ロックウェル対ブリネル対ビッカース: どの硬度試験が最適ですか?

すべてのインデント読み取りの背後にある物理学

材料証明書に記載されているすべての硬度の数値は、単一の機械的イベントに遡ります。つまり、制御された荷重の下で硬い圧子が表面に押し付けられ、材料の永久変形に対する耐性が値に変換されます。この値が意味を持つのは、荷重、圧子の形状、滞留時間、測定技術がすべて既知の基準に保たれている場合のみです。これが背後にある中心的な規律です金属組織硬さ試験ここでの目標は、単に数値を生成することではなく、別の研究室、別のシフト、または別の国が厳しい許容範囲内で再現できる数値を生成することです。

微細構造レベルでは、硬度は降伏強さ、加工硬化挙動、場合によっては耐摩耗性など、いくつかの基本的な機械的特性の代用となります。マルテンサイト鋼と焼きなまされたアルミニウム合金は、同じ圧子に対してまったく異なる方法で反応します。そのため、すべての材料、厚さ、および表面状態を同等にカバーする単一の試験方法は存在しません。適切な方法を選択し、それを正しく実行することが、防御可能な品質記録と、正確に見えても実際のトレーサビリティを持たない数値とを区別するものです。

3 一般的な工業用途における主な圧入方法

0.1～3000 すべてのスケールにわたる典型的な適用荷重範囲 (kgf)

2 最新のテスターで使用されるロードステージ: プリロードとメジャーロード

アプリケーションのロードシーケンスによって結果が変わる理由

アプリケーションのロードは 1 回のプッシュではありません。最新の試験機のほとんどでは、最初に小さな予備荷重をかけて圧子を表面に接触させます。これにより圧子が固定され、測定結果から表面の凹凸が除去されます。次に、主要な負荷が制御された速度で加えられ、指定された滞留期間にわたって保持され、定義されたシーケンスで解放されます。このシーケンスを急ぐこと、または滞留中に振動でフレームを乱すことは、硬度実験室における最も一般的な散乱の原因の 1 つであり、多くの場合、圧子自体によって生じる誤差よりも大きくなります。

材料は持続的な負荷の下でわずかにクリープするため、滞留時間が重要です。テストの実施時間が短すぎると、測定値が人為的に高くなることがある一方、柔らかい材料やコーティングされた材料に過度に留まると、調査対象のバルク特性を表わさない測定値が生成される可能性があります。 負荷率、滞留時間、および除荷率を文書化された許容値に制御することで、さまざまな試験者の結果を信頼性を持って比較できるようになります。

一般的なスケールの代表的な荷重範囲

ロックウェル硬度計: 直接深さ測定によるスピード測定

ロックウェル法では光学測定が完全に省略されます。くぼみの大きさを測るのではなく、ロックウェル硬さ試験機小さな予備荷重を加え、深さの読み取り値をゼロにし、大きな荷重を加えてから、予備荷重に戻して、押し込み深さの違いを読み取ります。この深さの差は機械のディスプレイ上で硬度数値に直接変換されます。そのため、生産環境ではロックウェル試験が 3 つの方法の中で最も高速であることがよくあります。

スケールの選択は、圧子の種類と荷重の組み合わせによって異なります。 150 kgf の主荷重下のダイヤモンドコーン圧子は焼入れ鋼に一般的ですが、100 kgf の荷重下の焼入れ鋼球圧子は焼きなまし鋼、真鍮、アルミニウム合金などの柔らかい金属に適しています。ロックウェル試験は、オペレータが光学画像を解釈することなく結果が即座に読み取れるため、原材料の検査、熱処理検証、および生の精度と同じくらいオペレータ間の一貫性が重要となる大量生産チェックに適しています。

トレードオフは、表面状態の影響を受けやすいことです。この方法は面積ではなく深さに依存するため、適切な補正係数と最小厚さのガイドラインに従わない限り、粗い表面、薄い部分、または湾曲した部品では読み取り値が歪む可能性があります。

rockwell hardness testers with digital depth readout

ブリネル硬度計: 粗い微細構造全体の硬度の平均化

brinell hardness testers for large indentation testing

ロックウェルが深さを読むところ、ブリネル硬さ試験機硬化鋼またはタングステンカーバイドのボールを重い荷重の下で表面に押し込み、設定された滞留時間維持してから、拡大して得られたくぼみの直径を測定します。くぼみは粒径に比べて大きいため、ブリネル試験は粗いまたは不均一な微細構造全体を効果的に平均化するため、鋳造、鍛造、および局所的な粒界や介在物によって小さなくぼみが歪む可能性がある材料に適した方法となります。

ブリネル試験における荷重は通常、数百 kgf から 3,000 kgf の範囲であり、直径が数ミリメートルのボールを通して加えられます。これにより、多くの場合、肉眼で確認できるほど大きなくぼみが生じますが、正確な直径測定には、やはり校正された顕微鏡またはデジタル測定システムが必要です。このスケールは、高度に局所的な読み取り値よりもバルク硬度値の方が重要な、厚い切片、未処理の素材、および熱処理されたコンポーネントによく適合します。

くぼみが大きいため、ブリネル試験は一般に、目に見えるマークが許容できない薄い部品、コーティングされた表面、または完成した部品には適しておらず、このような場合には他の 2 つの方法が引き継がれます。

ビッカース硬度計およびマイクロビッカース硬度計: 微細構造スケールでの精度

ビッカースおよびマイクロビッカース硬さ試験機荷重に関係なく小さな正方形のくぼみを生成するピラミッド型ダイヤモンド圧子を使用し、拡大下で両対角線によって光学的に測定します。マクロなビッカース荷重から 1 kgf を大幅に下回るマイクロ荷重まで、荷重範囲全体にわたって同じ圧子の形状が使用されるため、この方法は、バルク材料の試験から個々の粒子、溶接熱影響部、わずか 1 ミリメートルの厚さのコーティング断面まで、きれいに拡張できます。

マイクロビッカース testing in particular is the method of choice for case-hardened layers, nitrided surfaces, plated coatings, and hardness gradient mapping across a polished cross-section. Because the indentation size can be kept extremely small, a single sample can carry dozens of individual readings without the indentations overlapping or interfering with each other, allowing a full hardness profile to be built from surface to core.

精度を高めるには、速度とサンプル前処理が犠牲になります。正確な対角線の測定には、よく磨かれた平らな表面と、訓練を受けたオペレーターまたは校正された画像分析システムが必要です。焦点や照明の小さな誤差でも、報告される硬度が変化するほど測定された対角線が変化する可能性があるためです。

vickers and micro-vickers hardness testers with optical measurement

3 つの方法を並べて比較する

普遍的に正しい単一の尺度はありません。以下の表は、特定の部品または材料にどの方法が使用されるかを通常決定する実際的な違いをまとめたものです。

属性	ロックウェル	ブリネル	ビッカース/マイクロビッカース
圧子の種類	ダイヤモンドコーンまたはスチールボール	スチールまたは超硬ボール	ダイヤモンドピラミッド
測定基準	深さの差	くぼみ径	斜めのくぼみ
代表的な負荷範囲	60～150kgf	500～3000kgf	0.1～50kgf
最適な用途	生産ラインのチェック	鋳物および粗粒ストック	コーティングと薄肉部分
演算子の依存性	低い	中等度	より高い

5 つの動作要素にわたる方法の比較

ロックウェルブリネルビッカース

結果の信頼性を維持する校正および材料試験基準

硬さ試験機は、最後の検証によってのみ信頼できます。追跡可能な既知の硬度値を持つ認定基準ブロックを使用してテスターの精度を定期的にチェックし、テスターの読み取り値とブロックの認定値との偏差が時間の経過とともに記録されます。国際的に認められた材料試験規格では、この偏差の許容範囲、検証の頻度、規制または監査された作業に試験官を使用し続けるために必要な文書が定義されています。

ドリフトが突然起こることはほとんどありません。圧子が磨耗したり、ロードセルが古くなったり、光学測定システムがわずかに校正から外れたりすると、徐々に侵入してくる傾向があります。単一の合格または不合格の結果に依存するのではなく、連続する検証サイクル全体で逸脱を追跡することで、メンテナンスが必要であるという警告をより早期に発することができます。

一貫した校正規律により、ある機械で測定された硬度値を、数か月離れた別の建物の別の機械でも信頼できるようになります。

検証サイクル全体にわたる基準ブロックからの逸脱

用途に適した硬度試験方法の選択

方法の選択は、通常、微細構造がどの程度粗いか均一であるか、試験対象のセクションがどの程度薄いかコーティングされているか、シフトごとにチェックする必要がある部品の数の 3 つの質問に集約されます。シンプルな意思決定パスは、現実世界のほとんどのケースをカバーします。

手法選択の流れ

精度要件が満たされると、多くの場合、スループットが決定要因となります。ロックウェル試験は通常、深さの読み取りが自動であるため、1 時間当たり最も多くの部品を処理します。ビッカース試験とマイクロビッカース試験はサンプルごとに必要な押し込みの数に応じて中間にあたり、ブリネル試験は光学式直径測定と大きな押し込みのため、一般に最も時間がかかります。

メソッド別の一般的な相対スループット