Тест на твердость по Виккерсу был разработан в 1921 году Робертом Л. Смитом и Джорджем Э. Сэндландом в компании Vickers Ltd как альтернатива методу Бринелля для измерения твердости материалов. [1] Испытание Виккерса зачастую проще в использовании, чем другие испытания на твердость, поскольку необходимые расчеты не зависят от размера индентора, а индентор можно использовать для всех материалов, независимо от твердости. Основной принцип, как и во всех распространенных измерениях твердости, заключается в наблюдении способности материала сопротивляться пластической деформации из стандартного источника. Тест Виккерса можно использовать для всех металлов и он имеет одну из самых широких шкал среди тестов на твердость. Единица твердости, определяемая в результате теста, известна как число пирамиды Виккерса ( HV ) или твердость алмазной пирамиды ( DPH ). Число твердости можно перевести в паскали , но не следует путать с давлением , в котором используются те же единицы. Число твердости определяется нагрузкой на площадь поверхности отпечатка, а не площадью, нормальной к силе, и, следовательно, не является давлением.
Было решено, что форма индентора должна обеспечивать геометрически схожие отпечатки независимо от размера; впечатление должно иметь четко определенные точки измерения; индентор должен иметь высокую устойчивость к самодеформации. Этим условиям удовлетворял алмаз в форме пирамиды с квадратным основанием . Установлено, что идеальный размер отпечатка Бринелля составляет 3/8 диаметра шарика . Поскольку две касательные к окружности на концах хорды длиной 3 d /8 пересекаются под углом 136°, было решено использовать этот угол в качестве внутреннего угла между плоскими гранями кончика индентора. Это дает угол между нормалью каждой грани к нормали к горизонтальной плоскости, равный 22° с каждой стороны. Экспериментально изменяли угол и установили, что значение твердости, полученное на однородном куске материала, остается постоянным независимо от нагрузки. [2] Соответственно, к плоской поверхности прикладывают нагрузки различной величины, в зависимости от твердости измеряемого материала. Число HV затем определяется соотношением F / A , где F — сила, приложенная к алмазу в килограммах-силах, а A — площадь поверхности образовавшегося углубления в квадратных миллиметрах.
который можно аппроксимировать, вычислив синусоидальный член, чтобы получить,
где d — средняя длина диагонали, оставленной индентором, в миллиметрах. Следовательно, [3]
где F — в кгс , а d — в миллиметрах.
Соответствующей единицей HV является килограмм-сила на квадратный миллиметр (кгс/мм 2 ) или число HV. В приведенном выше уравнении F может быть в Н, а d в мм, что дает HV в единицах СИ МПа. Чтобы рассчитать число твердости по Виккерсу (VHN) с использованием единиц СИ, необходимо преобразовать приложенную силу из ньютонов в килограмм-силу , разделив на 9,806 65 ( стандартная сила тяжести ). Это приводит к следующему уравнению: [4]
где F — в Н, а d — в миллиметрах. Распространенной ошибкой является то, что приведенная выше формула для расчета числа HV не приводит к числу в единицах измерения Ньютон на квадратный миллиметр (Н/мм 2 ), а приводит непосредственно к числу твердости по Виккерсу (обычно указывается без единиц), которое фактически один килограмм-сила на квадратный миллиметр (1 кгс/мм 2 ).
Числа твердости по Виккерсу обозначаются как xxxHVyy , например 440HV30 , или xxxHVyy/zz , если продолжительность воздействия силы отличается от 10 до 15 с, например 440HV30/20, где:
При проведении испытаний на твердость необходимо учитывать минимальное расстояние между отпечатками и расстояние от отпечатка до края образца во избежание взаимодействия нагартованных участков и воздействия кромки. Эти минимальные расстояния различаются для стандартов ISO 6507-1 и ASTM E384.
Значения Виккерса, как правило, не зависят от испытательной силы: они будут одинаковыми для 500 гс и 50 кгс, если сила составляет не менее 200 гс. [6] Однако вмятины при более низкой нагрузке часто демонстрируют зависимость твердости от глубины вмятины, известную как эффект размера вмятины (ISE). [7] Небольшие размеры отпечатков также будут иметь значения твердости, зависящие от микроструктуры.
Для тонких образцов глубина отпечатка может стать проблемой из-за влияния подложки. Как правило, толщина образца должна превышать диаметр отпечатка более чем в 2,5 раза. Альтернативно глубину отступа можно рассчитать по формуле:
Чтобы преобразовать число твердости по Виккерсу в единицы СИ, число твердости в килограммах-силах на квадратный миллиметр (кгс/мм 2 ) необходимо умножить на стандартную плотность , чтобы получить твердость в МПа (Н/мм 2 ), а затем разделить на 1000, чтобы получить твердость в ГПа.
Твердость по Виккерсу также можно преобразовать в твердость по шкале SI на основе площади проекции отпечатка, а не площади поверхности. Проецируемая площадь определяется следующим образом для геометрии индентора Виккерса: [8]
Эту твердость иногда называют средней площадью контакта или твердостью по Мейеру , и в идеале ее можно напрямую сравнивать с другими тестами на твердость, также определяемыми с использованием проекционной площади. Следует проявлять осторожность при сравнении других тестов на твердость из-за различных масштабных факторов, которые могут повлиять на измеренную твердость.
Если HV сначала выразить в Н/мм 2 (МПа) или иным образом путем перевода из кгс/мм 2 , то предел прочности (в МПа) материала можно аппроксимировать как σ u ≈ HV/ c , где c — константа, определяемая пределом текучести, коэффициентом Пуассона, показателем деформационного упрочнения и геометрическими факторами – обычно в диапазоне от 2 до 4. [9] Другими словами, если HV выражается в Н/мм 2 (т.е. в МПа), то предел прочности на разрыв ( в МПа) ≈ HV/3. Этот эмпирический закон по-разному зависит от поведения материала при наклепе. [10]
Шпильки и втулки крепления килей авиалайнера Convair 580 были закалены производителем самолетов до твердости по Виккерсу 390HV5, где «5» означает пять килофунтов . Однако позже выяснилось, что на самолете, выполнявшем рейс 394 компании Partnernair, штифты были заменены некачественными деталями, что привело к быстрому износу и, в конечном итоге, к гибели самолета. В ходе проверки следователи обнаружили, что нестандартные штифты имели твердость всего лишь около 200–230HV5. [11]