Cơ sở kỹ thuật kiểm tra độ cứng kim loại

Độ cứng của vật liệu là gì?

Độ cứng là một đặc tính của vật liệu, không phải là một đại lượng vật lý cơ bản. Nó được định nghĩa theo khả năng chống xâm lấn của đầu đo với vật liệu, và được xác định bằng cách đo chiều sâu vết lõm do đầu đo gây ra. Nói một cách đơn giản hơn, khi sử dụng lực cố định (tải) lên đầu đo, khi vết lõm càng nhỏ, vật liệu càng cứng. Giá trị độ cứng thu được bằng cách đo độ sâu hoặc diện tích của vết lõm với một trong hơn 12 phương pháp thử khác nhau. Kiểm tra độ cứng được sử dụng theo các đặc tính và chức năng khác nhau

1. Đặc tính vật liệu

  • Kiểm tra để đánh giá/phân loại vật liệu
  • Kiểm tra độ cứng
  • Kiểm tra để xác nhận kết quả
  • Có thể được sử dụng như một phương pháp dự đoán độ bền kéo

2. Chức năng

  • Kiểm tra để xác nhận khả năng hoạt động theo thiết kế.
  • Khả năng chống mài mòn
  • Độ bền
  • Chống va đập

Cân nhắc lựa chọn phương pháp kiểm tra độ cứng

Các đặc điểm mẫu sau đây cần được xem xét trước khi lựa chọn phương pháp thử độ cứng để sử dụng:

  • Vật liệu
  • Kích thước mẫu thử
  • Độ dày
  • Tỉ lệ
  • Hình dạng mẫu, tròn, hình trụ, bằng phẳng, không đều
  • Điều kiện bề mặt

Vật liệu

Loại vật liệu và độ cứng tương ứng của nó sẽ xác định phương pháp thử. Các vật liệu như thép chịu lực có kích thước hạt nhỏ và có thể được đo bằng thang Rockwell do sử dụng kim cương thụt vào và tải PSI cao. Vật liệu như gang và kim loại bột sẽ cần một bộ cảm ứng lớn hơn nhiều theo thang Brinell. Các bộ phận rất nhỏ hoặc các phần nhỏ có thể cần phải được đo trên máy đo độ cứng bằng cách sử dụng Vickers hoặc Knoop Scale. Khi chọn thang đo độ cứng, hướng dẫn chung là chọn thang đo xác định tải trọng lớn nhất và đầu dò lớn nhất có thể mà không vượt quá các điều kiện hoạt động được xác định và tính toán các điều kiện có thể ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm.

Cỡ mẫu

Kích cỡ mẫu càng nhỏ, tải trọng cần thiết càng nhẹ hơn. Trên các bộ phận nhỏ, đặc biệt quan trọng là phải đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về độ dày tối thiểu và các khoảng cách không gian đúng cách và tránh xa các cạnh bên trong và bên ngoài. Các bộ phận lớn hơn cần phải được gá đúng cách để đảm bảo vị trí an toàn trong quá trình thử nghiệm tránh không bị di chuyển hoặc trượt. Hiệu chỉnh khi kiểm tra bề mặt trụ tròn

Mẫu hình trụ

Việc hiệu chỉnh kết quả thử nghiệm là cần thiết khi thử nghiệm trên các hình trụ có đường kính nhỏ do sự khác biệt giữa dòng vật liệu hướng trục và hướng tâm. Các yếu tố hiệu chỉnh bề mặt tròn được thêm vào kết quả thử nghiệm dựa trên đường kính của các bề mặt hình trụ lồi. Ngoài ra, điều quan trọng là duy trì khoảng cách tối thiểu bằng 2 ~ 1/2 lần đường kính vết lõm đầu dò từ cạnh hoặc một vết lõm khác.

Độ dày

Độ dày mẫu

Mẫu của bạn phải có độ dày tối thiểu ít nhất là 10x (mười lần) độ sâu về lõm đầu dò. Khi sử dụng phương pháp đo Rockwell, độ dày khuyến nghị và độ dày tối thiểu cần được xem xét. Chính vì vậy, phương pháp Rockwell rất phù hợp với các vật liệu mỏng.

Thang đo độ cứng

Trong một số trường hợp, cần thiết kiểm tra độ cứng theo một thang đo và và báo cáo kết quả đo ở một thang khác. Các tình toán chuyển đổi có thể được thực hiện tự động một cách dễ dàng nhưng điều quan trọng cần lưu ý là trừ khi có một mối tương quan thực tế được hoàn thành bằng cách thử nghiệm theo các thang đo khác nhau, các chuyển đổi được thiết lập trước có thể không cung cấp được thông tin đáng tin cậy. Tham khảo biểu đồ chuyển đổi tỷ lệ ASTM đối với các kim loại không phải Austenit trong dải độ cứng cao và dải độ cứng thấp. Cũng cần tham khảo tiêu chuẩn ASTM E140 để biết thêm thông tin về chuyển đổi thang đo độ cứng.

Lựa chọn thiết bị kiểm tra độ cứng

Khi chọn máy đo độ cứng cho ứng dụng của bạn, điều quan trọng là bạn phải cân nhắc những điểm sau:

Chọn phương pháp thử nghiệm chính xác dựa trên ứng dụng.

Luôn cân nhắc sử dụng lực kiểm tra cao nhất và đầu đo lớn nhất. Xem xét ảnh hưởng của hình dạng và kích thước của mẫu thử.

Trả lời các câu hỏi chính sau:

  1. Việc kiểm tra của bạn có quy định một thang đo độ cứng cụ thể nào không? Rockwell, Leeb, Brinell, UCI
  2. Vật liệu cần kiểm tra là gì và vật liệu này có phù hợp với loại phương pháp thử mà bạn đang xem xét không?
  3. Chi tiết kiểm tra hoặc mẫu thử lớn hay nhỏ?
  4. Vị trí kiểm tra có khó tiếp cận không? Không gian xung quanh vị trí đó như thế nào?
  5. Số thử nghiệm sẽ được thực hiện?
  6. Kết quả kiểm tra của bạn cần chính xác đến mức nào?
  7. Ngân sách của bạn là bao nhiêu?
  8. Bạn gặp phải vấn đề gì trong phương pháp hiện tại?
  9. Người sử dụng máy có kiến thức về thử nghiệm như thế nào?

Xác minh kết quả kiểm tra đáp ứng yêu cầu của bạn về tính chính xác và độ lặp lại.

Cân nhắc thực hiện R & R của Gage để thu thập dữ liệu định lượng về các kết quả sai lệch do người vận hành và hệ thống đo lường được sử dụng. Có sự khác biệt đáng kể giữa các mức hiệu suất khi sử dụng các dòng sản phẩm thử nghiệm kết quả đo độ cứng khác nhau. Một công việc khó khăn trên thiết bị này lại có thể rất đơn giản và nhanh chóng khi sử dụng một thiết bị khác. Vì vậy, mặc dù những thiết bị thử nghiệm đo độ cứng sử dụng các phương pháp giống nhau, có nhiều tính năng có thể ảnh hưởng đáng kể đến năng suất và độ chính xác. Một ví dụ điển hình về các tính năng ảnh hưởng đến hiệu suất được thể hiện trong các hệ thống kiểm tra độ cứng Rockwell. Hầu như các dòng máy có thể thực hiện trên các bộ phận dài vừa phải bằng cách sử dụng các đe lớn hơn hoặc kê đỡ, tuy nhiên dòng sản phẩm của Proceq thường có thể kiểm tra các bộ phận lớn nhanh hơn, dễ dàng hơn và chính xác hơn khi so sánh với các bộ thử khác. Dòng sản phẩm Equotip Live UCI mặt khác, dễ sử dụng hơn trên các bộ phận nhỏ, mỏng, trọng lượng thấp.

Phương pháp kiểm tra Chế độ thửKhoảng lực tác độngDạng đầu ấn lõm ASTM ReferencePhương pháp đo kết quả
RockwellRegular60, 100, 150 kgfConical Diamond & Small BallE 18Depth
RockwellSuperficial15, 30, 45 kgfConical Diamond & Small BallE 18Depth
RockwellLight Load3, 5, 7 kgfTruncated Cone DiamondInformalDepth
RockwellMicro500, 1000 gfSmall Truncated Cone DiamondInformalDepth
RockwellMacro500 to 3000 kgf5, 10mm BallE103Depth
MicrohardnessVickers5 to 1000 gf136° Pyramid DiamondE 384Area
MicrohardnessKnoop5 to 1000 gf130° x 172° DiamondE 384Area
MicrohardnessRockwell500 gf to 30 kgfTruncated Cone DiamondInformalDepth
BrinellOptical62.5 to 3000 kgf5, 10mm BallE 10Area
BrinellDepth500 to 3000 kgf5, 10mm BallE103Depth

Lựa chọn phương pháp đo độ cứng theo mẫu cần kiểm tra

Phương phápĐầu xung kíchĐường kínhVết lõmTảiPhương pháp đoChuẩn bị bề mặtPhép thử trong 1 giờỨng dụng
BrinellĐầu bi ấn lõm, 10 mm (0.4 in.) hay 2.5 mm (0.1 in.) đường kính1-7 mm (0.04- 0.28 in.)Tới 0.3 mm (0.01 in.) và 1 mm (0.04 in.), re- spectively, with 2.5 mm (0.1 in.) and 10 mm (0.4 in.) diam balls3000 kgf với vật liệu từ tính, tới 100 kgf cho vật liệu mềmĐo vết lõm với kính hiển vi; tra giá trị độ cứng từ bảngSpecially ground area of measurements of diameter50 khi đo đường kínhChi tiết rèn và đúc kích thước lớn
RockwellNón kim cương 120 độ, bi 1.6-13 mm (1⁄ 16 tới ½ in.)0.1-1.5 mm (0.004-0.06 in.)25-375 μm (0.1- 1.48 μin.)Major 60-150 kgf Minor 10 kgfĐọc trực tiếp trên màn hìnhNo preparation necessary on many surfaces300 thủ công 900 Tự độngRèn, đúc, các chi tiết gia công thô ráp
Rockwell SuperficialNhư Rockwell0.1-0.7 mm (0.004-0.03 in.)10-110 μm (0.04- 0.43 μin.)Major 15-45 kgf Minor 3 kgfNhư RockwellMachined surface, groundNhư RockwellYêu cầu bề mặt tốt
VickersNón kim cương 136 độĐo đường chéo, không phải đường kính300-100 μm (0.12- 0.4 μin.)1-120 kgfĐo vết lõm với kính hiển vi; tra giá trị độ cứng từ bảngSmooth clean surface, symmetrical if not flatTới 180Bề mặt tốt, mẫu mỏng
MicrohardnessNón kim cương 136 độ hay Knoop indenter40 μm (0.16 μin.)1-4 μm (0.004- 0.016 μin.)1 gf-1 kgfĐo vết lõm với kính hiển vi; tra giá trị độ cứng từ bảngPolished surfaceTới 60Lớp bề mặt, vật mỏng, tới 200 μm
UltrasonicNón kim cương 136 độ15-50 μm (0.06- 0.2 μin.)4-18 μm (0.016- 0.07 μin.)800 gfĐọc trực tiếp trên màn hìnhBề mặt nhẵn hơn 1.2 μm (0.004 μin.) để có kết quả chính xác. Tối thiểu 3 μm (0.012 μin.)1200 (giới hạn do kỹ thuật viên phải đọc và ghi nhận kết quả)Vật mỏng với bề mặt nhẵn, vị trí không quan trọng

Bảng tương quan giữa giá trị độ cứng đo được và chiều dày nhỏ nhất của mẫu thử

Đã thêm: Đã thêm: Đã thêm:

Chiều dày nhỏ nhất (in) Chiều dày nhỏ nhất (mm) Regular Rockwell Superfical Rockwell Đầu xung kích
inch mm C A B 15N 30N 45N 15T 30T 45T D, DC, DL, E, S C G UCI
0.006 0.15 92        
0.008 0.20 90        
0.010 0.25 88 91        
0.012 0.30 83 82 77 86        
0.014 0.36 76 78.5 74 81 80        
0.016 0.41 86 68 74 72 75 72 71        
0.018 0.46 84 66 68 68 64 62        
0.020 0.51 82 57 63 55 53        
0.022 0.56 69 79 47 58 45 43        
0.024 0.61 67 76 94 51 34 31        
0.026 0.66 65 71 87 37 18        
0.028 0.71 62 67 80 20 4        
0.030 0.76 57 60 71        
0.032 0.81 52 62        
0.034 0.86 45 52        
0.036 0.91 37 40        
0.038 0.96 28 28        
0.040 1.02 20        
  1                     TBD    
  3                   TBD      
  5                        TBD
  10                       TBD