Metroloji ve KaliteÖlçü aletleri

Sertlik ölçme: Brinell, Vickers, Rockwell

Üç batma deneyi nasıl çalışır ve her biri neyi ölçer: Brinell bilyesi ve yük-çap indisi, Vickers piramidi ve yük aralıkları, Rockwell skalaları ve derinlik okuması; deney süreleri, parça kalınlığı ve iz aralıkları, gösterim, hangi deneyin hangi parçaya uyduğu, kısaca Knoop ve Leeb, çevrilmiş sertlik değerlerinin neden yaklaşık olduğu ve cihazların nasıl doğrulandığı.

YayındaGüncellendi 18 Ekim 202612 dk okuma

Brinell, Vickers ve Rockwell: üç batıcı uç, ölçülen üç şey

Geçerli Brinell iz çapı (ZwickRoell, Metkon): 0,24 D – 0,6 D
Vickers piramidi; F newton cinsinden HV ≈ 0,1891 F / d² (NITK; Shimadzu da aynı katsayıyı veriyor): 136°
Normal skalalarda bir Rockwell biriminin derinliği (PTB, NIST): 0,002 mm
Brinell ve Vickers’te tam yükte bekleme süresi (ZwickRoell, Metkon): 10–15 s

Sertlik deneyi, biçimi bilinen bir batıcı ucu bilinen bir yükle yüzeye bastırır ve geride kalanı ölçer: izin büyüklüğünü (Brinell, Vickers) ya da derinliğini (Rockwell). Laboratuvar föylerindeki tanımla, “Sertlik izafi bir ölçü olup” (Bursa Teknik ve Uludağ Üniversitesi); her yöntem kendi sayısını tanımlar. Bu yüzden bir sertlik değeri ancak yöntemi ve deney koşullarıyla birlikte tamdır: 210 HBW 5/250, 610 HV 10, 60 HRC. Bir skaladan ötekine çevirmek yalnızca yaklaşık olarak ve yalnızca çevirme tablolarının hazırlandığı malzemeler için mümkündür. TÜRKAK’ın AB-0980-T kapsamında (TÜRASAŞ) bu deneyler TS EN ISO 6506-1, 6507-1 ve 6508-1’e göre ”… Brinell Sertlik Deneyi Tayini”, ”… Vickers Sertlik Deneyi Tayini” ve ”… Rockwell Sertlik Deneyi Tayini” olarak listelenir.

Brinelliz çapı, d

Vickersiki köşegen, d₁ ve d₂

Rockwellkalıcı derinlik, h

Üç yöntem; her batıcı uç bir kez bastırıyor. Brinell: bir karbür bilye; yuvarlak izin çapı d ölçülür (bilye ve iz ölçekli, d = 0,59 D). Vickers: 136°’lik bir elmas piramit; kare izin iki köşegeni ölçülür (yüzlere dik kesit; derinlik ölçekli, köşegenin yaklaşık 1/7’si). Rockwell: ön yük, toplam yük ve yeniden ön yük altında 120°’lik bir elmas koni; kalıcı derinlik h okunur (şematik).

	Brinell	Vickers	Rockwell
Batıcı uç	Tungsten karbür bilye, 10, 5, 2,5 ya da 1 mm	Kare tabanlı elmas piramit, 136°	120° elmas koni ya da 1/16 veya 1/8 inç karbür bilye
Ölçülen	İz çapı	İz köşegenleri	Kalıcı derinlik
Sertlik	Yük / iz yüzeyi	Yük / iz yüzeyi	Derinlikten okunur
Standart (güncel baskı)	ISO 6506-1:2014; ASTM E10-23	ISO 6507-1:2023; ASTM E92, E384	ISO 6508-1:2023; ASTM E18-25

Brinell

İlke. ISO 6506-1’e göre çapı D olan tungsten karbür bir bilye deney parçasının yüzeyine bastırılır; yük kaldırıldıktan sonra izin çapı d ölçülür ve izin yüksüz bilyenin biçimini aldığı varsayılır. Sertlik, deney yükünün iz yüzeyine bölümüdür:

\text{HBW} = 0{,}102 \cdot \frac{2F}{\pi D \left(D - \sqrt{D^2 - d^2}\right)}

Burada F newton, D ve d milimetre cinsindendir (Metkon); 0,102 newtonu kilogram-kuvvete çevirir. ISO 6506-1’in 2005 baskısı da yalnızca sert metal bilyeyi tanımlıyordu; simgenin HBW olması bundandır ve çelik bilyeli eski HB ya da HBS ile karıştırılmamalıdır. NIST, Rockwell bilyeleri için çelik bilyelerin zamanla parçaya değdikleri noktada yassılaştığını belirtiyor. Bu nedenle laboratuvar föylerindeki “10 mm çapında çelik bilye” gibi eski değerler bugünkü standardı yansıtmaz.

Bilye ve yük birlikte seçilir. Bilyeler 10, 5, 2,5 ve 1 mm’dir. Yük, farklı bilyelerin karşılaştırılabilir sonuç vermesi için 0,102 · F / D² yük-çap indisiyle seçilir: ZwickRoell’e göre bir malzeme farklı bilye çapları ve deney yükleriyle ancak aynı yük-çap indisi içinde denenmelidir. ZwickRoell beş indis sayıyor:

0,102 · F / D²	Malzemeler (ZwickRoell)	Yükler, 1 mm’den 10 mm bilyeye	Önerilen aralık (HBW)
30	Çelik, demir	294,2 N – 29,42 kN	95,5–653
10	Hafif metaller, bakır, alüminyum ve alaşımları	98,07 N – 9,807 kN	31,8–218
5	Bakır, alüminyum, ısıl işlemsiz bakır alaşımları	49,03 N – 4,903 kN	15,9–109
2,5	Hafif metaller	24,52 N – 2,452 kN	7,96–54,5
1	Hafif metaller, kurşun, kalay	9,807 N – 980,7 N	3,18–21,8

ZwickRoell’e göre aralıklar EN ISO 6506-4, Çizelge 2’den. Metkon çeliği ve dökme demiri 30’a (10 mm bilye, 3.000 kgf), alüminyum alaşımlarını 5’e koyuyor.

İz doğru büyüklükte olmalı. ZwickRoell: deney yükü, ortalama iz çapı d 0,24 D ile 0,6 D arasında kalacak biçimde seçilmelidir (Metkon da aynı aralığı veriyor). Doğruluğu d’nin ölçümü belirler: NIST, NMIJ, INRIM ve NPL’den yazarlara göre Brinell ölçüm doğruluğu öncelikle iz çapının ölçümüne bağlıdır.

Süreler. Yük 2–8 s içinde son değerine çıkar; tam yükte bekleme süresi genellikle 10–15 s’dir (ZwickRoell, Metkon). Metroloji enstitülerinin makalesi, eski 30 s önerisinin 10–15 s’ye kısaltıldığını belirtiyor. Farklı bir bekleme süresi gösterime yazılır.

Kalınlık ve aralık. ZwickRoell’e göre parça, Brinell bilyesinin iz derinliğinin en az sekiz katı kalınlıkta olmalıdır (Metkon ISO için 8, ASTM E10 için 10 kat veriyor). ZwickRoell’in örneği: 10 mm bilyeyle 6,0 mm’lik bir iz 1,0 mm derindir, parça en az 8,00 mm kalın olmalıdır. Metkon iz merkezleri arasında en az 3 × d, kenara en az 2,5 × d veriyor.

Gösterim. “210 HBW 5/250/30”: 5 mm bilye ve 250 kgf ile, 30 s bekletilerek ölçülmüş 210 Brinell sertliği; son sayı yoksa bekleme olağan 10–15 s’dir (ZwickRoell, Metkon).

Brinell, ZwickRoell’in deyişiyle iri taneli, yüzeyi kaba ya da homojen olmayan malzemelerin, örneğin dökümlerin, alaşımların ve dövme parçaların deneyidir: büyük iz yapının ortalamasını alır. ASTM E10, Brinell deneylerini ticari sevkiyatların kabul muayenesi için yeterli sayıyor.

Vickers

İlke. Karşılıklı yüzleri tepede 136°’lik açıyla buluşan kare tabanlı bir elmas piramit bastırılır ve kare izin iki köşegeni ölçülür (ZwickRoell). Ortalama köşegen d milimetre, F newton cinsinden:

\text{HV} = 0{,}102 \cdot \frac{2F \sin(136°/2)}{d^2} \approx 0{,}1891 \cdot \frac{F}{d^2}

(NITK; Shimadzu’da aynı katsayı); F kilogram-kuvvet cinsindense katsayı 1,8544’tür (Metkon). İz sığdır, köşegeninin yaklaşık 1/7’si kadar (Instron), ve tek bir batıcı uç bütün sertlik aralığını kapsar: ZwickRoell’e göre Vickers yöntemi yumuşaktan serte her malzemede ve her deney parçasında kullanılabilir.

Üç yük aralığı (ISO 6507-1:2023, Çizelge 1):

Deney yükü F	Simge	Ad
F ≥ 49,03 N	≥ HV 5	Vickers sertlik deneyi
1,961 N ≤ F < 49,03 N	HV 0,2 – < HV 5	Düşük yüklü Vickers sertlik deneyi
0,009807 N ≤ F < 1,961 N	HV 0,001 – < HV 0,2	Vickers mikrosertlik deneyi

Standart 0,020–1,400 mm köşegenleri kapsar; daha küçük izler ISO 14577-1’in konusudur. 2023 baskısı kapsamı metalik ve öteki inorganik kaplamalara genişletti. ZwickRoell’e göre olağan makro yükler 49, 98, 196, 294, 490 ya da 980 N’dir (HV 5 – HV 100); en çok kullanılanı 294 N (HV 30). ASTM mikro aralığı E384’te (1–1.000 gf), tüm aralığı E92’de tutuyor.

Süreler ve kalınlık. Yük 2–8 s’de uygulanır (ZwickRoell), 10–15 s bekletilir (ZwickRoell, Metkon). Parça köşegenin en az 1,5 katı kalınlıkta olmalıdır (NITK, Metkon).

Gösterim. “610 HV 10/30”: 10 kgf (98,07 N) yükle, 30 s bekletilerek ölçülmüş 610 Vickers sertliği (ZwickRoell).

Bedeli hazırlık ve zamandır: yüzey taşlanmalı ve parlatılmalıdır, deney çevrimi ZwickRoell’e göre 30–60 saniye sürer. Çok düşük yüklerde Metkon, kabaca 0,01–0,2 kgf arasında iz büyüklüğü etkisine dikkat çekiyor.

Bilye çapı DYük-çap indisi 0,102·F/D²İz çapı d 4,00 mm

Sertlik: 229 HBW
Gösterim: 229 HBW 10/3000
Deney yükü: 29,42 kN (3.000 kgf)
Geçerli d aralığı: 2,40–6,00 mm · içinde
İz derinliği: 0,417 mm
En az parça kalınlığı (8 h): 3,34 mm
İzler arası / kenara (Metkon): 12,0 / 10,0 mm

İzden Brinell ve Vickers sertliği. Brinell: bilyeyi ve yük-çap indisini, sonra ölçülen çapı seçin; pencere d’nin 0,24 D–0,6 D içinde olup olmadığını gösterir. Vickers: yük kademesini seçin ve iki köşegeni girin. En az kalınlık Brinell’de derinliğin 8 katı, Vickers’te köşegenin 1,5 katıdır; Brinell iz aralığı Metkon’un.

Rockwell

İlke. Rockwell alanı değil derinliği okur. Önce batıcı uca bir ön yük uygulanır ve bu bir başlangıç noktası (datum) belirler; sonra yük toplam yüke çıkarılır, belirli bir süre sabit tutulur ve ek yük kaldırılır (NIST). Bursa Teknik’in föyünde bunlar “ön yük” ve “ana yük” diye geçer (föy, HRC için ana yükü 150 kg, yani toplam yük olarak veriyor); Uludağ’ın föyü “ilk yükleme” ve “büyük yük” diyor. Yeniden ön yük altında okunan kalıcı derinlik artışı h sertliği verir:

\text{HR} = N - \frac{h}{S}

Burada h milimetredir; N elmas skalalarda ve yüzeysel skalalarda 100, normal bilye skalalarında 130; S normal skalalarda 0,002 mm, yüzeysel skalalarda 0,001 mm’dir (PTB). Normal bir skalada bir Rockwell birimi 2 µm derinliktir: NIST’e göre derinlikteki 0,002 mm’lik hata 1 HR birimlik hatadır. 60 HRC, (100 − 60) × 0,002 = 0,080 mm kalıcı derinlik demektir.

SkalaKalıcı derinlik h 0,080 mm

Sertlik: 60,0 HRC
Hesap: 100 − 0,080 / 0,002 = 60,0
Batıcı uç: 120° elmas koni
Yükler: F₀ 98,07 N · F 1471 N

Rockwell çevrimi: zamana karşı batıcı ucun derinliği. Ön yük başlangıç noktasını belirler, ek yük ucu daha derine sürer, kaldırıldığında elastik kısım geri yaylanır; başlangıç noktasının altında kalan h okunan değerdir. Bir skala ve kalıcı derinlik seçin. Derinlik biçimleri şematiktir; yükler, N ve S standart değerlerdir; süreler, NPL’nin baskı belirtmeden aktardığı ISO 6508-1 süreleridir.

Yükler. Normal skalalar: ön yük 98,07 N (10 kgf), toplam yük 588,4, 980,7 ya da 1.471 N (60, 100 ya da 150 kgf). Yüzeysel skalalar: 29,42 N (3 kgf), sonra 147,1, 294,2 ya da 441,3 N (15, 30 ya da 45 kgf) (NIST, ZwickRoell, FBI).

Skala	Batıcı uç	Toplam yük (kgf)	N	S (mm)	Tipik kullanım (PTB)
HRA	Elmas koni 120°	60	100	0,002	Sert metaller, ince sertleştirilmiş tabakalar, 0,4 mm’den kalın sac
HRBW	Bilye 1,5875 mm (1/16 inç)	100	130	0,002	Demir dışı metaller, yapı çelikleri
HRC	Elmas koni 120°	150	100	0,002	Sertleştirilmiş ve temperlenmiş çelikler
HRD	Elmas koni 120°	100	100	0,002	Orta derinlikte sementasyonlu parçalar
HREW	Bilye 3,175 mm (1/8 inç)	100	130	0,002	Dökme demir, alüminyum ve magnezyum alaşımları, yatak metalleri
HRFW	Bilye 1,5875 mm	60	130	0,002	Tavlanmış bakır alaşımları, 0,6 mm’den kalın sac
HRGW	Bilye 1,5875 mm	150	130	0,002	Fosfor bronzu, berilyum bakırı, temper döküm
HRHW	Bilye 3,175 mm	60	130	0,002	Alüminyum, çinko, kurşun
HRKW	Bilye 3,175 mm	150	130	0,002	Yatak metalleri, çok yumuşak metaller
HR15N, 30N, 45N	Elmas koni	15, 30, 45	100	0,001	A, C ve D gibi, çok ince tabaka ya da sac için
HR15TW, 30TW, 45TW	Bilye 1,5875 mm	15, 30, 45	100	0,001	E, F ve G gibi, 0,25 mm’ye kadar çok ince sac için

Bunlar ISO 6508-1:2023’ün skalalarıdır. ZwickRoell, ISO 6508 ve ASTM E18’de standartlaşmış 30 Rockwell skalası sayıyor; ASTM E18 daha büyük bilyeler ekliyor.

Bilye malzemesi. HRBW’deki W tungsten karbür bilyeyi, S çeliği gösterir. ISO 6508-2 karbürü standart tip sayıyor. NIST ve Instron’a göre karbür bilye çelik bilyeden düşük okur; farkın büyüklüğü tartışmalı: Instron’a göre en çok 1 birim, ASTM’ye göre çok küçük, Japon JIS Z 2245’in notuna göre belirgin biçimde farklı olabilir. ASTM E18 çelik bilyeyi yalnızca ince teneke sac ürünleri için tutuyor.

Süreler. NPL’nin aktardığıyla ISO 6508-1 (not baskı belirtmiyor): ön yük en çok 3 s tutulur, ek yük 1–8 s’de uygulanır, toplam yük 4 s ± 2 s korunur. NIST: Rockwell sertlik sayısını en çok toplam yükteki bekleme süresi etkiler.

Kalınlık, aralık, eğri yüzeyler. Elmas uçta parça, iz derinliğinin en az 10 katı kalınlıkta olmalıdır (Instron, FBI); bilye uçta Instron ASTM’ye dayandırarak 15 kat veriyor, FBI prosedürü homojen malzemede her uç için 10 kat kullanıyor. ASTM E18 iz merkezleri arasında en az üç, kenara en az iki buçuk iz çapı istiyor. Dışbükey silindirlerde düzeltme eklenir, içbükey yüzeylerde çıkarılır; NIST’e göre normal skala deneyleri 6,4 mm’den küçük çaplı dışbükey silindirlerde yapılmamalıdır (yüzeysel skalalarda 3,2 mm). FBI prosedürü düzeltilmiş sonuçları bile yaklaşık sayıyor.

Rockwell hızlıdır: parça hazırlığı yok, doğrudan okuma var (ZwickRoell). Bedeli duyarlılıktır: derinlikteki küçük bir hata sertlikte büyük bir hatadır ve ölçüm noktası tufal ve yağdan temiz olmalıdır. İnce sertleştirilmiş tabakalarda ve ince sacda normal skalaların yerini yüzeysel skalalar (N, T) alır (PTB, Instron). Sertliği bilinmeyen bir parçada Instron, 60 kg’lık elmas uçlu HRA ile başlamayı öneriyor.

Knoop ve Leeb

Knoop, uzun köşegeni kısa köşegeninin 7,114 katı olan eşkenar dörtgen tabanlı bir elmas piramit kullanır (ASTM) ve bu uzun köşegeni ölçer (PTB). ISO 4545-1:2023, 0,009807–19,613 N yükleri kapsar. Dar ve sığ izler birbirine yakın konabilir; bu da dik sertlik değişimlerine uyar (ASTM E92).

Leeb, taşınabilir cihazlar için bir geri sekme deneyidir: geri sekme hızının çarpma hızına oranının 1000 katı Leeb sertliğidir (ZwickRoell). ISO 16859-1 yedi skala tanımlar: HLD, HLS, HLE, HLDL, HLD+15, HLC ve HLG; çarpma hızı D, S ve E cihazlarında 2,05 m/s, C’de 1,4 m/s, G’de 3,0 m/s’dir (Schwenk ve Bandel, ZwickRoell). ASTM A956 bunu yalnızca yüzeysel bir belirleme sayıyor.

Hangi parçaya hangi deney

Durum	Deney	Kaynaklar
Döküm, dövme, iri taneli ya da düzensiz malzeme, kaba yüzey	Brinell	ZwickRoell, Metkon
Her sertlik, ince ya da küçük parçalar, tek fazlar, sertlik profilleri	Vickers, düşük yüklü ya da mikro	ZwickRoell, Metkon, ASTM E92
Üretimde hızlı kontrol, hazırlık yok	Rockwell	ZwickRoell
İnce sertleştirilmiş tabakalar, ince sac	Yüzeysel Rockwell (N, T), düşük yüklü Vickers	PTB, Instron, Metkon
Dik sertlik değişimleri	Knoop	ASTM E92
Yerinde, taşınabilir cihazla	Leeb (geri sekme)	Schwenk ve Bandel, ISO 16859-1

Her durumda ASTM E18, tek bir noktadaki deneyin bütün parçanın ya da son ürünün fiziksel özelliklerini temsil etmeyebileceği uyarısını yapıyor.

Skalalar arasında çevirme

ISO 18265, sertlik skalaları arasında ve çekme dayanımına çevirmeler verir; tabloları malzeme gruplarına göredir: sade karbonlu, düşük alaşımlı ve dökme çelikler, ıslah çelikleri, soğuk iş çelikleri, yüksek hız çelikleri, sert metaller, demir dışı metaller ve takım çelikleri. Kendi uyarıları açık: ISO 18265:2013 ile çevrilen değerler yalnızca denenen malzemenin kendisine doğrudan uygulanabilir; çevrilen değerler hiçbir durumda doğru standart yöntemle elde edilen değerlerin yerine geçmez; çekme dayanımı tahminleri en az güvenilir çevrilmiş değerlerdir. Amerikan karşılığı ASTM E140, çevirmeyi yalnızca yaklaşık bir işlem olarak niteliyor. Resim HRC istiyorsa HRC ölçün.

Cihazı kontrol etmek

Sertlik cihazı iki yolla doğrulanır: doğrudan, yükü, derinlik ölçümünü ve deney çevrimini sınırlara göre kontrol ederek; dolaylı olarak, kalibre edilmiş referans bloklarıyla (ISO 6508-2, ISO 6506-2). NPL’nin aktardığıyla ISO 6508-2 ön yükte ±%2,0, toplam yükte ±%1,0 sapmaya izin verir. Ulusal enstitüler skalalarını referans bloklarıyla aktarır; NIST örneğin 25, 45 ve 63 HRC bloklarıyla. Günlük işte FBI laboratuvarı cihazını açılışta ve her uç ya da skala değişikliğinden sonra sertifikalı bir blokla kontrol ediyor.

Sertlik deneyinin dokunmadığı yüzeyler için yüzey pürüzlülüğü parametreleri sayfasına bakın.

Kaynaklar (43)

Bu sayfadaki her değer ve alıntı aşağıdaki belgelerden alındı.