Тест 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. 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.

Выполнение

Схема испытания Виккерса

Пирамидальный алмазный индентор твердомера Виккерса.

Вмятина, оставшаяся на закаленной стали после испытания на твердость по Виккерсу. Разница в длине обеих диагоналей и градиенте освещенности являются классическими признаками отклонения образца. Это не очень хороший отступ.

Это хороший отступ.

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.

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

который можно аппроксимировать, вычислив 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 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]

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

где F — в Н, а d — в миллиметрах. Распространенной ошибкой является то, что приведенная выше формула для расчета числа HV не 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:

• 440 – число твердости,
• HV называет шкалу твердости (по Виккерсу),
• 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 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: ${\displaystyle t}$

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

Преобразование в единицы СИ

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. ${\displaystyle g_{0}}$

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

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] ${\displaystyle A_{\rm {p}}}$

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

Эту твердость иногда называют средней площадью контакта или твердостью 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.

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

Оценка прочности на растяжение

Если HV сначала 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]

Приложение

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]

Смотрите также

• Твердость отпечатка
• Испытание на твердость по отскоку по Либу
• Сравнение твердости
• Тест на твердость по Кнупу
• Тест на твердость по Мейеру
• шкала Роквелла
• Испытание керамики на ударную вязкость по Виккерсу
• Сверхтвердый материал

Рекомендации

1. RL Smith и GE Sandland, «Точный метод определения твердости металлов с особым упором на металлы с высокой степенью твердости», Труды Института инженеров-механиков , Vol. Я, 1922, стр. 623–641.
2. Машина для определения твердости по Виккерсу. UK Calibrations.co.uk. Проверено 3 июня 2016 г.
3. ASTM E384-10e2
4. ИСО 6507-1: 2005 (Е)
5. Справочник Smithells Metals, 8-е издание, гл. 22
6. Тест Виккерса. Архивировано 21 октября 2014 года в Wayback Machine . Сайт Инстрон .
7. Никс, Уильям Д.; Гао, Хуацзянь (1 марта 1998 г.). «Влияние размера отпечатка в кристаллических материалах: закон пластичности градиента деформации». Журнал механики и физики твердого тела . 46 (3): 411–425. Бибкод : 1998JMPSo..46..411N. дои : 10.1016/S0022-5096(97)00086-0 . ISSN  0022-5096.
8. Фишер-Криппс, Энтони К. (2007). Введение в контактную механику (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. стр. 212–213. ISBN 9780387681887. ОСЛК  187014877.
9. «Твердость». Matter.org.uk .
10. Чжан, П. (сентябрь 2011 г.). «Общая связь между прочностью и твердостью». Материаловедение и инженерия А. 529 : 62. doi :10.1016/j.msea.2011.08.061.
11. Отчет об авиакатастрофе Convair 340/580 LN-PAA к северу от Хиртсхальса, Дания, 8 сентября 1989 г. | аибн. Айбн.но. Проверено 3 июня 2016 г.

дальнейшее чтение

• Мейерс и Чавла (1999). «Раздел 3.8». Механическое поведение материалов . Прентис Холл, Инк.
• ASTM E92: Стандартный метод определения твердости металлических материалов по Виккерсу (отменен и заменен E384-10e2)
• ASTM E384: Стандартный метод определения 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

• Видео по испытанию на твердость по Виккерсу
• Тест на твердость по Виккерсу
• Таблица преобразования – шкалы Виккерса, Бринелля и Роквелла.