Твердость при вдавливании

Любая мера твердости, основанная на сопротивлении вдавливанию

Испытания на твердость при вдавливании используются в машиностроении для определения твердости материала к деформации . Существует несколько таких испытаний, в которых исследуемый материал вдавливается до тех пор, пока не образуется отпечаток; эти испытания могут проводиться в макроскопическом или микроскопическом масштабе.

При испытании металлов твердость на вдавливание коррелирует примерно линейно с прочностью на растяжение , ^[1], но это несовершенная корреляция, часто ограниченная небольшими диапазонами прочности и твердости для каждой геометрии вдавливания. Эта связь позволяет проводить экономически важные неразрушающие испытания сыпучих металлических поставок с помощью легкого, даже портативного оборудования, такого как ручные твердомеры по Роквеллу.

Твёрдость материала

Для количественной оценки характеристик материалов в меньших масштабах используются различные методы . Измерение механических свойств материалов, например, тонких пленок , невозможно с помощью обычного одноосного испытания на растяжение . В результате были разработаны методы испытания «твердости» материала путем вдавливания в материал очень маленького отпечатка, чтобы попытаться оценить эти свойства.

Измерения твердости количественно определяют сопротивление материала пластической деформации. Испытания на твердость при вдавливании составляют большинство процессов, используемых для определения твердости материала, и могут быть разделены на три класса: макро-, микро- и наноиндентирование . ^{[2] [3]} Микроиндентирование обычно имеет силу менее 2 Н (0,45 фунт- _сила ). Однако твердость не может считаться фундаментальным свойством материала. ^{[ необходима цитата ]} Классическое испытание на твердость обычно создает число, которое может быть использовано для предоставления относительного представления о свойствах материала. ^[3] Таким образом, твердость может дать только сравнительное представление о сопротивлении материала пластической деформации, поскольку различные методы определения твердости имеют разные шкалы.

Определение твердости на основе уравнения — это давление, приложенное к контактной области между индентором и испытываемым материалом. В результате значения твердости обычно сообщаются в единицах давления, хотя это «истинное» давление только в том случае, если интерфейс индентора и поверхности идеально плоский. ^{[ необходима цитата ]}

Инструментированное вдавливание

Инструментальный тестер вдавливания

Инструментированное вдавливание в основном вдавливает острый наконечник в поверхность материала для получения кривой силы-смещения. Результаты предоставляют много информации о механическом поведении материала, включая твердость , например, упругие модули и пластическую деформацию . Одним из ключевых факторов инструментированного испытания на вдавливание является то, что наконечник должен контролироваться силой или смещением, которые могут быть измерены одновременно на протяжении всего цикла вдавливания. ^[4] Современные технологии могут реализовать точный контроль силы в широком диапазоне. Поэтому твердость можно характеризовать во многих различных масштабах длины, от твердых материалов, таких как керамика, до мягких материалов, таких как полимеры.

Самая ранняя работа была завершена Булычевым, Алехиным, Шоршоровым в 1970-х годах, которые определили, что модуль Юнга материала можно определить по наклону кривой зависимости силы от смещения при вдавливании следующим образом: ^[5]

${\displaystyle S={dP \over d\delta }={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}E_{r}{\sqrt {A}}}$

${\displaystyle S}$: жесткость материала, которая представляет собой наклон кривой

${\displaystyle A}$: область контакта наконечника с образцом

${\displaystyle E_{r}}$: приведенный модуль, определяемый как:

${\displaystyle {\frac {1}{E_{r}}}={\frac {1-\nu _{s}^{2}}{E_{s}}}+{\frac {1-\nu _{i}^{2}}{E_{i}}}}$

Где и — модуль Юнга и коэффициент Пуассона образца, а и — индентора. Поскольку обычно , второй член обычно можно игнорировать. ${\displaystyle E_{s}}$ ${\displaystyle \nu _{s}}$ ${\displaystyle E_{i}}$ ${\displaystyle \nu _{i}}$ ${\displaystyle E_{i}>>E_{s}}$

Наиболее важную информацию — твердость — можно рассчитать следующим образом:

${\displaystyle H={\frac {P_{max}}{A}}}$

Ниже рассматриваются наиболее часто используемые методы индентирования, а также подробные расчеты каждого отдельного метода.

Тесты на макроиндентирование

Термин «макроиндентирование» применяется к испытаниям с большей испытательной нагрузкой, например, 1  кгс или более. Существуют различные испытания макроиндентирования, в том числе:

• Испытание на твердость по Виккерсу (HV), имеющее одну из самых широких шкал. Широко используется для проверки твердости всех видов металлических материалов (сталь, цветные металлы, мишура, твердый сплав, листовой металл и т. д.); поверхностного слоя/покрытия (цементация, азотирование, обезуглероживание слоя, поверхностный закаливающий слой, оцинкованное покрытие и т. д.). ^[6]
• Широко используются методы определения твердости по Бринеллю (HB) BHN и HBW ^[7]
• Испытание на твердость по Кнупу (HK) для измерения на небольших участках, широко используется для проверки стекла или керамических материалов. ^[8]
• Тест на твердость по Янке для древесины
• Тест на твердость по Мейеру
• Тест на твердость по Роквеллу (HR), в основном используемый в США. Наиболее широко используются шкалы HRA, HRB и HRC. ^[9]
• Испытание на твердость по Шору для полимеров, широко используемых в резиновой промышленности. ^[10]
• Испытание на твердость по Барколу для композитных материалов.

В целом, нет простой связи между результатами различных испытаний на твердость. Хотя существуют практические таблицы преобразования для твердых сталей, например, некоторые материалы показывают качественно различное поведение при различных методах измерения. Шкалы твердости Виккерса и Бринелля хорошо коррелируют в широком диапазоне, однако Бринелль дает завышенные значения только при высоких нагрузках.

Однако процедуры индентирования могут использоваться для извлечения настоящих соотношений напряжение-деформация. Для получения надежных результатов необходимо соблюдать определенные критерии. К ним относится необходимость деформировать относительно большой объем и, следовательно, использовать большие нагрузки. Используемые методики часто объединяются под термином « пластометрия индентирования» , который описан в отдельной статье.

Микроиндентирование тесты

Термин « микротвердость » широко используется в литературе для описания испытания твердости материалов с низкими приложенными нагрузками. Более точным термином является «испытание твердости микроиндентированием». При испытании твердости микроиндентированием алмазный индентор определенной геометрии вдавливается в поверхность испытуемого образца с использованием известной приложенной силы (обычно называемой «нагрузкой» или «испытательной нагрузкой») от 1 до 1000 гс . Испытания на микроиндентирование обычно имеют силу 2  Н (примерно 200 гс) и производят отпечатки около 50 мкм . Из-за своей специфичности испытание на микротвердость можно использовать для наблюдения за изменениями твердости в микроскопическом масштабе. К сожалению, сложно стандартизировать измерения микротвердости; было обнаружено, что микротвердость почти любого материала выше его макротвердости. Кроме того, значения микротвердости меняются в зависимости от нагрузки и эффектов упрочнения материалов. ^[3] Два наиболее часто используемых испытания на микротвердость — это испытания, которые также можно применять с более высокими нагрузками, как испытания на макроиндентирование:

• Испытание на твердость по Виккерсу (HV)
• Испытание на твердость по Кнупу (HK)

При испытании на микроиндентирование число твердости основано на измерениях, сделанных для отпечатка, образованного на поверхности испытуемого образца. Число твердости основано на приложенной силе, деленной на площадь поверхности самого отпечатка, что дает единицы твердости в кгс/мм2 ^. Испытание твердости на микроиндентирование может быть проведено с использованием инденторов Виккерса, а также Кнупа. Для испытания по Виккерсу измеряются обе диагонали, и среднее значение используется для вычисления числа пирамиды Виккерса. При испытании по Кнупу измеряется только длинная диагональ, и твердость по Кнупу рассчитывается на основе проецируемой площади отпечатка, деленной на приложенную силу, что также дает единицы испытания в кгс/ ^мм2 .

Микроиндентирование по Виккерсу проводится аналогично макроиндентированию по Виккерсу с использованием той же пирамиды. В тесте Кнупа для вдавливания образцов материалов используется удлиненная пирамида. Эта удлиненная пирамида создает неглубокий отпечаток, что полезно для измерения твердости хрупких материалов или тонких компонентов. Для достижения точных результатов инденторы Кнупа и Виккерса требуют полировки поверхности. ^{[ необходима цитата ]}

Испытания на царапание при низких нагрузках, такие как микрохарактерный тест Бирбаума, проводимый с нагрузками 3 гс или 9 гс, предшествовали разработке микротвердомеров с использованием традиционных инденторов. В 1925 году Смит и Сэндленд из Великобритании разработали тест на вдавливание, в котором использовался пирамидальный индентор с квадратным основанием, изготовленный из алмаза. ^[11] Они выбрали пирамидальную форму с углом 136° между противоположными гранями, чтобы получить числа твердости, которые были бы максимально приближены к числам твердости по Бринеллю для образца. Испытание Виккерса имеет большое преимущество в использовании одной шкалы твердости для испытания всех материалов. Первое упоминание об инденторе Виккерса с низкими нагрузками было сделано в годовом отчете Национальной физической лаборатории в 1932 году. Lips and Sack описывает первый тестер Виккерса, использующий низкие нагрузки в 1936 году. ^{[ необходима цитата ]}

В литературе существуют некоторые разногласия относительно диапазона нагрузок, применимых к испытаниям на микротвердость. Например, спецификация ASTM E384 гласит, что диапазон нагрузок для испытаний на микротвердость составляет от 1 до 1000 гс. Для нагрузок 1 кгс и ниже твердость по Виккерсу (HV) рассчитывается с помощью уравнения, в котором нагрузка ( L ) измеряется в граммах силы, а среднее значение двух диагоналей ( d ) измеряется в миллиметрах:

${\displaystyle HV=0.0018544\times {\tfrac {L}{d^{2}}}}$

Для любой заданной нагрузки твердость быстро увеличивается при малых диагональных длинах, причем эффект становится более выраженным по мере уменьшения нагрузки. Таким образом, при малых нагрузках небольшие ошибки измерения приведут к большим отклонениям твердости. Таким образом, следует всегда использовать максимально возможную нагрузку в любом испытании. Кроме того, в вертикальной части кривых небольшие ошибки измерения приведут к большим отклонениям твердости.

Тесты на наноиндентирование

Источники ошибок

Основными источниками ошибок при испытаниях на вдавливание являются плохая техника, плохая калибровка оборудования и эффект упрочнения деформации процесса. Однако экспериментально установлено с помощью «испытаний на твердость без деформации», что эффект минимален при меньших вдавливаниях. ^[12]

Поверхностная обработка детали и индентор не влияют на измерение твердости, пока отпечаток большой по сравнению с шероховатостью поверхности. Это оказывается полезным при измерении твердости практических поверхностей. Это также полезно при оставлении неглубокого отпечатка, поскольку тонко протравленный индентор оставляет гораздо более легко читаемый отпечаток, чем гладкий индентор. ^[13]

Известно, что вмятина, оставшаяся после удаления индентора и нагрузки, «восстанавливается» или слегка отскакивает назад. Этот эффект правильно называется обмелением . Известно, что для сферических инденторов вмятина остается симметричной и сферической, но с большим радиусом. Для очень твердых материалов радиус может быть в три раза больше радиуса индентора. Этот эффект объясняется высвобождением упругих напряжений. Из-за этого эффекта диаметр и глубина вмятины содержат ошибки. Известно, что ошибка из-за изменения диаметра составляет всего несколько процентов, а ошибка для глубины больше. ^[14]

Другим эффектом нагрузки на отпечаток является нагромождение или вдавливание окружающего материала. Если металл упрочнен, он имеет тенденцию нагромождаться и образовывать «кратер». Если металл отожжен, он будет вдавливаться вокруг отпечатка. Оба эти эффекта увеличивают погрешность измерения твердости. ^[15]

Отношение к пределу текучести

Если твердость, , определяется как среднее контактное давление (нагрузка/проецируемая площадь контакта), предел текучести, , многих материалов пропорционален твердости на константу, известную как фактор ограничения, C. ^[16] ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \sigma _{y}}$

${\displaystyle H=C\sigma _{y}}$

где:

${\displaystyle C\approx {\begin{cases}3&{\text{large }}E/\sigma _{y}{\text{ (ex. metals)}}\\1.5&{\text{small }}E/\sigma _{y}{\text{ (ex. glasses)}}\end{cases}}}$

Твердость отличается от предела текучести материала при одноосном сжатии, поскольку применяются различные режимы разрушения при сжатии . Одноосное испытание ограничивает материал только в одном измерении, что позволяет материалу разрушаться в результате сдвига . Твердость при вдавливании, с другой стороны, ограничена в трех измерениях, что не позволяет сдвигу доминировать над разрушением. ^[16]

Смотрите также

• Испытание твердости на отскок по Либу
• Закон Мейера

Ссылки

1. Павлина, Э. Дж.; Ван Тайн, К. Дж. (2008). «Корреляция предела текучести и предела прочности на растяжение с твердостью для сталей». Журнал «Материалы и эксплуатационные характеристики» . 17 (6): 888–893. Bibcode : 2008JMEP...17..888P. doi : 10.1007/s11665-008-9225-5 . S2CID  135890256.
2. Бройтман, Эстебан (март 2017 г.). «Измерения твердости вдавливанием в макро-, микро- и наномасштабах: критический обзор». Tribology Letters . 65 (1): 23. doi : 10.1007/s11249-016-0805-5 . ISSN  1023-8883.
3. Мейерс и Чавла (1999): «Механическое поведение материалов», 162–168.
4. Оливер, WC; Фарр, GM (июнь 1992 г.). «Улучшенный метод определения твердости и модуля упругости с использованием экспериментов по индентированию с измерением нагрузки и смещения». Журнал исследований материалов . 7 (6): 1564–1583. Bibcode : 1992JMatR...7.1564O. doi : 10.1557/JMR.1992.1564. ISSN  0884-2914. S2CID  137098960.
5. Шнырев Г.Д., Булычев С.И., Алехин В.П., Шоршоров М.К. и Терновский А.П. (1975). «Определение модуля Юнга по диаграмме проникновения индентора». Заводская лаборатория . 41 (9): 1137–1140.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
6. Тест твердости по Виккерсу EBP http://www.hiebp.com
7. Испытание твердости по Бринеллю EBP http://www.hiebp.com
8. Тест твердости по Кнупу EBP http://www.hiebp.com
9. Тест твердости по Роквеллу EBP http://www.hiebp.com
10. Тест на твердость по Шору EBP http://www.hiebp.com
11. Р. Л. Смит и Дж. Э. Сэндленд, «Точный метод определения твёрдости металлов, с особым упором на металлы с высокой степенью твёрдости», Труды Института инженеров-механиков, т. I, 1922, стр. 623–641.
12. Табор, стр. 16.
13. Табор, стр. 14.
14. Табор, стр. 14-15.
15. Табор, стр. 15.
16. Фишер-Криппс, Энтони С. (2007). Введение в механику контакта (2-е изд.). Нью-Йорк: Springer. С. 156–157. ISBN 978-0-387-68188-7. OCLC  187014877.

Внешние ссылки

• «Тестер пинбола показал твёрдость». Popular Mechanics , ноябрь 1945 г., стр. 75.

Библиография

• Табор, Дэвид (2000), Твёрдость металлов, Oxford University Press, ISBN 0-19-850776-3.