Твердость вдавливания - Indentation hardness

Твердость вдавливания тесты используются в машиностроение определить твердость материала до деформации. Существует несколько таких тестов, в которых исследуемый материал подвергается вдавливанию, пока не будет сформирован слепок; эти тесты могут быть выполнены в макроскопическом или микроскопическом масштабе.

При испытании металлов твердость при вдавливании примерно линейно коррелирует с предел прочности.,^[1] но это несовершенная корреляция, часто ограниченная небольшими диапазонами прочности и твердости для каждой геометрии отпечатка. Это соотношение позволяет осуществлять экономически важный неразрушающий контроль поставок объемного металла с помощью легкого, даже портативного оборудования, такого как портативные твердомеры по Роквеллу.

Твердость материала

Для количественной оценки используются разные методы характеристики материала в меньших масштабах. Измерение механических свойств материалов, например, тонкие пленки, нельзя сделать с помощью обычных одноосный растяжение тестирование. 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: макро, микро и наноиндентирование тесты.^[2]^[3] Испытания на микровдавливание обычно имеют силу менее 2 Н (0,45 фунта_ж). Однако твердость нельзя рассматривать как фундаментальное свойство материала.^{[нужна 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.

Основными источниками ошибок при испытаниях на вдавливание являются плохая техника, плохая калибровка оборудования и деформационное упрочнение эффект от процесса. Однако экспериментально с помощью «испытаний на твердость без деформации» было установлено, что эффект минимален при меньших вмятинах.^[4]

Чистота 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 при оставлении неглубокого углубления, потому что тонко протравленный индентор оставляет гораздо более читаемый отпечаток, чем гладкий индентор.^[5]

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 вдавливания действительно содержат ошибки. Известно, что погрешность изменения диаметра составляет всего несколько процентов, а погрешность измерения глубины больше.^[6]

Еще одно влияние нагрузки на отступ - это нагромождение или же погружение окружающего материала. Если металл закален наклеп, он имеет тенденцию накапливаться и образовывать «кратер». Если металл отожжен, он будет погружаться в углубление. Оба эти эффекта увеличивают погрешность измерения твердости.^[7]

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.^{[нужна цитата ]}

Макроинденционные тесты

Термин «макроиндентирование» применяется к тестам с большей тестовой нагрузкой, например 1кгс или больше. Существуют различные тесты на макроиндентирование, в том числе:

Тест твердости по Виккерсу (HV), имеющая одну из самых широких шкал. Широко используется для испытания на твердость всех видов металлических материалов (сталь, цветные металлы, мишура, твердый сплав, листовой металл и др.); поверхностный слой / покрытие (науглероживание, азотирование, обезуглероживание, поверхностный упрочняющий слой, гальваническое покрытие и т. д.).^[8]
Испытание на твердость по Бринеллю (HB) BHN и HBW широко используются ^[9]
Тест на твердость по Кнупу (HK), для измерения на небольших площадях, широко используется для испытания стекла или керамики.^[10]
Тест твердости Янки, 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.^[11]
Испытание на твердость по Шору, для полимеров, широко используемых в резиновой промышленности.^[12]
Тест на твердость по Барколу, для композитных материалов.

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

Тесты на микроиндентирование

Период, термин "микротвердость"широко используется в литературе для описания испытания на твердость материалов с низкими приложенными нагрузками. Более точный термин -" испытание твердости с микровдавливанием ". При испытании твердости с микровдавливанием алмазный индентор определенной геометрии вдавливается в поверхность испытания образец с известной приложенной силой (обычно называемой «нагрузкой» или «испытательной нагрузкой») от 1 до 1000 gf. Тесты на микроиндентирование обычно имеют силу 2N (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 меняются в зависимости 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:

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 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 проводится аналогично тестам на макроиндентирование по Виккерсу с использованием той же пирамиды. В тесте Кнупа для вдавливания образцов материала используется удлиненная пирамида. Эта продолговатая пирамида создает впечатление неглубокой глубины, что полезно для измерения твердость хрупких материалов или тонкие компоненты. И инденторы Кнупа и Виккерса требуют предварительной полировки поверхности для достижения точных результатов.^{[нужна цитата ]}

Царапины при низких нагрузках, например Тест на микрочип Бирбаума, выполненный с нагрузками 3 гс или 9 гс, предшествовал разработке измерителей микротвердости с использованием традиционных инденторов. В 1925 году Смит и Сандленд из Великобритании разработали тест на вдавливание, в котором использовался пирамидальный индентор с квадратным основанием, сделанный из алмаза.^[13] 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 Национальная физическая лаборатория в 1932 году. Липс и Сак описывают первый тестер Виккерса, использующий низкие нагрузки в 1936 году.^{[нужна цитата ]}

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 и среднего значения 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 наноиндентирования

Связь с пределом текучести

Когда твердость, ${ displaystyle H}$ , определяется как среднее контактное давление (нагрузка / расчетная площадь контакта), предел текучести, ${ displaystyle sigma _ {y}}$ , многих материалов пропорциональна твердости постоянной величиной, известной как коэффициент ограничения C.^[14]

${ displaystyle H = C sigma _ {y}}$

куда:

${ displaystyle C приблизительно { begin {case} 3 & { text {large}} E / sigma _ {y} { text {(например, металлы)}} 1.5 & { text {small}} E / sigma _ {y} { text {(например, очки)}} end {case}}}$

Твердость отличается от предела текучести материала при одноосном сжатии, потому что разные режимы разрушения при сжатии подать заявление. Одноосное испытание ограничивает материал только в одном измерении, что позволяет материалу выйти из строя в результате срезать. С другой стороны, твердость при вдавливании ограничена в трех измерениях, что предотвращает преобладание сдвига над разрушением.^[14]

Смотрите также

внешняя ссылка

«Тестер Pinball показывает твердость». Популярная механика, Ноябрь 1945 г., стр. 75.

Библиография

Табор, Дэвид (2000), Твердость металлов, Издательство Оксфордского университета, ISBN 0-19-850776-3.

[1] Корреляция предела текучести и предела прочности при растяжении для сталей, E.J. Павлина и К.Дж. Ван Тайн, Журнал материаловедения и производительности, том 17, номер 6 / декабрь 2008 г.

[2] Бройтман, Эстебан (март 2017 г.). «Измерение твердости вдавливания на макро-, микро- и наноуровне: критический обзор». Письма о трибологии. 65 (1): 23. Дои:10.1007 / s11249-016-0805-5. ISSN 1023-8883.

[MeyersChawla-3] а ^б ^c Мейерс и Чавла (1999): «Механическое поведение материалов», 162–168.

[4] Табор, стр. 16.

[5] Табор, стр. 14.

[6] Табор, стр. 14-15.

[7] Табор, стр. 15.

[8] EBP испытание на твердость по Виккерсу http://www.hiebp.com

[9] EBP испытание на твердость по Бринеллю http://www.hiebp.com

[10] EBP испытание на твердость по Кнупу http://www.hiebp.com

[11] EBP испытание на твердость по Роквеллу http://www.hiebp.com

[12] EBP испытание на твердость по Шору http://www.hiebp.com

[13] Р. Л. Смит, Г. Э. Сандленд, «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.

[:0-14] а ^б Фишер-Криппс, Энтони С. (2007). Введение в контактную механику (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. С. 156–157. ISBN 978-0-387-68188-7. OCLC 187014877.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]