนาของวัสดุ ซึ่งถือเป็นการละเมิดกฎความหนาขั้นต่ำ
• เครื่องทดสอบความแข็งระดับไมโคร Vickers / Knoop — ใช้สำหรับฟอยล์บาง ๆ เคลือบด้วยไฟฟ้า พื้นผิวชุบแข็งแบบแพร่กระจาย และแต่ละเฟสในโครงสร้างจุลภาค ช่วงโหลดโดยทั่วไปคือ 1 gf ถึง 1 kgf กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงในตัวจะถ่ายภาพส่วนเยื้องสำหรับการวัดแนวทแยง โดยมักจะมีการวิเคราะห์ภาพอัตโนมัติเพื่อลดความแปรปรวนของผู้ปฏิบัติงาน
• เครื่องทดสอบความแข็งแบบเด้งกลับแบบพกพา (Leeb) — เหมาะสำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่ที่ติดตั้งแล้วซึ่งไม่สามารถนำไปยังห้องปฏิบัติการได้ ตัวกระแทกที่ขับเคลื่อนด้วยสปริงกระทบกับพื้นผิว อัตราส่วนของการสะท้อนกลับต่อความเร็วกระแทกจะให้ค่าลีบ (HL) ซึ่งจากนั้นจะถูกแปลงเป็น HRC, HB หรือ HV ความแม่นยำขึ้นอยู่กับผิวสำเร็จ มวล และรูปทรงของชิ้นงาน
• เครื่องทดสอบอิมพีแดนซ์สัมผัสอัลตราโซนิก (UCI) — ใช้เพชร Vickers บนแกนสั่น การเปลี่ยนความถี่เมื่อสัมผัสมีความสัมพันธ์กับความแข็ง เครื่องมือ UCI มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการตรวจวัดชั้นบางๆ ที่แข็งตัวด้วยเคสและสารเคลือบในแหล่งกำเนิดโดยไม่ทำให้พื้นผิวเสียหายด้วยตาเปล่า

ไม่ว่าเครื่องมือประเภทใด การสอบเทียบเป็นประจำกับบล็อกอ้างอิงที่ได้รับการรับรอง (สามารถตรวจสอบย้อนกลับไปยังมาตรฐานระดับชาติ เช่น NIST หรือ PTB) เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรักษาความมั่นใจในการวัดค่า บล็อกอ้างอิงควรครอบคลุมช่วงความแข็งที่คาดหวังของชิ้นส่วนการผลิต

การตรวจสอบการเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอน: การทดสอบความแข็งในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน

การเคลื่อนที่ของความแข็งข้ามรอยเชื่อมถือเป็นการใช้งานที่สำคัญที่สุดของการทดสอบ Vickers ในการผลิตโครงสร้าง เมื่อเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอน โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) จะเกิดการหมุนเวียนด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว ในเหล็กกล้าที่มีค่าเทียบเท่าคาร์บอนเพียงพอ (CE) สิ่งนี้สามารถผลิตมาร์เทนไซต์ ซึ่งเป็นโครงสร้างจุลภาคที่แข็งและเปราะซึ่งทำให้ความแข็งของ HAZ สูงขึ้นเหนือโลหะฐานอย่างมีนัยสำคัญ และเพิ่มความไวต่อการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจน (HIC)

เกณฑ์การยอมรับของอุตสาหกรรม โดยทั่วไปจะจำกัดความแข็งของ HAZ ไว้ที่ค่าสูงสุด 350HV10 สำหรับการเชื่อมเหล็กโครงสร้างทั่วไป (ตามคำแนะนำของ EN ISO 15614-1 และ AWS D1.1) และ 250–300 HV10 สำหรับการใช้งานนอกชายฝั่ง บริการเปรี้ยว หรือการใช้งานที่มีความเหนียวสูง การเกินเกณฑ์เหล่านี้เป็นเงื่อนไขที่ขาดคุณสมบัติซึ่งต้องมีการตรวจสอบการอุ่น อุณหภูมิระหว่างการเชื่อม และขั้นตอนการเชื่อม

การเคลื่อนที่ข้ามความแข็งของการเชื่อมมาตรฐานเกี่ยวข้องกับการเยื้องแบบ Vickers ที่ระยะห่างที่กำหนด — โดยทั่วไปจะห่างกัน 0.5 มม. หรือ 1 มม. — วิ่งจากโลหะเชื่อมผ่านเส้นฟิวชัน ข้าม HAZ และเข้าไปในโลหะฐานที่ไม่ได้รับผลกระทบ การเคลื่อนที่ข้ามจะดำเนินการบนหน้าตัดที่เตรียมไว้ทางโลหะวิทยา โดยสลักด้วยไนทัล 2–5% เพื่อเผยให้เห็นขอบเขตฟิวชันก่อนที่จะวางการเยื้อง ตำแหน่งการตรวจวัดที่สำคัญ ได้แก่ HAZ ที่มีเนื้อหยาบซึ่งอยู่ติดกับเส้นฟิวชันทันที ซึ่งมีแนวโน้มว่าจะเกิดมาร์เทนไซต์มากที่สุด

สำหรับการผ่านรูทและการเชื่อมที่มีช่องว่างแคบ อาจจำเป็นต้องใช้ไมโครวิคเกอร์ที่ HV1 หรือ HV0.5 เพื่อให้ได้ความละเอียดเชิงพื้นที่ที่เพียงพอภายใน HAZ ซึ่งอาจแคบได้ถึง 0.2–0.5 มม. ในกระบวนการป้อนความร้อนสูงบางกระบวนการ การเลือกโหลดทดสอบส่งผลโดยตรงต่อขนาดการเยื้องและความกว้างของโซนที่วัดได้ขั้นต่ำ — HV10 สร้างการเยื้องประมาณ 0.3–0.4 มม. ที่ 300 HV ในขณะที่ HV1 ลดค่านี้ลงเหลือประมาณ 0.1 มม.

เครื่องตัดที่มีความแม่นยำในการเตรียมตัวอย่างทางโลหะวิทยา

เครื่องตัดที่มีความเที่ยงตรงสูงเป็นจุดเริ่มต้นของทุกขั้นตอนการทำงานด้านโลหะวิทยา หน้าที่หลักของมันคือการสร้างหน้าตัดที่เรียบและลดความเสียหาย ซึ่งแสดงถึงพื้นที่ที่สนใจได้อย่างแม่นยำ ไม่ว่าจะเป็นการเชื่อม HAZ พื้นผิวที่ชุบแข็งด้วยเคส หรือส่วนต่อประสานการเคลือบ

มีสองประเภทหลักในการใช้งานในห้องปฏิบัติการ:

• เลื่อยตัดกระดาษทราย — ใช้ล้อที่เคลือบด้วยเรซินและเหมาะสำหรับปริมาณงานการผลิต การเลือกล้อ (อะลูมิเนียมออกไซด์สำหรับเหล็กกล้าและเหล็กหล่อ ซิลิคอนคาร์ไบด์สำหรับวัสดุที่ไม่ใช่เหล็ก CBN สำหรับเหล็กกล้าเครื่องมือชุบแข็ง) และอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นเป็นพารามิเตอร์หลักของกระบวนการ รอยไหม้หรือสีน้ำเงินบนพื้นผิวที่ตัดบ่งบอกถึงความร้อนที่มากเกินไป และต้องป้อนช้าลงหรือเลือกล้อใหม่
• ใบเลื่อยวงเดือนเพชร — ใช้ใบมีดเพชรที่เชื่อมด้วยโลหะหรือเรซินที่ความเร็วต่ำพร้อมน้ำยาหล่อเย็นน้ำมัน โดยสร้างชั้นการเสียรูปต่ำที่สุด (โดยทั่วไปจะต่ำกว่า 5 µm) และจำเป็นสำหรับเซรามิกที่เปราะ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และตัวอย่างที่ต้องรักษาโครงสร้างจุลภาคที่สมบูรณ์ไว้ภายในระดับไมครอนของพื้นผิวที่ตัด

ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญเมื่อเลือกเครื่องตัดที่มีความแม่นยำสำหรับการเตรียมการทดสอบความแข็งประกอบด้วย เส้นผ่านศูนย์กลางชิ้นงานสูงสุด แรงจับยึดหัวจับ ช่วง RPM ของใบมีด และวิธีการจ่ายน้ำหล่อเย็น . การควบคุมการป้อนอัตโนมัติ - โดยที่เลื่อยจะเคลื่อนไปข้างหน้าด้วยแรงคงที่แทนที่จะเป็นอัตราคงที่ - ช่วยลดความแปรปรวนของผู้ปฏิบัติงานต่อผู้ปฏิบัติงานได้อย่างมาก และช่วยยืดอายุใบมีด

สำหรับตัวอย่างการตรวจสอบรอยเชื่อมโดยเฉพาะ หัวกัดจะต้องรองรับรูปทรงที่ไม่ปกติ (ข้อต่อ T, ส่วนท่อ, การหุ้มแบบโอเวอร์เลย์) ที่มีการยึดจับที่มั่นคง การยึดจับที่ไม่เสถียรทำให้เกิดรอยสะท้านที่เกิดจากการสั่นสะเทือนซึ่งแพร่กระจายลึกเข้าไปในตัวอย่าง ทำให้เกิดชั้นที่ผิดรูปซึ่งไม่สามารถเอาออกได้ทั้งหมดในขั้นตอนการบดต่อๆ ไป โดยไม่ต้องเอาสิ่งกีดขวางออกมากเกินไป