Твердость вдавливания

Испытания на твердость при вдавливании используются в машиностроении для определения твердости материала к деформации. Существует несколько таких тестов, в которых исследуемый материал подвергается вдавливанию, пока не будет сформирован оттиск; эти тесты могут быть выполнены в макроскопическом или микроскопическом масштабе.

При испытании металлов, коррелирует твердость вдавливания приблизительно линейно с прочностью на растяжение ., ^[1] , но это является несовершенным корреляция часто ограничивается небольшими диапазонами прочности и твердости для каждой геометрии отступа. Это соотношение позволяет проводить экономически важный неразрушающий контроль поставок объемного металла с помощью легкого, даже портативного оборудования, такого как портативные твердомеры по Роквеллу.

Твердость материала [ править ]

Для количественной оценки характеристик материалов в меньших масштабах используются различные методы . Измерение механических свойств материалов, например, тонких пленок , не может быть выполнено с помощью обычных испытаний на одноосное растяжение . В результате были разработаны методы проверки «твердости» материала путем вдавливания материала с очень маленьким отпечатком, чтобы попытаться оценить эти свойства.

Измерения твердости позволяют количественно оценить сопротивление материала пластической деформации. Испытания на твердость при вдавливании составляют большинство процессов, используемых для определения твердости материала, и их можно разделить на три класса: испытания на макро-, микро- и наноиндентирование . ^{[2] [3]} микроиндентирование испытание , как правило , имеет силы меньше , чем 2 N (0,45 фунта _ф ). Однако твердость нельзя рассматривать как фундаментальное свойство материала. ^{[ необходима цитата ]} Классические испытания на твердость обычно создают число, которое можно использовать для получения относительного представления о свойствах материала. ^[3] Таким образом, твердость может дать только сравнительное представление об устойчивости материала к пластической деформации, поскольку разные методы определения твердости имеют разные масштабы.

Определение твердости на основе уравнения - это давление, прикладываемое к области контакта между индентором и испытуемым материалом. В результате значения твердости обычно указываются в единицах давления, хотя это «истинное» давление только в том случае, если поверхность раздела индентора и поверхности идеально плоская. ^{[ необходима цитата ]}

Макроиндентирование [ править ]

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

• Тест твердости по Виккерсу (HV), имеющий одну из самых широких шкал. Широко используется для испытания на твердость всех видов металлических материалов (сталь, цветные металлы, мишура, твердый сплав, листовой металл и т. Д.); поверхностный слой / покрытие (науглероживание, азотирование, обезуглероживание, поверхностный упрочняющий слой, гальваническое покрытие и т. д.). ^[4]
• Испытания на твердость по Бринеллю (HB) BHN и HBW широко используются ^[5]
• Испытание на твердость по Кнупу (HK) для измерения на небольших площадях, широко используется для испытания стекла или керамических материалов. ^[6]
• Испытание на твердость по Янке , для дерева
• Тест на твердость по Мейеру
• Испытание на твердость по Роквеллу (HR), в основном используется в США. Наиболее широко используются шкалы HRA, HRB и HRC. ^[7]
• Испытание на твердость по Шору для полимеров, широко используемых в резиновой промышленности. ^[8]
• Испытание на твердость по Барколу для композитных материалов.

Как правило, нет простой взаимосвязи между результатами различных испытаний на твердость. Хотя существуют практические таблицы преобразования твердых сталей, например, некоторые материалы демонстрируют качественно разное поведение при различных методах измерения. Шкалы твердости по Виккерсу и Бринеллю хорошо коррелируют в широком диапазоне, однако Бринелль дает завышенные значения только при высоких нагрузках.

Тесты на микроиндентирование [ править ]

Термин « микротвердость » широко используется в литературе для описания испытаний на твердость материалов с низкими приложенными нагрузками. Более точный термин - «испытание на твердость по микровпаду». При испытании твердости на микровдавливание 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 микровдавливание обычно имеют силу 2  Н (примерно 200 гс) и дают вдавливание примерно 50 мкм.. Из-за их специфики испытания на микротвердость можно использовать для наблюдения изменений твердости в микроскопическом масштабе. К сожалению, стандартизовать измерения микротвердости сложно; Установлено, что микротвердость практически любого материала превышает его макротвердость. Кроме того, значения микротвердости зависят от нагрузки и деформационного упрочнения материалов. ^[3] Два наиболее часто используемых теста на микротвердость - это тесты, которые также могут применяться при более высоких нагрузках в качестве тестов на макроиндентирование:

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

При испытании на микровдавливание показатель твердости основан на измерениях отпечатка, образованного на поверхности испытуемого образца. Число твердости основывается на прилагаемой силе, деленной на площадь поверхности самого отпечатка, что дает единицы твердости в кгс / мм². Испытания на твердость при микровдавливании могут быть выполнены с использованием инденторов Виккерса или Кнупа. Для теста Виккерса измеряются обе диагонали, и среднее значение используется для вычисления числа пирамиды Виккерса. В испытании Кнупа измеряется только более длинная диагональ, а твердость по Кнупу рассчитывается на основе расчетной площади отпечатка, деленной на приложенное усилие, что также дает единицы измерения в кгс / мм².

Тест на микроиндентирование по Виккерсу проводится аналогично тестам на макроиндентирование по Виккерсу с использованием той же пирамиды. В тесте Кнупа для вдавливания образцов материала используется удлиненная пирамида. Эта удлиненная пирамида создает неглубокий отпечаток, который полезен для измерения твердости хрупких материалов или тонких деталей. И инденторы Кнупа, и Виккерса требуют полировки поверхности для достижения точных результатов. ^{[ необходима цитата ]}

Испытания на царапание при низких нагрузках, такие как тест на микротвердость Бирбаума , проводимые с нагрузками 3 или 9 гс, предшествовали разработке измерителей микротвердости с использованием традиционных инденторов. В 1925 году Смит и Сандленд из Великобритании разработали тест на вдавливание, в котором использовался квадратный пирамидальный индентор, сделанный из алмаза. ^[9] Они выбрали пирамидальную форму с углом 136 ° между противоположными гранями, чтобы получить значения твердости, которые были бы как можно ближе к числам твердости по Бринеллю для образца. Большое преимущество теста Виккерса заключается в использовании одной шкалы твердости для тестирования всех материалов. Первое упоминание об инденторе Виккерса с низкими нагрузками было сделано в годовом отчете Национальной физической лаборатории.в 1932 г. губы и Саки описывают первые Vickers тестер с использованием низких нагрузок в 1936 году ^{[ править ]}

В литературе существуют разногласия относительно диапазона нагрузок, применимого к испытаниям на микротвердость. В спецификации ASTM E384, например, указывается, что диапазон нагрузок для испытаний на микротвердость составляет от 1 до 1000 гс. Для нагрузок 1 кгс и ниже твердость по Виккерсу (HV) рассчитывается по уравнению, в котором нагрузка ( L ) выражается в граммах силы, а среднее значение двух диагоналей ( d ) - в миллиметрах:

${\ displaystyle HV = 0,0018544 \ times {\ tfrac {L} {d ^ {2}}}}$

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

Тесты на наноиндентирование [ править ]

Источники ошибок [ править ]

Основными источниками ошибок при испытаниях на вдавливание являются плохая техника, плохая калибровка оборудования и эффект деформационного упрочнения процесса. Однако экспериментально с помощью «испытаний на твердость без деформации» было установлено, что эффект минимален при меньших вмятинах. ^[10]

Обработка поверхности детали и индентора не влияют на измерение твердости, пока отпечаток велик по сравнению с шероховатостью поверхности. Это оказывается полезным при измерении твердости практических поверхностей. Это также полезно, когда оставляют неглубокую выемку, потому что мелко протравленный индентор оставляет гораздо более читаемый отпечаток, чем гладкий индентор. ^[11]

Известно, что вмятина, оставшаяся после удаления индентора и нагрузки, "восстанавливается" или немного возвращается назад. Этот эффект правильно известен как обмеление . Для сферических инденторов отпечаток, как известно, остается симметричным и сферическим, но с большим радиусом. Для очень твердых материалов радиус может быть в три раза больше, чем радиус индентора. Этот эффект объясняется снятием упругих напряжений. Из-за этого эффекта диаметр и глубина вмятины действительно содержат ошибки. Известно, что погрешность изменения диаметра составляет всего несколько процентов, а погрешность измерения глубины больше. ^[12]

Другой эффект, который нагрузка оказывает на вмятину, - это нагромождение или втягивание окружающего материала. Если металл подвергается механической закалке, он имеет тенденцию накапливаться и образовывать «кратер». Если металл подвергнуть отжигу, он будет погружаться в углубление. Оба эти эффекта увеличивают погрешность измерения твердости. ^[13]

Связь с пределом текучести [ править ]

Когда твердость, определяется как среднее контактное давление (нагрузка / предполагаемая площадь контакта), предел текучести многих материалов пропорционален твердости с помощью константы, известной как коэффициент ограничения C. ^[14]${\ 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 разрушиться в результате сдвига . С другой стороны, твердость при вдавливании ограничена в трех измерениях, что предотвращает преобладание сдвига над разрушением. ^[14]

Смотрите также

• Закон Мейера
• Тест на твердость отскока по Leeb

Ссылки [ править ]

Заметки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• «Тестер Pinball показывает твердость». Popular Mechanics , ноябрь 1945 г., стр. 75.

Библиография [ править ]

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