Rockwell versus Brinell versus Vickers: welke hardheidstest is het beste?

De natuurkunde achter elke inspringing

Elk hardheidsgetal op een materiaalcertificaat is terug te voeren op één mechanische gebeurtenis: een harde indringer wordt onder gecontroleerde belasting in een oppervlak gedrukt en de weerstand van het materiaal tegen blijvende vervorming wordt omgezet in een waarde. Die waarde betekent alleen iets als de belasting, de geometrie van het indenter, de verblijftijd en de meettechniek allemaal op een bekende standaard worden gehouden. Dit is de kerndiscipline erachter metallografische hardheidstesten , waarbij het doel niet alleen is om een getal te produceren, maar om een getal te produceren dat een ander laboratorium, een andere ploeg of een ander land kan reproduceren binnen een strakke tolerantieband.

Op microstructureel niveau is hardheid een maatstaf voor verschillende onderliggende mechanische eigenschappen: vloeigrens, verhardingsgedrag en in sommige gevallen slijtvastheid. Een martensitisch staal en een gegloeide aluminiumlegering reageren op totaal verschillende manieren op hetzelfde indenter. Daarom dekt geen enkele testmethode elk materiaal, elke dikte en elke oppervlakteconditie even goed. Het selecteren van de juiste methode en het correct uitvoeren ervan is wat een verdedigbare kwaliteitsrecord onderscheidt van een getal dat er nauwkeurig uitziet, maar geen echte traceerbaarheid met zich meebrengt.

3 Primaire inkepingsmethoden bij algemeen industrieel gebruik

0,1-3000 Typische toegepaste belastingsoverspanning in kgf op alle schalen

2 Belastingsfasen die in de meeste moderne testers worden gebruikt: voorbelasting en grote belasting

Waarom het laden van applicatiesequencing de uitkomst verandert

Laadtoepassing is geen enkele druk. Bij de meeste moderne testers wordt het indenlichaam eerst in contact gebracht met het oppervlak onder een kleine voorbereidende belasting, waardoor het indenlichaam op zijn plaats blijft zitten en onregelmatigheden in het oppervlak uit de meting worden verwijderd. De hoofdbelasting wordt vervolgens met een gecontroleerde snelheid aangebracht, gedurende een bepaalde verblijfsperiode vastgehouden en in een gedefinieerde volgorde vrijgegeven. Het overhaasten van deze reeks, of het laten trillen van het frame tijdens het stilstaan, is een van de meest voorkomende bronnen van verstrooiing in een hardheidslaboratorium, vaak groter dan welke fout dan ook die door de indenter zelf wordt geïntroduceerd.

De verblijftijd is van belang omdat materialen onder aanhoudende belasting enigszins kruipen. Een test die gedurende een te korte periode wordt gehouden, kan een kunstmatig hoge waarde opleveren, terwijl overmatig stilstaan bij zachte of gecoate materialen een waarde kan opleveren die niet langer de bulkeigenschap vertegenwoordigt die wordt onderzocht. Door de laadsnelheid, verblijftijd en lossnelheid binnen een gedocumenteerde tolerantie te controleren, kunnen de resultaten van verschillende testers met vertrouwen worden vergeleken.

Representatieve belastingsbereiken op gemeenschappelijke weegschalen

Rockwell hardheidstesters: snelheid door directe dieptemeting

De Rockwell-methode slaat optische metingen volledig over. In plaats van de grootte van een inkeping te meten, Rockwell hardheidstesters breng een kleine voorbelasting aan, stel de dieptemeting op nul, pas de hoofdbelasting toe, laat vervolgens de voorbelasting los en lees het verschil in indrukkingsdiepte af. Dat diepteverschil wordt direct omgezet in een hardheidsgetal op het display van de machine. Daarom zijn Rockwell-testen in een productieomgeving vaak de snelste van de drie methoden.

De schaalkeuze is afhankelijk van het type indenter en de belastingscombinatie. Een diamanten kegelindringlichaam onder een zware belasting van 150 kgf is typisch voor gehard staal, terwijl een gehard stalen kogelindringlichaam onder een belasting van 100 kgf geschikt is voor zachtere metalen zoals gegloeid staal, messing of aluminiumlegeringen. Omdat het resultaat onmiddellijk wordt gelezen zonder dat een operator een optisch beeld interpreteert, zijn Rockwell-tests zeer geschikt voor inspectie van binnenkomend materiaal, verificatie van warmtebehandelingen en productiecontroles bij grote volumes waarbij consistentie tussen operators net zo belangrijk is als ruwe precisie.

De wisselwerking is de gevoeligheid voor de toestand van het oppervlak. Omdat de methode afhankelijk is van diepte in plaats van oppervlakte, kunnen ruwe oppervlakken, dunne delen of gebogen delen de aflezing vertekenen, tenzij de juiste correctiefactoren en richtlijnen voor minimale dikte worden gevolgd.

rockwell hardness testers with digital depth readout

Brinell-hardheidstesters: gemiddelde hardheid over grove microstructuren

brinell hardness testers for large indentation testing

Waar Rockwell diepte leest, brinell hardheidstesters druk een kogel van gehard staal of wolfraamcarbide onder zware belasting in het oppervlak, gedurende een bepaalde verblijfsperiode, en meet vervolgens de diameter van de resulterende inkeping onder vergroting. Omdat de inkeping groot is in verhouding tot de korrelgrootte, middelt de Brinell-test effectief het gemiddelde van grove of niet-uniforme microstructuren, waardoor het de voorkeursmethode is voor gietstukken, smeedstukken en materialen waarbij plaatselijke korrelgrenzen of insluitsels een kleinere inkeping zouden kunnen vervormen.

De belastingen bij Brinell-tests variëren gewoonlijk van een paar honderd tot drieduizend kgf, uitgeoefend door een bal die enkele millimeters in diameter kan zijn. Dit levert in veel gevallen een inkeping op die groot genoeg is om met het blote oog te zien, hoewel voor nauwkeurige diametermeting nog steeds een gekalibreerde microscoop of een digitaal meetsysteem vereist is. De schaal is goed geschikt voor dikke secties, onbewerkt materiaal en warmtebehandelde componenten waarbij een bulkhardheidswaarde betekenisvoller is dan een zeer plaatselijke aflezing.

Omdat de inkeping groot is, zijn Brinell-testen over het algemeen niet geschikt voor dunne onderdelen, gecoate oppervlakken of afgewerkte componenten waarbij een zichtbare markering niet acceptabel is, en dat is waar de andere twee methoden het overnemen.

Vickers en Micro-Vickers hardheidstesters: precisie op microstructurele schaal

Vickers & micro-vickers hardheidstesters gebruik een piramidevormige diamanten indringer die ongeacht de belasting een kleine vierkante inkeping produceert, die optisch wordt gemeten aan de hand van beide diagonalen onder vergroting. Omdat dezelfde indentergeometrie wordt gebruikt over het gehele belastingsbereik, van macro Vickers-belastingen tot microbelastingen ruim onder één kgf, schaalt de methode netjes op van het testen van bulkmateriaal tot individuele korrels, door hitte beïnvloede laszones en coatingdwarsdoorsneden van slechts een fractie van een millimeter dik.

Vooral Micro-Vickers-testen zijn de voorkeursmethode voor geharde lagen, genitreerde oppervlakken, geplateerde coatings en het in kaart brengen van de hardheidsgradiënt over een gepolijste dwarsdoorsnede. Omdat de inkepingsgrootte extreem klein kan worden gehouden, kan een enkel monster tientallen individuele metingen bevatten zonder dat de inkepingen elkaar overlappen of interfereren, waardoor een volledig hardheidsprofiel kan worden opgebouwd van oppervlak tot kern.

De precisie gaat ten koste van snelheid en monstervoorbereiding. Nauwkeurige diagonale metingen vereisen een goed gepolijst, vlak oppervlak en een getrainde operator of een gekalibreerd beeldanalysesysteem, omdat zelfs kleine focus- of belichtingsfouten de gemeten diagonaal voldoende kunnen verschuiven om de gerapporteerde hardheid te veranderen.

vickers and micro-vickers hardness testers with optical measurement

De drie methoden naast elkaar vergelijken

Geen enkele schaal is universeel correct. De onderstaande tabel vat de praktische verschillen samen die doorgaans bepalen welke methode op een bepaald onderdeel of materiaal wordt gebruikt.

Kenmerk	Rockwell	Brinell	Vickers / Micro-Vickers
Type indenter	Diamantkegel of stalen kogel	Stalen of carbide kogel	Diamant piramide
Meetbasis	Diepteverschil	Diameter van de inkeping	Inkeping diagonaal
Typisch belastingsbereik	60-150 kgf	500-3000 kgf	0,1-50 kgf
Het meest geschikt voor	Controles van productielijnen	Gietstukken en grofkorrelige voorraad	Coatings en dunne secties
Afhankelijkheid van de operator	Laag	Matig	Hoger

Methodevergelijking tussen vijf operationele factoren

Rockwell Brinell Vickers

Kalibratie- en materiaaltestnormen die de resultaten betrouwbaar houden

Een hardheidsmeter is slechts zo betrouwbaar als zijn laatste verificatie. Gecertificeerde referentieblokken met een bekende, traceerbare hardheidswaarde worden gebruikt om de nauwkeurigheid van een tester met regelmatige tussenpozen te controleren, en de afwijking tussen de meetwaarde van de tester en de gecertificeerde waarde van het blok wordt in de loop van de tijd geregistreerd. Internationaal erkende materiaaltestnormen definiëren de tolerantiegrenzen voor deze afwijking, de verificatiefrequentie en de documentatie die vereist is om een tester in dienst te houden voor gereguleerd of gecontroleerd werk.

Drift is zelden plotseling. Het heeft de neiging geleidelijk in te sluipen naarmate een indenter verslijt, een load cell ouder wordt of een optisch meetsysteem enigszins uit de kalibratie raakt. Het volgen van afwijkingen over opeenvolgende verificatiecycli, in plaats van te vertrouwen op een enkel goed of fout resultaat, geeft een veel eerdere waarschuwing dat onderhoud nodig is.

Consistente kalibratiediscipline zorgt ervoor dat een hardheidswaarde die op de ene machine wordt gemeten, kan worden vertrouwd op een andere, in een ander gebouw, met een tussenpoos van maanden.

Afwijking van referentieblok tijdens verificatiecycli

Kies de juiste hardheidstestmethode voor uw toepassing

Methodekeuze komt doorgaans neer op drie vragen: hoe grof of uniform de microstructuur is, hoe dun of gecoat het te testen gedeelte is, en hoeveel onderdelen er per ploegendienst moeten worden gecontroleerd. Een eenvoudig beslissingspad omvat de meeste praktijkgevallen.

Methodeselectiestroom

Doorvoer is vaak de doorslaggevende factor als aan de precisie-eisen wordt voldaan. Rockwell-tests verwerken doorgaans het hoogste aantal onderdelen per uur omdat de dieptemeting automatisch gebeurt, Vickers en micro-Vickers in het midden vallen, afhankelijk van het aantal inkepingen dat per monster nodig is, en Brinell is over het algemeen het langzaamst vanwege de optische diametermeting en grotere inkeping.

Typische relatieve doorvoer per methode

Veelgestelde vragen

Vraag 1: Kan hetzelfde onderdeel met meer dan één hardheidsmethode worden getest?

Ja, op voorwaarde dat de oppervlakte afzonderlijke indrukkingszones toelaat. Veel laboratoria gebruiken Rockwell voor een snelle productiecontrole en nemen contact op met Vickers voor een dwarsdoorsnede wanneer een gedetailleerde hardheidsgradiënt nodig is in de buurt van een warmtebehandeld of gecoat oppervlak.

Vraag 2: Waarom worden hardheidswaarden van verschillende schalen niet direct in elkaar omgezet?

Elke methode meet een andere fysieke respons, diepte, diameter of diagonale lengte, onder een andere belasting en indentergeometrie. Voor sommige materiaalfamilies bestaan er conversietabellen, maar het zijn eerder benaderingen dan exacte equivalenten, en de resultaten die op de oorspronkelijke schaal worden gerapporteerd, zijn altijd betrouwbaarder.

Vraag 3: Hoe vaak moet een hardheidsmeter worden geverifieerd aan de hand van een referentieblok?

De verificatiefrequentie is afhankelijk van het gebruiksvolume, de kriticiteit van de geteste onderdelen en de vereisten van de relevante materiaaltestnorm waaronder het laboratorium opereert. Testers voor grote productie worden doorgaans vaker gecontroleerd dan testers die voor incidenteel laboratoriumwerk worden gebruikt.

Vraag 4: Zijn micro-Vickers-tests geschikt voor afgewerkte, in gebruik zijnde componenten?

De inkeping die door micro-Vickers-tests wordt achtergelaten, is extreem klein, waardoor het een gebruikelijke keuze is voor kwaliteitscontroles op afgewerkte onderdelen waarbij oppervlaktemarkeringen moeten worden geminimaliseerd, hoewel acceptatiecriteria nog steeds moeten bevestigen dat de inkeping geen invloed heeft op de functie van het onderdeel.

Vraag 5: Wat veroorzaakt de meeste meetspreiding bij dagelijkse hardheidstests?

Inconsistente oppervlaktevoorbereiding en variaties in de optische metingen door de operator zijn de twee meest voorkomende bronnen van verstrooiing, gevolgd door een onjuiste timing van de belasting en slijtage van de indenter die niet is opgemerkt door routinematige kalibratiecontroles.