硬度試験ガイド: ビッカース、ロックウェル、ブリネルおよびサンプル前処理

金属組織学的サンプルの準備: 硬度試験の前にそれが重要である理由

正確な硬さ試験は、圧子が試験片に接触するずっと前から始まります。 金属組織学的サンプルの準備 金属サンプルの切断、取り付け、研削、研磨という制御されたプロセスは、硬度の測定値が材料の真の特性を反映しているのか、それとも取り扱い中に生じたアーティファクトを反映しているのかを直接決定します。

特に微小硬度法では、表面状態が重要です。研磨が不十分な試験片は、圧子を偏向させ、散乱を膨張させ、公表されている変換表と相関付けることができない読み取り値を生成する地形変化を引き起こします。ビッカースおよびヌープの微小硬度試験の一般的な要件は、0.1 μm Ra 以上の表面仕上げです。これは体系的な金属組織学的準備によってのみ達成できます。

通常、準備シーケンスには次のものが含まれます。

1. 熱による損傷を防ぐために適切な冷却剤を使用し、砥粒切断ホイールを使用して切断します。
2. エポキシまたはフェノール樹脂でのコールドまたはホット実装により、エッジサポートと安全な取り扱いが可能になります。
3. 切断面の損傷を除去し、平坦な基準面を実現するための平面研削
4. 段階的に細かくなるSiC砥粒による連続研削（通常は240→400→600→1200グリット）
5. ダイヤモンド研磨 (6 μm、次に 3 μm、その後 1 μm) により研削傷をすべて除去します
6. コロイダルシリカ（0.04～0.05μm OPS）による最終研磨により、微小硬度規格で求められる鏡面仕上げ

各ステージでは、前のステージからのダメージを完全に取り除く必要があります。ステップを省略したり、滞留時間を急ぐと、表面下層の変形、つまり 10 ～ 50 HV の範囲で誤って高いビッカース測定値を生成する加工硬化ゾーンが埋め込まれます。これは、薄いコーティング、熱影響を受けたゾーン、または肌硬化層をテストするときに重大な誤差となります。

ビッカース硬さ試験は何に使用されますか?

ビッカース硬度試験は、136°の面角を備えた四角ベースのダイヤモンド ピラミッド圧子を使用した永久的な押し込みに対する材料の耐性を測定するために使用されます。 これは、利用可能なマクロおよびミクロ硬度の最も汎用性の高い方法です 、硬度レベルに関係なく、事実上あらゆる固体材料に適用でき、精度、トレーサビリティ、または微細構造の解像度が必要な場合に推奨される方法です。

実際には、ビッカース テストは次の目的で使用されます。

• 硬化深さの測定 — 表面からの距離が離れるにつれて一連のくぼみを作成することにより、浸炭、窒化、または高周波焼入れされた表面全体にわたる硬度勾配のプロファイリング
• 薄膜コーティングの評価 — PVD/CVDハードコーティング、電気めっき層、および影響を受けるゾーンの厚さが数ミクロンしかない拡散処理の評価
• 溶接品質検査 — 母材、熱影響部、溶接ビード全体の硬度をマッピングして、軟化、過剰硬化、または水素割れの感受性を検出します
• 故障解析 — 局所的な硬度測定による脱炭、未焼戻しマルテンサイト、残留オーステナイト、または相境界の特定
• 材料認証 — AMS、ISO 6507、ASTM E92などの仕様に従って、航空宇宙、自動車、工具部品の熱処理結果を検証
• 研究開発 — 既存の変換スケールが存在しない、新しく開発された合金、焼結セラミック、複合材料の特性評価

ビッカース スケールは約 5 HV (非常に柔らかい鉛合金) から 3000 HV 以上 (ダイヤモンド) まで連続しているため、範囲を変更する必要はありません。単一の方法で、軟銅 (40 ～ 80 HV)、焼入れ工具鋼 (700 ～ 900 HV)、および超硬合金 (1400 ～ 1800 HV) をカバーします。この連続性により、ビッカースはすべての国際硬度変換表の基礎となります。

ロックウェル硬度基準ブロック: 校正、トレーサビリティ、および適切な使用

A ロックウェル硬さ基準ブロック (テストブロックまたはキャリブレーションブロックとも呼ばれます) は、ロックウェル硬さ試験機が規定の精度制限内で動作していることを確認するために使用される、精密に研磨された認定済みの金属クーポンです。これは消耗品ではありません。正しく使用された場合、単一の認定ブロックは通常、数百の検証測定をサポートします。

ASTM E18 および ISO 6508 に従って、基準ブロックは国家計量機関 (米国の NIST、ドイツの PTB など) に追跡可能な一次標準化装置で校正する必要があります。各ブロックには、認定された硬度値、測定の不確かさ、ブロック表面に残っている有効な試験箇所の数を記載した証明書が付属して出荷されます。

参照ブロックの正しい使用法

基準ブロックの測定を無効にする一般的なエラーには、面取りされたエッジでのテスト、直径 3 のインデント除外ゾーン内のインデント サイトの再利用、および底面 (校正された上面とは異なる残留応力状態を持つ) でのテストが含まれます。明確にマークされた上面のみが検証テストに有効です。

毎日の検証は、試験材料に近い硬度のブロックを使用して実行する必要があります。 25 HRC 部品を試験する機械を検証するために 60 HRC ブロックを使用することは技術的には許容されますが、実際には、中間範囲の読み取り値に影響を与える系統誤差 (アンビルの設置、圧子の状態、ロードセルのドリフト) の影響を受けにくくなります。

ブロックは密閉ケースに入れ、湿気や振動を避けて保管し、研磨面の腐食を防ぐために綿手袋で取り扱ってください。落としたり、活性ゾーンを傷つけたり、表面の酸化が見られるブロックは、キャリブレーションでの使用を中止する必要があります。

硬度のHKとは何ですか?微小硬度作業のためのヌープ対ビッカース

HKは硬度ヌープの略です 、ヌープ微小硬度テストで使用されるスケール。ビッカース (HV) と同様に、ヌープはダイヤモンド ピラミッド圧子と得られた印象の光学測定を使用しますが、形状は根本的に異なります。ヌープ圧子は、対角比 7.11:1 の細長い菱面体形の圧痕を生成しますが、ビッカース圧子はほぼ正方形の圧痕を生成します。

この幾何学的差異は、実際上 2 つの重要な結果をもたらします。

• 浅い浸透深さ — ヌープ インデントの深さは長い対角線の約 1/30 ですが、同じ対角線の長さのビッカース インデントの深さは 1/7 です。これにより、Knoop は、深い浸透が亀裂や基材への影響を引き起こす非常に薄いコーティング、脆いセラミック、ガラスに対して大幅に優れています。
• 指向性感度 — 圧子の軸に対してサンプルを回転させることにより、細長い形状により、単結晶または高度に組織化された材料の結晶学的異方性を明らかにすることができます。

ヌープは、ASTM E384 に基づく、超硬合金、硬化ガラス、薄いガルバニック層、およびビッカース圧痕周囲の亀裂が測定の有効性を損なう材料の試験に推奨される方法です。ほとんどの鋼、アルミニウム、銅合金の用途では、形状が単純で他の硬度スケールに直接変換できるため、ビッカース微小硬度 (HV 0.1 ～ HV 1) がデフォルトの選択となります。

ブリネル硬度を極限引張強さに変換する

ブリネル硬度 (HBW) は、幅広い鋼および鋳鉄の極限引張強さ (UTS) と直線的に相関します。 、これはエンジニアリングにおいて最も実用的な硬度から強度への変換の 1 つです。この関係は、両方の特性が集中荷重下の塑性流動に対する材料の微細構造の抵抗によって支配されるために生じます。

炭素鋼および低合金鋼に広く適用されている近似は次のとおりです。

UTS(MPa) ≒ 3.45 × HBW

米国の慣習単位では: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

これらの係数は、150 ～ 400 HBW の範囲のフェライト鋼、パーライト鋼、およびマルテンサイト鋼に対してかなりよく当てはまります。精度は通常、焼きならしまたは焼き入れ焼き戻しされた炭素鋼の場合 ±7% 以内に収まり、材料検証や受入れ検査の目的には十分です。

次の場合、関係が悪化するため、材料固有のデータなしで使用しないでください。

• オーステナイト系ステンレス鋼 - 加工硬化挙動はフェライト鋼とは大きく異なります。乗数は 3.3 ～ 3.55 に近く、合金によって異なります。
• アルミニウム合金 — 3.6 ～ 3.8 付近の乗数がよく引用されますが、異なる焼き戻し条件間ではばらつきが大きくなります
• 鋳鉄 — グラファイトの形態（フレーク状または球状）により、二次的な微細構造変数が導入されます。ダクタイル鋳鉄とねずみ鋳鉄について公開されている表は、個別に参照する必要があります。
• HBW > 400 — 線形関係が崩れる。 ASTM E140 によるビッカースまたはロックウェル C 変換は、高硬度レベルでより信頼性が高くなります。

ASTM A370 と EN ISO 18265 は両方とも、記載された適用範囲と予想される不確実性を含む表形式の硬度から引張強度への変換データを提供しており、仕様が重要な変換の参照文書となります。

ロックウェル硬度からの引張強さ: 変換方法と限界

ロックウェル硬度から引張強度を推定するには、2 段階のプロセスに従います。まず ASTM E140 変換テーブルを使用してロックウェルからブリネルに変換し、次に上記のブリネルと UTS の関係を適用します。または、両方の段階を統合する直接 UTS 相関テーブルを使用します。

HRC 20 ～ 65 範囲の焼き入れ鋼用 、次のおおよその等価性は、実用的な出発点となります。

HRC 40 (~400 HBW) を超えると、10 mm の超硬ボールが高荷重で弾性変形し、再現性のない結果が生じるため、ブリネル試験自体が無効になります。この範囲では、 ビッカースまたはロックウェル C が正しい硬度法です 、UTS の推定では、一般的な線形公式ではなく、特定の鋼グレードの直接の経験表を参照する必要があります。

安全性が重要なコンポーネント (圧力容器、構造ファスナー、クランクシャフト) を含むエンジニアリング上の決定では、硬度から導出される UTS 値はスクリーニング データとしてのみ扱う必要があります。設計基準の認証には、ASTM E8 または ISO 6892 に基づく物理的引張試験が必要です。