Hardheid is geen fundamentele materiaaleigenschap, maar een gemeten reactie op een specifieke indrukkingsmethode. Het directe praktische antwoord is dat Rockwell, Brinell en Vickers zijn drie verschillende tests voor de hardheid van de indrukking, die elk een andere indenter en belasting gebruiken, en waarden produceren in verschillende eenheden of schalen . Rockwell gebruikt een dieptemeting en rapporteert een dimensieloos getal op schalen zoals HRC of HRB. Brinell drukt een hardmetalen kogel in het oppervlak en rapporteert een waarde HBW (kgf/mm²) . Vickers gebruikt een diamantpiramide en rapporteert de hardheid als HV (ook in kgf/mm²) , waardoor het veelzijdig is voor alles, van dunne coatings tot bulkmaterialen. EEN universele hardheidstestmachine integreert deze methoden in één enkel instrument, waarbij vaak een dieptegevoelige Martens-hardheidsmogelijkheid wordt toegevoegd. Er is geen enkele eenheid voor het meten van de hardheid; de "eenheid voor hardheid" is schaalafhankelijk, en de keuze tussen tests hangt af van het materiaaltype, de monstergeometrie en de specifieke vereiste informatie.
De universele hardheidstestmachine
A universele hardheidsmeter is een enkel instrument dat is ontworpen om meerdere gestandaardiseerde hardheidstestmethoden uit te voeren, meestal Rockwell, Brinell en Vickers, door indenters, objectieflenzen en belastingsprofielen te verwisselen. Dit elimineert de noodzaak voor afzonderlijke, speciale testers. Naast traditionele optische methoden maken geavanceerde universele machines gebruik van dieptedetectietechnologie om te meten Martenshardheid (H.M) en indrukkingsmodulus volgens ISO 14577. Dit wordt bereikt door het registreren van de continue kracht-verplaatsingscurve tijdens de indrukkingscyclus, waardoor materiaalparameters worden verkregen die gelijkwaardig zijn aan een compressietest op hoge snelheid. Een moderne universele machine kan bijvoorbeeld testkrachten uitoefenen 1 gf tot 3000 kgf , die het micro-, low-load- en macrobereik bestrijkt voor Vickers-, Brinell-, Rockwell- en zelfs Knoop- en plastic-tests. Force control-systemen met gesloten lus, vaak met een bemonsteringssnelheid van 1 tot 2 kHz Zorg ervoor dat de laadsnelheid en verblijftijd strikt voldoen aan normen zoals ASTM E92 en ISO 6506.
Grondbeginselen van de hardheidstest van Rockwell, Brinell en Vickers
Alle drie de tests kwantificeren de weerstand van een materiaal tegen permanente plastische vervorming, maar ze verschillen fundamenteel wat betreft de geometrie van het indenter, de belastingstoepassing en het meetprincipe.
Rockwell-hardheidstest
De Rockwell-methode meet de differentiële penetratiediepte van een indenter onder een voorlopige kleine belasting gevolgd door een grote belasting. De kleine belasting (doorgaans 10 kgf of 3 kgf) vormt een referentiepositie en absorbeert onvolkomenheden in het oppervlak en elastische vervorming. Vervolgens wordt de grootste belasting (60, 100 of 150 kgf) aangebracht en verwijderd, en wordt de permanente toename van de penetratiediepte gemeten. Het hardheidsgetal is omgekeerd evenredig met deze diepte en wordt rechtstreeks op een wijzerplaat of digitaal display afgelezen. EEN Rockwell HRC-waarde van 60 komt bijvoorbeeld overeen met een diepte van ongeveer 0,080 mm. Veel voorkomende schalen zijn onder meer HRC (diamantkegel, 150 kgf) voor gehard staal en HRB (1/16-inch kogel, 100 kgf) voor zachtere legeringen. Het belangrijkste voordeel is snelheid, omdat het resultaat binnen enkele seconden wordt verkregen zonder optische meting.
Brinell-hardheidstest
De Brinell-test gebruikt a kogelindenter van wolfraamcarbide , doorgaans met een diameter van 10 mm, in het oppervlak gedrukt met een hoge testkracht (gewoonlijk 3000 kgf voor ferrometalen). Na het verwijderen van de belasting wordt de diameter van de permanente afdruk optisch gemeten. Het Brinell-hardheidsgetal (HBW) wordt berekend als de uitgeoefende belasting gedeeld door het bolvormige oppervlak van de inkeping. Een typisch resultaat wordt geschreven als 350 HBW 10/3000 , wat een Brinell-hardheid van 350 aangeeft met behulp van een kogel van 10 mm en een belasting van 3000 kgf voor een verblijftijd van 10 tot 15 seconden. De grote inkeping gemiddelden lokale microstructurele variaties, waardoor Brinell ideaal is voor gietstukken, smeedstukken en materialen met grove korrelstructuren. Het is niet geschikt voor zeer harde materialen (boven 650 HBW) of dunne secties, omdat de bal kan vervormen of het monster kan worden beschadigd.
Vickers-hardheidstest
De Vickers-test gebruikt a diamantvormige piramide-indenter met een tophoek van 136 graden. Het principe is identiek over het gehele belastingsbereik: de indenter wordt met een precieze kracht in het monster gedrukt en de twee diagonalen van de resulterende vierkante indruk worden optisch gemeten en gemiddeld. Vickers-hardheid wordt gerapporteerd als HV , gevolgd door bijvoorbeeld de testkracht in kgf 640HV 30 . De eenheid voor Vickers-hardheid is technisch gezien kgf/mm² , maar het wordt conventioneel uitgedrukt als een dimensieloos getal. Omdat dezelfde indentervorm wordt gebruikt voor krachten van 1 gf tot 120 kgf, is Vickers op unieke wijze in staat om de hardheid over verschillende schaalniveaus te meten, van dunne folies en geharde lagen tot bulkmaterialen, en de resultaten zijn over het algemeen belastingonafhankelijk boven een paar honderd gram kracht.
Hardheidsmeeteenheden voor verschillende methoden
Het concept van een "hardheidseenheid" is methodespecifiek. Elke test heeft zijn eigen rapportageconventie en waarden zijn niet direct overdraagbaar zonder conversietabellen gedefinieerd door ASTM E140 en ISO 18265. De onderstaande tabel verduidelijkt de eenheids- en schaalstructuur voor de belangrijkste testmethoden.
| Testmethode | Symbool | Fysieke eenheid | Voorbeeld Benaming |
|---|---|---|---|
| Rockwell | HR-schaal | Dimensieloos | 60 HRC |
| Brinell | HBW | kgf/mm² | 350 HBW 10/3000 |
| Vickers | HV | kgf/mm² | 640HV 30 |
| Knoop | HK | kgf/mm² | 1000 HK 0,1 |
| Martens (Universeel) | HM | N/mm² | 4500HM 0,5/20/15 |
Uitgebreide vergelijking van de drie methoden
De verschillen tussen de hardheidstests van Brinell, Rockwell en Vickers zijn niet alleen procedureel; zij bepalen welke methode geschikt is voor een bepaalde industriële taak. De volgende tabel biedt een directe, toepassingsgerichte vergelijking.
| Functie | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| Indenter | Diamantkegel of carbidekogel | 10 mm hardmetalen kogel (of 5/2,5 mm) | Diamantpiramide (136 graden) |
| Meting | Diepte van penetratie | Diameter van indruk | Diagonaal van indruk |
| Snelheid | Zeer snel (3-5 seconden) | Langzaam (30 seconden optisch) | Matig tot langzaam |
| Geschiktheid | Productie QA, gehard staal, legeringen | Gietstukken, smeedstukken, grofkorrelige metalen | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Sleutelbeperking | Niet voor dunne of geharde lagen | Niet boven 650 HBW; groot schadegebied | Langzaam, oppervlakteafwerking is cruciaal |
Wat zijn de Vickers Hardheidstest Gebruikt voor
De Vickers-hardheidstest heeft de voorkeur wanneer een enkele hardheidsschaal het volledige bereik van de materiaalhardheid van een product moet bestrijken. De belangrijkste toepassingen zijn onder meer case-diepte analyse van gecarbureerd of genitreerd staal , waarbij een reeks micro-inkepingen vanaf de oppervlakterand naar de kern de hardheidsgradiënt in kaart brengt. Een typische specificatie, zoals HV 550 bij een kastdiepte van 0,5 mm , kan alleen worden geverifieerd met een Vickers-microhardheidstraverse. De test is ook essentieel voor kwalificerende lassen , waarbij de door hitte beïnvloede zone, het basismetaal en het lasmetaal elk verschillende eigenschappen hebben, en het kleine indenter deze gebieden kan isoleren. In onderzoek en ontwikkeling wordt Vickers gebruikt om keramiek, composieten en dunnefilmcoatings te karakteriseren waar andere indenters zouden versplinteren of een te grote voetafdruk vereisen. Een harde TiN-coating van 3 micron dik kan bijvoorbeeld betrouwbaar worden getest 0,025 kgf (25 gf) , waardoor een inkeping ontstaat van ongeveer 0,5 micron diep, zonder invloed van het substraat.
Webster versus Rockwell-hardheid
De Webster hardheidsmeter is een draagbaar, direct afleesinstrument dat een specifieke indentatiemethode toepast. Het is niet direct gelijk aan een specifieke Rockwell-schaal, maar Webster-hardheidswaarden zijn empirisch gecorreleerd met Rockwell B- en Rockwell H-schalen voor aluminiumlegeringen . De Webster B-schaal bestrijkt bijvoorbeeld ongeveer van WB0 tot WB20 , wat overeenkomt met ongeveer 25 tot 100 HRB voor aluminium extrusies en platen. Het voordeel van de Webster-tester ligt in de draagbaarheid en de mogelijkheid om grote assemblages, warmtewisselaars en vliegtuigconstructies te testen die niet naar een Rockwell-tester kunnen worden gebracht. De correlatie is echter materiaalspecifiek. Een Webster-tester die is gekalibreerd voor 6061-T6 aluminium levert geen nauwkeurige Rockwell-equivalenten op voor 7075 of voor andere metalen. Voor nauwkeurige materiaalcertificering is een Rockwell- of Brinell-banktest vereist, waarbij de Webster dient als handig hulpmiddel voor veldscreening.
Hoe u de juiste hardheidstest voor uw toepassing selecteert
De testkeuze wordt bepaald door het materiaaltype, de geometrie van het monster, het productievolume en de vereiste informatie. De volgende beslissingslogica, gebaseerd op praktische industriële scenario's, biedt een constructieve leidraad.
- Voor grote gietstukken of smeedstukken met grove microstructuren , kies de Brinell-test. De kogelinkeping van 10 mm gemiddelden korrelgrens- en fasevariaties, waardoor een bulkhardheid ontstaat die representatief is voor de algehele mechanische eigenschappen van het onderdeel. Een standaardtest bij 3000 kgf met een kogel van 10 mm is de standaardtest voor gietijzeren en stalen gietstukken.
- Voor kwaliteitscontrole van bewerkte onderdelen in grote volumes , Rockwell is de standaard. Een HRC-test van 3 seconden kan de procescapaciteitsindex van een warmtebehandelingslijn behouden zonder een knelpunt te creëren. Gebruik HRC voor gehard staal boven 20 HRC en HRB voor zachtere non-ferrolegeringen.
- Voor geharde, dunne of gecoate componenten , micro-Vickers is de enige geschikte keuze. Een belasting van 500 gf of 1 kgf en een Knoop- of Vickers-indenter kunnen de kern-tot-behuizing-gradiënt meten zonder dat de inkeping zich door de verharde laag uitstrekt.
- Voor lassen, verbindingen en door hitte beïnvloede zones Vickers of Knoop testen met lage kracht (1-5 kgf) kunnen hardheidsvariaties over de smalle band van een lasgrensvlak oplossen, wat van cruciaal belang is voor het vermijden van waterstofscheuren of brosse fasevorming.
- Wanneer materiaaleigenschappen boven een enkel hardheidsgetal nodig zijn , een universele hardheidstester in de Martens-modus levert de inkepingshardheid, elastische modulus, kruip en relaxatiegedrag van een enkele geïnstrumenteerde indrukkingstest, wat waardevol is voor de ontwikkeling van polymeren, keramiek en geavanceerde materialen.
Omzetten tussen hardheidsschalen
De omrekeningen van de hardheidsschalen zijn bij benadering, en de verantwoordelijke praktijk is dat gebruik ze alleen ter vergelijking, nooit ter specificatie . De conversierelatie tussen Brinell, Rockwell en Vickers hangt af van het hardingsgedrag van het materiaal, dus een ASTM E140-conversietabel voor austenitisch roestvast staal zal verschillen van die voor koolstof- en laaggelegeerd staal. Als praktijkvoorbeeld een typisch koolstofstaal met 640HV 30 komt overeen met ongeveer 56 HRC en 600 HBW . Voor een volledig gehard austenitisch roestvast staal kan dezelfde 56 HRC echter overeenkomen met slechts 250 HBW. Wanneer een specificatie rapportage op een specifieke schaal vereist, moet de test direct op die schaal worden uitgevoerd. Een universele hardheidstestmachine kan deze onzekerheid minimaliseren door de test in de vereiste methode uit te voeren zonder toevlucht te nemen tot conversie.
