ロックウェル、ブリネル、ビッカース硬度試験: 違いと単位

硬度は基本的な材料特性ではなく、特定の押し込み方法に対する測定された応答です。直接的な実際的な答えは、 ロックウェル、ブリネル、ビッカースは 3 つの異なる押し込み硬さ試験であり、それぞれ異なる圧子と荷重を使用し、異なる単位またはスケールで値を生成します。 。ロックウェルは深度測定を使用し、HRC や HRB などのスケールで無次元の数値を報告します。ブリネルは超硬ボールを表面に押し込み、値を報告します。 HBW (kgf/mm²) 。ビッカースはダイヤモンドのピラミッドを使用し、硬度を次のように報告します。 HV (単位は kgf/mm²) 、薄いコーティングからバルク材料まであらゆるものに多用途に使用できます。あ 万能硬さ試験機 は、これらの方法を 1 つの機器に統合し、多くの場合、深さを感知するマルテンス硬度機能を追加します。単一の硬度測定単位はありません。 「硬度の単位」はスケールに依存し、テストの選択は材料の種類、サンプルの形状、および必要な特定の情報に依存します。

万能硬さ試験機

A 万能硬さ試験機 は、圧子、対物レンズ、荷重プロファイルを交換することで、複数の標準化された硬さ試験方法 (通常はロックウェル、ブリネル、ビッカース) を実行できるように設計された単一の機器です。これにより、専用のテスターを別途用意する必要がなくなります。従来の光学的方法を超えて、高度なユニバーサルマシンは深度センシング技術を使用して測定します マルテンス硬度 (HM) これは、押し込みサイクル中の連続的な力-変位曲線を記録することによって達成され、高速圧縮試験と同等の材料パラメータが得られます。たとえば、最新の万能機械は、次のような試験力を加えることができます。 1gf～3000kgf 、ビッカース、ブリネル、ロックウェル、さらにはヌープおよびプラスチック試験のマイクロ、低負荷、およびマクロ範囲をカバーします。閉ループ力制御システム、多くの場合、サンプリング レートが 1～2kHz 、荷重速度と滞留時間が ASTM E92 や ISO 6506 などの規格に厳密に準拠していることを確認します。

ロックウェル、ブリネル、ビッカース硬さ試験の基礎

3 つのテストはすべて、永久塑性変形に対する材料の耐性を定量化しますが、圧子の形状、荷重の適用、および測定原理が根本的に異なります。

ロックウェル硬度試験

ロックウェル法では、 侵入深さの差 予備的な小さな荷重とそれに続く大きな荷重下での圧子の動作。軽度の荷重 (通常は 10 kgf または 3 kgf) により基準位置が確立され、表面の欠陥や弾性変形が吸収されます。次に、主要な荷重 (60、100、または 150 kgf) を加えて除去し、浸透深さの永久的な増加を測定します。硬度の数値はこの深さに反比例し、ダイヤルまたはデジタル ディスプレイから直接読み取られます。あ ロックウェル HRC 値 60 たとえば、深さは約 0.080 mm に相当します。一般的なスケールには、硬化鋼用の HRC (ダイヤモンド コーン、150 kgf) と、より柔らかい合金用の HRB (1/16 インチ ボール、100 kgf) が含まれます。主な利点は速度であり、光学測定を使用せずに数秒で結果が得られます。

ブリネル硬さ試験

ブリネルテストでは、 炭化タングステンボール圧子 、通常は直径 10 mm で、高い試験力 (鉄金属の場合は通常 3000 kgf) で表面に押し込まれます。荷重を取り除いた後、永久印象の直径を光学的に測定します。ブリネル硬度数 (HBW) は、加えられた荷重をくぼみの球面表面積で割ったものとして計算されます。典型的な結果は次のように書かれます 350 HBW 10/3000 これは、10 mm のボールと 10 ～ 15 秒の滞留時間で 3000 kgf の荷重を使用した場合のブリネル硬度が 350 であることを示しています。大きなくぼみにより局所的な微細構造のばらつきが平均化されるため、ブリネルは鋳造、鍛造、粗粒構造の材料に最適です。ボールが変形したりサンプルが損傷したりする可能性があるため、非常に硬い材料（650 HBW 以上）や薄い切片には適していません。

ビッカース硬さ試験

ビッカース試験では、 ダイヤモンド角錐圧子 頂角は136度です。原理は荷重範囲全体にわたって同じです。つまり、圧子が正確な力でサンプルに押し込まれ、結果として得られる正方形の印象の 2 つの対角線が光学的に測定され、平均されます。ビッカース硬さは次のように報告されます。 HV 、次にkgf単位の試験力が続きます。例: 640HV30 。ビッカース硬さの単位は技術的には kgf/mm² , しかし、慣例的には無次元数として表現されます。 1 gf から 120 kgf までの力に対して同じ圧子形状が使用されるため、ビッカースは、薄い箔や肌硬化層からバルク材料に至るまで、スケール全体の硬度を測定できる独自の機能を備えており、結果は通常、数百グラム以上の力では荷重に依存しません。

さまざまな方法における硬度測定単位

「硬度単位」の概念はメソッドに固有です。各試験には独自の報告規則があり、ASTM E140 および ISO 18265 で定義された変換テーブルがなければ値を直接転送できません。以下の表は、主要な試験方法の単位とスケールの構造を明確にしています。

3 つの方法の包括的な比較

ブリネル、ロックウェル、およびビッカース硬さ試験の違いは手順だけではありません。彼らは、特定の産業タスクにどの方法が適しているかを決定します。次の表は、アプリケーション指向の直接的な比較を示しています。

ビッカースとは 硬さ試験 用途

ビッカース硬度試験は、単一の硬度スケールで製品の材料硬度の全範囲をカバーする必要がある場合に推奨される方法です。その主な用途には以下が含まれます： 浸炭または窒化鋼の硬化深さ分析 、表面エッジからコアまでの一連の微細なくぼみが硬度勾配をマッピングします。典型的な仕様としては、次のようなものがあります。 HV 550、ケース深さ 0.5 mm 、ビッカース微小硬度トラバースでのみ検証できます。テストも必要不可欠です 適格な溶接 、熱影響部、母材、溶接金属はそれぞれ異なる特性を持っており、小さな圧子でこれらの領域を隔離できます。研究開発では、ビッカースは、他の圧子が砕けたり、設置面積が大きすぎるセラミック、複合材料、薄膜コーティングの特性を評価するために使用されます。たとえば、厚さ 3 ミクロンの TiN 硬質コーティングは、次の条件で確実にテストできます。 0.025kgf（25gf） 、基材の影響を受けることなく、深さ約 0.5 ミクロンのくぼみが生成されます。

ウェブスター硬度 vs ロックウェル硬度

ウェブスター硬度計は、特定の押し込み方法を適用するポータブルな直接読み取り装置です。特定のロックウェルスケールと直接同等ではありませんが、 ウェブスター硬度の値は、アルミニウム合金のロックウェル B およびロックウェル H スケールと経験的に相関しています。 。たとえば、Webster B スケールは、おおよそ次の範囲をカバーします。 WB0～WB20 に対応します。 約25～100HRB アルミ押出形材、アルミシート用。ウェブスター試験機の利点は、その可搬性と、卓上ロックウェル試験機には持ち込めない大規模なアセンブリ、熱交換器、航空機構造を試験できることです。ただし、相関関係は材料ごとに異なります。 6061-T6 アルミニウム用に校正された Webster テスターは、7075 またはその他の金属に対して正確なロックウェル同等の結果を提供しません。正確な材料認証には、Webster が便利な現場スクリーニング ツールとして機能する、ロックウェルまたはブリネルのベンチ テストが必要です。

用途に適した硬度試験を選択する方法

テストの選択は、材料の種類、サンプルの形状、生産量、および必要な情報によって決まります。以下の意思決定ロジックは、実際の産業シナリオに基づいており、建設的なガイドを提供します。

• 微細構造が粗い大型の鋳物または鍛造品用 、ブリネル検定を選択します。 10 mm のボールのくぼみにより粒界と相の変化が平均化され、コンポーネントの全体的な機械的特性を表すバルク硬度が得られます。 10 mm のボールを使用した 3000 kgf での標準試験は、鉄および鋼の鋳造品のデフォルトです。
• 機械加工部品の量産品質管理に , ロックウェルが定番です。 3 秒間の HRC テストにより、ボトルネックを作ることなく熱処理ラインの工程能力指数を維持できます。 20 HRC を超える焼き入れ鋼には HRC を使用し、より柔らかい非鉄合金には HRB を使用します。
• 表面硬化、薄い、またはコーティングされたコンポーネントの場合 、マイクロビッカースが唯一の適切な選択肢です。 500 gf または 1 kgf の荷重とヌープ圧子またはビッカース圧子を使用すると、硬化層を貫通する圧痕なしでコアからケースまでの勾配を測定できます。
• 溶接部、接合部、熱影響部用 、ビッカースまたはヌープの低力試験 (1 ～ 5 kgf) では、溶接界面の狭い帯域全体の硬度のばらつきを解決できます。これは、水素割れや脆性相の形成を回避するために重要です。
• 単一の硬度を超える材料特性が必要な場合 マルテンス モードのユニバーサル硬さ試験機は、単一の機器を使用した押し込み試験から押し込み硬さ、弾性率、クリープ、および緩和挙動を提供します。これは、ポリマー、セラミック、先端材料の開発にとって貴重です。

硬度スケール間の変換

硬度スケールの換算はおおよそのものであり、責任ある実践は次のとおりです。 それらは比較のみに使用し、仕様には決して使用しないでください 。ブリネル、ロックウェル、ビッカースの換算関係は材料の加工硬化挙動に依存するため、オーステナイト系ステンレス鋼の ASTM E140 換算表は炭素鋼や低合金鋼の換算表とは異なります。実用的な例として、典型的な炭素鋼は、 640HV30 およそに相当します 56 HRC および 600 HBW 。ただし、完全に加工硬化されたオーステナイト系ステンレス鋼の場合、同じ 56 HRC は 250 HBW にしか対応しない可能性があります。仕様で特定のスケールでのレポートが必要な場合、テストはそのスケールで直接実行する必要があります。汎用硬さ試験機は、変換に頼らずに必要な方法で試験を実行することで、この不確実性を最小限に抑えることができます。