ความแข็งของวัสดุโลหะหมายถึงความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเสียรูปเฉพาะที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเสียรูปพลาสติก การเยื้อง หรือรอยขีดข่วน เป็นตัวบ่งชี้ความอ่อนหรือความแข็งของวัสดุ
ความแข็งแบ่งออกเป็น 3 ประเภทตามวิธีการทดสอบ
ความแข็งของรอยขีดข่วน: ใช้เพื่อเปรียบเทียบความแข็งของแร่ธาตุต่างๆ เป็นหลัก วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการใช้ก้านวัดที่ปลายด้านหนึ่งแข็งและปลายอีกข้างอ่อน จากนั้นลากก้านข้ามวัสดุที่กำลังทดสอบ ตำแหน่งที่เกิดรอยขีดข่วนจะเป็นตัวกำหนดความแข็งของวัสดุ ในเชิงคุณภาพ วัตถุที่แข็งกว่าจะทำให้เกิดรอยขีดข่วนที่ยาวกว่า ในขณะที่วัตถุที่นิ่มกว่าจะทำให้เกิดรอยขีดข่วนที่สั้นกว่า
ความแข็งของการเยื้อง: ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับวัสดุที่เป็นโลหะ วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการใช้แรงเฉพาะเพื่อกดหัวกดที่กำหนดลงในวัสดุที่กำลังทดสอบ ความแข็งของวัสดุถูกกำหนดโดยขอบเขตของการเสียรูปของพลาสติกในท้องถิ่นบนพื้นผิว เนื่องจากความแปรผันของหัวกด โหลด และระยะเวลาของโหลด จึงมีการทดสอบความแข็งของการเยื้องหลายประเภท รวมถึงความแข็ง Brinell ความแข็ง Rockwell ความแข็ง Vickers และความแข็งระดับไมโคร และอื่นๆ อีกมากมาย
ความแข็งรีบาวด์: ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับวัสดุที่เป็นโลหะ วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการปล่อยให้ค้อนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษตกลงมาจากความสูงระดับหนึ่งอย่างอิสระ และกระทบต่อตัวอย่างของวัสดุที่กำลังทดสอบ ความแข็งของวัสดุถูกกำหนดโดยปริมาณพลังงานความเครียดที่ตัวอย่างดูดซับ (แล้วปล่อยออกมา) ในระหว่างการกระแทก ซึ่งวัดจากความสูงที่ค้อนจะดีดตัวกลับ
การทดสอบความแข็งที่พบบ่อยที่สุดสำหรับวัสดุโลหะ ได้แก่ ความแข็งบริเนล ความแข็งร็อกเวลล์ และความแข็งแบบวิกเกอร์ส จัดอยู่ในประเภทของความแข็งของการเยื้อง ค่าความแข็งแสดงถึงความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเสียรูปพลาสติกเมื่อวัตถุอื่นถูกกดลงบนพื้นผิว การทดสอบความแข็งของการสะท้อนกลับ (Shore, Leeb) จะวัดความแข็งโดยพิจารณาจากขอบเขตการเปลี่ยนรูปยืดหยุ่นของโลหะ โดยค่าความแข็งจะบ่งบอกถึงความสามารถในการเปลี่ยนรูปยืดหยุ่นของวัสดุ
ความแข็งของบริเนล
หัวกดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางDทำจากเหล็กชุบแข็งหรือลูกบอลคาร์ไบด์ถูกกดลงบนพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบด้วยแรงทดสอบที่สอดคล้องกันF- หลังจากเวลาจับยึดที่ระบุ แรงทดสอบจะถูกลบออก โดยเหลือรอยเว้าที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางd- ค่าความแข็งบริเนลคำนวณโดยการหารแรงทดสอบด้วยพื้นที่ผิวของการเยื้อง ค่าที่ได้คือความแข็งของบริเนล ซึ่งแสดงเป็นเอชบีเอสหรือHBW.
Hความแตกต่างระหว่างเอชบีเอสและHBWอยู่ในประเภทของหัวกดที่ใช้เอชบีเอสหมายถึงการทดสอบโดยใช้ลูกเหล็กชุบแข็งเป็นหัวกด โดยทั่วไปใช้สำหรับวัดค่าความแข็ง Brinell ในวัสดุที่มีความแข็งต่ำกว่า 450 เช่น เหล็กอ่อน เหล็กหล่อสีเทา และโลหะที่ไม่ใช่เหล็กHBWในทางกลับกัน ใช้ลูกบอลคาร์ไบด์เป็นหัวกดและใช้ในการวัดค่าความแข็ง Brinell ในวัสดุที่มีความแข็งต่ำกว่า 650
สำหรับชิ้นทดสอบเดียวกันและภายใต้เงื่อนไขการทดสอบที่เหมือนกัน ผลลัพธ์จากทั้งสองวิธีจะแตกต่างกันด้วยHBWมักจะมีค่าสูงกว่าเอชบีเอสค่านิยม อย่างไรก็ตาม ไม่มีความสัมพันธ์เชิงปริมาณคงที่ระหว่างทั้งสอง
ตั้งแต่ปี 2003 ประเทศจีนได้นำมาตรฐานสากลมาใช้ และแทนที่การใช้ลูกบอลเหล็กชุบแข็งด้วยลูกบอลคาร์ไบด์สำหรับการทดสอบความแข็งของ Brinell เป็นผลให้เอชบีเอสไม่ได้ใช้แล้ว และHBWได้กลายเป็นสัญลักษณ์มาตรฐานสำหรับความแข็งบริเนล ในหลายกรณีHBใช้เพียงอย่างเดียวเพื่อแสดงถึงความแข็งของ Brinell ซึ่งโดยทั่วไปหมายถึงHBW- อย่างไรก็ตาม,เอชบีเอสอาจยังมีให้เห็นในวรรณกรรมและบทความวิชาการบางเรื่อง
การทดสอบความแข็งของ Brinell เหมาะสำหรับวัสดุ เช่น เหล็กหล่อ โลหะผสมที่ไม่ใช่เหล็ก และเหล็กอบอ่อนหรือเหล็กอบคืนตัวต่างๆ ไม่เหมาะสำหรับการทดสอบวัสดุที่แข็งเกินไป เล็กเกินไป บางเกินไป หรือตัวอย่างที่ไม่สามารถทนต่อการเยื้องขนาดใหญ่บนพื้นผิวได้
ความแข็งแบบร็อกเวลล์
วิธีการนี้ใช้หัวกดรูปกรวยเพชรที่มีมุมยอด 120 องศาหรือลูกเหล็กชุบแข็งเป็นหัวกด ร่วมกับการกำหนดค่าโหลดเฉพาะ การทดสอบเริ่มต้นด้วยภาระเริ่มต้นที่ 10 กิโลกรัม ตามด้วยภาระรวม (ซึ่งเป็นผลรวมของภาระเริ่มต้นและภาระหลัก) เท่ากับ 60, 100 หรือ 150 กิโลกรัมฟ หัวกดจะถูกกดเข้าไปในชิ้นงานทดสอบภายใต้แรงเหล่านี้ตามลำดับ หลังจากที่ใช้โหลดทั้งหมดแล้ว ความแข็งจะถูกกำหนดโดยความแตกต่างในความลึกของการเยื้องระหว่างความลึกภายใต้ภาระเริ่มต้นและความลึกภายใต้ภาระทั้งหมดเมื่อเอาภาระหลักออก ในขณะที่ภาระเริ่มต้นยังคงอยู่
โดยทั่วไปจะใช้วิธีนี้ในความแข็งแบบร็อกเวลล์การทดสอบ ความลึกของการเยื้องภายใต้ภาระเริ่มต้นและภาระทั้งหมดใช้ในการคำนวณค่าความแข็ง ซึ่งสะท้อนถึงความต้านทานของวัสดุต่อการเยื้องภายใต้ภาระทั้งสอง
การทดสอบความแข็งแบบร็อกเวลล์ใช้แรงทดสอบที่แตกต่างกันสามแบบและหัวกดสามประเภท ซึ่งส่งผลให้มีการผสมผสานที่เป็นไปได้เก้าแบบ โดยแต่ละแบบสอดคล้องกับระดับความแข็งแบบร็อกเวลล์หนึ่งในเก้าแบบ เครื่องชั่งทั้งเก้านี้ครอบคลุมวัสดุโลหะที่ใช้กันทั่วไปเกือบทั้งหมด เครื่องชั่งที่ใช้กันมากที่สุดคือฮรา, HRB, และเหล็กแผ่นรีดร้อน, กับเหล็กแผ่นรีดร้อนที่มีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายที่สุด
ตารางมาตรฐานการทดสอบความแข็งแบบร็อกเวลล์ทั่วไป
|
สัญลักษณ์ความแข็ง |
ประเภทของหัวกด |
F/N(กก.) |
ขอบเขตความแข็ง |
การใช้งาน |
|
ฮรา |
กรวยเพชร 120 องศา |
588.4(60) |
20~88 |
คาร์ไบด์ เซอร์เม็ท และเหล็กชุบแข็งที่พื้นผิว |
|
HRB |
Ø1.588มม ลูกเหล็กชุบแข็ง |
980.7(100) |
20~100 |
เหล็กอบอ่อนและเหล็กธรรมดา อลูมิเนียมอัลลอยด์ โลหะผสมทองแดง เหล็กหล่อ |
|
เหล็กแผ่นรีดร้อน |
กรวยเพชร 120 องศา |
1471(150) |
20~70 |
เหล็กชุบแข็ง เหล็กเทมเปอร์ และเหล็กชุบแข็งพื้นผิวลึก |
ที่ขนาดเหล็กแผ่นรีดร้อนโดยทั่วไปจะใช้สำหรับค่าความแข็งตั้งแต่ 20 ถึง 70 HRC เมื่อค่าความแข็งต่ำกว่า 20 HRC ความไวของการทดสอบจะลดลงเนื่องจากปลายทรงกรวยของหัวกดเจาะลึกเข้าไปในวัสดุมากเกินไป ในกรณีนี้ระดับ HRBควรใช้แทนเนื่องจากจะเหมาะกับวัสดุที่อ่อนนุ่มกว่า
เมื่อความแข็งของชิ้นงานเกิน 67 HRC ความดันที่ปลายหัวกดจะสูงเกินไป ซึ่งอาจสร้างความเสียหายให้กับเพชรและทำให้อายุการใช้งานของหัวกดสั้นลงอย่างมาก ดังนั้นจึงแนะนำให้เปลี่ยนมาใช้โดยทั่วไปมาตราส่วน HRAสำหรับวัสดุที่มีความแข็งมากกว่า 67 HRC
การทดสอบความแข็งแบบ Rockwell นั้นใช้งานง่าย รวดเร็ว และมีการเยื้องเล็กน้อย ทำให้เหมาะสำหรับการทดสอบพื้นผิวผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปตลอดจนชิ้นงานที่แข็งและบางกว่า เนื่องจากการเยื้องเล็กน้อย ค่าความแข็งจึงอาจผันผวนอย่างมีนัยสำคัญสำหรับวัสดุที่มีโครงสร้างจุลภาคหรือความแข็งไม่เท่ากัน ส่งผลให้ความแม่นยำลดลงเมื่อเทียบกับการทดสอบความแข็งของ Brinell การทดสอบความแข็งแบบ Rockwell มักใช้ในการวัดความแข็งของเหล็ก โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก วัสดุคาร์ไบด์ และโลหะผสมอื่นๆ
ความแข็งของวิคเกอร์
หลักการวัดความแข็งแบบวิกเกอร์สนั้นคล้ายคลึงกับหลักการวัดความแข็งบริเนล ใช้หัวกดปิรามิดเพชรที่มีมุมรวม 136 องศา และแรงทดสอบที่ระบุFถูกนำไปใช้กับพื้นผิวของวัสดุ หลังจากคงภาระไว้ตามระยะเวลาที่กำหนดแล้ว แรงทดสอบจะถูกลบออก ค่าความแข็งถูกกำหนดโดยความดันเฉลี่ยที่กระทำต่อพื้นที่ผิวหน่วยของการเยื้องพีระมิดฐานสี่เหลี่ยม และค่าความแข็งจะแสดงด้วยสัญลักษณ์เอชวี.
การทดสอบความแข็งแบบ Vickers มีช่วงการวัดที่กว้าง สามารถวัดวัสดุที่มีค่าความแข็งได้ตั้งแต่10 ถึง 1,000 HV- การเยื้องมีขนาดเล็ก จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจวัดวัสดุที่บางกว่าและชั้นที่ชุบแข็งบนพื้นผิว เช่น พื้นผิวที่เป็นคาร์บูไรซ์หรือไนไตรด์
ลีบ ฮาร์ดเนส
ในการทดสอบความแข็งลีบ วัตถุกระแทกที่มีหัวกดลูกทังสเตนคาร์ไบด์จะถูกนำมาใช้เพื่อกระแทกพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบด้วยแรงเฉพาะ ทำให้เกิดการดีดตัวกลับ เนื่องจากความแข็งที่แตกต่างกันของวัสดุ ความเร็วการดีดกลับจึงแตกต่างกัน อุปกรณ์กระแทกมีแม่เหล็กถาวร และในขณะที่ตัวกระแทกเคลื่อนขึ้นและลง ขดลวดที่อยู่รอบๆ จะสร้างสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าที่เป็นสัดส่วนกับความเร็วสะท้อนกลับ จากนั้นสัญญาณนี้จะถูกแปลงเป็นค่าความแข็งลีบผ่านวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และค่าจะแสดงด้วยสัญลักษณ์เอชแอล.
เครื่องทดสอบความแข็งลีบไม่จำเป็นต้องใช้โต๊ะทำงาน เซ็นเซอร์วัดความแข็งมีขนาดเล็กเท่ากับปากกาและสามารถสั่งการด้วยมือได้โดยตรง ทำให้ง่ายต่อการทดสอบชิ้นงานขนาดใหญ่และหนักหรือชิ้นงานที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนได้โดยไม่ยาก
ข้อดีอีกประการหนึ่งของเครื่องทดสอบความแข็งลีบก็คือทำให้พื้นผิวผลิตภัณฑ์เสียหายน้อยมาก และในบางกรณีก็สามารถนำมาใช้สำหรับการทดสอบแบบไม่ทำลาย- มีลักษณะเฉพาะเป็นพิเศษสำหรับการทดสอบความแข็งในทิศทางต่างๆ พื้นที่แคบ และพื้นที่เฉพาะ ซึ่งวิธีการอื่นๆ อาจนำไปใช้ได้ยาก
