Твердость отпечатка

Испытания на твердость при вдавливании используются в машиностроении для определения твердости материала к деформации . Существует несколько таких тестов, при которых исследуемый материал вдавливается до тех пор, пока не образуется отпечаток; эти тесты могут проводиться в макроскопическом или микроскопическом масштабе.

При испытании металлов твердость при вдавливании примерно линейно коррелирует с пределом прочности на разрыв . ^[1] но это несовершенная корреляция, часто ограниченная небольшими диапазонами прочности и твердости для каждой геометрии отпечатка. Это соотношение позволяет проводить экономически важные неразрушающие испытания объемных поставок металла с помощью легкого, даже портативного оборудования, такого как ручные твердомеры Роквелла.

Твердость материала

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

Измерения твердости количественно определяют сопротивление материала пластической деформации. Испытания на твердость при вдавливании составляют большую часть процессов, используемых для определения твердости материалов, и их можно разделить на три класса: макро-, микро- и наноиндентирование . испытания на ^[2]^[3] Испытания на микроиндентирование обычно требуют усилий менее 2 Н (0,45 фунт- _сила ). Однако твердость нельзя считать фундаментальным свойством материала. ^{[ нужна ссылка ]} Классическое испытание на твердость обычно дает число, которое можно использовать для получения относительного представления о свойствах материала. ^[3] Таким образом, твердость может дать лишь сравнительное представление об устойчивости материала к пластической деформации, поскольку разные методы определения твердости имеют разные масштабы.

Определение твердости, основанное на уравнении, представляет собой давление, приложенное к площади контакта между индентором и испытуемым материалом. В результате значения твердости обычно сообщаются в единицах давления, хотя это «истинное» давление только в том случае, если индентор и поверхность раздела идеально плоские. ^{[ нужна ссылка ]}

Инструментированный отступ

Инструментальное вдавливание в основном вдавливает острый кончик в поверхность материала для получения кривой силы-перемещения. Результаты предоставляют много информации о механическом поведении материала, включая твердость , например, модули упругости и пластическую деформацию . Одним из ключевых факторов инструментального испытания на вдавливание является то, что наконечник необходимо контролировать с помощью силы или смещения, которые можно измерять одновременно на протяжении всего цикла вдавливания. ^[4] Современные технологии позволяют реализовать точный контроль силы в широком диапазоне. Таким образом, твердость можно охарактеризовать во многих различных масштабах: от твердых материалов, таких как керамика, до мягких материалов, таких как полимеры.

Самая ранняя работа была завершена Булычевым, Алехиным и Шоршоровым в 1970-х годах, которые определили, что модуль Юнга материала можно определить по наклону кривой зависимости силы от смещения вдавливания как: ^[5]

S={dP \over d\delta }={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}E_{r}{\sqrt {A}}

S

: жесткость материала, которая представляет собой наклон кривой.

A

: площадь контакта зонда с образцом

E_{r}

: приведенный модуль, определяемый как:

{\frac {1}{E_{r}}}={\frac {1-\nu _{s}^{2}}{E_{s}}}+{\frac {1-\nu _{i}^{2}}{E_{i}}}

Где $E_{s}$ и $\nu _{s}$ – модуль Юнга и коэффициент Пуассона образца, $E_{i}$ и $\nu _{i}$ принадлежат индентору. Поскольку, как правило, $E_{i}>>E_{s}$ , второй член обычно можно игнорировать.

Наиболее важную информацию — твердость — можно рассчитать по формуле:

H={\frac {P_{max}}{A}}

Ниже обсуждаются широко используемые методы вдавливания, а также подробный расчет каждого метода.

Макроиндентационные тесты

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

Твердость по Виккерсу (HV), имеющая одну из самых широких шкал. Широко используется для проверки твердости всех видов металлических материалов (сталь, цветные металлы, мишура, твердый сплав, листовой металл и т. д.); поверхностный слой/покрытие (науглероживание, азотирование, обезуглероживающий слой, слой поверхностной упрочнения, оцинкованное покрытие и т. д.). ^[6]
Тест на твердость по Бринеллю (HB) Широко используются BHN и HBW. ^[7]
Тест на твердость по Кнупу (HK) для измерения на небольших площадях, широко используемый для проверки стекла или керамических материалов. ^[8]
Испытание на твердость по Янке для дерева
Тест на твердость по Мейеру
Испытание на твердость по Роквеллу (HR), в основном используемое в США. Наиболее широко используются шкалы HRA, HRB и HRC. ^[9]
Испытание на твердость по Шору для полимеров, широко используемых в резиновой промышленности. ^[10]
Испытание на твердость по Барколю для композитных материалов.

В общем, простой зависимости между результатами различных испытаний на твердость не существует. Хотя существуют практические таблицы преобразования , например, для твердых сталей, некоторые материалы демонстрируют качественно различное поведение при различных методах измерения. Однако шкалы твердости по Виккерсу и Бринеллю хорошо коррелируют в широком диапазоне, при этом Бринелль дает завышенные значения только при высоких нагрузках.

Однако процедуры индентирования могут быть использованы для выявления реальных связей между напряжением и деформацией. Для получения надежных результатов необходимо соблюдение определенных критериев. К ним относится необходимость деформировать относительно большой объем, а значит и использовать большие нагрузки. Используемые методологии часто группируются под термином « индентационная пластометрия» , который описан в отдельной статье.

Микроиндентационные тесты

Термин « микротвердость » широко используется в литературе для описания испытаний материалов на твердость при малых приложенных нагрузках. Более точный термин — «испытание на твердость при микроиндентировании». При испытании на твердость при микроиндентировании 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 . При испытаниях на микроиндентирование обычно применяются силы 2 Н (приблизительно 200 гс) и образуются вмятины размером около 50 мкм . Благодаря своей специфике испытания на микротвердость можно использовать для наблюдения за изменениями твердости в микроскопическом масштабе. К сожалению, трудно стандартизировать измерения микротвердости; Установлено, что микротвердость практически любого материала превышает его макротвердость. Кроме того, значения микротвердости изменяются в зависимости от нагрузки и воздействия на материалы упрочнения. ^[3] Два наиболее часто используемых теста на микротвердость — это тесты, которые также могут применяться при более высоких нагрузках в качестве испытаний на макроиндентирование:

При испытании на микроиндентирование число твердости основано на измерениях отпечатка, образовавшегося на поверхности испытуемого образца. Число твердости основано на приложенной силе, разделенной на площадь поверхности самого отпечатка, что дает единицы твердости в кгс/мм. ². Испытание на твердость при микроиндентировании можно проводить с использованием инденторов Виккерса или Кнупа. В тесте Виккерса измеряются обе диагонали, и среднее значение используется для вычисления числа пирамиды Виккерса. В тесте Кнупа измеряется только более длинная диагональ, а твердость по Кнупу рассчитывается на основе проецируемой площади отпечатка, деленной на приложенную силу, что также дает единицы измерения в кгс/мм. ².

Тест на микроиндентирование по Виккерсу проводится аналогично тестам на макроиндентирование по Виккерсу, с использованием той же пирамиды. В тесте Кнупа используется вытянутая пирамида для отпечатков образцов материала. Эта вытянутая пирамида создает неглубокое впечатление, что полезно для измерения твердости хрупких материалов или тонких деталей. Инденторы Кнупа и Виккерса требуют полировки поверхности для достижения точных результатов. ^{[ нужна ссылка ]}

Испытания на царапины при низких нагрузках, такие как микрохарактеристический тест Бирбаума , выполняемый с нагрузкой 3 или 9 гс, предшествовали разработке микротвердомеров с использованием традиционных инденторов. В 1925 году Смит и Сэндленд из Великобритании разработали тест на вдавливание, в котором использовался пирамидальный индентор с квадратным основанием, сделанный из алмаза. ^[11] Они выбрали пирамидальную форму с углом 136° между противоположными гранями, чтобы получить числа твердости, максимально близкие к числам твердости образца по Бринеллю. Большим преимуществом теста Виккерса является использование одной шкалы твердости для проверки всех материалов. Первое упоминание об инденторе Виккерса с низкими нагрузками было сделано в годовом отчете Национальной физической лаборатории в 1932 году. Липс и Сак описывают первый тестер Виккерса, использующий низкие нагрузки, в 1936 году. ^{[ нужна ссылка ]}

В литературе существуют некоторые разногласия относительно диапазона нагрузок, применимых для испытаний на микротвердость. Например, в спецификации ASTM E384 указано, 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 ) выражена в граммах-силах, а среднее значение двух диагоналей ( d ) — в миллиметрах:

HV=0.0018544\times {\tfrac {L}{d^{2}}}

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

Наноиндентационные тесты

Источники ошибок

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 отпечатках. ^[12]

Чистота поверхности детали и индентор не влияют на измерение твердости, если отпечаток велик по сравнению с шероховатостью поверхности. Это оказывается полезным при измерении твердости практических поверхностей. Это также полезно при оставлении неглубокого углубления, поскольку мелко протравленный индентор оставляет гораздо более читаемое углубление, чем гладкий индентор. ^[13]

Известно, что углубление, оставшееся после удаления индентора и нагрузки, «восстанавливается» или слегка пружинит. Этот эффект правильно известен как обмеление . Известно, что для сферических инденторов углубление остается симметричным и сферическим, но с большим радиусом. Для очень твердых материалов радиус может быть в три раза больше радиуса индентора. Этот эффект объясняется снятием упругих напряжений. Из-за этого эффекта диаметр и глубина отпечатка содержат погрешности. Известно, что погрешность изменения диаметра составляет всего несколько процентов, а погрешность глубины еще больше. ^[14]

Еще одним эффектом, оказываемым нагрузкой на углубление, является нагромождение или погружение окружающего материала. Если металл закален, он имеет тенденцию скапливаться и образовывать «кратеры». Если металл отожжен, он опустится вокруг углубления. Оба эти эффекта увеличивают погрешность измерения твердости. ^[15]

Связь с пределом текучести

Когда твердость, $H$ , определяется как среднее контактное давление (нагрузка/проецируемая площадь контакта), предел текучести, $\sigma _{y}$ , многих материалов пропорциональна твердости константе, известной как коэффициент ограничения C. ^[16]

H=C\sigma _{y}

где:

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 разные режимы разрушения при сжатии . Одноосное испытание ограничивает материал только в одном измерении, что позволяет материалу разрушаться в результате сдвига . С другой стороны, твердость при вдавливании ограничена в трех измерениях, что не позволяет сдвигу доминировать над разрушением. ^[16]

См. также

Ссылки

^ Павлина, Е.Ю.; Ван Тайн, CJ (2008). «Взаимосвязь предела текучести и прочности на разрыв с твердостью сталей» . Журнал материаловедения и производительности . 17 (6): 888–893. Бибкод : 2008JMEP...17..888P . дои : 10.1007/s11665-008-9225-5 . S2CID 135890256 .
^ Бройтман, Эстебан (март 2017 г.). «Измерения твердости при вдавливании в макро-, микро- и наномасштабах: критический обзор» . Письма по трибологии . 65 (1): 23. дои : 10.1007/s11249-016-0805-5 . ISSN 1023-8883 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Мейерс и Чавла (1999): «Механическое поведение материалов», 162–168.
^ Оливер, туалет; Фарр, генеральный директор (июнь 1992 г.). «Улучшенная методика определения твердости и модуля упругости с использованием экспериментов по вдавливанию с измерением нагрузки и смещения» . Журнал исследования материалов . 7 (6): 1564–1583. Бибкод : 1992JMatR...7.1564O . дои : 10.1557/JMR.1992.1564 . ISSN 0884-2914 . S2CID 137098960 .
^ Shnyrev, G.D., Bulychev, S.I. & Alekhin, V.P. & Shorshorov, M.K. & Ternovskii, A.P. (1975). "Determining Young's modulus from the indentor penetration diagram". Zavodskaya Laboratoriya . 41 (9): 1137–1140. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Тест на твердость EBP по Виккерсу http://www.hiebp.com
^ Тест на твердость EBP по Бринеллю http://www.hiebp.com
^ Тест на твердость EBP по Кнупу http://www.hiebp.com
^ Испытание на твердость EBP по Роквеллу http://www.hiebp.com
^ Испытание твердости по Шору EBP http://www.hiebp.com
^ RL Smith и GE Sandland, «Точный метод определения твердости металлов с особым упором на металлы с высокой степенью твердости», Труды Института инженеров-механиков, Vol. Я, 1922, стр. 623–641.
^ Табор, с. 16.
^ Табор, с. 14.
^ Табор, стр. 14-15
^ Табор, с. 15.
^ Перейти обратно: ^а ^б Фишер-Криппс, Энтони К. (2007). Введение в контактную механику (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. стр. 156–157. ISBN 978-0-387-68188-7 . OCLC 187014877 .

Внешние ссылки

«Тестер для пинбола показывает твердость». «Популярная механика» , ноябрь 1945 г., с. 75.

Библиография

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

[1] Павлина, Е.Ю.; Ван Тайн, CJ (2008). «Взаимосвязь предела текучести и прочности на разрыв с твердостью сталей» . Журнал материаловедения и производительности . 17 (6): 888–893. Бибкод : 2008JMEP...17..888P . дои : 10.1007/s11665-008-9225-5 . S2CID 135890256 .

[2] Бройтман, Эстебан (март 2017 г.). «Измерения твердости при вдавливании в макро-, микро- и наномасштабах: критический обзор» . Письма по трибологии . 65 (1): 23. дои : 10.1007/s11249-016-0805-5 . ISSN 1023-8883 .

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

[4] Оливер, туалет; Фарр, генеральный директор (июнь 1992 г.). «Улучшенная методика определения твердости и модуля упругости с использованием экспериментов по вдавливанию с измерением нагрузки и смещения» . Журнал исследования материалов . 7 (6): 1564–1583. Бибкод : 1992JMatR...7.1564O . дои : 10.1557/JMR.1992.1564 . ISSN 0884-2914 . S2CID 137098960 .

[5] Shnyrev, G.D., Bulychev, S.I. & Alekhin, V.P. & Shorshorov, M.K. & Ternovskii, A.P. (1975). "Determining Young's modulus from the indentor penetration diagram". Zavodskaya Laboratoriya . 41 (9): 1137–1140. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[6] Тест на твердость EBP по Виккерсу http://www.hiebp.com

[7] Тест на твердость EBP по Бринеллю http://www.hiebp.com

[8] Тест на твердость EBP по Кнупу http://www.hiebp.com

[9] Испытание на твердость EBP по Роквеллу http://www.hiebp.com

[10] Испытание твердости по Шору EBP http://www.hiebp.com

[11] RL Smith и GE Sandland, «Точный метод определения твердости металлов с особым упором на металлы с высокой степенью твердости», Труды Института инженеров-механиков, Vol. Я, 1922, стр. 623–641.

[12] Табор, с. 16.

[13] Табор, с. 14.

[14] Табор, стр. 14-15

[15] Табор, с. 15.

[:0-16] Перейти обратно: ^а ^б Фишер-Криппс, Энтони К. (2007). Введение в контактную механику (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. стр. 156–157. ISBN 978-0-387-68188-7 . OCLC 187014877 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]