Rockwell กับ Brinell กับ Vickers: การทดสอบความแข็งใดดีที่สุด?

ฟิสิกส์เบื้องหลังการอ่านการเยื้องทุกครั้ง

หมายเลขความแข็งทุกหมายเลขบนใบรับรองวัสดุจะย้อนกลับไปถึงเหตุการณ์ทางกลเพียงครั้งเดียว: หัวกดแบบแข็งจะถูกกดลงในพื้นผิวภายใต้ภาระที่ได้รับการควบคุม และความต้านทานของวัสดุต่อการเสียรูปถาวรจะถูกแปลงเป็นค่า ค่าดังกล่าวจะมีความหมายก็ต่อเมื่อภาระ รูปทรงของหัวกด เวลาคงตัว และเทคนิคการวัดทั้งหมดเป็นไปตามมาตรฐานที่ทราบ นี่คือวินัยหลักที่อยู่เบื้องหลัง การทดสอบความแข็งทางโลหะวิทยา โดยที่เป้าหมายไม่ใช่เพียงการผลิตตัวเลขแต่เป็นการผลิตตัวเลขที่ห้องปฏิบัติการอื่น กะอื่น หรือประเทศอื่นสามารถทำซ้ำได้ภายในแถบความอดทนที่จำกัด

ในระดับจุลภาค ความแข็งเป็นตัวแทนของคุณสมบัติทางกลพื้นฐานหลายประการ: ความแข็งแรงของผลผลิต พฤติกรรมการชุบแข็งในงาน และในบางกรณี ความต้านทานการสึกหรอ เหล็กกล้ามาร์เทนซิติกและโลหะผสมอลูมิเนียมอบอ่อนตอบสนองต่อหัวกดเดียวกันในรูปแบบที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมไม่มีวิธีการทดสอบใดวิธีหนึ่งที่ครอบคลุมวัสดุ ความหนา และสภาพพื้นผิวทุกอย่างเท่าเทียมกัน การเลือกวิธีการที่ถูกต้องและดำเนินการอย่างถูกต้องคือสิ่งที่แยกบันทึกคุณภาพที่สามารถป้องกันได้จากตัวเลขที่ดูแม่นยำแต่ไม่มีความสามารถในการตรวจสอบย้อนกลับที่แท้จริง

3 วิธีการเยื้องเบื้องต้นในการใช้งานทางอุตสาหกรรมทั่วไป

0.1-3000 ช่วงโหลดที่ใช้ทั่วไปในหน่วย kgf ในทุกเครื่องชั่ง

2 ขั้นตอนการโหลดที่ใช้ในเครื่องมือทดสอบสมัยใหม่ส่วนใหญ่: โหลดล่วงหน้าและโหลดหลัก

เหตุใดการโหลดลำดับแอปพลิเคชันจึงเปลี่ยนแปลงผลลัพธ์

โหลดแอปพลิเคชั่นไม่ได้กดเพียงครั้งเดียว ในเครื่องมือทดสอบสมัยใหม่ส่วนใหญ่ หัวกดจะถูกนำสัมผัสกับพื้นผิวในขั้นแรกภายใต้ภาระเบื้องต้นเล็กน้อย ซึ่งจะรองรับหัวกดและขจัดความผิดปกติของพื้นผิวออกจากการวัด จากนั้นโหลดหลักจะถูกนำไปใช้ในอัตราที่ควบคุม โดยคงไว้ตามระยะเวลาคงอยู่ที่ระบุ และปล่อยออกมาในลำดับที่กำหนด การเร่งลำดับนี้หรือปล่อยให้การสั่นสะเทือนรบกวนเฟรมระหว่างการอยู่นิ่ง เป็นหนึ่งในแหล่งที่มาของการกระจายที่พบบ่อยที่สุดในห้องปฏิบัติการความแข็ง ซึ่งมักจะใหญ่กว่าข้อผิดพลาดใดๆ ที่เกิดจากหัวกดเอง

เวลาที่อยู่อาศัยมีความสำคัญเนื่องจากวัสดุคืบคลานเล็กน้อยภายใต้ภาระที่ต่อเนื่อง การทดสอบที่จัดขึ้นในระยะเวลาสั้นเกินไปอาจอ่านค่าได้สูงเกินจริง ในขณะที่การค้างมากเกินไปบนวัสดุอ่อนหรือวัสดุเคลือบอาจทำให้เกิดการอ่านที่ไม่แสดงถึงคุณสมบัติจำนวนมากที่กำลังตรวจสอบอีกต่อไป การควบคุมอัตราการโหลด เวลาคงอยู่ และอัตราการขนถ่ายตามพิกัดความเผื่อที่บันทึกไว้คือสิ่งที่ทำให้สามารถเปรียบเทียบผลลัพธ์จากผู้ทดสอบต่างๆ ได้อย่างมั่นใจ

ช่วงโหลดที่เป็นตัวแทนสำหรับเครื่องชั่งทั่วไป

เครื่องทดสอบความแข็งแบบร็อกเวลล์: ความเร็วผ่านการวัดความลึกโดยตรง

วิธี ร็อคเวลล์ ข้ามการวัดด้วยแสงโดยสิ้นเชิง แทนที่จะวัดขนาดของการเยื้อง เครื่องทดสอบความแข็งแบบร็อคเวลล์ ใช้โหลดเบื้องต้นเล็กน้อย อ่านค่าความลึกเป็นศูนย์ ใช้โหลดหลัก จากนั้นปล่อยกลับไปยังโหลดเบื้องต้น และอ่านความแตกต่างของความลึกของการเยื้อง ส่วนต่างของความลึกนั้นจะถูกแปลงเป็นตัวเลขความแข็งบนจอแสดงผลของเครื่องโดยตรง ซึ่งเป็นสาเหตุที่การทดสอบ ร็อคเวลล์ มักเป็นวิธีที่เร็วที่สุดในสามวิธีในสภาพแวดล้อมการผลิต

การเลือกสเกลขึ้นอยู่กับประเภทของหัวกดและการรวมโหลด หัวกดรูปกรวยเพชรที่รับน้ำหนักหลัก 150 กก. เป็นแบบปกติสำหรับเหล็กชุบแข็ง ในขณะที่หัวกดลูกเหล็กชุบแข็งที่รับน้ำหนัก 100 กก. เหมาะกับโลหะที่อ่อนกว่า เช่น เหล็กอบอ่อน ทองเหลือง หรือโลหะผสมอลูมิเนียม เนื่องจากผลลัพธ์จะอ่านได้ทันทีโดยไม่ต้องให้ผู้ปฏิบัติงานตีความภาพออพติคอล การทดสอบ ร็อคเวลล์ จึงเหมาะสมอย่างยิ่งกับการตรวจสอบวัสดุที่เข้ามา การตรวจสอบการรักษาความร้อน และการตรวจสอบการผลิตในปริมาณมาก ซึ่งความสอดคล้องระหว่างผู้ปฏิบัติงานมีความสำคัญพอๆ กับความแม่นยำของวัตถุดิบ

ข้อเสียคือความไวต่อสภาพพื้นผิว เนื่องจากวิธีการอาศัยความลึกมากกว่าพื้นที่ พื้นผิวที่หยาบ ส่วนบาง หรือส่วนโค้งสามารถบิดเบือนการอ่านได้ เว้นแต่จะปฏิบัติตามปัจจัยการแก้ไขที่เหมาะสมและแนวทางความหนาขั้นต่ำ

rockwell hardness testers with digital depth readout

เครื่องทดสอบความแข็งของ บริเนล: ความแข็งเฉลี่ยของโครงสร้างจุลภาคแบบหยาบ

brinell hardness testers for large indentation testing

ที่ Rockwell อ่านเชิงลึก เครื่องทดสอบความแข็งบริเนล กดลูกบอลเหล็กหรือทังสเตนคาร์ไบด์ชุบแข็งลงบนพื้นผิวภายใต้ภาระหนัก โดยคงไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นวัดเส้นผ่านศูนย์กลางของรอยเยื้องที่เกิดขึ้นภายใต้การขยาย เนื่องจากการเยื้องมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับขนาดของเกรน การทดสอบ บริเนล จึงหาค่าเฉลี่ยได้อย่างมีประสิทธิภาพทั่วทั้งโครงสร้างจุลภาคที่หยาบหรือไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทำให้เป็นวิธีที่นิยมใช้สำหรับการหล่อ การตีขึ้นรูป และวัสดุที่ขอบเขตหรือการเจือปนของเกรนเฉพาะที่อาจทำให้การเยื้องมีขนาดเล็กลงได้

โหลดในการทดสอบ บริเนล โดยทั่วไปจะมีช่วงตั้งแต่สองสามร้อยถึงสามพัน kgf โดยทดสอบผ่านลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายมิลลิเมตร ซึ่งทำให้เกิดการเยื้องขนาดใหญ่พอที่จะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าในหลายกรณี แม้ว่าการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางที่แม่นยำยังคงต้องใช้กล้องจุลทรรศน์หรือระบบการวัดแบบดิจิทัลที่ปรับเทียบแล้วก็ตาม เครื่องชั่งเข้ากันได้ดีกับส่วนที่หนา สต๊อกดิบ และส่วนประกอบที่ผ่านการอบชุบด้วยความร้อน ซึ่งค่าความแข็งรวมมีความหมายมากกว่าการอ่านค่าที่มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในระดับสูง

เนื่องจากการเยื้องมีขนาดใหญ่ การทดสอบ Brinell โดยทั่วไปจึงไม่เหมาะสำหรับชิ้นส่วนบาง พื้นผิวเคลือบ หรือส่วนประกอบสำเร็จรูปซึ่งไม่สามารถยอมรับเครื่องหมายที่มองเห็นได้ ซึ่งเป็นจุดที่อีกสองวิธีเข้ามาแทนที่

เครื่องทดสอบความแข็ง วิคเกอร์ และ Micro-วิคเกอร์: ความแม่นยำในระดับโครงสร้างจุลภาค

เครื่องทดสอบความแข็งแบบวิคเกอร์และไมโครวิคเกอร์ ใช้หัวกดเพชรเสี้ยมที่สร้างการเยื้องสี่เหลี่ยมเล็กๆ โดยไม่คำนึงถึงภาระ ซึ่งวัดด้วยแสงจากเส้นทแยงมุมทั้งสองภายใต้กำลังขยาย เนื่องจากมีการใช้รูปทรงเรขาคณิตของหัวกดเดียวกันตลอดช่วงโหลดทั้งหมด ตั้งแต่ Macro Vickers โหลดลงไปจนถึงโหลดขนาดเล็กที่มีน้ำหนักไม่เกิน 1 กิโลกรัม วิธีการนี้จะปรับขนาดได้อย่างหมดจดตั้งแต่การทดสอบวัสดุเทกองไปจนถึงเกรนแต่ละชิ้น เชื่อมโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน และการเคลือบหน้าตัดที่มีความหนาเพียงเศษเสี้ยวของมิลลิเมตร

ไมโคร-วิคเกอร์ testing in particular is the method of choice for case-hardened layers, nitrided surfaces, plated coatings, and hardness gradient mapping across a polished cross-section. Because the indentation size can be kept extremely small, a single sample can carry dozens of individual readings without the indentations overlapping or interfering with each other, allowing a full hardness profile to be built from surface to core.

ความแม่นยำต้องแลกมาด้วยความเร็วและการเตรียมตัวอย่าง การวัดเส้นทแยงมุมที่แม่นยำต้องใช้พื้นผิวเรียบที่ขัดเงาอย่างดี และผู้ปฏิบัติงานที่ได้รับการฝึกอบรมหรือระบบการวิเคราะห์ภาพที่ปรับเทียบแล้ว เนื่องจากการโฟกัสเพียงเล็กน้อยหรือข้อผิดพลาดของแสงก็สามารถเลื่อนเส้นทแยงมุมที่วัดได้มากพอที่จะเปลี่ยนความแข็งที่รายงานได้

vickers and micro-vickers hardness testers with optical measurement

เปรียบเทียบสามวิธีแบบเคียงข้างกัน

ไม่มีมาตราส่วนเดียวที่ถูกต้องในระดับสากล ตารางด้านล่างสรุปความแตกต่างในทางปฏิบัติซึ่งโดยทั่วไปจะตัดสินว่าจะใช้วิธีใดกับชิ้นส่วนหรือวัสดุที่กำหนด

คุณสมบัติ	Rockwell	บริเนล	วิคเกอร์ / ไมโคร-วิคเกอร์
ประเภทหัวกด	กรวยเพชรหรือลูกเหล็ก	ลูกเหล็กหรือคาร์ไบด์	ปิรามิดเพชร
พื้นฐานการวัด	ส่วนต่างความลึก	เส้นผ่านศูนย์กลางการเยื้อง	เยื้องในแนวทแยง
ช่วงโหลดทั่วไป	60-150 กก.ฟ	500-3,000 กิโลกรัมเอฟ	0.1-50 กก.ฟ
เหมาะที่สุดกับ	การตรวจสอบสายการผลิต	การหล่อและสต็อกเมล็ดหยาบ	สารเคลือบและส่วนที่บาง
การพึ่งพาผู้ปฏิบัติงาน	ต่ำ	ปานกลาง	สูงกว่า

การเปรียบเทียบวิธีการกับปัจจัยการดำเนินงานห้าประการ

Rockwell บริเนล Vickers

มาตรฐานการสอบเทียบและการทดสอบวัสดุที่ทำให้ผลลัพธ์เชื่อถือได้

เครื่องทดสอบความแข็งจะเชื่อถือได้พอๆ กับการตรวจสอบครั้งล่าสุดเท่านั้น บล็อกอ้างอิงที่ผ่านการรับรองซึ่งทราบค่าความแข็งที่ตรวจสอบย้อนกลับได้จะถูกใช้เพื่อตรวจสอบความแม่นยำของผู้ทดสอบในช่วงเวลาปกติ และค่าเบี่ยงเบนระหว่างการอ่านของผู้ทดสอบและค่าที่รับรองของบล็อกจะถูกบันทึกไว้เมื่อเวลาผ่านไป มาตรฐานการทดสอบวัสดุที่ได้รับการยอมรับในระดับสากลจะกำหนดแถบพิกัดความเผื่อสำหรับการเบี่ยงเบนนี้ ความถี่ของการตรวจสอบ และเอกสารประกอบที่จำเป็นในการให้บริการผู้ทดสอบสำหรับงานที่ได้รับการควบคุมหรือตรวจสอบ

การดริฟท์นั้นไม่ค่อยเกิดขึ้นอย่างกะทันหัน มีแนวโน้มที่จะค่อยๆ คืบคลานเข้ามาเมื่อหัวกดสึกหรอ โหลดเซลล์มีอายุมากขึ้น หรือระบบการวัดด้วยแสงหลุดออกจากการสอบเทียบเล็กน้อย การติดตามความเบี่ยงเบนในรอบการตรวจสอบที่ต่อเนื่องกัน แทนที่จะอาศัยผลการผ่านหรือความล้มเหลวเพียงครั้งเดียว จะให้คำเตือนล่วงหน้ามากว่าจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษา

ระเบียบวินัยในการสอบเทียบที่สอดคล้องกันคือสิ่งที่ช่วยให้ค่าความแข็งที่วัดได้ในเครื่องหนึ่งสามารถเชื่อถือได้กับอีกเครื่องหนึ่งในอาคารอื่นโดยห่างกันหลายเดือน

การเบี่ยงเบนจากบล็อกอ้างอิงข้ามรอบการตรวจสอบ

การเลือกวิธีทดสอบความแข็งที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานของคุณ

โดยทั่วไปการเลือกวิธีการจะมีคำถามสามข้อ: โครงสร้างจุลภาคมีความหยาบหรือสม่ำเสมอเพียงใด ชิ้นส่วนที่ทดสอบมีความบางหรือเคลือบเพียงใด และต้องมีการตรวจสอบชิ้นส่วนจำนวนเท่าใดต่อกะ เส้นทางการตัดสินใจที่เรียบง่ายครอบคลุมกรณีส่วนใหญ่ในโลกแห่งความเป็นจริง

ขั้นตอนการเลือกวิธีการ

ปริมาณงานมักจะเป็นปัจจัยในการตัดสินใจเมื่อเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความแม่นยำ โดยทั่วไปการทดสอบ Rockwell จะดำเนินการกับจำนวนชิ้นส่วนสูงสุดต่อชั่วโมง เนื่องจากการอ่านค่าความลึกเป็นแบบอัตโนมัติ ส่วน Vickers และ Micro-Vickers จะอยู่ตรงกลาง ขึ้นอยู่กับจำนวนการเยื้องที่ต้องการต่อตัวอย่าง และโดยทั่วไป Brinell จะช้าที่สุดเนื่องจากการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงแสงและการเยื้องที่มากขึ้น

ปริมาณงานสัมพัทธ์ทั่วไปตามวิธี

คำถามที่พบบ่อย

คำถามที่ 1: สามารถทดสอบชิ้นส่วนเดียวกันด้วยวิธีความแข็งมากกว่าหนึ่งวิธีได้หรือไม่

ใช่ โดยที่พื้นที่ผิวอนุญาตให้มีโซนการเยื้องแยกกัน ห้องปฏิบัติการหลายแห่งใช้ Rockwell ในการตรวจสอบการผลิตอย่างรวดเร็ว และติดตามผลด้วย Vickers บนหน้าตัดเมื่อต้องการการไล่ระดับความแข็งโดยละเอียดใกล้กับพื้นผิวที่ผ่านการอบร้อนหรือเคลือบ

คำถามที่ 2: เหตุใดค่าความแข็งจากสเกลที่ต่างกันจึงไม่แปลงค่ากันโดยตรง

แต่ละวิธีจะวัดการตอบสนองทางกายภาพ ความลึก เส้นผ่านศูนย์กลาง หรือความยาวแนวทแยงที่แตกต่างกัน ภายใต้รูปทรงโหลดและหัวกดที่แตกต่างกัน ตารางการแปลงมีอยู่สำหรับตระกูลวัสดุบางประเภท แต่เป็นเพียงการประมาณมากกว่าการเทียบเท่าที่แน่นอน และผลลัพธ์ที่รายงานในระดับดั้งเดิมจะมีความน่าเชื่อถือมากกว่าเสมอ

คำถามที่ 3: เครื่องทดสอบความแข็งควรได้รับการตรวจสอบเทียบกับบล็อกอ้างอิงบ่อยเพียงใด

ความถี่ในการตรวจสอบขึ้นอยู่กับปริมาณการใช้งาน ความสำคัญของชิ้นส่วนที่กำลังทดสอบ และข้อกำหนดของมาตรฐานการทดสอบวัสดุที่เกี่ยวข้องที่ห้องปฏิบัติการดำเนินการอยู่ โดยทั่วไปแล้วผู้ทดสอบการผลิตปริมาณมากจะได้รับการตรวจสอบบ่อยกว่าผู้ทดสอบที่ใช้สำหรับงานในห้องปฏิบัติการเป็นครั้งคราว

คำถามที่ 4: การทดสอบไมโคร-วิคเกอร์เหมาะสำหรับส่วนประกอบสำเร็จรูปและอยู่ในบริการหรือไม่

การเยื้องที่เหลือจากการทดสอบไมโคร-วิคเกอร์มีขนาดเล็กมาก ซึ่งทำให้เป็นตัวเลือกทั่วไปสำหรับการตรวจสอบคุณภาพชิ้นส่วนสำเร็จรูปที่ต้องลดการมาร์กบนพื้นผิวให้เหลือน้อยที่สุด แม้ว่าเกณฑ์การยอมรับจะยังคงยืนยันว่าการเยื้องไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของชิ้นส่วนก็ตาม

คำถามที่ 5: อะไรทำให้เกิดการกระจายของการวัดมากที่สุดในการทดสอบความแข็งในแต่ละวัน

การเตรียมพื้นผิวที่ไม่สอดคล้องกันและความแปรผันของผู้ปฏิบัติงานในการวัดด้วยแสงเป็นสาเหตุสองประการที่พบบ่อยที่สุดของการกระจาย ตามมาด้วยระยะเวลาในการโหลดที่ไม่เหมาะสม และการสึกหรอของหัวกด ซึ่งไม่ได้ตรวจพบโดยการตรวจสอบการสอบเทียบตามปกติ