Gids voor hardheidstesten: Vickers, Rockwell, Brinell en monstervoorbereiding

Metallografische monstervoorbereiding: waarom het belangrijk is vóór elke hardheidstest

Nauwkeurige hardheidstesten beginnen lang voordat de indenter in contact komt met het monster. Metallografische monstervoorbereiding – het gecontroleerde proces van het snijden, monteren, slijpen en polijsten van een metaalmonster – bepaalt direct of een hardheidsmeting de werkelijke eigenschappen van het materiaal weerspiegelt of een artefact dat tijdens de hantering is geïntroduceerd.

Vooral bij microhardheidsmethoden is de oppervlakteconditie van cruciaal belang. Een slecht gepolijst exemplaar introduceert topografische variatie die het indenter afbuigt, de verstrooiing opblaast en metingen oplevert die niet kunnen worden gecorreleerd met een gepubliceerde conversietabel. De algemene vereiste voor het testen van de microhardheid van Vickers en Knoop is een oppervlakteafwerking van 0,1 µm Ra of beter – alleen haalbaar door systematische metallografische voorbereiding.

De voorbereidingsvolgorde omvat doorgaans:

1. Snijden met een schurende doorslijpschijf en voldoende koelvloeistof om thermische schade te voorkomen
2. Koude of warme montage in epoxy- of fenolhars voor randondersteuning en veilige hantering
3. Vlakslijpen om snijschade te verwijderen en een vlak referentievlak te verkrijgen
4. Sequentieel slijpen door steeds fijnere SiC-schuurmiddelen (typisch korrel 240 → 400 → 600 → 1200)
5. Diamantpolijsten (6 µm, daarna 3 µm, daarna 1 µm) om alle slijpkrassen te elimineren
6. Eindpolijsten met colloïdaal silica (0,04–0,05 µm OPS) voor spiegelgladde oppervlakken vereist door microhardheidsnormen

Elke fase moet de schade van de vorige volledig verwijderen. Door stappen over te slaan of de verblijftijd te overhaasten, worden vervormde ondergrondse lagen ingebed: door arbeid geharde zones die vals-hoge Vickers-waarden produceren in het bereik van 10-50 HV, een aanzienlijke fout bij het testen van dunne coatings, door hitte beïnvloede zones of geharde lagen.

Waar wordt de Vickers-hardheidstest voor gebruikt?

De Vickers-hardheidstest wordt gebruikt om de weerstand van een materiaal tegen permanente indrukking te meten met behulp van een vierkante diamanten piramide-indringer met een gezichtshoek van 136°. Het is de meest veelzijdige macro- en microhardheidsmethode die beschikbaar is , toepasbaar op vrijwel elk vast materiaal, ongeacht het hardheidsniveau, en is de voorkeursmethode wanneer precisie, traceerbaarheid of microstructurele resolutie vereist zijn.

In de praktijk wordt de Vickers-test gebruikt voor:

• Meting van de diepte van de behuizing — profilering van hardheidsgradiënten over gecarbureerde, genitreerde of inductiegeharde oppervlakken door een reeks inkepingen te maken op steeds grotere afstanden van het oppervlak
• Evaluatie van dunne coatings — beoordeling van harde PVD/CVD-coatings, gegalvaniseerde lagen en diffusiebehandelingen waarbij de aangetaste zone slechts enkele micron dik kan zijn
• Inspectie van de laskwaliteit — het in kaart brengen van de hardheid over het basismetaal, de door hitte beïnvloede zone en de lasrups om verzachting, oververharding of gevoeligheid voor waterstofscheuren te detecteren
• Foutanalyse — het identificeren van ontkoling, ongetemperd martensiet, vastgehouden austeniet of fasegrenzen door middel van plaatselijke hardheidsmetingen
• Materiaalcertificering — het verifiëren van de resultaten van warmtebehandelingen in lucht- en ruimtevaart-, automobiel- en gereedschapsonderdelen volgens specificaties zoals AMS, ISO 6507 en ASTM E92
• Onderzoek en ontwikkeling — karakteriseren van nieuw ontwikkelde legeringen, gesinterde keramiek en composietmaterialen waarvoor geen reeds bestaande conversieschalen bestaan

Omdat de Vickers-schaal continu is van ongeveer 5 HV (zeer zachte loodlegeringen) tot meer dan 3000 HV (diamant), zijn er geen bereikwijzigingen nodig. Eén enkele methode omvat zacht koper (40–80 HV), gehard gereedschapsstaal (700–900 HV) en gecementeerd carbide (1400–1800 HV). Deze continuïteit maakt Vickers tot de basis van alle internationale hardheidsconversietabellen.

Rockwell-referentieblokken voor hardheid: kalibratie, traceerbaarheid en correct gebruik

A Rockwell hardheid referentieblok (ook wel testblok of kalibratieblok genoemd) is een nauwkeurig geslepen, gecertificeerde metalen coupon die wordt gebruikt om te verifiëren dat een Rockwell-hardheidsmeter binnen de aangegeven nauwkeurigheidsgrenzen presteert. Het is geen verbruiksartikel: een enkel gecertificeerd blok ondersteunt bij correct gebruik doorgaans honderden verificatiemetingen.

Volgens ASTM E18 en ISO 6508 moeten referentieblokken worden gekalibreerd op een primaire standaardisatiemachine die traceerbaar is naar een nationaal metrologisch instituut (NIST in de Verenigde Staten, PTB in Duitsland, enz.). Elk blok wordt geleverd met een certificaat waarop de gecertificeerde hardheidswaarde, de meetonzekerheid en het aantal resterende geldige testlocaties op het blokoppervlak worden vermeld.

Correct gebruik van referentieblokken

Veelvoorkomende fouten die referentieblokmetingen ongeldig maken, zijn onder meer testen op de afgeschuinde randen, hergebruik van inkepingsplaatsen binnen een uitsluitingszone met een diameter van 3 streepjes, en testen op het ondervlak (dat een andere restspanningstoestand heeft dan het gekalibreerde bovenvlak). Alleen het duidelijk gemarkeerde bovenoppervlak is geldig voor verificatietests.

Dagelijkse verificatie moet worden uitgevoerd met blokken die qua hardheid dicht bij het geteste materiaal liggen. Het gebruik van een 60 HRC-blok om een ​​machine te verifiëren die 25 HRC-onderdelen test, is technisch toegestaan, maar praktisch minder gevoelig voor de systematische fouten – aambeeldzitting, toestand van het indenter en drift van de loadcel – die de metingen in het middenbereik beïnvloeden.

Blokken moeten worden bewaard in een gesloten doos, uit de buurt van vocht en trillingen, en moeten worden gehanteerd met katoenen handschoenen om corrosie van het gepolijste oppervlak te voorkomen. Een blok dat is gevallen, door de actieve zone is gekrast of oxidatie aan het oppervlak vertoont, moet buiten gebruik worden gesteld voor kalibratie.

Wat is HK in hardheid? Knoop versus Vickers voor microhardheidswerk

HK staat voor Hardheid Knoop , de schaal die wordt gebruikt in de Knoop-microhardheidstest. Net als Vickers (HV) gebruikt Knoop een diamanten piramide-indenter en optische metingen van de resulterende afdruk, maar de geometrie verschilt fundamenteel. De Knoop-indenter produceert een langwerpige ruitvormige inkeping met een diagonale verhouding van 7,11:1, terwijl Vickers een bijna vierkante inkeping produceert.

Dit geometrische verschil heeft twee belangrijke praktische gevolgen:

• Ondiepere penetratiediepte — het Knoop-streepje is ongeveer 1/30ste van de lange diagonaal in diepte, vergeleken met 1/7de voor een Vickers-streepje met dezelfde diagonale lengte. Dit maakt Knoop aanzienlijk beter voor zeer dunne coatings, brosse keramiek en glas waarbij diepe penetratie scheuren of substraatinvloed zou veroorzaken.
• Directionaliteitsgevoeligheid — de langwerpige vorm kan kristallografische anisotropie onthullen in enkele kristallen of materialen met een hoge textuur door het monster te roteren ten opzichte van de as van het indenter.

Knoop is de voorkeursmethode onder ASTM E384 voor het testen van: gecementeerde carbiden, gehard glas, dunne galvanische lagen en materialen waarbij scheuren rond de Vickers-inkeping de meetvaliditeit in gevaar zouden brengen. Voor de meeste toepassingen van staal, aluminium en koperlegeringen is Vickers microhardheid (HV 0,1 tot HV 1) de standaardkeuze vanwege de eenvoudigere geometrie en directe convertibiliteit naar andere hardheidsschalen.

Brinell-hardheid omzetten in ultieme treksterkte

Brinell-hardheid (HBW) correleert lineair met ultieme treksterkte (UTS) voor een breed scala aan staal- en gietijzersoorten , waardoor het een van de meest praktisch bruikbare hardheid-naar-sterkte-conversies in de techniek is. De relatie ontstaat omdat beide eigenschappen worden bepaald door de weerstand van de microstructuur van het materiaal tegen plastische stroming onder geconcentreerde belasting.

De algemeen toegepaste benadering voor koolstof- en laaggelegeerde staalsoorten is:

UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW

In de in de VS gebruikelijke eenheden: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Deze coëfficiënten gelden redelijk goed voor ferritische, perlitische en martensitische staalsoorten in het bereik van 150–400 HBW. De nauwkeurigheid ligt doorgaans binnen ±7% voor genormaliseerd of gehard koolstofstaal, wat voldoende is voor materiaalverificatie en inkomende inspectiedoeleinden.

De relatie verslechtert en mag niet worden gebruikt zonder materiaalspecifieke gegevens in de volgende gevallen:

• Austenitische roestvaste staalsoorten — het vervormingshardingsgedrag verschilt aanzienlijk van ferritische staalsoorten; de vermenigvuldiger ligt dichter bij 3,3–3,55 en varieert per legering
• Aluminium legeringen — vaak wordt een vermenigvuldiger van ongeveer 3,6–3,8 aangehaald, maar de spreiding is hoog onder verschillende stemmingsomstandigheden
• Gietijzer — de grafietmorfologie (vlok versus nodulair) introduceert een secundaire microstructurele variabele; gepubliceerde tabellen voor nodulair gietijzer en grijs ijzer moeten afzonderlijk worden geraadpleegd
• HBW > 400 — de lineaire relatie wordt verbroken; Vickers- of Rockwell C-conversie via ASTM E140 is betrouwbaarder bij hoge hardheidsniveaus

ASTM A370 en EN ISO 18265 bieden beide getabelleerde conversiegegevens van hardheid naar treksterkte met aangegeven toepasbaarheidsbereiken en verwachte onzekerheden, en zouden de referentiedocumenten moeten zijn voor elke specificatie-kritische conversie.

Treksterkte van Rockwell-hardheid: conversiemethoden en limieten

Het schatten van de treksterkte op basis van de Rockwell-hardheid volgt een proces in twee stappen: converteer eerst Rockwell naar Brinell met behulp van ASTM E140-conversietabellen en pas vervolgens de hierboven beschreven Brinell-naar-UTS-relatie toe - of gebruik directe UTS-correlatietabellen die beide stappen consolideren.

Voor gehard staal in het HRC 20–65 bereik , bieden de volgende geschatte gelijkwaardigheden een praktisch uitgangspunt:

Boven HRC 40 (~400 HBW) is de Brinell-test zelf niet langer geldig omdat de hardmetalen kogel van 10 mm elastisch vervormt bij hoge belastingen, wat niet-reproduceerbare resultaten oplevert. In dit bereik Vickers of Rockwell C zijn de juiste hardheidsmethoden en UTS-schattingen moeten verwijzen naar directe empirische tabellen voor de specifieke staalsoort in plaats van naar de generieke lineaire formule.

Voor technische beslissingen met betrekking tot veiligheidskritische componenten (drukvaten, structurele bevestigingsmiddelen, krukassen) mogen van hardheid afgeleide UTS-waarden alleen als screeningsgegevens worden behandeld. Fysieke trekproeven volgens ASTM E8 of ISO 6892 zijn vereist voor ontwerpbasiscertificering.