Transcript เครื่องวัดความแข็งเชิงพานิชและการใช้งาน
Slide 1
เครื่องวัดความแข็งเชิงพานิช และการใช้ งาน
โดย
นายทัศนัย แสนพลพัฒน์
หัวน้ าห้ องปฏิบตั ิการความแข็ง, แรงบิด
นายนิธิวฒ
ั น์ สะสม
นักมาตรวิทยาห้ องปฏิบตั ิการความแข็ง
ฝ่ ายมาตรวิทยาเชิงกล
1
Slide 2
หัวข้ อบรรยาย
• การวัดความแข็งเบื้องต้น
• การวัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• การวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
2
Slide 3
หัวข้ อบรรยาย
• การวัดความแข็งเบือ้ งต้ น
• การวัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• การวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
3
Slide 4
การวัดความแข็งเบื้องต้น
โดย คุณทัศนัย แสนพลพัฒน์
ห้องปฏิบตั ิการความแข็ง
สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ
4
Slide 5
Hardness measurement
ความแข็งของวัสดุคืออะไร ?
ความแข็ง หมายถึง ความสามารถของวัสดุในการต้านการเปลี่ยนแปลง
รู ปร่ าง จากการถูกกระทาโดยวัสดุอื่นที่มีความแข็งกว่า โดยวิธีการกด, การกระแทก
หรื อขีดข่วน
หมายเหตุ การกระทาดังกล่าวไม่รวมถึงการกระทาโดยวิธีทางความร้อน,
ความเย็น, เคมี, ทางไฟฟ้ า ฯลฯ
5
Slide 6
Hardness measurement
สิ่ งของรอบๆ ตัวเราทุกวันนี้ เกีย่ วข้ องกับการวัดความแข็งมากเพียงใด ?
6
Slide 7
ประเภทของเครื่ องมือวัดความแข็ง
•
•
•
การวัดความแข็งแบบขีดข่วน (Scratch hardness test)
การวัดความแข็งแบบกระดอน (Rebound hardness test)
การวัดความแข็งแบบกด (Indentation hardness test)
7
Slide 8
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
Moh’s hardness scale
การวัดความแข็งแบบ Moh นี้ เป็ นการเรี ยงลาดับ และบอกถึง
ลาดับของความแข็ง ตามความสามารถในการต้านแรงขูดขีดของแร่ โดย
เปรี ยบเทียบกับความแข็งของแร่ ที่ถูกจัดทาไว้เป็ นความแข็งอ้างอิง การวัด
แบบนี้ถูกคิดค้นโดยนักแร่ ชาวเยอรมัน Friedrich Moh ในปี 1812 โดยจัด
กลุ่มความแข็งมาตรฐานอ้างอิงของแร่ ไว้ 10 ชนิ ด ทาให้หน่ วยวัดความ
แข็งแบบนี้มี 10 อันดับความแข็งด้วยกัน คือ 1 ถึง 10 เรี ยงจากแข็งน้อยไป
แข็งมากกว่า
8
Slide 9
Scratch hardness test
Types of Hardness testing
Moh’s hardness scale
Hardness
Number
Mineral
Sclerometer
Hardness
1
Talc, แป้ งฝุ่ น
1
2
Gypsum, แร่ ยปิ ซัม่
2
3
Calcite, แร่ แคลเซียม
คาร์บอเนต
9
Picture
9
Slide 10
Scratch hardness test
Types of Hardness testing
Moh’s hardness scale
Hardness
Number
Mineral
Sclerometer
Hardness
4
Fluorite, แร่ เคลเซียมฟลู
โอไรด์
21
5
Apatite, แร่ แคลเซียม
ฟอสเฟตและฟลูออไรด์
48
6
Orthoclase Fledspar, แร่
หิ นฟันม้า
72
Picture
10
Slide 11
Scratch hardness test
Types of Hardness testing
Moh’s hardness scale
Hardness
Number
Mineral
Sclerometer
Hardness
7
Quartz, หิ นเขี้ยวหนุมาน
100
8
Topaz, บุษราคัม
200
9
Corundum, อลูมิเนียมออก
ไซ (จาพวกพลอยและ
ทับทิม)
400
10
Diamond, เพชร
1500
Picture
11
Slide 12
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
File Testing
มีหลักการเดียวกับ Moh’s hardness scale แต่แทนที่จะใช้แร่
เป็ นตัวแทนในการจัดอันดับต่างๆ ซึ่งได้จดั ทาเป็ นตะไบขึ้นให้มีความแข็ง
ที่อนั ดับต่างๆ ขึ้นมาแทน ข้อดีของการใช้ File testing อีกข้อหนึ่ งคือ
สามารถจัดทาตะใบที่ความแข็งใดๆ ก็ได้ในหน่ วยความแข็งอื่นๆ ที่นิยม
ใช้กนั เช่น ชุดตะไบที่จดั ทาขึ้นนี้ ดังรู ปถูกทาไว้ 6 อันดับความแข็งที่ 65,
60, 55, 50, 45 และ 40 HRC เป็ นต้น
12
Slide 13
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
File Testing
13
Slide 14
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
Turner’s Sclerometer hardness test
Sclerometer ถูกพัฒนาเพื่อแก้ไขจุดอ่อนของ Moh’s hardness scale ใน
เรื่ องของความไม่ละเอียดของอันดับความแข็ง ซึ่งมีเพียง 10 อันดับ ถึงแม้ปัจจุบนั จะ
ถูกพัฒนาให้มีอนั ดับเพิ่มเติมแล้วก็ตาม Sclerometer เป็ นเครื่ องมือวัดความแข็งของ
แร่ โดยเฉพาะจะเห็นได้จากหน่วยวัดความแข็งของ Moh’s hardness scale ถูก
เปรี ยบเทียบกับค่าความแข็งโดย sclerometer เช่น เพชร มีความแข็งอันดับ 10 ตาม
scale ของ Moh แต่มีความแข็งเป็ น 1500 ตามหน่วยของ Sclerometer
14
Slide 15
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
Turner’s Sclerometer hardness test
Sclerometer
ถู ก
คิดค้นโดย Turner ในปี ค.ศ.
1896 โดยใช้หลักการที่วสั ดุ ที่ถูก
วัดความแข็ง จะถูกขีดข่วนด้วย
หั ว เพชรบนพื้ น ผิ ว ที่ เ รี ยบ ค่ า
ความแข็ ง จะถู ก จั ด แบบเรี ยง
ลาดับตามน้ าหนักของหัวกดใน
หน่วยกรัม และเป็ นน้ าหนักที่ถูก
เพิ่มจนกระทัง่ ทาให้เกิ ดรอยขีด
ข่ ว นบนวัส ดุ ที่ ถู ก ทดสอบ ซึ่ ง
จะต้องสังเกตได้โดยตาเปล่า
15
Slide 16
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
Scratch testing for material
มีความคล้ายคลึงกับ sclerometer มาก เพียงแต่ค่าความแข็งจะถูกวัด
แบบเรี ยงลาลับตามแรงเสี ยดทาน (Friction force) ที่หวั กดซึ่ งทาจากเพชรใช้ขดู
ขีด นิยมใช้วดั ความแข็งของ ceramic งาน coating ที่ความลึกไม่เกิน 20 um ใน
ปั จจุบนั นี้มีมาตรฐานของ scratch testing for material อยูม่ ากมายเช่น ASTM
G171, ASTM C1624, ISO 20502 และ ISO 1518 เป็ นต้น
16
Slide 17
Types of Hardness testing
Rebound hardness test
Shore’s Scleroscope
เป็ นวิ ธี การหนึ่ งใน
ก ลุ่ ม ก า ร วั ด ค ว า ม แ ข็ง แ บ บ
กระดอน ถู ก คิ ด ค้น โดย Shore
Instruments, Division of Instron
Corp. ในประเทศอเมริ กา ใช้
หลัก การปล่ อ ยให้ หั ว กดซึ่ งท า
จากเพชรตกลงบนผิวชิ้ นงานวัด
ค่าความแข็งถูกวัดแบบเรี ยงลาดับ
จากระยะความสู ง ของหั ว กดที่
กระดอนกลับ (rebound)
17
Slide 18
Types of Hardness testing
ความแข็ ง ที่ ไ ด้ จ ากวิ ธี น้ ี มี
ความสัมพันธ์ กับ elasticity ของวัสดุ
มากกว่า ultimate strength ดังนั้น การใช้
ตารางแปลงหน่ ว ยความแข็ง ไปยัง ความ
แข็ง แบบอื่ นๆ จะต้อ งค านึ งถึ ง กลุ่ ม วัสดุ
อย่า งมาก ซึ่ งโดยส่ ว นใหญ่ แ ล้ว ตาราง
แปลง scale ความแข็งใน ASTM E140
หรื อ DIN50 150 นั้น เป็ นตารางแปลง
scale ความแข็งของวัสดุจาพวก unalloyed
หรื อ low-alloyed steel เท่านั้น หากเป็ น
วัสดุ กลุ่มอื่ นอาจให้ความผิดพลาดสู งใน
การแปลงหน่ วย ซึ่ งอาจจัดกลุ่มวัสดุ ตาม
Yong’s Modulus ได้ดงั นี้
Rebound hardness test
Shore’s Scleroscope
18
Slide 19
Rebound hardness test
Types of Hardness testing
Shore’s Scleroscope
**** ข้อ ควรระวัง การวัด
ค ว า ม แ ข็ ง ด้ ว ย Rebound
hardness test ทุกประเภท จะ
มี ผ ลกระทบจากปั จ จัย อื่ น ๆ
ได้ เช่ น ความเรี ยบผิ ว งาน,
มวลของชิ้ นงาน, ความหนา,
รู ปร่ างผิวงาน เป็ นต้น
กลุ่ม
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ประเภทวัสดุ
Steel
Alloy Steel
Stainless Steel
Grey Iron
Nodular Iron
Aluminum
Brass
Bronze
Copper
19
Slide 20
Rebound hardness test
Types of Hardness testing
Leeb Hardness Test
Leeb hardness test ถูกคิดค้นประดิษฐ์โดย D.Leeb ชาวสวิสเซอร์ แลนด์ เป็ น
เครื่ องมือวัดความแข็งแบบกระดอนชนิ ดหนึ่ ง เหมาะสาหรับงานโลหะหล่อชิ้นงาน
ใหญ่ ถือว่าเป็ น Portable hardness tester ที่มีมาตรฐานรองรับ เช่น ASTM A956
เป็ นต้น Leeb hardness เป็ นการวัดแบบเรี ยงลาดับความแข็ง จากการสู ญเสี ย
พลังงานจลน์และกระดอนกลับ ความเร็ วสัมผัสชิ้นงานก่อนกระดอน และความเร็ ว
ในการกระดอนกลับ ถูกวัดเพื่อเป็ นตัวแทนของการวัดการสูญเสี ยพลังงานจลน์
HL = 1,000
B
A
เมื่อ A คือ ความเร็ ว Hammer ก่อนกระทบชิ้นงาน
B คือ ความเร็ ว Hammer หลังกระทบชิ้นงาน
20
Slide 21
Types of Hardness testing
Rebound hardness test
Leeb Hardness Test
เช่นเดียวกับ Shore’s seleroscope hardness test ผลการวัดความแข็งจะ
ขึ้นอยูก่ บั ค่า Yong’s Modulus มากกว่า Ultimate Strength และค่าความแข็งอาจ
ผิดพลาดจากผลกระทบของความเรี ยบผิวงาน. มวลของชิ้นงาน, ความหนา, รู ปร่ างผิว
งาน เป็ นต้น และควรคานึ งถึงประเภทของวัสดุในการแปลงค่าความแข็งไปยังหน่วย
อื่นเหมือน Rebound hardness test ทัว่ ไป
21
Slide 22
Types of Hardness testing
เป็ นวิ ธี ก ารวัด ความแข็ ง แบบกด
(Indentation Method) ที่เก่าแก่ที่สุดวิธีหนึ่ง และ
ยังคงได้รับความนิ ยมใช้อยูใ่ นปั จจุบนั ถูกคิดค้น
โดย Dr.John August Brinell ชาวสวิเดน ในปี
ค.ศ. 1900 Brinell hardness test ใช้หลักการออก
แรงกดผ่านหัวกดรู ปทรงกลม (Ball Indenter)
ด้วยแรงที่กาหนดไว้ ผลการวัดความแข็ง Brinell
ได้จ ากผลหารของแรงกดในหน่ ว ยกิ โ ลกรั ม
(kgf) ด้วยพื้นที่ผิวที่ถูกกดด้วย Ball Indenter ใน
หน่ ว ยของตารางมิ ล ลิ เ มตร (mm2 )ซึ่ งถู ก วัด
ทางอ้อมโดยคานวณจากเส้นผ่านศูนย์กลางของ
หลุมที่ถกู กดหลังถอนแรงกดออกแล้ว
Indentation hardness test
Brinell Hardness Test
22
Slide 23
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
Brinell hardness scale (HB) =
=
Surface area of impression (mm 2 )
Test force (N)
9 . 80665
2
d2
D 1 1
2
D2
= 0 .102
d=
Brinell Hardness Test
Test force ( kgf )
2F
D D
D d
2
2
d1 d2
2
เมื่อ
F = Test force ในหน่วย N
D = เส้นผ่านศูนย์กลางของหัวกดทรงกลมในหน่วย mm.
D = เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของหลุมที่ถูกกดบนชิ้นงาน
d1, d2 = เส้นผ่านศูนย์กลางของหลุมที่ถูกกดบนชิ้นงานตั้งฉากกัน 90
23
Slide 24
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
Brinell Hardness Test
การเลือกขนาดแรงกดและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวกดนี้ จะต้องคานึงถึงปัจจัยที่สาคัญ
ตัวหนึ่ง คือ ค่าอัตราส่ วนแรงกด-เส้นผ่านศูนย์กลาง (Force-diameter ratio) มีค่าดังนี้
Force - diameter ratio = 0 . 102 x
F N
, mm 2
2
D
แรงกดและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวกดจะต้องอยู่
ใน 1 – 30 N/mm2 เพื่อไม่ให้หวั กดเปลี่ยนแปลงรู ปร่ าง
หรื อเสี ยหายได้ และขณะหัวกดยังคงรู ปทรงกลมอยูใ่ น
เกณฑ์ยอมรับได้
ตลอดจนผลการวัดความแข็งของ
Brinell hardness ในวัสดุเดียวกันจะให้ค่าความแข็ง
เปลี่ยนแปลงตามแรงกด
แต่จะให้ค่าผลการวัดที่
สอดคล้องกัน
ถ้าใช้ค่าอัตราส่ วนแรงกด–เส้นผ่าน
ศูนย์กลาง (Force–diameter ratio) ที่เท่ากันดังตัวอย่าง
รู ปที่แสดง
24
Slide 25
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
ISO 6506 กาหนดให้เลือกค่า Force–diameter ratio ให้สอดคล้องกับวัสดุที่ทาการทดสอบ และความแข็งที่ปรากฏ
Material
Brinell hardness ,HBW
Force-diameter ratio, 0,102 x F/D2
N/mm2
Steel – Nickel alloys Titanium alloys
Cast irona
Copper and copper alloys
30
< 140
10
≥ 140
30
< 35
5
35 to 200
10
> 200
30
2.5
< 35
Light metals and their alloys
5
10
35 to 80
15
10
> 80
Lead, tin Sintered metal
Brinell Hardness Test
15
1
See ISO 4498-1
a For the testing of cast iron the nominal diameter of the ball shall be 2,5 mm, 5 mm or 10 mm.
25
Slide 26
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
Brinell Hardness Test
พิสัยการวัดความแข็งของ Brinell Hardness
Force-diameter ratio
0,102 x F/D2
N/mm2
Brinell hardness
HBW
Hardness symbol
30
95.5-653
HBW10/3000 , HBW5/750 , HBW2.5/187.5 , HBW1/30
15
47.7-327
HBW10/1500
10
31.8 - 218
HBW10/1000 , HBW5/250 , HBW2.5/62.5 , HBW1/10
5
15.9 – 109
HBW10/500 , HBW5/125 , HBW2.5/31.25 , HBW1/5
2.5
7.96 – 54.5
HBW10/250 , HBW5/62.5 , HBW2.5/15.625 , HBW1/2.5
1
3.18 – 21.8
HBW10/100 , HBW5/25 , HBW2.5/6.25 , HBW1/1
26
Slide 27
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Vickers Hardness Test
Vickers hardness test ถูกคิดค้นและประดิษฐ์โดย R.Smith
และ G.Sandland วิศวกรบริ ษทั Vickers Ltd. ประเทศอังกฤษ ในปี
ค.ศ. 1925 สามารถกล่าวได้วา่ Vickers hardness test มีช่วงการวัดที่
กว้างที่ สุด ครอบคลุ มความต้องการในการวัดความแข็งทั้งหมด
และสามารถประยุกต์ใช้งานได้กบั วัสดุเกือบทุกชนิ ดได้ดว้ ย scale
เดียว ข้อดีที่เหนือกว่าการวัดแบบ Brinell hardness อีกประการหนึ่ง
คือ ผลการวัดค่าความแข็งคงที่ไม่เปลี่ยนไปตามแรงกด ซึ่ ง Brinell
hardness จะให้ผลการวัดความแข็งเปลี่ยนไปตามอัตราส่ วนแรงกับ
เส้นผ่านศูนย์กลางหัวกด (force-diameter ratio) Vickers hardness
test มีหลักการคล้ายคลึงกับ Brinell hardness test กล่าวคือ ออกแรง
กดไปยังชิ้ นงานผ่านหัวกดซึ่ งทาจากเพชร และมีรูปทรงพีระมิดมี
มุมยอดปิ ระมิด 136
27
Slide 28
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
Vickers Hardness Test
ค่าความแข็งในหน่วย Vickers hardness, HV สามารถคานวณ
ได้จาก ผลหารของแรงกดในหน่วยกิโลกรัม (kgf) ด้วยเพื่อที่ผิวภายใต้
แรงกด ซึ่ งถูกวัดทางอ้อมโดยการวัดเส้นทแยงมุ มทั้งสองด้า นของ
หลุมกดหลังถอนหัวกดออกแล้ว ดังนี้
Vickers hardness number, HV
=
Test force ( kgf )
impression area (mm 2 )
F (N )
=
9 . 80665
d2
( mm 2 )
136
2 sin
2
= 0.1891·
และ d
เมื่อ F =
d =
d1, d2 =
=
F
d2
d1 d2
2
แรงกดในหน่วย N
เส้นทแยงมุมเฉลี่ยในหน่วย mm
เส้นทแยงมุมของหลุมกดทั้ง 2 ด้าน ในหน่วย mm
28
Slide 29
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Vickers Hardness Test
ในบางครั้งเราอาจแสดงผลการวัดในหน่ วย Pa หรื อ MPa ได้ โดยคูณด้วย 9.80665 x 106 และ
9.80665 ตามลาดับ ข้อควรระวังของ Vickers hardness คือ ความเรี ยบผิวงานจะต้องดีมากเมื่อเทียบกับการ
วัดด้วย Rockwell hardness test มิฉะนั้นจะไม่สามารถวัดเส้นทแยงมุมของหลุมกดได้ และปั ญหาความ
ถูกต้อง (Accuracy) ของตัว Microscope เองให้ความถูกต้องไม่ดีกว่า 1 um (บางกรณี ให้ผดิ พลาดถึง 10 um)
จึงเป็ นการยากที่จะวัดความแข็งในหน่วยนี้ที่เส้นทแยงมุมเล็กๆ โดยเฉพาะงาน Micro hardness
29
Slide 30
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
Knoop Hardness Test
Knoop hardness number, HK =
Test load (kgf)
Im pression area (mm 2 )
= F ( kgf )
C l2
เมื่อ
F
C
l
=
=
=
แรงกดในหน่วย kgf
ค่าคงที่ในการคานวณหาพื้นที่ภายใต้แรงกดม 0.070279
เส้นทแยงมุมด้านขวาในหน่วย mm
Knoop hardness test นี้มีหลักการทางาน
คล้ายคลึงกับ Vickers hardness มาก แตกต่างกัน
ที่ รู ปร่ างหัว กดเท่ านั้นเอง ซึ่ ง หัว กดของ knoop
hardness ทาจากเพชรพี ระมิ ด โดยมี มุมยอด
แหลม 130 และ 172.5 ดังรู ป
Knoop hardness test นี้ถูกคิดค้นขึ้นในปี
ค.ศ. 1939 โดย Fredrick knoop และเพื่อน
ร่ วมงานของเขา ณ National Bureau of Standard
(ปั จจุบนั คือ NIST) ประเทศสหรัฐอเมริ กา และ
ถูกทาให้เป็ นมาตรฐานตามเอกสาร ASTM D1474
ค่าความแข็งของ Knoop hardness คานวณ
ได้จากสัดส่ วนผลหารของแรงกดผ่านหัวกดใน
หน่วยกิโลกรัม (kgf) ต่อพื้นที่ผิวภายใต้แรงกดใน
หน่วยตารางมิลลิเมตร (mm2) ซึ่ งถูกวัดทางอ้อม
ซึ่ ง ค านวณจากเส้ น ทแยงมุ ม ด้า นยาวในหน่ ว ย
มิลลิเมตร (mm)
30
Slide 31
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Knoop Hardness Test
โดยปกติแล้ว Knoop hardness ถูกนาไปใช้ในงานคล้ายคลึงกับ Vickers hardness แต่ลกั ษณะ
ของหัวกดที่ทาให้หลุมกดมีเส้นทแยงมุมด้านหนึ่ งยาวกว่าอีกด้านหนึ่ งถึง 7 เท่า และมีความลึกเพียง 1
ใน 30 ของเส้นทแยงมุมด้านยาวนี้ ทาให้ Knoop hardness เหมาะสมกับงาน Micro hardness อย่างมาก
เพราะเส้นทแยงมึมที่ยาวขึ้นนี้ ทาให้วดั ด้วย Microscope ง่ายขึ้น และความลึ กเพียง1 ใน 30 ของเส้น
ทแยงมุมด้านยาวนี้ ยังเหมาะกับงาน thin coating และวัสดุแข็งเปราะ เช่น กระจก, เซรามิก อีกด้วย
31
Slide 32
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Rockwell Hardness Test
Rockwell hardness test ถูกประดิษฐ์คิดค้นขึ้นโดย Stanly P.Rockwell นักโลหะวิทยาชาว
อเมริ กนั ในปี ค.ศ. 1919 เมื่อเทียบกับการวัดความแข็งแบบกดวิธีอื่นๆ แล้ว Rockwell Hardness test
เป็ นการวัดความแข็งที่รวดเร็ วมีความถูกต้อง (Accuracy) สู ง ต้องการการเตรี ยมชิ้นงานทดสอบน้อย
และขึ้นอยูก่ บั ผูป้ ฏิบตั ิการวัดต่า โดยหลักการแล้วผูป้ ระดิษฐ์ตอ้ งการเรี ยงลาดับความแข็งจากระยะไม่
คืนตัวของชิ้นงาน หลังถูกกดด้วยแรงกดผ่านหัวกดที่ถูกกาหนดไว้ โดยมีเงื่อนไขว่า วัสดุที่ให้ระยะไม่
คืนตัวหลังถูกกดมากมีความแข็งในหน่วย Rockwell น้อย และวัสดุใดที่ให้ระยะไม่คืนตัวน้อยก็จะถือว่า
มีความแข็งมากเป็ นอัตราส่ วนเชิงเส้นไป
32
Slide 33
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Rockwell Hardness Test
จากแนวคิดดังกล่าวข้างต้น Rockwell hardness test ถูกกาหนดให้มีแรงกด 2 ระดับด้วยกัน
เรี ยกว่า แรงกดเบื้องต้น (Preliminary test force) และแรงกดหลัก (total test force) กระบวนการวัดเริ่ ม
จากชิ้ นงานทดสอบจะถู กกดด้ว ยแรงกดเบื้ องต้นผ่า นหัว กด ตาแหน่ งจมที่ เ กิ ดขึ้ น นี้ จะถูกอ้างเป็ น
ตาแหน่งอ้างอิง จากนั้นจะเพิม่ แรงกดเป็ นแรงกดหลักและทิ้งไว้ดว้ ยเวลาที่กาหนด ระยะไม่คืนตัวจะถูก
วัดเทียบกับตาแหน่ งอ้างอิง หลังถอนแรงกดหลักออกให้เหลือเพียงแรงกดเบื้องต้น ดังรู ป สาเหตุที่ผู้
คิดค้น Rockwell hardness test ออกแบบให้กดด้วยแรงกดเบื้องต้นก่อน และอ้างตาแหน่งดังกล่าวเป็ น
ตาแหน่ งอ้างอิง แทนที่ จะกดด้วยแรงกดหลักโดยตรงและอ้างตาแหน่ งอ้างอิ งจากผิวชิ้ นงานทดสอบ
เนื่ องจากเพื่อลดผลกระทบจาก Backlash ของเครื่ องมือวัดระยะจม ซึ่ งส่ วนใหญ่แล้วในช่วงเวลานั้น
นิยมใช้ dial gauge ประกอบกับลดผลกระทบจากความเรี ยบ (surface roughness) ของชิ้นงานทดสอบ
33
Slide 34
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Rockwell Hardness Test
จากหลักการปฏิบตั ิงานดังที่กล่าวมาแล้ว จะเห็นว่า Rockwell hardness test เป็ นวิธีการวัดความแข็งที่ง่ายต่อ
การใช้งาน เมื่อเทียบกับ Vickers hardness หรื อ Brinell hardness แต่ในทางกลับกัน Rockwell hardness test กลับมี
จุดอ่อนอยูม่ าก เช่น มีพิสัยการวัดที่แคบไม่ครอบคลุมความแข็งใช้งาน, ไม่สามารถควบคุมขนาดพื้นที่ผวิ กดได้ ไม่
สามารถควบคุมความลึกของงานทดสอบได้ เพื่อให้การทดสอบความแข็งแบบ Rockwell hardness test สามารถ
นาไปใช้งานวัดความแข็งได้ครอบคลุม การทดสอบความแข็งแบบนี้จึงต้องกาหนดหน่วยวัดย่อยลงไปอีกมากมาก
เช่น Rockwell scale A, B, C, …เป็ นต้น โดยแตกต่างกันที่
1. แรงกดเบื้องต้น (Preliminary test force)
2. แรงกดหลัก (Total test force)
3. หัวกด (Indentor)
และหลักเกณฑ์ในการเลือก Hardness Rockwell หน่วยย่อยใดๆ นั้นให้พิจารณาจาก
1. ประเภทของวัสดุ
2. ระยะซึมลึกในการทดสอบ
3. ระดับความแข็งที่ทดสอบ
34
Slide 35
หัวข้ อบรรยาย
• การวัดความแข็งเบื้องต้น
• การวัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• การวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
35
Slide 36
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• โครงสร้ าง
36
Slide 37
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• โครงสร้ าง (ต่ อ)
37
Slide 38
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• หลักการทางาน
ผิวชิ้นงาน
h
38
Slide 39
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• scale ของ รอกเวลล์
Regular Rockwell scales
Rockwell
hardness
scale
Hardness
symbol
Type of indenter
(mm)
Preliminary
test force F0
(N)
Total test
force F (N)
A
B
C
D
E
F
G
H
K
HRA
HRB
HRC
HRD
HRE
HRF
HRG
HRH
HRK
Diamond cone
Ball 1.5875 mm
98.07
98.07
98.07
98.07
98.07
98.07
98.07
98.07
98.07
588.4
980.7
1.471
980.7
980.7
588.4
1471
588.4
1471
Diamond cone
Diamond cone
Ball 3.175 mm
Ball 1.5875 mm
Ball 1.5874 mm
Ball 3.175 mm
Ball 3.175 mm
Field of application
(Rockwell hardness test)
20 HRA to 88 HRA
20 HRB to 100 HRB
20 HRC to 70 HRC
40 HRD to 77 HRD
70 HRE to 100 HRE
60 HRF to 100 HRF
30 HRG to 94 HRG
80 HRH to 100 HRH
40 HRK to 100 HRK
39
Slide 40
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• scale ของ รอกเวลล์ (ต่ อ)
Superficial Rockwell scales
Rockwell
hardness
scale
Hardness
symbol
Type of indenter
(mm)
Preliminary
test force F0
(N)
Total test
force F (N)
15N
30N
45N
15T
30T
45T
HR15N
HR30N
HR45N
HR15T
HR30T
HR45T
Diamond cone
Diamond cone
29.42
29.42
29.42
29.42
29.42
29.42
147.1
294.2
441.3
147.1
294.2
441.3
Diamond cone
Ball 1.5875 mm
Ball 1.5875 mm
Ball 1.5875 mm
Field of application
(Rockwell hardness test)
70 HR15N to 94 HR15N
42 HR30N to 86 HR30N
20 HR45N to 77 HR45N
67 HR15T to 93 HR15T
29 HR30T to 82 HR30T
10 HR45T to 72 HR45T
40
Slide 41
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
Rockwell hardness calculation
• การคานวณค่ าความแข็ง
HRA
HRC
HRD
Rockwell hardness = 100 – h/0.002
HRB
HRE
HRF
HRG
HRH
HRK
Rockwell hardness = 130 – h/0.002
HRN
HRT
Rockwell hardness = 100 – h/0.001
41
Slide 42
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• ทาไม รอกเวลล์ มีหลาย scale ?
☹เพราะระยะจม, h วัดได้ดีอยูร่ ะหว่าง 0.030 mm- 0.200 mm (ช่วงต้นศตวรรษที่20)
☹เพราะข้อจากัดของขนาดเพชร ที่ทาหัวกดindenter
☺เพราะต้องการควบคุมขนาดหลุมกด
☹เพราะหัวกดindenter ทนความเค้นได้จากัด
☺เพราะต้องการควบคุมระยะจม
☹เพราะหัวกด indenter ทนความเค้นได้จากัด
42
Slide 43
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• ขั้นตอนดาเนินการ วัด/ทดสอบ
1. การวัดทดสอบการดาเนินภายใต้สภาวะแวดล้อม 10C-35 C
2. ทาความสะอาดเครื่ องวัดและทดสอบ
2.1 มีการถอด, เปลี่ยน หัวกดความแข็งหรื อแท่นวางชิ้นงาน (Anvil) หรื อ
2.2 อยูใ่ นช่วงเวลาการทาความสะอาดที่กาหนด หรื อ
2.3 มีเหตุสงสัยในผลการวัด/ทดสอบ
3. Exercise โดยกดวัดชิ้นงานทั้ง 2 ครั้ง โดยไม่บนั ทึกค่า ถ้า.....
3.1 เครื่ องทดสอบความแข็งถูกใช้งานครั้งล่าสุ ดนานกว่า 24 ชัว่ โมง หรื อ
3.2 มีการถอด, เปลี่ยน หัวกดความแข็งหรื อแท่นวางชิ้นงาน (Anvil)
4. ทาความสะอาดชิ้นงานทดสอบ
43
Slide 44
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• ขั้นตอนดาเนินการ วัด/ทดสอบ
5. กดชิ้นงานด้วยแรงกด Preliminary test force, Fo ด้วยเวลา 3 วินาที ตาแหน่ง
ของ indenter ต้องอยูใ่ นพิกดั ที่กาหนด และปรับหน้าปั ดให้ช้ ี 100 HRC กรณี
เป็ นแบบเข็ม
6. เพิ่มแรงกดจาก Preliminary test force, F0 เป็ น total test force, F1 ด้วยช่วง
เวลา 1 วินาที ถึง 8 วินาที
7. ให้ Total test force กระทาบนชิ้นงานด้วยเวลา 4 วินาที 2 วินาที
8. ถอน Total test force ให้คงค้างค่าแรงกดเฉพาะ Preliminary test force
9. อ่านค่าความแข็งหลังจากเข็มนิ่ งแล้วด้วยเวลาอันสั้น
(ต้องอ่านค่าหลังจากทิ้งไว้ประมาณ 3 วินาที ถึง 5 วินาที)
44
Slide 45
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
- ในกรณี ที่เครื่ องถูกออกแบบ, ผลิต และสอบ
เทียบให้เป็ นไปตาม ISO 6508-2
• ความถูกต้อง (Accuracy) ของเครื่ องทดสอบความแข็ง
45
Slide 46
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• ผังการสอบเทียบเครื่ องทดสอบความแข็ง
Force
calibration
Rockwell Hardness Machine
Depth measurement,
Length calibration
Indenter,
shape Calibration
Hardness measurement,
Indirect calibration
Testing cycle, Time
calibration
Calibration diagram of Rockwell hardness testing machine
46
Slide 47
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• ปั จจัยที่มีผลต่อความผิดพลาดในการวัด
-ความสะอาดเครื่ องทดสอบความแข็ง
-การยืดตัวของโครงเครื่ อง (frame deformation)
-แท่นวางชิ้นงาน (Anvil)
-การเยื้องศูนย์
-แรงสัน่ สะเทือน
-ชิ้นงาน
- การเตรี ยมชิ้นงาน
-ความหนา
- ชิ้นงานมีลกั ษณะเพลา
- ชิ้นงานมีลกั ษณะทรงกลม
- ตาแหน่งกดชิ้นงาน
-หัวกด (Indenter)
-แรงกด และจังหวะเวลา (Testing cycle)
-การเลือก Scale และการแปลงหน่วย
47
Slide 48
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• การเฝ้ าระวังผลการวัดและทดสอบ
1.
ตรวจสอบลักษณะรู ปร่ างของ Indenter ด้วย Microscope เป็ นระยะๆ
2.
เฝ้ าเปรี ยบเทียบค่าความแตกต่างของผลการวัด/ทดสอบ เทียบกับ reference
indenter
3.
การทา check deformation
4.
การทา Intermediate check ควรกระทาทุกวัน กดอย่างน้อย 3 ค่า ค่าเฉลี่ยต้อง
ไปเกิน Accuracy ของ scale นั้นๆ
5.
การสุ่ มทดสอบชิ้นงานซ้ า (เฝ้ าระวังการปฏิบตั ิงาน)
48
Slide 49
หัวข้ อบรรยาย
• การวัดความแข็งเบื้องต้น
• การวัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• การวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ ส
49
Slide 50
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• โครงสร้ าง
Loading Lever
Pushing rod
Weight support
Loading Metal
Microscope
Weights
Turret turning knob
Load changing rod
Indenter
Weight Disk
Table
Load changing dial
Elevating Shaft
Loading speed
adjusting
Hand Wheel
Load Handle
50
Slide 51
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• หลักการทางาน
ผิวชิ้นงาน
v
Ta
Td
51
Slide 52
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• หลักการทางาน
จังหวะเวลา (Testing cycle)
ประเภท
แรงกด
ตัวแปร
F,kgf ความเร็วก่อนสัมผัสชนิ้ งาน เวลาเพิม่ แรงกด เวลารักษาแรงกด
Vickers test
F ≥5
≤ 0.2 mm/s
2-8s
10 - 15 s
Low force Vickers test 0.2 ≤ F < 5
≤ 0.2 mm/s
≤ 10 s
10 - 15 s
Vickers microhardness test 0.2 < F 0.015 - 0.070 mm/s
≤ 10 s
10 - 15 s
52
Slide 53
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• หลักการทางาน
Vickers hardness number, HV
=
Test force ( kgf )
impression area (mm 2 )
F (N )
=
9 . 80665
2
d
2
( mm )
136
2 sin
d2
2
= 0.1891·
และ d
เมื่อ F =
d =
d1, d2 =
=
F
d2
d1 d2
2
แรงกดในหน่วย N
เส้นทแยงมุมเฉลี่ยในหน่วย mm
เส้นทแยงมุมของหลุมกดทั้ง 2 ด้าน ในหน่วย mm
d1
53
Slide 54
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• การคานวณค่ าความแข็ง
Vickers hardness calculation
Vickers Hardness
Test force
Surface area of indentatio n
2 F sin
2
0 . 102
d
0 . 1891
136
F
d
2
2
approximat ely
Where:
F = Test force (N)
d = Arithmetic mean, in mm, of the two diameter, the diagonal length d1 and d2
54
Slide 55
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• scale ของ วิกเกอร์ ส
Hardness test
Hardness
symbol
a
Nominal value of
the test force F
Low -force hardness test
Hardness
symbol
N
a
Nominal value of
the test force F
Microhardness test
Hardness
symbol
N
Nominal value of
the test force F
N
HV 5
49,03
HV 0,2
1,961
HV 0,01
0,098 07
HV 10
98,07
HV 0,3
2,942
HV 0,015
0,147
HV 20
196,1
HV 0,5
4,903
HV 0,02
0,196 1
HV 30
294,2
HV 1
9,807
HV 0,025
0,245 2
HV 50
490,3
HV 2
19,61
HV 0,05
0,490 3
HV 100
980,7
HV 3
29,42
HV 0,1
0,980 7
Nominal tes t forces greater than 980,7 N may be applied.
55
Slide 56
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• ทาไม วิกเกอร์ สมีหลาย scale ?
☺ เพื่อให้ได้ระยะเส้นทแยงมุม, d ที่เหมาะสม ไม่เล็กเกินไปหรื อใหญ่เกินไป
☺ เพื่อควบคุมความลึกในการทดสอบความแข็งให้อยูใ่ นช่วงที่ตอ้ งการ
☺ เพื่อลดความเสี่ ยงต่อการเกิดความเสี ยหายของ indenter
☺ เพื่อให้ได้ผลการวัดเป็ นตัวแทนของทั้งชิ้นงาน ในกรณี ที่ชิ้นงานไม่มีความ
สม่าเสมอของความแข็ง
56
Slide 57
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• ขั้นตอนดาเนินการ วัด/ทดสอบ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
การวัดทดสอบการดาเนินภายใต้สภาวะแวดล้อม 10C-35 C กรณี ควบคุม
อุณหภูมิหอ้ ง ต้องอยูใ่ น 23 +/- 5 C
ทาความสะอาดเครื่ องวัดและทดสอบ
ทาความสะอาดชิ้นงานทดสอบ
กดชิ้นงานด้วยแรงกด test force ที่กาหนดจากหน่วยหน่วยวิกเกอร์ สที่
ต้องการ ตามจังหวะเวลา (testing cycle) อย่างเคร่ งครัด
วัดความยาวเส้นทแยงมุม d1, d2
คานวนค่าความแข็งตามแรงกดที่ใช้และเส้นทแยงมุมที่ได้
57
Slide 58
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
- ในกรณี ที่เครื่ องถูกออกแบบ, ผลิต และสอบ
เทียบให้เป็ นไปตาม ISO 6507-2
• ความถูกต้อง (Accuracy) ของเครื่ องทดสอบความแข็ง
Permissible Repeatability of the testing machine
Hardness
of the of the
Hardness
reference
reference
block
block
< 225 HV
d
d 1 d 2 ... d 5
HV
5
HV5 to
HV0.2 to
HV100
< HV5
0 . 03 d
0 . 06 d
< HV0.2
0 . 06 d
> 225 HV
0 . 02 d
0 . 04 d
HV5 to HV100
HV0.2 to < HV5
Hardness
of the
reference
block
Hardness
of the
reference
block
HV
HV
100
6
100
12
200
12
200
24
250
10
250
20
350
14
350
28
600
24
600
48
750
30
750
60
0 . 05 d
* Repeatability, r ต้องไม่นอ้ ยกว่า 0.001 mm
58
Slide 59
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
- ในกรณี ที่เครื่ องถูกออกแบบ, ผลิต และสอบ
เทียบให้เป็ นไปตาม ISO 6507-2
• ความถูกต้อง (Accuracy) ของเครื่ องทดสอบความแข็ง
Maximum permissible percentage error of the hardness
testing machine
Hardness
Hardness, HV
symbol
50
100
150
200
250
300
8
9
350
400
450
10
10
11
500
600
700
800
900
1000
1500
HV0.01
HV0.015
10
HV0.02
8
HV0.025
8
10
HV0.05
6
8
9
10
HV0.1
5
6
7
8
HV0.2
4
6
8
9
10
11
11
12
12
HV0.3
4
5
6
7
8
9
10
10
11
11
HV0.5
3
4
5
6
6
7
7
8
8
9
11
HV1
3
3
4
4
5
5
5
6
6
6
8
HV2
3
3
3
4
4
4
4
4
5
5
6
HV3
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
5
HV5
3
3
3
3
3
3
3
3
3
4
4
HV10
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
HV20
3
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
HV30
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
HV50
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
HV100
59
Slide 60
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• ผังการสอบเทียบเครื่ องทดสอบความแข็ง
60
Slide 61
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
-แรงสัน่ สะเทือน
-ชิ้นงาน
- การเตรี ยมชิ้นงาน
-ความหนา
- ชิ้นงานมีลกั ษณะเพลา
- ชิ้นงานมีลกั ษณะทรงกลม
- การวางชิ้นงาน
-ชุดวัดเส้นทแยงมุมหลุมกด (microscope)
-ระบบส่องแสงสว่างของ Microscope
-ชุดมองภาพ
-เลนส์, Lens, ค่า NA
-เลนส์, Lens, อัตราขยาย
-ความถูกต้องและความละเอียด (resolution)
-แรงกด และจังหวะเวลา (Testing cycle)
-ผูป้ ฏิบตั ิงาน
• ปั จจัยที่มีผลต่อความผิดพลาดในการวัด
61
Slide 62
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
การเฝ้ าระวังผลการวัดและทดสอบ
• การเฝ้ าระวังผลการวัดและทดสอบ
1.
ตรวจสอบลักษณะรู ปร่ างของ Indenter ด้วย Microscope เป็ นระยะๆ
2.
ซ้อมวัดระยะเส้นทะแยงมุมของ reference indentation บนแท่งความแข็ง
มาตรฐาน เพื่อปรับสายตาและการตัดสิ นค่าของผูป้ ฏิบตั ิงาน ก่อนทาการวัด
และทดสอบชิ้นงานเป็ นระยะๆ
3.
เปรี ยบเทียบผลการวัดระยะเส้นทะแยงมุมของ reference indentation บนแท่ง
ความแข็งมาตรฐาน (เลือกค่าที่ scale เดียวกับที่จะใช้ทดสอบ และค่าความแข็ง
ใกล้เคียงกับที่ใช้งานอยู)่ ควรทาทุกวันที่ทาการใช้เครื่ อง ค่าเบี่ยงเบนที่ได้ตอ้ ง
ไม่เกินความถูกต้องที่กาหนดไว้ใน ISO 6507-2
62
Slide 63
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
การเฝ้ าระวังผลการวัดและทดสอบ
• การเฝ้ าระวังผลการวัดและทดสอบ
4. ทา Intermediate check โดยการวัดค่าความแข็งบนก้อนความแข็งอ้างอิงที่ถูก
สอบเทียบตาม ISO 6507-3 อย่างน้อย 1 ค่า และค่าเบี่ยงเบนที่ได้ตอ้ งไม่เกินค่า
ความถูกต้องที่กาหนดไว้ใน ISO 6507-2
63
Slide 64
VDO สาธิตการใช้ งานเครื่องทดสอบความแข็ง
-Rockwell HTM operation01.wmv
-Vickers HTM operation01.wmv
สามารถ down load ได้ ที่ www.nimt.or.th
64
เครื่องวัดความแข็งเชิงพานิช และการใช้ งาน
โดย
นายทัศนัย แสนพลพัฒน์
หัวน้ าห้ องปฏิบตั ิการความแข็ง, แรงบิด
นายนิธิวฒ
ั น์ สะสม
นักมาตรวิทยาห้ องปฏิบตั ิการความแข็ง
ฝ่ ายมาตรวิทยาเชิงกล
1
Slide 2
หัวข้ อบรรยาย
• การวัดความแข็งเบื้องต้น
• การวัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• การวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
2
Slide 3
หัวข้ อบรรยาย
• การวัดความแข็งเบือ้ งต้ น
• การวัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• การวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
3
Slide 4
การวัดความแข็งเบื้องต้น
โดย คุณทัศนัย แสนพลพัฒน์
ห้องปฏิบตั ิการความแข็ง
สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ
4
Slide 5
Hardness measurement
ความแข็งของวัสดุคืออะไร ?
ความแข็ง หมายถึง ความสามารถของวัสดุในการต้านการเปลี่ยนแปลง
รู ปร่ าง จากการถูกกระทาโดยวัสดุอื่นที่มีความแข็งกว่า โดยวิธีการกด, การกระแทก
หรื อขีดข่วน
หมายเหตุ การกระทาดังกล่าวไม่รวมถึงการกระทาโดยวิธีทางความร้อน,
ความเย็น, เคมี, ทางไฟฟ้ า ฯลฯ
5
Slide 6
Hardness measurement
สิ่ งของรอบๆ ตัวเราทุกวันนี้ เกีย่ วข้ องกับการวัดความแข็งมากเพียงใด ?
6
Slide 7
ประเภทของเครื่ องมือวัดความแข็ง
•
•
•
การวัดความแข็งแบบขีดข่วน (Scratch hardness test)
การวัดความแข็งแบบกระดอน (Rebound hardness test)
การวัดความแข็งแบบกด (Indentation hardness test)
7
Slide 8
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
Moh’s hardness scale
การวัดความแข็งแบบ Moh นี้ เป็ นการเรี ยงลาดับ และบอกถึง
ลาดับของความแข็ง ตามความสามารถในการต้านแรงขูดขีดของแร่ โดย
เปรี ยบเทียบกับความแข็งของแร่ ที่ถูกจัดทาไว้เป็ นความแข็งอ้างอิง การวัด
แบบนี้ถูกคิดค้นโดยนักแร่ ชาวเยอรมัน Friedrich Moh ในปี 1812 โดยจัด
กลุ่มความแข็งมาตรฐานอ้างอิงของแร่ ไว้ 10 ชนิ ด ทาให้หน่ วยวัดความ
แข็งแบบนี้มี 10 อันดับความแข็งด้วยกัน คือ 1 ถึง 10 เรี ยงจากแข็งน้อยไป
แข็งมากกว่า
8
Slide 9
Scratch hardness test
Types of Hardness testing
Moh’s hardness scale
Hardness
Number
Mineral
Sclerometer
Hardness
1
Talc, แป้ งฝุ่ น
1
2
Gypsum, แร่ ยปิ ซัม่
2
3
Calcite, แร่ แคลเซียม
คาร์บอเนต
9
Picture
9
Slide 10
Scratch hardness test
Types of Hardness testing
Moh’s hardness scale
Hardness
Number
Mineral
Sclerometer
Hardness
4
Fluorite, แร่ เคลเซียมฟลู
โอไรด์
21
5
Apatite, แร่ แคลเซียม
ฟอสเฟตและฟลูออไรด์
48
6
Orthoclase Fledspar, แร่
หิ นฟันม้า
72
Picture
10
Slide 11
Scratch hardness test
Types of Hardness testing
Moh’s hardness scale
Hardness
Number
Mineral
Sclerometer
Hardness
7
Quartz, หิ นเขี้ยวหนุมาน
100
8
Topaz, บุษราคัม
200
9
Corundum, อลูมิเนียมออก
ไซ (จาพวกพลอยและ
ทับทิม)
400
10
Diamond, เพชร
1500
Picture
11
Slide 12
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
File Testing
มีหลักการเดียวกับ Moh’s hardness scale แต่แทนที่จะใช้แร่
เป็ นตัวแทนในการจัดอันดับต่างๆ ซึ่งได้จดั ทาเป็ นตะไบขึ้นให้มีความแข็ง
ที่อนั ดับต่างๆ ขึ้นมาแทน ข้อดีของการใช้ File testing อีกข้อหนึ่ งคือ
สามารถจัดทาตะใบที่ความแข็งใดๆ ก็ได้ในหน่ วยความแข็งอื่นๆ ที่นิยม
ใช้กนั เช่น ชุดตะไบที่จดั ทาขึ้นนี้ ดังรู ปถูกทาไว้ 6 อันดับความแข็งที่ 65,
60, 55, 50, 45 และ 40 HRC เป็ นต้น
12
Slide 13
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
File Testing
13
Slide 14
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
Turner’s Sclerometer hardness test
Sclerometer ถูกพัฒนาเพื่อแก้ไขจุดอ่อนของ Moh’s hardness scale ใน
เรื่ องของความไม่ละเอียดของอันดับความแข็ง ซึ่งมีเพียง 10 อันดับ ถึงแม้ปัจจุบนั จะ
ถูกพัฒนาให้มีอนั ดับเพิ่มเติมแล้วก็ตาม Sclerometer เป็ นเครื่ องมือวัดความแข็งของ
แร่ โดยเฉพาะจะเห็นได้จากหน่วยวัดความแข็งของ Moh’s hardness scale ถูก
เปรี ยบเทียบกับค่าความแข็งโดย sclerometer เช่น เพชร มีความแข็งอันดับ 10 ตาม
scale ของ Moh แต่มีความแข็งเป็ น 1500 ตามหน่วยของ Sclerometer
14
Slide 15
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
Turner’s Sclerometer hardness test
Sclerometer
ถู ก
คิดค้นโดย Turner ในปี ค.ศ.
1896 โดยใช้หลักการที่วสั ดุ ที่ถูก
วัดความแข็ง จะถูกขีดข่วนด้วย
หั ว เพชรบนพื้ น ผิ ว ที่ เ รี ยบ ค่ า
ความแข็ ง จะถู ก จั ด แบบเรี ยง
ลาดับตามน้ าหนักของหัวกดใน
หน่วยกรัม และเป็ นน้ าหนักที่ถูก
เพิ่มจนกระทัง่ ทาให้เกิ ดรอยขีด
ข่ ว นบนวัส ดุ ที่ ถู ก ทดสอบ ซึ่ ง
จะต้องสังเกตได้โดยตาเปล่า
15
Slide 16
Types of Hardness testing
Scratch hardness test
Scratch testing for material
มีความคล้ายคลึงกับ sclerometer มาก เพียงแต่ค่าความแข็งจะถูกวัด
แบบเรี ยงลาลับตามแรงเสี ยดทาน (Friction force) ที่หวั กดซึ่ งทาจากเพชรใช้ขดู
ขีด นิยมใช้วดั ความแข็งของ ceramic งาน coating ที่ความลึกไม่เกิน 20 um ใน
ปั จจุบนั นี้มีมาตรฐานของ scratch testing for material อยูม่ ากมายเช่น ASTM
G171, ASTM C1624, ISO 20502 และ ISO 1518 เป็ นต้น
16
Slide 17
Types of Hardness testing
Rebound hardness test
Shore’s Scleroscope
เป็ นวิ ธี การหนึ่ งใน
ก ลุ่ ม ก า ร วั ด ค ว า ม แ ข็ง แ บ บ
กระดอน ถู ก คิ ด ค้น โดย Shore
Instruments, Division of Instron
Corp. ในประเทศอเมริ กา ใช้
หลัก การปล่ อ ยให้ หั ว กดซึ่ งท า
จากเพชรตกลงบนผิวชิ้ นงานวัด
ค่าความแข็งถูกวัดแบบเรี ยงลาดับ
จากระยะความสู ง ของหั ว กดที่
กระดอนกลับ (rebound)
17
Slide 18
Types of Hardness testing
ความแข็ ง ที่ ไ ด้ จ ากวิ ธี น้ ี มี
ความสัมพันธ์ กับ elasticity ของวัสดุ
มากกว่า ultimate strength ดังนั้น การใช้
ตารางแปลงหน่ ว ยความแข็ง ไปยัง ความ
แข็ง แบบอื่ นๆ จะต้อ งค านึ งถึ ง กลุ่ ม วัสดุ
อย่า งมาก ซึ่ งโดยส่ ว นใหญ่ แ ล้ว ตาราง
แปลง scale ความแข็งใน ASTM E140
หรื อ DIN50 150 นั้น เป็ นตารางแปลง
scale ความแข็งของวัสดุจาพวก unalloyed
หรื อ low-alloyed steel เท่านั้น หากเป็ น
วัสดุ กลุ่มอื่ นอาจให้ความผิดพลาดสู งใน
การแปลงหน่ วย ซึ่ งอาจจัดกลุ่มวัสดุ ตาม
Yong’s Modulus ได้ดงั นี้
Rebound hardness test
Shore’s Scleroscope
18
Slide 19
Rebound hardness test
Types of Hardness testing
Shore’s Scleroscope
**** ข้อ ควรระวัง การวัด
ค ว า ม แ ข็ ง ด้ ว ย Rebound
hardness test ทุกประเภท จะ
มี ผ ลกระทบจากปั จ จัย อื่ น ๆ
ได้ เช่ น ความเรี ยบผิ ว งาน,
มวลของชิ้ นงาน, ความหนา,
รู ปร่ างผิวงาน เป็ นต้น
กลุ่ม
1
2
3
4
5
6
7
8
9
ประเภทวัสดุ
Steel
Alloy Steel
Stainless Steel
Grey Iron
Nodular Iron
Aluminum
Brass
Bronze
Copper
19
Slide 20
Rebound hardness test
Types of Hardness testing
Leeb Hardness Test
Leeb hardness test ถูกคิดค้นประดิษฐ์โดย D.Leeb ชาวสวิสเซอร์ แลนด์ เป็ น
เครื่ องมือวัดความแข็งแบบกระดอนชนิ ดหนึ่ ง เหมาะสาหรับงานโลหะหล่อชิ้นงาน
ใหญ่ ถือว่าเป็ น Portable hardness tester ที่มีมาตรฐานรองรับ เช่น ASTM A956
เป็ นต้น Leeb hardness เป็ นการวัดแบบเรี ยงลาดับความแข็ง จากการสู ญเสี ย
พลังงานจลน์และกระดอนกลับ ความเร็ วสัมผัสชิ้นงานก่อนกระดอน และความเร็ ว
ในการกระดอนกลับ ถูกวัดเพื่อเป็ นตัวแทนของการวัดการสูญเสี ยพลังงานจลน์
HL = 1,000
B
A
เมื่อ A คือ ความเร็ ว Hammer ก่อนกระทบชิ้นงาน
B คือ ความเร็ ว Hammer หลังกระทบชิ้นงาน
20
Slide 21
Types of Hardness testing
Rebound hardness test
Leeb Hardness Test
เช่นเดียวกับ Shore’s seleroscope hardness test ผลการวัดความแข็งจะ
ขึ้นอยูก่ บั ค่า Yong’s Modulus มากกว่า Ultimate Strength และค่าความแข็งอาจ
ผิดพลาดจากผลกระทบของความเรี ยบผิวงาน. มวลของชิ้นงาน, ความหนา, รู ปร่ างผิว
งาน เป็ นต้น และควรคานึ งถึงประเภทของวัสดุในการแปลงค่าความแข็งไปยังหน่วย
อื่นเหมือน Rebound hardness test ทัว่ ไป
21
Slide 22
Types of Hardness testing
เป็ นวิ ธี ก ารวัด ความแข็ ง แบบกด
(Indentation Method) ที่เก่าแก่ที่สุดวิธีหนึ่ง และ
ยังคงได้รับความนิ ยมใช้อยูใ่ นปั จจุบนั ถูกคิดค้น
โดย Dr.John August Brinell ชาวสวิเดน ในปี
ค.ศ. 1900 Brinell hardness test ใช้หลักการออก
แรงกดผ่านหัวกดรู ปทรงกลม (Ball Indenter)
ด้วยแรงที่กาหนดไว้ ผลการวัดความแข็ง Brinell
ได้จ ากผลหารของแรงกดในหน่ ว ยกิ โ ลกรั ม
(kgf) ด้วยพื้นที่ผิวที่ถูกกดด้วย Ball Indenter ใน
หน่ ว ยของตารางมิ ล ลิ เ มตร (mm2 )ซึ่ งถู ก วัด
ทางอ้อมโดยคานวณจากเส้นผ่านศูนย์กลางของ
หลุมที่ถกู กดหลังถอนแรงกดออกแล้ว
Indentation hardness test
Brinell Hardness Test
22
Slide 23
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
Brinell hardness scale (HB) =
=
Surface area of impression (mm 2 )
Test force (N)
9 . 80665
2
d2
D 1 1
2
D2
= 0 .102
d=
Brinell Hardness Test
Test force ( kgf )
2F
D D
D d
2
2
d1 d2
2
เมื่อ
F = Test force ในหน่วย N
D = เส้นผ่านศูนย์กลางของหัวกดทรงกลมในหน่วย mm.
D = เส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของหลุมที่ถูกกดบนชิ้นงาน
d1, d2 = เส้นผ่านศูนย์กลางของหลุมที่ถูกกดบนชิ้นงานตั้งฉากกัน 90
23
Slide 24
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
Brinell Hardness Test
การเลือกขนาดแรงกดและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวกดนี้ จะต้องคานึงถึงปัจจัยที่สาคัญ
ตัวหนึ่ง คือ ค่าอัตราส่ วนแรงกด-เส้นผ่านศูนย์กลาง (Force-diameter ratio) มีค่าดังนี้
Force - diameter ratio = 0 . 102 x
F N
, mm 2
2
D
แรงกดและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวกดจะต้องอยู่
ใน 1 – 30 N/mm2 เพื่อไม่ให้หวั กดเปลี่ยนแปลงรู ปร่ าง
หรื อเสี ยหายได้ และขณะหัวกดยังคงรู ปทรงกลมอยูใ่ น
เกณฑ์ยอมรับได้
ตลอดจนผลการวัดความแข็งของ
Brinell hardness ในวัสดุเดียวกันจะให้ค่าความแข็ง
เปลี่ยนแปลงตามแรงกด
แต่จะให้ค่าผลการวัดที่
สอดคล้องกัน
ถ้าใช้ค่าอัตราส่ วนแรงกด–เส้นผ่าน
ศูนย์กลาง (Force–diameter ratio) ที่เท่ากันดังตัวอย่าง
รู ปที่แสดง
24
Slide 25
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
ISO 6506 กาหนดให้เลือกค่า Force–diameter ratio ให้สอดคล้องกับวัสดุที่ทาการทดสอบ และความแข็งที่ปรากฏ
Material
Brinell hardness ,HBW
Force-diameter ratio, 0,102 x F/D2
N/mm2
Steel – Nickel alloys Titanium alloys
Cast irona
Copper and copper alloys
30
< 140
10
≥ 140
30
< 35
5
35 to 200
10
> 200
30
2.5
< 35
Light metals and their alloys
5
10
35 to 80
15
10
> 80
Lead, tin Sintered metal
Brinell Hardness Test
15
1
See ISO 4498-1
a For the testing of cast iron the nominal diameter of the ball shall be 2,5 mm, 5 mm or 10 mm.
25
Slide 26
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
Brinell Hardness Test
พิสัยการวัดความแข็งของ Brinell Hardness
Force-diameter ratio
0,102 x F/D2
N/mm2
Brinell hardness
HBW
Hardness symbol
30
95.5-653
HBW10/3000 , HBW5/750 , HBW2.5/187.5 , HBW1/30
15
47.7-327
HBW10/1500
10
31.8 - 218
HBW10/1000 , HBW5/250 , HBW2.5/62.5 , HBW1/10
5
15.9 – 109
HBW10/500 , HBW5/125 , HBW2.5/31.25 , HBW1/5
2.5
7.96 – 54.5
HBW10/250 , HBW5/62.5 , HBW2.5/15.625 , HBW1/2.5
1
3.18 – 21.8
HBW10/100 , HBW5/25 , HBW2.5/6.25 , HBW1/1
26
Slide 27
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Vickers Hardness Test
Vickers hardness test ถูกคิดค้นและประดิษฐ์โดย R.Smith
และ G.Sandland วิศวกรบริ ษทั Vickers Ltd. ประเทศอังกฤษ ในปี
ค.ศ. 1925 สามารถกล่าวได้วา่ Vickers hardness test มีช่วงการวัดที่
กว้างที่ สุด ครอบคลุ มความต้องการในการวัดความแข็งทั้งหมด
และสามารถประยุกต์ใช้งานได้กบั วัสดุเกือบทุกชนิ ดได้ดว้ ย scale
เดียว ข้อดีที่เหนือกว่าการวัดแบบ Brinell hardness อีกประการหนึ่ง
คือ ผลการวัดค่าความแข็งคงที่ไม่เปลี่ยนไปตามแรงกด ซึ่ ง Brinell
hardness จะให้ผลการวัดความแข็งเปลี่ยนไปตามอัตราส่ วนแรงกับ
เส้นผ่านศูนย์กลางหัวกด (force-diameter ratio) Vickers hardness
test มีหลักการคล้ายคลึงกับ Brinell hardness test กล่าวคือ ออกแรง
กดไปยังชิ้ นงานผ่านหัวกดซึ่ งทาจากเพชร และมีรูปทรงพีระมิดมี
มุมยอดปิ ระมิด 136
27
Slide 28
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
Vickers Hardness Test
ค่าความแข็งในหน่วย Vickers hardness, HV สามารถคานวณ
ได้จาก ผลหารของแรงกดในหน่วยกิโลกรัม (kgf) ด้วยเพื่อที่ผิวภายใต้
แรงกด ซึ่ งถูกวัดทางอ้อมโดยการวัดเส้นทแยงมุ มทั้งสองด้า นของ
หลุมกดหลังถอนหัวกดออกแล้ว ดังนี้
Vickers hardness number, HV
=
Test force ( kgf )
impression area (mm 2 )
F (N )
=
9 . 80665
d2
( mm 2 )
136
2 sin
2
= 0.1891·
และ d
เมื่อ F =
d =
d1, d2 =
=
F
d2
d1 d2
2
แรงกดในหน่วย N
เส้นทแยงมุมเฉลี่ยในหน่วย mm
เส้นทแยงมุมของหลุมกดทั้ง 2 ด้าน ในหน่วย mm
28
Slide 29
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Vickers Hardness Test
ในบางครั้งเราอาจแสดงผลการวัดในหน่ วย Pa หรื อ MPa ได้ โดยคูณด้วย 9.80665 x 106 และ
9.80665 ตามลาดับ ข้อควรระวังของ Vickers hardness คือ ความเรี ยบผิวงานจะต้องดีมากเมื่อเทียบกับการ
วัดด้วย Rockwell hardness test มิฉะนั้นจะไม่สามารถวัดเส้นทแยงมุมของหลุมกดได้ และปั ญหาความ
ถูกต้อง (Accuracy) ของตัว Microscope เองให้ความถูกต้องไม่ดีกว่า 1 um (บางกรณี ให้ผดิ พลาดถึง 10 um)
จึงเป็ นการยากที่จะวัดความแข็งในหน่วยนี้ที่เส้นทแยงมุมเล็กๆ โดยเฉพาะงาน Micro hardness
29
Slide 30
Indentation hardness test
Types of Hardness testing
Knoop Hardness Test
Knoop hardness number, HK =
Test load (kgf)
Im pression area (mm 2 )
= F ( kgf )
C l2
เมื่อ
F
C
l
=
=
=
แรงกดในหน่วย kgf
ค่าคงที่ในการคานวณหาพื้นที่ภายใต้แรงกดม 0.070279
เส้นทแยงมุมด้านขวาในหน่วย mm
Knoop hardness test นี้มีหลักการทางาน
คล้ายคลึงกับ Vickers hardness มาก แตกต่างกัน
ที่ รู ปร่ างหัว กดเท่ านั้นเอง ซึ่ ง หัว กดของ knoop
hardness ทาจากเพชรพี ระมิ ด โดยมี มุมยอด
แหลม 130 และ 172.5 ดังรู ป
Knoop hardness test นี้ถูกคิดค้นขึ้นในปี
ค.ศ. 1939 โดย Fredrick knoop และเพื่อน
ร่ วมงานของเขา ณ National Bureau of Standard
(ปั จจุบนั คือ NIST) ประเทศสหรัฐอเมริ กา และ
ถูกทาให้เป็ นมาตรฐานตามเอกสาร ASTM D1474
ค่าความแข็งของ Knoop hardness คานวณ
ได้จากสัดส่ วนผลหารของแรงกดผ่านหัวกดใน
หน่วยกิโลกรัม (kgf) ต่อพื้นที่ผิวภายใต้แรงกดใน
หน่วยตารางมิลลิเมตร (mm2) ซึ่ งถูกวัดทางอ้อม
ซึ่ ง ค านวณจากเส้ น ทแยงมุ ม ด้า นยาวในหน่ ว ย
มิลลิเมตร (mm)
30
Slide 31
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Knoop Hardness Test
โดยปกติแล้ว Knoop hardness ถูกนาไปใช้ในงานคล้ายคลึงกับ Vickers hardness แต่ลกั ษณะ
ของหัวกดที่ทาให้หลุมกดมีเส้นทแยงมุมด้านหนึ่ งยาวกว่าอีกด้านหนึ่ งถึง 7 เท่า และมีความลึกเพียง 1
ใน 30 ของเส้นทแยงมุมด้านยาวนี้ ทาให้ Knoop hardness เหมาะสมกับงาน Micro hardness อย่างมาก
เพราะเส้นทแยงมึมที่ยาวขึ้นนี้ ทาให้วดั ด้วย Microscope ง่ายขึ้น และความลึ กเพียง1 ใน 30 ของเส้น
ทแยงมุมด้านยาวนี้ ยังเหมาะกับงาน thin coating และวัสดุแข็งเปราะ เช่น กระจก, เซรามิก อีกด้วย
31
Slide 32
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Rockwell Hardness Test
Rockwell hardness test ถูกประดิษฐ์คิดค้นขึ้นโดย Stanly P.Rockwell นักโลหะวิทยาชาว
อเมริ กนั ในปี ค.ศ. 1919 เมื่อเทียบกับการวัดความแข็งแบบกดวิธีอื่นๆ แล้ว Rockwell Hardness test
เป็ นการวัดความแข็งที่รวดเร็ วมีความถูกต้อง (Accuracy) สู ง ต้องการการเตรี ยมชิ้นงานทดสอบน้อย
และขึ้นอยูก่ บั ผูป้ ฏิบตั ิการวัดต่า โดยหลักการแล้วผูป้ ระดิษฐ์ตอ้ งการเรี ยงลาดับความแข็งจากระยะไม่
คืนตัวของชิ้นงาน หลังถูกกดด้วยแรงกดผ่านหัวกดที่ถูกกาหนดไว้ โดยมีเงื่อนไขว่า วัสดุที่ให้ระยะไม่
คืนตัวหลังถูกกดมากมีความแข็งในหน่วย Rockwell น้อย และวัสดุใดที่ให้ระยะไม่คืนตัวน้อยก็จะถือว่า
มีความแข็งมากเป็ นอัตราส่ วนเชิงเส้นไป
32
Slide 33
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Rockwell Hardness Test
จากแนวคิดดังกล่าวข้างต้น Rockwell hardness test ถูกกาหนดให้มีแรงกด 2 ระดับด้วยกัน
เรี ยกว่า แรงกดเบื้องต้น (Preliminary test force) และแรงกดหลัก (total test force) กระบวนการวัดเริ่ ม
จากชิ้ นงานทดสอบจะถู กกดด้ว ยแรงกดเบื้ องต้นผ่า นหัว กด ตาแหน่ งจมที่ เ กิ ดขึ้ น นี้ จะถูกอ้างเป็ น
ตาแหน่งอ้างอิง จากนั้นจะเพิม่ แรงกดเป็ นแรงกดหลักและทิ้งไว้ดว้ ยเวลาที่กาหนด ระยะไม่คืนตัวจะถูก
วัดเทียบกับตาแหน่ งอ้างอิง หลังถอนแรงกดหลักออกให้เหลือเพียงแรงกดเบื้องต้น ดังรู ป สาเหตุที่ผู้
คิดค้น Rockwell hardness test ออกแบบให้กดด้วยแรงกดเบื้องต้นก่อน และอ้างตาแหน่งดังกล่าวเป็ น
ตาแหน่ งอ้างอิง แทนที่ จะกดด้วยแรงกดหลักโดยตรงและอ้างตาแหน่ งอ้างอิ งจากผิวชิ้ นงานทดสอบ
เนื่ องจากเพื่อลดผลกระทบจาก Backlash ของเครื่ องมือวัดระยะจม ซึ่ งส่ วนใหญ่แล้วในช่วงเวลานั้น
นิยมใช้ dial gauge ประกอบกับลดผลกระทบจากความเรี ยบ (surface roughness) ของชิ้นงานทดสอบ
33
Slide 34
Types of Hardness testing
Indentation hardness test
Rockwell Hardness Test
จากหลักการปฏิบตั ิงานดังที่กล่าวมาแล้ว จะเห็นว่า Rockwell hardness test เป็ นวิธีการวัดความแข็งที่ง่ายต่อ
การใช้งาน เมื่อเทียบกับ Vickers hardness หรื อ Brinell hardness แต่ในทางกลับกัน Rockwell hardness test กลับมี
จุดอ่อนอยูม่ าก เช่น มีพิสัยการวัดที่แคบไม่ครอบคลุมความแข็งใช้งาน, ไม่สามารถควบคุมขนาดพื้นที่ผวิ กดได้ ไม่
สามารถควบคุมความลึกของงานทดสอบได้ เพื่อให้การทดสอบความแข็งแบบ Rockwell hardness test สามารถ
นาไปใช้งานวัดความแข็งได้ครอบคลุม การทดสอบความแข็งแบบนี้จึงต้องกาหนดหน่วยวัดย่อยลงไปอีกมากมาก
เช่น Rockwell scale A, B, C, …เป็ นต้น โดยแตกต่างกันที่
1. แรงกดเบื้องต้น (Preliminary test force)
2. แรงกดหลัก (Total test force)
3. หัวกด (Indentor)
และหลักเกณฑ์ในการเลือก Hardness Rockwell หน่วยย่อยใดๆ นั้นให้พิจารณาจาก
1. ประเภทของวัสดุ
2. ระยะซึมลึกในการทดสอบ
3. ระดับความแข็งที่ทดสอบ
34
Slide 35
หัวข้ อบรรยาย
• การวัดความแข็งเบื้องต้น
• การวัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• การวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
35
Slide 36
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• โครงสร้ าง
36
Slide 37
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• โครงสร้ าง (ต่ อ)
37
Slide 38
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• หลักการทางาน
ผิวชิ้นงาน
h
38
Slide 39
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• scale ของ รอกเวลล์
Regular Rockwell scales
Rockwell
hardness
scale
Hardness
symbol
Type of indenter
(mm)
Preliminary
test force F0
(N)
Total test
force F (N)
A
B
C
D
E
F
G
H
K
HRA
HRB
HRC
HRD
HRE
HRF
HRG
HRH
HRK
Diamond cone
Ball 1.5875 mm
98.07
98.07
98.07
98.07
98.07
98.07
98.07
98.07
98.07
588.4
980.7
1.471
980.7
980.7
588.4
1471
588.4
1471
Diamond cone
Diamond cone
Ball 3.175 mm
Ball 1.5875 mm
Ball 1.5874 mm
Ball 3.175 mm
Ball 3.175 mm
Field of application
(Rockwell hardness test)
20 HRA to 88 HRA
20 HRB to 100 HRB
20 HRC to 70 HRC
40 HRD to 77 HRD
70 HRE to 100 HRE
60 HRF to 100 HRF
30 HRG to 94 HRG
80 HRH to 100 HRH
40 HRK to 100 HRK
39
Slide 40
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• scale ของ รอกเวลล์ (ต่ อ)
Superficial Rockwell scales
Rockwell
hardness
scale
Hardness
symbol
Type of indenter
(mm)
Preliminary
test force F0
(N)
Total test
force F (N)
15N
30N
45N
15T
30T
45T
HR15N
HR30N
HR45N
HR15T
HR30T
HR45T
Diamond cone
Diamond cone
29.42
29.42
29.42
29.42
29.42
29.42
147.1
294.2
441.3
147.1
294.2
441.3
Diamond cone
Ball 1.5875 mm
Ball 1.5875 mm
Ball 1.5875 mm
Field of application
(Rockwell hardness test)
70 HR15N to 94 HR15N
42 HR30N to 86 HR30N
20 HR45N to 77 HR45N
67 HR15T to 93 HR15T
29 HR30T to 82 HR30T
10 HR45T to 72 HR45T
40
Slide 41
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
Rockwell hardness calculation
• การคานวณค่ าความแข็ง
HRA
HRC
HRD
Rockwell hardness = 100 – h/0.002
HRB
HRE
HRF
HRG
HRH
HRK
Rockwell hardness = 130 – h/0.002
HRN
HRT
Rockwell hardness = 100 – h/0.001
41
Slide 42
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• ทาไม รอกเวลล์ มีหลาย scale ?
☹เพราะระยะจม, h วัดได้ดีอยูร่ ะหว่าง 0.030 mm- 0.200 mm (ช่วงต้นศตวรรษที่20)
☹เพราะข้อจากัดของขนาดเพชร ที่ทาหัวกดindenter
☺เพราะต้องการควบคุมขนาดหลุมกด
☹เพราะหัวกดindenter ทนความเค้นได้จากัด
☺เพราะต้องการควบคุมระยะจม
☹เพราะหัวกด indenter ทนความเค้นได้จากัด
42
Slide 43
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• ขั้นตอนดาเนินการ วัด/ทดสอบ
1. การวัดทดสอบการดาเนินภายใต้สภาวะแวดล้อม 10C-35 C
2. ทาความสะอาดเครื่ องวัดและทดสอบ
2.1 มีการถอด, เปลี่ยน หัวกดความแข็งหรื อแท่นวางชิ้นงาน (Anvil) หรื อ
2.2 อยูใ่ นช่วงเวลาการทาความสะอาดที่กาหนด หรื อ
2.3 มีเหตุสงสัยในผลการวัด/ทดสอบ
3. Exercise โดยกดวัดชิ้นงานทั้ง 2 ครั้ง โดยไม่บนั ทึกค่า ถ้า.....
3.1 เครื่ องทดสอบความแข็งถูกใช้งานครั้งล่าสุ ดนานกว่า 24 ชัว่ โมง หรื อ
3.2 มีการถอด, เปลี่ยน หัวกดความแข็งหรื อแท่นวางชิ้นงาน (Anvil)
4. ทาความสะอาดชิ้นงานทดสอบ
43
Slide 44
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• ขั้นตอนดาเนินการ วัด/ทดสอบ
5. กดชิ้นงานด้วยแรงกด Preliminary test force, Fo ด้วยเวลา 3 วินาที ตาแหน่ง
ของ indenter ต้องอยูใ่ นพิกดั ที่กาหนด และปรับหน้าปั ดให้ช้ ี 100 HRC กรณี
เป็ นแบบเข็ม
6. เพิ่มแรงกดจาก Preliminary test force, F0 เป็ น total test force, F1 ด้วยช่วง
เวลา 1 วินาที ถึง 8 วินาที
7. ให้ Total test force กระทาบนชิ้นงานด้วยเวลา 4 วินาที 2 วินาที
8. ถอน Total test force ให้คงค้างค่าแรงกดเฉพาะ Preliminary test force
9. อ่านค่าความแข็งหลังจากเข็มนิ่ งแล้วด้วยเวลาอันสั้น
(ต้องอ่านค่าหลังจากทิ้งไว้ประมาณ 3 วินาที ถึง 5 วินาที)
44
Slide 45
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
- ในกรณี ที่เครื่ องถูกออกแบบ, ผลิต และสอบ
เทียบให้เป็ นไปตาม ISO 6508-2
• ความถูกต้อง (Accuracy) ของเครื่ องทดสอบความแข็ง
45
Slide 46
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• ผังการสอบเทียบเครื่ องทดสอบความแข็ง
Force
calibration
Rockwell Hardness Machine
Depth measurement,
Length calibration
Indenter,
shape Calibration
Hardness measurement,
Indirect calibration
Testing cycle, Time
calibration
Calibration diagram of Rockwell hardness testing machine
46
Slide 47
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• ปั จจัยที่มีผลต่อความผิดพลาดในการวัด
-ความสะอาดเครื่ องทดสอบความแข็ง
-การยืดตัวของโครงเครื่ อง (frame deformation)
-แท่นวางชิ้นงาน (Anvil)
-การเยื้องศูนย์
-แรงสัน่ สะเทือน
-ชิ้นงาน
- การเตรี ยมชิ้นงาน
-ความหนา
- ชิ้นงานมีลกั ษณะเพลา
- ชิ้นงานมีลกั ษณะทรงกลม
- ตาแหน่งกดชิ้นงาน
-หัวกด (Indenter)
-แรงกด และจังหวะเวลา (Testing cycle)
-การเลือก Scale และการแปลงหน่วย
47
Slide 48
การว ัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• การเฝ้ าระวังผลการวัดและทดสอบ
1.
ตรวจสอบลักษณะรู ปร่ างของ Indenter ด้วย Microscope เป็ นระยะๆ
2.
เฝ้ าเปรี ยบเทียบค่าความแตกต่างของผลการวัด/ทดสอบ เทียบกับ reference
indenter
3.
การทา check deformation
4.
การทา Intermediate check ควรกระทาทุกวัน กดอย่างน้อย 3 ค่า ค่าเฉลี่ยต้อง
ไปเกิน Accuracy ของ scale นั้นๆ
5.
การสุ่ มทดสอบชิ้นงานซ้ า (เฝ้ าระวังการปฏิบตั ิงาน)
48
Slide 49
หัวข้ อบรรยาย
• การวัดความแข็งเบื้องต้น
• การวัดความแข็งแบบรอกเวลล์
• การวัดความแข็งแบบวิกเกอร์ ส
49
Slide 50
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• โครงสร้ าง
Loading Lever
Pushing rod
Weight support
Loading Metal
Microscope
Weights
Turret turning knob
Load changing rod
Indenter
Weight Disk
Table
Load changing dial
Elevating Shaft
Loading speed
adjusting
Hand Wheel
Load Handle
50
Slide 51
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• หลักการทางาน
ผิวชิ้นงาน
v
Ta
Td
51
Slide 52
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• หลักการทางาน
จังหวะเวลา (Testing cycle)
ประเภท
แรงกด
ตัวแปร
F,kgf ความเร็วก่อนสัมผัสชนิ้ งาน เวลาเพิม่ แรงกด เวลารักษาแรงกด
Vickers test
F ≥5
≤ 0.2 mm/s
2-8s
10 - 15 s
Low force Vickers test 0.2 ≤ F < 5
≤ 0.2 mm/s
≤ 10 s
10 - 15 s
Vickers microhardness test 0.2 < F 0.015 - 0.070 mm/s
≤ 10 s
10 - 15 s
52
Slide 53
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• หลักการทางาน
Vickers hardness number, HV
=
Test force ( kgf )
impression area (mm 2 )
F (N )
=
9 . 80665
2
d
2
( mm )
136
2 sin
d2
2
= 0.1891·
และ d
เมื่อ F =
d =
d1, d2 =
=
F
d2
d1 d2
2
แรงกดในหน่วย N
เส้นทแยงมุมเฉลี่ยในหน่วย mm
เส้นทแยงมุมของหลุมกดทั้ง 2 ด้าน ในหน่วย mm
d1
53
Slide 54
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• การคานวณค่ าความแข็ง
Vickers hardness calculation
Vickers Hardness
Test force
Surface area of indentatio n
2 F sin
2
0 . 102
d
0 . 1891
136
F
d
2
2
approximat ely
Where:
F = Test force (N)
d = Arithmetic mean, in mm, of the two diameter, the diagonal length d1 and d2
54
Slide 55
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• scale ของ วิกเกอร์ ส
Hardness test
Hardness
symbol
a
Nominal value of
the test force F
Low -force hardness test
Hardness
symbol
N
a
Nominal value of
the test force F
Microhardness test
Hardness
symbol
N
Nominal value of
the test force F
N
HV 5
49,03
HV 0,2
1,961
HV 0,01
0,098 07
HV 10
98,07
HV 0,3
2,942
HV 0,015
0,147
HV 20
196,1
HV 0,5
4,903
HV 0,02
0,196 1
HV 30
294,2
HV 1
9,807
HV 0,025
0,245 2
HV 50
490,3
HV 2
19,61
HV 0,05
0,490 3
HV 100
980,7
HV 3
29,42
HV 0,1
0,980 7
Nominal tes t forces greater than 980,7 N may be applied.
55
Slide 56
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• ทาไม วิกเกอร์ สมีหลาย scale ?
☺ เพื่อให้ได้ระยะเส้นทแยงมุม, d ที่เหมาะสม ไม่เล็กเกินไปหรื อใหญ่เกินไป
☺ เพื่อควบคุมความลึกในการทดสอบความแข็งให้อยูใ่ นช่วงที่ตอ้ งการ
☺ เพื่อลดความเสี่ ยงต่อการเกิดความเสี ยหายของ indenter
☺ เพื่อให้ได้ผลการวัดเป็ นตัวแทนของทั้งชิ้นงาน ในกรณี ที่ชิ้นงานไม่มีความ
สม่าเสมอของความแข็ง
56
Slide 57
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• ขั้นตอนดาเนินการ วัด/ทดสอบ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
การวัดทดสอบการดาเนินภายใต้สภาวะแวดล้อม 10C-35 C กรณี ควบคุม
อุณหภูมิหอ้ ง ต้องอยูใ่ น 23 +/- 5 C
ทาความสะอาดเครื่ องวัดและทดสอบ
ทาความสะอาดชิ้นงานทดสอบ
กดชิ้นงานด้วยแรงกด test force ที่กาหนดจากหน่วยหน่วยวิกเกอร์ สที่
ต้องการ ตามจังหวะเวลา (testing cycle) อย่างเคร่ งครัด
วัดความยาวเส้นทแยงมุม d1, d2
คานวนค่าความแข็งตามแรงกดที่ใช้และเส้นทแยงมุมที่ได้
57
Slide 58
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
- ในกรณี ที่เครื่ องถูกออกแบบ, ผลิต และสอบ
เทียบให้เป็ นไปตาม ISO 6507-2
• ความถูกต้อง (Accuracy) ของเครื่ องทดสอบความแข็ง
Permissible Repeatability of the testing machine
Hardness
of the of the
Hardness
reference
reference
block
block
< 225 HV
d
d 1 d 2 ... d 5
HV
5
HV5 to
HV0.2 to
HV100
< HV5
0 . 03 d
0 . 06 d
< HV0.2
0 . 06 d
> 225 HV
0 . 02 d
0 . 04 d
HV5 to HV100
HV0.2 to < HV5
Hardness
of the
reference
block
Hardness
of the
reference
block
HV
HV
100
6
100
12
200
12
200
24
250
10
250
20
350
14
350
28
600
24
600
48
750
30
750
60
0 . 05 d
* Repeatability, r ต้องไม่นอ้ ยกว่า 0.001 mm
58
Slide 59
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
- ในกรณี ที่เครื่ องถูกออกแบบ, ผลิต และสอบ
เทียบให้เป็ นไปตาม ISO 6507-2
• ความถูกต้อง (Accuracy) ของเครื่ องทดสอบความแข็ง
Maximum permissible percentage error of the hardness
testing machine
Hardness
Hardness, HV
symbol
50
100
150
200
250
300
8
9
350
400
450
10
10
11
500
600
700
800
900
1000
1500
HV0.01
HV0.015
10
HV0.02
8
HV0.025
8
10
HV0.05
6
8
9
10
HV0.1
5
6
7
8
HV0.2
4
6
8
9
10
11
11
12
12
HV0.3
4
5
6
7
8
9
10
10
11
11
HV0.5
3
4
5
6
6
7
7
8
8
9
11
HV1
3
3
4
4
5
5
5
6
6
6
8
HV2
3
3
3
4
4
4
4
4
5
5
6
HV3
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
5
HV5
3
3
3
3
3
3
3
3
3
4
4
HV10
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
HV20
3
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
HV30
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
HV50
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
HV100
59
Slide 60
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
• ผังการสอบเทียบเครื่ องทดสอบความแข็ง
60
Slide 61
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
-แรงสัน่ สะเทือน
-ชิ้นงาน
- การเตรี ยมชิ้นงาน
-ความหนา
- ชิ้นงานมีลกั ษณะเพลา
- ชิ้นงานมีลกั ษณะทรงกลม
- การวางชิ้นงาน
-ชุดวัดเส้นทแยงมุมหลุมกด (microscope)
-ระบบส่องแสงสว่างของ Microscope
-ชุดมองภาพ
-เลนส์, Lens, ค่า NA
-เลนส์, Lens, อัตราขยาย
-ความถูกต้องและความละเอียด (resolution)
-แรงกด และจังหวะเวลา (Testing cycle)
-ผูป้ ฏิบตั ิงาน
• ปั จจัยที่มีผลต่อความผิดพลาดในการวัด
61
Slide 62
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
การเฝ้ าระวังผลการวัดและทดสอบ
• การเฝ้ าระวังผลการวัดและทดสอบ
1.
ตรวจสอบลักษณะรู ปร่ างของ Indenter ด้วย Microscope เป็ นระยะๆ
2.
ซ้อมวัดระยะเส้นทะแยงมุมของ reference indentation บนแท่งความแข็ง
มาตรฐาน เพื่อปรับสายตาและการตัดสิ นค่าของผูป้ ฏิบตั ิงาน ก่อนทาการวัด
และทดสอบชิ้นงานเป็ นระยะๆ
3.
เปรี ยบเทียบผลการวัดระยะเส้นทะแยงมุมของ reference indentation บนแท่ง
ความแข็งมาตรฐาน (เลือกค่าที่ scale เดียวกับที่จะใช้ทดสอบ และค่าความแข็ง
ใกล้เคียงกับที่ใช้งานอยู)่ ควรทาทุกวันที่ทาการใช้เครื่ อง ค่าเบี่ยงเบนที่ได้ตอ้ ง
ไม่เกินความถูกต้องที่กาหนดไว้ใน ISO 6507-2
62
Slide 63
การว ัดความแข็งแบบวิกเกอร์ส
การเฝ้ าระวังผลการวัดและทดสอบ
• การเฝ้ าระวังผลการวัดและทดสอบ
4. ทา Intermediate check โดยการวัดค่าความแข็งบนก้อนความแข็งอ้างอิงที่ถูก
สอบเทียบตาม ISO 6507-3 อย่างน้อย 1 ค่า และค่าเบี่ยงเบนที่ได้ตอ้ งไม่เกินค่า
ความถูกต้องที่กาหนดไว้ใน ISO 6507-2
63
Slide 64
VDO สาธิตการใช้ งานเครื่องทดสอบความแข็ง
-Rockwell HTM operation01.wmv
-Vickers HTM operation01.wmv
สามารถ down load ได้ ที่ www.nimt.or.th
64