Испытание на твердость по Виккерсу

Твердомер по Виккерсу

Тест на твердость по Виккерсу был разработан в 1921 году Робертом Л. Смитом и Джорджем Э. Сандлендом в компании Vickers Ltd в качестве альтернативы методу Бринелля для измерения твердости материалов. ^[1] Тест по Виккерсу часто проще в использовании, чем другие тесты на твердость, поскольку требуемые расчеты не зависят от размера индентора, а индентор можно использовать для всех материалов независимо от твердости. Основной принцип, как и во всех обычных измерениях твердости, заключается в наблюдении за способностью материала сопротивляться пластической деформации от стандартного источника. Тест Виккерса можно использовать для всех металлов.и имеет одну из самых широких шкал среди тестов на твердость. Единица твердости, полученная при испытании, известна как число пирамиды Виккерса ( HV ) или твердость алмазной пирамиды ( DPH ). Число жесткости можно преобразовать в паскали , но не следует путать с давлением, в котором используются те же единицы. Число твердости определяется нагрузкой на площадь поверхности вмятины, а не на площади, перпендикулярной силе, и поэтому не является давлением.

Реализация [ править ]

Схема теста Виккерса

Пирамидальный алмазный индентор твердомера по Виккерсу

Вмятина, оставшаяся в цементированной стали после испытания на твердость по Виккерсу. Разница в длине обеих диагоналей и градиент освещения являются классическими признаками смещения образца. Это не лучший отступ.

Это хороший отступ.

Было решено, что форма индентора должна позволять получать геометрически похожие отпечатки независимо от размера; оттиск должен иметь четко определенные точки измерения; а индентор должен иметь высокое сопротивление самодеформации. Алмаз в форме квадрата на основе пирамиды удовлетворяет эти условия. Было установлено , что размер идеал Бринеллю впечатление было ³ / ₈ диаметра шара. Поскольку две касательные к окружности на концах хорды длиной 3 d / 8 пересекаются под углом 136 °, было решено использовать это как угол между плоскими гранями наконечника индентора. Это дает угол от нормали каждой грани.к горизонтальной плоскости, перпендикулярной 22 ° с каждой стороны. Угол варьировали экспериментально, и было обнаружено, что значение твердости, полученное на однородном куске материала, остается постоянным независимо от нагрузки. ^[2] Соответственно, к плоской поверхности прикладываются нагрузки различной величины в зависимости от твердости измеряемого материала. Затем число HV определяется соотношением F / A , где F - сила, приложенная к алмазу, в килограммах-силе, а A - площадь поверхности образовавшейся вмятины в квадратных миллиметрах. А можно определить по формуле.

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

который может быть аппроксимирован путем оценки синусоидального члена, чтобы дать,

{\ displaystyle A \ приблизительно {\ frac {d ^ {2}} {1.8544}},}

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

{\ displaystyle \ mathrm {HV} = {\ frac {F} {A}} \ приблизительно {\ frac {1.8544F} {d ^ {2}}} \ quad [{\ textrm {кгс / мм}} ^ { 2}]}

,

где F в кгс, а d в миллиметрах.

Соответствующей единицей HV является килограмм-сила на квадратный миллиметр (кгс / мм²) или число HV. В приведенном выше уравнении F может быть в N и d в мм, что дает HV в единицах СИ - МПа. Чтобы рассчитать число твердости по Виккерсу (VHN) с использованием единиц СИ, необходимо преобразовать прилагаемую силу из ньютонов в килограмм-силу , разделив на 9,806 65 ( стандартная сила тяжести ). Это приводит к следующему уравнению: ^[4]

{\ displaystyle \ mathrm {HV} \ приблизительно {0,1891} {\ frac {F} {d ^ {2}}} \ quad [{\ textrm {кгс / мм}} ^ {2}],}

где F в Н, а d в миллиметрах. Распространенная ошибка заключается в том, что приведенная выше формула для расчета числа HV не дает числа с единицей ньютон на квадратный миллиметр (Н / мм²), а дает непосредственно число твердости по Виккерсу (обычно указывается без единиц измерения), которое находится в Фактически один килограмм-сила на квадратный миллиметр (1 кгс / мм²).

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

440 - число твердости,
HV дает шкалу твердости (по Виккерсу),
30 указывает используемую нагрузку в кгс.
20 указывает время загрузки, если оно отличается от 10 с до 15 с.

Чтобы преобразовать число твердости по Виккерсу в единицы СИ, число твердости в килограммах-силе на квадратный миллиметр (кгс / мм²) необходимо умножить на стандартное значение силы тяжести (9,806 65), чтобы получить твердость в МПа (Н / мм²) и, кроме того, разделить на 1000, чтобы получить твердость в ГПа. Твердость по Виккерсу также можно преобразовать в твердость в единицах СИ на основе площади проекции отпечатка, а не площади поверхности. Спроецированная площадь определяется следующим образом для геометрии индентора Виккерса: ^[5] ${\ displaystyle A _ {\ rm {p}}}$

${\ displaystyle A _ {\ rm {p}} = {\ frac {d _ {\ rm {avg}} ^ {2}} {2}}}$

Эту твердость иногда называют средней площадью контакта, и в идеале ее можно напрямую сравнить с другими испытаниями твердости, также определенными с использованием площади проекции.

Значения Виккерса обычно не зависят от испытательной силы: они будут одинаковыми для 500 гс и 50 кгс, если сила составляет не менее 200 гс. ^[6] Однако более низкие вмятины под нагрузкой часто показывают зависимость твердости от глубины вмятины, известную как эффект размера вмятины (ISE). ^[7]

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

{\ displaystyle t = {\ frac {d _ {\ rm {avg}}} {2 {\ sqrt {2}} \ tan {\ frac {\ theta} {2}}}} \ приблизительно {\ frac {d_ { \ rm {avg}}} {7.0006}},}

Примеры значений HV для различных материалов ^[8]
Материал	Ценить
Нержавеющая сталь 316L	140HV30
347L нержавеющая сталь	180HV30
Углеродистая сталь	55–120HV5
Утюг	30–80HV5
Мартенсит	1000HV
Алмазный	10000HV

Меры предосторожности [ править ]

При проведении испытаний на твердость необходимо учитывать минимальное расстояние между углублениями и расстояние от углубления до края образца, чтобы избежать взаимодействия между закаленными областями и воздействием кромки. Эти минимальные расстояния различаются для стандартов ISO 6507-1 и ASTM E384.

Стандарт	Расстояние между углублениями	Расстояние от центра отпечатка до края образца
ISO 6507-1	> 3 · d для стали и медных сплавов и> 6 · d для легких металлов	2,5 · d для стали и медных сплавов и> 3 · d для легких металлов
ASTM E384	2,5 · д	2,5 · д

Оценка прочности на разрыв [ править ]

Если HV сначала выражается в Н / мм ² (МПа) или иначе путем преобразования из кгс / мм ² , то прочность на разрыв (в МПа) материала может быть приблизительно $выражена$ как $σ$ $u$ ≈ HV / $c$ ≈ HV / 3, 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 при растяжении (в МПа) ≈ ВН / 3. Этот эмпирический закон по-разному зависит от деформационного упрочнения материала. ^[10]

Заявление [ править ]

В плавнике штифты крепления и рукав в Конвэр 580 авиалайнера были определены изготовителем самолета , чтобы быть закалены в спецификацию по Виккерсу 390HV5, то «5» означают пять килопондов . Однако на самолете, выполнявшем рейс 394 компании Partnair, позже было обнаружено, что штифты были заменены на детали, не соответствующие стандарту, что привело к быстрому износу и, в конечном итоге, к потере самолета. При осмотре следователи ДТП обнаружили, что твердость нестандартных штифтов составляет всего около 200-230HV5. ^[11]

См. Также [ править ]

Твердость вдавливания
Тест на твердость отскока по Leeb
Сравнение твердости
Тест твердости по Кнупу
Тест на твердость по Мейеру
Шкала Роквелла
Инструментальный тест на вдавливание
Испытание керамики на прочность по Виккерсу

Ссылки [ править ]

^ RL Smith & GE Sandland, "Точный метод определения твердости металлов, с особым упором на те, которые имеют высокую степень твердости", Труды Института инженеров-механиков , Vol. I, 1922, с. 623–641.
^ Машина для определения твердости по Виккерсу . UKcalibrations.co.uk. Проверено 3 июня 2016.
^ ASTM E384-10e2
^ ISO 6507-1: 2005 (E)
^ Фишер-Криппс, Энтони C. (2007). Введение в контактную механику (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. С. 212–213. ISBN 9780387681887. OCLC 187014877 .
^ Тест Виккерса . Сайт компании Instron .
^ Никс, Уильям Д .; Гао, Хуацзянь (1998-03-01). «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 .
^ Справочник по металлам Smithells, 8-е издание, гл. 22
^ «Твердость» . question.org.uk .
^ Чжан, П. (сентябрь 2011 г.). «Общая взаимосвязь между прочностью и твердостью». Материаловедение и инжиниринг . 529 : 62. DOI : 10.1016 / j.msea.2011.08.061 .
^ Отчет о Convair 340/580 LN-PAA аварии самолета к северу от Хиртсхальса, Дания 8 сентября 1989 | айбн . Aibn.no. Проверено 3 июня 2016.

Дальнейшее чтение [ править ]

Мейерс и Чавла (1999). «Раздел 3.8». Механическое поведение материалов . Prentice Hall, Inc.
ASTM E92: Стандартный метод определения твердости металлических материалов по Виккерсу (отозван и заменен на 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 [ править ]

Видео об испытании твердости по Виккерсу
Испытание на твердость по Виккерсу
Таблица преобразования - шкалы Виккерса, Бринелля и Роквелла

[1] RL Smith & GE Sandland, "Точный метод определения твердости металлов, с особым упором на те, которые имеют высокую степень твердости", Труды Института инженеров-механиков , Vol. I, 1922, с. 623–641.

[2] Машина для определения твердости по Виккерсу . UKcalibrations.co.uk. Проверено 3 июня 2016.

[3] ASTM E384-10e2

[4] ISO 6507-1: 2005 (E)

[5] Фишер-Криппс, Энтони C. (2007). Введение в контактную механику (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. С. 212–213. ISBN 9780387681887. OCLC 187014877 .

[6] Тест Виккерса . Сайт компании Instron .

[7] Никс, Уильям Д .; Гао, Хуацзянь (1998-03-01). «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] Справочник по металлам Smithells, 8-е издание, гл. 22

[9] «Твердость» . question.org.uk .

[Journal_Article-10] Чжан, П. (сентябрь 2011 г.). «Общая взаимосвязь между прочностью и твердостью». Материаловедение и инжиниринг . 529 : 62. DOI : 10.1016 / j.msea.2011.08.061 .

[11] Отчет о Convair 340/580 LN-PAA аварии самолета к северу от Хиртсхальса, Дания 8 сентября 1989 | айбн . Aibn.no. Проверено 3 июня 2016.

[1]