Rockwell-Härteprüfung und der Einfluss der Behandlung auf den Stahl

Quelle: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Die Härteprüfung ist eines der weltweit am meisten anerkannte wertvolle mechanische Tests zur Verfügung, um Ingenieure, wie es ist einfach und relativ kostengünstig für die Fülle von Informationen und Daten, die sie produziert. Härteprüfung, ist in der Regel in Form von einer Oberfläche Penetrationstest, schneller und weniger destruktiv als Zugversuch. Härte bietet eine lineare Beziehung mit Zugfestigkeit über einen weiten Bereich stärken für viele Materialien, wie Stahl. Härteprüfungen sind empirische, anstatt Theorie abgeleitet, wie die Ergebnisse Effekte aus vielen verschiedenen Materialeigenschaften (Elastizitätsmodul, Streckgrenze) verschmelzen.

Härte ist eine Eigenschaft eines Materials, wie viel plastischen Verformung (Ertrag) bezeichnet, die ein Material unterzogen werden, wenn eine bekannte Kraft angewendet wird). Man kann Härte in den drei Weise charakterisieren: kratzen, Einzug, und rebound Härte. Ein gemeinsame frühes Beispiel für eine Härteprüfung (Kratzer) ist der Mohs-Skala (1820), abgeleitet für Mineralien und in welche Talkum einen Wert von 1 und Diamant hat einen Wert von 10. Im Einzug Tests mit der Rockwell-Ansatz werden kleine Eindringkörper mit unterschiedlichen Lasten verwendet. Am weitesten verbreitet sind die Rockwell Härte B (HRB), welche verwendet ein 1/16 Zoll Stahlkugel Eindringkörpers zusammen mit einem Gewicht von 100 kg gehärtet, und die Rockwell Härte C (HRC), die ein Diamant Kegel Eindringkörpers zusammen mit einem Gewicht von 150 kg verwendet. HRB Tests werden für Materialien mit niedrigen Bereich Härte, wie Aluminium, Messing und weichen Stählen durchgeführt, während HRC Tests für Materialien mit hoher Reichweite Härte, wie schwerer Stähle eingesetzt werden. Kleinere Gewichte (15 bis 45 kg) dienen der Rockwell oberflächlich Härtetest wie z. B. die HR15W, die eine 1/8 Zoll Stahl-Kugel mit einem Gewicht von 15 kg verwendet. Mit geringerer Belastung und flachen Eindruck eignet sich ein oberflächliche Rockwell-Härte-Test für sehr dünne oder brüchige Materialien. Ein Beispiel für einen Rebound-Test ist der Schmidt-Hammer, verwendet, um die Festigkeit des Betons zu messen. In diesem Test eine Stahl Masse ist an der Oberfläche mit einer bekannten Kraft geschossen und der Abpraller des Balles gemessen. In allen Arten der Härteprüfung ist es unerlässlich, umfangreiche Kalibrierungen durchzuführen, wenn zuverlässige Ergebnisse erzielt werden.

Für dieses Experiment untersuchen wir den Rockwell-Härte-Test, die Einrückung Härte von unbehandelten und wärmebehandelter Aluminium misst.

Es gibt mehrere gängige Methoden zur Messung der Härte, die Brinell (H-_B), Vickers (V), Knoop (K) und Shore Härtetests umfassen. Jede dieser Methoden nutzt ein Penetrator, entweder in Form einer Kugel (Brinell), Kegel (Rockwell) oder Diamant-Pyramide (Vickers, Knoop und Rockwell), um eine Einrückung in die Oberfläche eines Metalls zu bilden, die dann optisch gemessen wird oder durch direktes Ablesen. Die Shore-Härte-Test misst in der Regel das Eindringen in die Oberfläche von Kunststoffen oder anderen Polymeren. Die Brinell-Härteprüfung war der erste Härtetest eingeführt und ist eine robuste Methode zum Manufakturarbeit Lasten mit rudimentären Instrumentierung. Vickers Härtetests sind vorteilhaft, wenn man, um Blicke auf Härte über einen großen Bereich von Werten braucht, wie es von messen kann die niedrigsten zum höchsten Härte erfasst. Knoop Härtetests sind für Anwendungen mit sehr kleinen oder dünnen Proben wertvoll. Die Rockwell-Härte-Test ist jedoch, dass die beliebteste, da es weitaus schnell und günstig, ist abgesehen davon, dass die einzige Härte testen wo man die Härte ohne die Hilfe eines optischen Instruments direkt lesen kann.

Für diese Studie konzentrieren wir uns auf der Rockwell-Härte-Test gemäß ASTM e-18. Der typische Rockwell-Tester ist in Abb. 1 dargestellt und besteht aus einer Anzeige und ein Hebelsystem, die geladen wird, gelten die für den Betrachter verborgen ist. Manuelle und automatisierte Versionen dieser Maschinen sind allgemein verfügbar in Prüflaboratorien.

Abbildung 1: Rockwell Prüfmaschine.

Je härter das Material, die weniger Eindringtiefe, so wird der entsprechende Wert der Rockwell-Härte niedriger sein. Die Rockwell B und C Härte sind als berechnet:

Die Ergebnisse aus jeder Härtetest können in andere Härteskalen durch Best-fit Gleichungen auf umfangreichen Datasets konvertiert werden. Jedoch gibt es keine eine diskrete, lineare Konvertierung, und somit werden die resultierenden Werte Annäherungen anstelle von absoluten Werten. Zum Beispiel für Kaltverfestigung Materialien Flugzeug belastet:

Abb. 2 zeigt typische Einbuchtungen auf eine Kalibrierung-Block, der in der Regel mit der Prüfmaschine ausgestattet ist. Diese Blöcke müssen in regelmäßigen Abständen verwendet werden, um sicherzustellen, dass das Gerät ordnungsgemäß arbeitet.

Abbildung 2: Vertiefung am Kalibrierblock.

Im Allgemeinen ist die Zugfestigkeit eines Materials (σ_u) kann die Brinell-Härte (H-_B) durch Gleichungen wie bezogen werden:

Eine der Möglichkeiten, in denen die Stärke des Materials geändert wird, ist entweder durch Wärmebehandlung oder Kaltwalzen. In der Regel Kaltwalzen durch sukzessive dünner Rollen führt eine stärkere (und härteren Material). In ähnlicher Weise in Stählen beeinträchtigt die Rate des Abkühlens erheblich die Bildung von martensitischen Strukturen, die zu einer verbesserten mechanischen Performance beitragen. Martensitische Strukturen zeigen unterschiedliche Kristallstruktur des Körper-zentrierten tetragonal (BCT), wo die Kristalle sind gestreckt an beiden Enden quadratisch sein aber länger an den Seiten, wie eine Linse, dadurch große Härte des Materials vermitteln.

Eine Möglichkeit der Charakterisierung Wärmebehandlung ist durch einen Jominy-Ende-Quench-Test (ASTM A225). In diesem Test eine kreisförmige Probe ist 4 Zoll lang gleichmäßig in einem Ofen erwärmt. Sobald sie die gewünschte Temperatur erreicht hat, so dass volle Austenizing erreicht ist (> 900 ° C), die Probe wird mit einem Wasserstrahl an einem Ende gekühlt. Austenitisierung ist der Prozess, durch den Stahl erhitzt wird, um die Kristallstruktur von Ferrit, Austenit, eine metallische, antimagnetisch Allotrope bekannt als Gamma-Phase Eisen Eisen zu ändern.

Das Ende der Wasserstrahl ausgesetzt wird deutlich schneller als das andere Ende, was zu unterschiedlichen martensitische Strukturen und somit unterschiedlicher Härte, entlang der Länge der Probe abkühlen. An dieser Stelle wird eine flache Fläche entlang der Länge des Prüfkörpers für Härteprüfung auf einer flachen Oberfläche ermöglichen gemahlen. Die Jominy-Probe eignet sich den Rockwell-Härte-Test nachweisen, jedoch muss darauf geachtet werden, nicht zu verwechseln die Härte-Test-Ergebnisse mit der Härtbarkeit eines Materials, das der Jominy-Ende-Quench-Test messen soll. Die Härtbarkeit soll Messen wie martensitische Struktur über die Tiefe der ein Stück Stoff variiert; Härte ist eine Möglichkeit der Charakterisierung dieser Variation.

In den typischen Rockwell-C-Test eine vorläufige Last auf der Eindringkörper angewendet wird, und eine anfängliche Eindringtiefe gemessen. Dieser erste Schritt ist, eine NULL oder Referenzposition, um Milderung von Variationen in der Material-Oberfläche. Als nächstes wird die Hauptlast des Eindringkörpers. Zu guter Letzt die Vorspannung wird entfernt und die endgültige Eindringtiefe gemessen. Der Unterschied dieses Werts aus der Vorspannung Anfangswert wird dann in ein Härtewert berechnet.

Die folgende Prozedur ist für die manuelle Maschine, die in Abb. 1 dargestellt. Das Verfahren ist typisch für andere Maschinen.

1. Erhalten Sie einen typischen Jominy Ende-Quench Prüfling, die Wasserkühlung Behandlung unterzogen hat.
2. Sichern Sie die Probe auf die Tabelle der Prüfmaschine, sodass es während des Tests nicht verschoben werden.
3. Sicherstellen Sie, dass Wahlhebel in "Entladen" Position befindet.
4. Heben Sie mit dem Einstellrad unter der Unterstützung, die Probe, bis Kontakt mit dem Eindringkörper hergestellt wird (wenn Kontakt ist wie geschaffen, die Nadel auf der vorderen Zifferblatt wird beginnen sich zu leicht bewegen).
5. Passen Sie die Zifferblatt-Gage derart, dass die erste Lesung 0 ist.
6. Wenden Sie eine Vorspannung weiterhin langsam die Tabelle Einstellung drehen, bis drei Umdrehungen der Zifferblatt-Gage durchlaufen hat; aufhören Sie, wenn die Nadel wieder auf 0.
7. Hebel der Seite auf "Laden"-Position.
8. Warten Sie, bis die Nadel nicht mehr bewegt wird (5 bis 10 s) dann Hebel zurück in "Entladen".
9. Notieren Sie die Rockwell-C-Härte von Zifferblatt Gage lesen.
10. Wiederholen Sie den Test über die gesamte Länge. ASTM A255 gibt an, dass Lesungen in 1/16 Zoll-Intervall für die erste ½ Zoll und in Abständen von 1/8 Zoll für die nächste ½ in getroffen werden sollten.

Ein typisches Ergebnis der Rockwell Tests auf eine Jominy-Probe für einen HR-C-Test ist in dem Video gezeigt. Die Härte zu verringern spürbar als eine bewegt sich weg vom Ende der Wasserstrahl ausgesetzt. Die Härte-Test-Wert kann in eine Zugfestigkeit durch Diagramme des Herstellers Test Maschine konvertiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass der Stahl in Härte und Festigkeit erheblich variiert, wie man weg vom abgeschreckt Ende bewegt.

Die Härteprüfung ist eines der wichtigsten Tests, wichtige technische Informationen über ein Material zu sammeln. Rockwell Härteprüfung ist die bevorzugte Methode der Härteprüfung, wie es die Notwendigkeit für vorgerückte optische Ausrüstung eliminiert, sondern setzt stattdessen einfache Laborgeräte, präzise, kostengünstig, und schnell die Härte eines Materials zu messen. Noch wichtiger ist, ist diese Methode einfach übersetzte und reproduzierbar zwischen Labors und Prüfpersonal wegen seiner relativen Einfachheit. Das Verfahren erfordert, dass nach der Einnahme einer erste Lesung im Vorabladen Bedingungen, die Hauptlast gilt und die Veränderung der Position von den ursprünglichen Wert messen. Dieser Wert kann dann in ein Härtewert berechnet werden, die auch umgewandelt und durch eine Reihe von Gleichungen, andere Härteskalen angenähert werden können. Die Rockwell-Härte-Test wurde verwendet, zu zeigen, wie die Rate des Abkühlens beeinflussen die martensitische Struktur von Stählen und wie ergibt sich die Rate des Abkühlens in Materialien mit deutlich unterschiedlichen stärken.

Härteprüfungen ermöglichen es uns, geeignete Materialien zu nutzen, die hohen Qualität der Ausführung in ihrer Verwendung sicherstellen. Jedes Produkt, das wir in unserem täglichen Leben zu verwenden wurde für Härte getestet. Betrachten Sie das folgende amüsante Szenario ist nur eines von vielen täglichen Beispielen, wie Härteprüfung ermöglicht es uns, Materialien zu genießen, die nützlich und sicher sind. Stellen Sie sich die Fülle der Zeiten, die Härteprüfung in Reihenfolge für Sie verwendet wurde, um einem Hinterhof Grill für Ihre Familienfeier zu werfen. Metall Gartenmöbel musste sicherlich Härte getestet, um sicherzustellen, dass das Metall stark genug, war so dass Tante Bessie nicht zu Boden Taumeln gehen, wenn sie sich setzte. Das Metall Roste auf dem Grill musste auch sein Härte getestet über einen weiten Temperaturbereich (vorausgesetzt, dass Ihre Mutter ihr Steak gut gemacht auf hoher Hitze mag) um sicherzustellen, sie würde nicht brechen oder geben wenn zwangsläufig fiel Sie Grillen Zange auf dem Grill. Die Messer, die Sie verwenden, um das Fleisch zu schneiden sind auch alle gehärtetem Stahl. Schließlich hatte die metallleiter im Pool in aquatischen Bedingungen sicherstellen, dass als Ihren jüngere Cousin versuchte, aus dem Pool steigen, er wieder verlieben sich nicht als das Metall nicht auf Härte getestet. Es gibt eine Menge an gespeicherten Hamburgern, Gören und Hotdogs, ganz zu schweigen von Menschenleben durch Härteprüfung.