Испытание на твердость по Виккерсу

Испытание на твердость

Твердомер по Виккерсу

Тест на твердость по Виккерсу был разработан в 1921 году Робертом Л. Смитом и Джорджем Э. Сэндлендом в Vickers Ltd как альтернатива методу Бринелля для измерения твердости материалов. ^[1] Тест Виккерса часто проще в использовании, чем другие тесты на твердость, поскольку требуемые расчеты не зависят от размера индентора, а индентор может использоваться для всех материалов независимо от твердости. Основной принцип, как и для всех обычных мер твердости, заключается в наблюдении за способностью материала противостоять пластической деформации из стандартного источника. Тест Виккерса может использоваться для всех металлов и имеет одну из самых широких шкал среди тестов на твердость. Единица твердости, определяемая тестом, известна как число пирамиды Виккерса ( HV ) или твердость алмазной пирамиды ( DPH ). Число твердости можно преобразовать в единицы паскалей , но его не следует путать с давлением , которое использует те же единицы. Число твердости определяется нагрузкой на площадь поверхности отпечатка, а не на площадь, перпендикулярную силе, и, следовательно, не является давлением.

Выполнение

Схема испытания по Виккерсу

Пирамидальный алмазный индентор твердомера Виккерса

Вмятина, оставленная в закаленной стали после испытания на твердость по Виккерсу. Разница в длине обеих диагоналей и градиент освещения являются классическими признаками неровного образца. Это нехорошая вмятина.

Это хороший отступ.

Было решено, что форма индентора должна быть способна производить геометрически подобные отпечатки, независимо от размера; отпечаток должен иметь четко определенные точки измерения; и индентор должен иметь высокую устойчивость к самодеформации. Алмаз в форме пирамиды с квадратным основанием удовлетворял этим условиям. Было установлено, что идеальный размер отпечатка по Бринеллю составляет 3 ⁄ диаметра шара. Поскольку две касательные к окружности на концах хорды длиной 3 d / 8 пересекаются под углом 136°, было решено использовать это в качестве включенного угла между плоскими гранями наконечника индентора. Это дает угол от каждой нормали грани к горизонтальной плоскости нормали в 22° с каждой стороны. Угол варьировался экспериментально, и было обнаружено, что значение твердости, полученное на однородном куске материала, оставалось постоянным, независимо от нагрузки. ^[2] Соответственно, к плоской поверхности прикладываются нагрузки различной величины в зависимости от твердости измеряемого материала. Затем число HV определяется отношением F / A , где F — сила, приложенная к алмазу, в килограммах-силах, а A — площадь поверхности полученного отпечатка в квадратных миллиметрах. ^{[ необходима ссылка ]}

${\displaystyle A={\frac {d^{2}}{2\sin(136^{\circ }/2)}},}$

что можно аппроксимировать, оценив синусоидальный член, чтобы получить,

${\displaystyle A\approx {\frac {d^{2}}{1.8544}},}$

где d — средняя длина диагонали, оставленной индентором, в миллиметрах. Следовательно, ^[3]

${\displaystyle \mathrm {HV} ={\frac {F}{A}}\approx {\frac {1.8544F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {kgf/mm}}^{2}]}$,

где F в кгс , а d в ​​миллиметрах.

Соответствующей единицей HV тогда 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 вычислить 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]

${\displaystyle \mathrm {HV} \approx {0.1891}{\frac {F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {N/mm}}^{2}],}$

где F в Н, а d в ​​миллиметрах. Распространенной ошибкой является то, что приведенная выше формула для расчета числа HV не дает число с единицей измерения ньютон на квадратный миллиметр (Н/мм ² ), а дает непосредственно число твердости по Виккерсу (обычно дается без единиц), которое на самом деле составляет одну килограмм-силу на квадратный миллиметр (1 кгс/мм ² ).

Числа твердости по Виккерсу обозначаются как xxxHVyy , например, 440HV30 , или xxxHVyy/zz, если продолжительность силы отличается от 10 с до 15 с, например, 440HV30/20, где:

• 440 — число твёрдости,
• HV называет шкалу твердости (Виккерс),
• 30 указывает используемую нагрузку в кгс.
• 20 указывает время загрузки, если оно отличается от 10 с до 15 с

Меры предосторожности

При проведении испытаний на твердость необходимо учитывать минимальное расстояние между отпечатками и расстояние от отпечатка до края образца, чтобы избежать взаимодействия между упрочненными областями и эффектами края. Эти минимальные расстояния различны 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 отпечатки при меньшей нагрузке часто демонстрируют зависимость твердости от глубины отпечатка, известную как эффект размера отпечатка (ISE). ^[7] Малые размеры отпечатков также будут иметь значения твердости, зависящие от микроструктуры.

Для тонких образцов глубина отпечатка может быть проблемой из-за эффектов подложки. Как правило, толщина образца должна быть больше, чем в 2,5 раза больше диаметра отпечатка. В качестве альтернативы глубина отпечатка, , может быть рассчитана по формуле: ${\displaystyle t}$

${\displaystyle t={\frac {d_{\rm {avg}}}{2{\sqrt {2}}\tan {\frac {\theta }{2}}}}\approx {\frac {d_{\rm {avg}}}{7.0006}},}$

Перевод в единицы СИ

Чтобы перевести число твердости по Виккерсу в единицы СИ, число твердости в килограммах-силах на квадратный миллиметр (кгс/мм ² ) необходимо умножить на стандартный удельный вес , чтобы получить твердость в МПа (Н/мм ² ), и затем разделить на 1000, чтобы получить твердость в ГПа. ${\displaystyle g_{0}}$

${\displaystyle {\text{surface area hardness (GPa)}}={\frac {g_{0}}{1000}}HV={\frac {9.80665}{1000}}HV}$

Твердость по Виккерсу также может быть преобразована в твердость SI на основе проецируемой площади отпечатка, а не площади поверхности. Проецируемая площадь, , определяется следующим образом для геометрии индентора Виккерса: ^[8] ${\displaystyle A_{\rm {p}}}$

${\displaystyle A_{\rm {p}}={\frac {d_{\rm {avg}}^{2}}{2}}={\frac {1.854}{2}}{A_{s}}}$

Эту твердость иногда называют средней площадью контакта или твердостью Мейера , и в идеале ее можно напрямую сравнить с другими испытаниями на твердость, также определенными с использованием проецируемой площади. Необходимо соблюдать осторожность при сравнении других испытаний на твердость из-за различных масштабных факторов, которые могут повлиять на измеренную твердость.

${\displaystyle {\text{projected area hardness (GPa)}}={\frac {g_{0}}{1000}}{\frac {2}{1.854}}HV\approx {\frac {HV}{94.5}}}$

Оценка прочности на растяжение

Если HV сначала выражается в Н/мм ² (МПа) или, в противном случае, путем преобразования из кгс/мм ² , то предел прочности на разрыв (в МПа) материала может быть приближенно определен как σ _u ≈ HV/ c , где c — константа, определяемая пределом текучести, коэффициентом Пуассона, показателем 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 зависит от поведения материала при упрочнении. ^[10]

Приложение

Штифты и втулки крепления киля в авиалайнере Convair 580 были указаны производителем самолета как закаленные до спецификации твердости по Виккерсу 390HV5, где «5» означает пять килопондов . Однако на самолете, летевшем рейсом Partnair 394, позже было обнаружено, что штифты были заменены нестандартными деталями, что привело к быстрому износу и, в конечном итоге, к потере самолета. При осмотре следователи по авиационным происшествиям обнаружили, что нестандартные штифты имели твердость всего около 200–230HV5. ^[11]

Смотрите также

• Твердость при вдавливании
• Испытание твердости на отскок по Либу
• Сравнение твердости
• Тест на твердость по Кнупу
• Тест на твердость по Мейеру
• шкала Мооса
• шкала Роквелла
• Испытание керамики на прочность по Виккерсу
• Сверхтвердый материал

Ссылки

1. RL Smith & GE Sandland, «Точный метод определения твёрдости металлов, с особым упором на металлы с высокой степенью твёрдости», Труды Института инженеров-механиков , т. I, 1922, стр. 623–641.
2. Машина для испытания твердости по Виккерсу. UKcalibrations.co.uk. Получено 03.06.2016.
3. ASTM E384-10e2
4. ИСО 6507-1:2005(E)
5. Справочник по металлам Смителла, 8-е издание, гл. 22
6. Тест Виккерса Архивировано 21 октября 2014 г. на Wayback Machine . Сайт Instron .
7. Никс, Уильям Д.; Гао, Хуацзянь (1 марта 1998 г.). «Эффекты размера вдавливания в кристаллических материалах: закон пластичности градиента деформации». Журнал механики и физики твердого тела . 46 (3): 411–425. Bibcode : 1998JMPSo..46..411N. doi : 10.1016/S0022-5096(97)00086-0 . ISSN  0022-5096.
8. Фишер-Криппс, Энтони С. (2007). Введение в механику контакта (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer. С. 212–213. ISBN 9780387681887. OCLC  187014877.
9. "Твёрдость". matter.org.uk .
10. Чжан, П. (сентябрь 2011 г.). «Общая взаимосвязь между прочностью и твердостью». Materials Science and Engineering A. 529 : 62. doi :10.1016/j.msea.2011.08.061.
11. Отчет о катастрофе самолета Convair 340/580 LN-PAA к северу от Хиртсхальса, Дания, 8 сентября 1989 г. | aibn. Aibn.no. Получено 03.06.2016.

Дальнейшее чтение

• Мейерс и Чавла (1999). "Раздел 3.8". Механическое поведение материалов . Prentice Hall, Inc.
• ASTM E92: Стандартный метод определения твердости по Виккерсу металлических материалов (отменен и заменен на E384-10e2)
• ASTM E384: Стандартный метод испытаний твердости материалов по Кнупу и Виккерсу
• ISO 6507-1: Металлические материалы. Испытание на твердость по Виккерсу. Часть 1. Метод испытания.
• ISO 6507-2: Металлические материалы. Испытание на твердость по Виккерсу. Часть 2. Проверка и калибровка испытательных машин.
• ISO 6507-3: Металлические материалы. Испытание на твердость по Виккерсу. Часть 3. Калибровка эталонных образцов
• ISO 6507-4: Металлические материалы. Испытание на твердость по Виккерсу. Часть 4. Таблицы значений твердости.
• ISO 18265: Металлические материалы. Преобразование значений твердости

Внешние ссылки

• Видеоролик об испытании на твердость по Виккерсу
• Испытание на твердость по Виккерсу
• Таблица перевода – шкалы Виккерса, Бринелля и Роквелла