Испытание на твердость по Виккерсу - Vickers hardness test

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. Испытание Виккерса часто проще в использовании, чем другие испытания 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 может использоваться 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 по площади поверхности вдавливания, а не по площади, перпендикулярной силе, и поэтому не является давлением.

Реализация

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 кончика индентора. Это дает угол от каждой нормали грани к нормали к горизонтальной плоскости 22 ° с каждой стороны. Угол варьировали экспериментально, и было обнаружено, что значение твердости, полученное на однородном куске материала, остается постоянным независимо от нагрузки. 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,

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

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:

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

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), но 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.

Меры предосторожности

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.

Значения Виккерса обычно не зависят от испытательной силы: они будут одинаковыми для 500 гс и 50 кгс, если сила составляет не менее 200 гс. Однако более низкие вдавливания часто показывают зависимость твердости от глубины вдавливания, известную как эффект размера вдавливания (ISE). Небольшие размеры отпечатков также будут иметь значения твердости, зависящие от микроструктуры.

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 в соответствии с: ${\ displaystyle t}$

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

Преобразование в единицы СИ

Для того, чтобы преобразовать число твердости по Виккерсу в системе единиц СИ число твердости в кгс на квадратный миллиметр (кгс / мм) должно быть умножено на стандартной гравитации , , чтобы получить твердость в МПа (Н / мм) и , кроме того , делится на 1000 чтобы получить твердость в ГПа. ${\ displaystyle g_ {0}}$

${\ displaystyle {\ text {твердость поверхности (ГПа)}} = {\ frac {g_ {0}} {1000}} HV = {\ frac {9.80665} {1000}} HV}$

Твердость по Виккерсу также можно преобразовать в твердость в единицах СИ на основе площади проекции отпечатка, а не площади поверхности. Площадь проекции определяется следующим образом для геометрии индентора Виккерса: ${\ displaystyle A _ {\ rm {p}}}$

${\ displaystyle A _ {\ rm {p}} = {\ frac {d _ {\ rm {avg}} ^ {2}} {2}} = {\ frac {1.854} {2}} {A_ {s}} }$

Эту твердость иногда называют средней площадью контакта или твердостью по Мейеру , и в идеале ее можно напрямую сравнить с другими испытаниями на твердость, также определенными с использованием площади проекции. Следует проявлять осторожность при сравнении других испытаний на твердость из-за различных масштабных факторов, которые могут повлиять на измеренную твердость.

${\ displaystyle {\ text {расчетная твердость области (ГПа)}} = {\ frac {g_ {0}} {1000}} {\ frac {2} {1.854}} HV \ приблизительно {\ frac {HV} {94,5 }}}$

Оценка прочности на разрыв

Если HV сначала выражается в Н / мм ² (МПа) или иначе путем преобразования из кгс / мм ² , то предел прочности (в МПа) материала может быть приблизительно выражен как σ _u ≈ HV / c , где c - константа, определяемая пределом текучести, коэффициентом Пуассона, показателем наклепа и геометрическими факторами - обычно в диапазоне от 2 до 4. 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 деформационного упрочнения материала.

заявка

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 позже было обнаружено , что на самолете, выполняющем рейс 394 компании Partnair, 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.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

• 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

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