Войти
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 твердость при вдавливании приблизительно линейно коррелирует с пределом прочности на разрыв., Но это несовершенная корреляция, часто ограниченная небольшими диапазонами прочности и твердости для каждой геометрии вдавливания. Это соотношение позволяет осуществлять экономически важный неразрушающий контроль поставок объемного металла с помощью легкого, даже портативного оборудования, такого как портативные твердомеры по Роквеллу.
Для количественной оценки характеристик материала в меньших масштабах используются различные методы. Измерение механических свойств материалов, например, тонких пленок, не может быть выполнено с использованием 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 определить сопротивление материала пластической деформации. Испытания на твердость при вдавливании составляют большинство процессов, используемых для определения твердости материала, и могут быть разделены на три класса: испытания на макро-, микро- и наноиндентирование. Испытания на микровдавливание обычно имеют силы менее 2 Н (0,45 фунта f). Однако твердость нельзя рассматривать как фундаментальное свойство материала. Классические испытания на твердость обычно создают число, которое можно использовать для получения относительного представления о свойствах материала. Таким образом, твердость может дать только сравнительное представление об устойчивости материала к пластической деформации, поскольку разные методы определения твердости имеют разные масштабы.
Основными источниками ошибок при испытаниях на вдавливание являются плохая техника, плохая калибровка оборудования и деформационное упрочнение процесса. Однако экспериментально с помощью «испытаний на твердость без деформации» было установлено, что этот эффект минимален при меньших вмятинах.
Качество поверхности детали и индентора не влияют на измерение твердости, пока вдавливание велико по сравнению с шероховатостью поверхности. Это оказывается полезным при измерении твердости практических поверхностей. Это также полезно, когда оставляют неглубокую выемку, потому что мелко вытравленный индентор оставляет гораздо более удобный для чтения отпечаток, чем гладкий индентор.
Отступ, оставшийся после удаления индентора и нагрузки, как известно, "восстанавливается" ", или слегка отскочить 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, при этом погрешность для глубины больше.
Другим эффектом, который нагрузка оказывает на вдавливание, является скопление или втягивание окружающий материал. Если металл закален наклеп, он имеет тенденцию накапливаться и образовывать «кратер». Если металл будет отожжен, он будет погружаться в углубление. Оба этих эффекта увеличивают погрешность измерения твердости.
Определение твердости на основе уравнения - это давление, приложенное к площади 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.
Термин «макроиндентирование» "применяется к испытаниям с большей испытательной нагрузкой, например 1 кгс или более. Существуют различные тесты на макроиндентирование, в том числе:
Есть, в общем, нет простой связи между результатами различных испытаний на твердость. Хотя существуют практические таблицы преобразования, например, для твердых сталей, некоторые материалы показывают 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.
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 силы 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 выше его макротвердости. Кроме того, значения микротвердости зависят от нагрузки и деформационного упрочнения материалов. Два наиболее часто используемых теста на микротвердость - это тесты, которые также могут применяться при более высоких нагрузках в качестве тестов на макроиндентирование:
В микроиндентировании При испытании число твердости основывается 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 можно проводить 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 проводят 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 компонентов. И инденторы Кнупа, и инденторы Виккерса требуют предварительной полировки поверхности для получения точных результатов.
Испытания на царапание при низких нагрузках, например, с нагрузками 3 или 9 гс, предшествовали разработке измерителей микротвердости с использованием традиционных инденторы. В 1925 году Смит и Сэндленд из Великобритании разработали испытание на вдавливание, в котором использовался пирамидальный индентор с квадратным основанием, сделанный из алмаза. Они выбрали пирамидальную форму с углом 136 ° между противоположными гранями, чтобы получить числа 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 испытания всех материалов. Первое упоминание индентора Виккерса с низкими нагрузками было сделано в годовом отчете Национальной физической лаборатории за 1932 год. Lips and Sack описывает первый тестер Виккерса, использующий низкие нагрузки в 1936 году.
В литературе есть некоторые 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:
Для любой данной нагрузки твердость быстро увеличивается при малых длинах диагонали, причем эффект становится более выраженным по мере увеличения нагрузка уменьшается. 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.
