Твердость отступления

Тест на твердость в отступление используются в машиностроении для определения твердости материала для деформации . Существует несколько таких тестов, в которых исследуемый материал отступает до тех пор, пока не будет сформировано впечатление; Эти тесты могут быть выполнены в макроскопическом или микроскопическом масштабе.

При тестировании металлов твердость вдавшего ^{[ 1 ]} Но это несовершенная корреляция, часто ограниченная небольшими диапазонами прочности и твердости для каждой геометрии отступления. Это отношение позволяет экономически важным неразрушающим тестированию поставки объемных металлов с легким, даже переносным оборудованием, таким как ручные тестировщики твердости роквелла.

Материальная твердость

Различные методы используются для количественной оценки характеристик материала в меньших масштабах. Измерение механических свойств для материалов, например, тонких пленок , не может быть сделано с использованием обычного одноосного испытания на растяжение . В результате были разработаны методы тестирования материала «твердости» путем рассмотрения материала с очень небольшим впечатлением, чтобы попытаться оценить эти свойства.

Измерения твердости количественно определяют сопротивление материала к пластической деформации. Испытания на твердость в отступлении составляют большинство процессов, используемых для определения твердости материала, и могут быть разделены на три класса: на макро, микро и наноиндентацию . тесты ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Тесты на микроиндентациях обычно имеют силы менее 2 Н (0,45 фунта _F ). Твердость, однако, не может считаться фундаментальной материальной собственностью. ^{[ Цитация необходима ]} Классическое тестирование твердости обычно создает число, которое можно использовать для предоставления относительного представления о свойствах материала. ^{[ 3 ]} Таким образом, твердость может предложить только сравнительную идею сопротивления материала к пластической деформации, поскольку различные методы твердости имеют разные масштабы.

Определение твердости, основанное на уравнении, - это давление, применяемое на площадь контакта между индентором и тестируемым материалом. В результате значения твердости обычно сообщаются в единицах давления, хотя это только «истинное» давление, если интерфейс инденсатора и поверхности совершенно плоский. ^{[ Цитация необходима ]}

Инструментарий

Инструментарий в основном углубляется острый наконечник на поверхность материала для получения кривой силового смещения. Результаты предоставляют много информации о механическом поведении материала, включая твердость , например, упругие модули и пластическую деформацию . Одним из ключевых факторов приборочного теста на углубления является то, что наконечник необходимо контролировать путем силы или смещения, который может быть измерен одновременно на протяжении всего цикла отступления. ^{[ 4 ]} Текущая технология может реализовать точное управление силой в широком диапазоне. Поэтому твердость можно охарактеризовать во многих различных масштабах длины, от твердых материалов, таких как керамика до мягких материалов, таких как полимеры.

Самая ранняя работа была завершена Буличевом, Алехин, Шоршоров в 1970 -х годах, который определил, что модуль Янга материала может быть определен из наклона кривой применения силы против смещения как: ^{[ 5 ]}

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

S

: Жесткость материала, которая является наклоном кривой

A

: Область контакта на контакт

E_{r}

: уменьшенный 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 Янга и соотношение Пуассона к образцу, $E_{i}$ и $\nu _{i}$ это инденсар. С тех пор, как обычно, $E_{i}>>E_{s}$ , второй термин обычно можно игнорировать.

Наиболее важная информация, твердость, может быть рассчитана:

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

Обычно используемые методы отступления, а также подробный расчет каждого различного метода обсуждаются следующим образом.

Макронтийентные тесты

Термин «макроинентация» применяется к тестам с большей тестовой нагрузкой, такой как 1 кг или более. Существуют различные тесты на макроиндуентации, в том числе:

Тест на твердость Vickers (HV), который имеет одну из самых широких шкал. Широко используется для проверки твердости всех видов металлических материалов (сталь, нерухозные металлы, мишура, цементированный карбид, листовой металл и т. Д.); Поверхностный слой / покрытие (карбинизация, нитрификация, декарбурский слой, поверхностное упрочнение слоя, оцинкованное покрытие и т. Д.). ^{[ 6 ]}
Тест на твердость Бринелла (HB) BHN и HBW широко используются ^{[ 7 ]}
Тест на твердость в кнупе (HK), для измерения на небольших участках, широко используется для тестирования стекла или керамического материала. ^{[ 8 ]}
Тест на твердость Джанка , для дерева
Мейер тест на твердость
Тест на твердость Роквелла (HR), в основном используемый в США. Шкалы HRA, HRB и HRC наиболее широко используются. ^{[ 9 ]}
Тест на твердость берега , для полимеров, широко используемых в резиновой промышленности. ^{[ 10 ]}
Тест на твердость Баркола , для композитных материалов.

В общем, нет простой связи между результатами различных тестов на твердость. Несмотря на то, что существуют практические таблицы преобразования для твердых стали, например, некоторые материалы показывают качественно различное поведение при различных методах измерения. Однако в широком диапазоне шкалы жесткости Виккерса и Бринелла коррелируют в широком диапазоне, при этом Бринелл производит только переоценку на высоких нагрузках.

Однако процедуры отступления могут быть использованы для извлечения подлинных отношений с напряжением. Определенные критерии необходимо соответствовать, если должны быть получены надежные результаты. К ним относятся необходимость деформировать относительно большой объем и, следовательно, использовать большие нагрузки. Методологии, участвующие, часто сгруппированы в рамках термина -пластометрии , которая описана в отдельной статье.

Тесты на микроинденсациях

Термин « микрогарность » широко использовался в литературе для описания тестирования твердости материалов с низкими примененными нагрузками. Более точный термин - «Тестирование на твердость микроинцентрации». При тестировании на твердость микроиндентации бриллиантный индентр специфической геометрии впечатлен на поверхности испытательного образца с использованием известной приложенной силы (обычно называемой «нагрузкой» или «испытательной нагрузкой») от 1 до 1000 GF . Тесты на микроинденсациях обычно имеют силы 2 Н (примерно 200 гф) и продуцируют вдали около 50 мкм . Из -за их специфичности можно использовать тестирование микрогарности для наблюдения за изменениями в твердости в микроскопическом масштабе. К сожалению, трудно стандартизировать измерения микрогарности; Было обнаружено, что микрогарность практически любого материала выше, чем его макросад. Кроме того, значения микрогарности варьируются в зависимости от нагрузки и удержания работы материалов. ^{[ 3 ]} Два наиболее часто используемых тестах на микрогарность - это тесты, которые также могут быть применены с более тяжелыми нагрузками в качестве тестов на макроиндентация:

При тестировании на микроиндентациях количество твердости основано на измерениях, сделанных из отступления, образованного на поверхности испытательного образца. Количество твердости основано на приложенной силе, разделенной на площадь поверхности самого отступления, давая единицы твердости в KGF/мм ²Полем Тестирование на твердость микроиндуализации может быть выполнено с использованием Vickers, а также индденсах Knoop. Для теста Vickers измеряются оба диагонали, а среднее значение используется для вычисления числа пирамиды Vickers. В тесте Knoop измеряется только более длинная диагональ, и твердость Knoop рассчитывается на основе прогнозируемой площади отступления, деленной на прикладную силу, также давая испытательные единицы в KGF/мм ².

Тест на микроинтактию Vickers проводится аналогичным образом, в том же духе, чтобы получить тесты на макроиндентацию Vickers с использованием той же пирамиды. В тесте Knoop используется удлиненная пирамида для отступления образцов материала. Эта удлиненная пирамида создает мелкое впечатление, которое полезно для измерения твердости хрупких материалов или тонких компонентов. И инденсам Knoop и Vickers требуют полировки поверхности для достижения точных результатов. ^{[ Цитация необходима ]}

Тестирование царапин при низких нагрузках, таких как тест на микрочактер Bierbaum , проводимый с нагрузкой 3 GF или 9 GF, предшествовало разработке тестеров микрогарности с использованием традиционных инденторов. В 1925 году Смит и Сэндленд из Великобритании разработали тест на отступление, в котором использовался квадратный пирамидальный интендер, сделанный из алмаза. ^{[ 11 ]} Они выбрали пирамидальную форму с углом 136 ° между противоположными лицами, чтобы получить числа твердости, которые были бы настолько близко к числам твердости Бринелла для образца. Тест Vickers имеет большое преимущество в использовании одной шкалы твердости для тестирования всех материалов. Первая ссылка на инденс Vickers с низкими нагрузками была сделана в годовом отчете Национальной физической лаборатории в 1932 году. Lips and Sack описывает первый тестер Vickers, использующий низкие нагрузки в 1936 году. ^{[ Цитация необходима ]}

В литературе есть некоторые разногласия относительно диапазона нагрузок, применимого к тестированию микрогарности. Спецификация ASTM E384, например, гласит, что диапазон нагрузки для тестирования микрогарности составляет от 1 до 1000 гф. Для нагрузок в 1 кг и ниже, твердость Виккерса (HV) рассчитывается с помощью уравнения, в котором нагрузка ( L ) находится в граммах, а среднее значение двух диагонали ( D ) находится в миллиметрах:

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

Для любой данной нагрузки твердость быстро увеличивается при низкой диагональной длине, а эффект становится все более выраженным при уменьшении нагрузки. Таким образом, при низких нагрузках небольшие ошибки измерения будут вызывать большие отклонения твердости. Таким образом, всегда следует использовать максимально возможную нагрузку в любом тесте. Кроме того, в вертикальной части кривых небольшие ошибки измерения будут вызывать большие отклонения твердости.

Наноиндуентационные тесты

Источники ошибки

Основными источниками ошибок с тестами на вдавление являются плохая техника, плохая калибровка оборудования и эффект упрочнения деформации процесса. Тем не менее, он был экспериментально определен с помощью «беспрепятственных тестов на твердость», что эффект минимален с меньшими вмешательствами. ^{[ 12 ]}

Поверхностная отделка детали и инденсар не оказывают влияния на измерение твердости, если вдали больше, по сравнению с шероховатостью поверхности. Это оказывается полезным при измерении твердости практических поверхностей. Это также полезно при выходе из мелкого отступа, потому что мелкограмованный индендер оставляет гораздо проще для чтения, чем гладкий инденсатор. ^{[ 13 ]}

Известно, что отступ, которое осталось после того, как индентор и нагрузка удаляются, или слегка отпрыгнут. Этот эффект должным образом известен как мелководье . Для сферических инденторов, как известно, отступление остается симметричным и сферическим, но с большим радиусом. Для очень жестких материалов радиус может быть в три раза больше, чем радиус инденса. Этот эффект объясняется высвобождением упругих напряжений. Из -за этого эффекта диаметр и глубина отступления содержат ошибки. Известно, что ошибка от изменения в диаметре составляет всего несколько процентов, причем ошибка при большей глубине. ^{[ 14 ]}

Другим эффектом, которое нагрузка оказывает на отступ, является накапливание или погружение окружающего материала. Если металл ужесточен, он имеет тенденцию накапливаться и сформировать «кратер». Если металл отожжен, он погрузится вокруг отступления. Оба эти эффекта добавляют к ошибке измерения твердости. ^{[ 15 ]}

Отношение к стрессу доходности

Когда твердость, $H$ , определяется как среднее контактное давление (зона нагрузки/ прогнозируемой контакт), выходной напряжение, $\sigma _{y}$ из многих материалов пропорционально твердости постоянной, известной как фактор 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 однократного напряжения сжатия материала, поскольку различные режимы сжатия сжатия применяются . Университетский тест только ограничивает материал только в одном измерении, что позволяет материалу выходить из строя в результате сдвига . С другой стороны, твердость в отступлении ограничена в трех измерениях, которые не позволяют сдвигу доминировать в сбое. ^{[ 16 ]}

Смотрите также

Ссылки

^ Павлина, EJ; Ван Тайн, CJ (2008). «Корреляция прочности урожая и прочности на растяжение с твердостью для сталей» . Журнал материалов и производительность . 17 (6): 888–893. Bibcode : 2008jmep ... 17..888p . doi : 10.1007/s11665-008-9225-5 . S2CID 135890256 .
^ Броитман, Эстебан (март 2017 г.). «Измерения твердости в отступлении на макро-, микро- и наноразмерных: критический обзор» . Трибологические письма . 65 (1): 23. doi : 10.1007/s11249-016-0805-5 . ISSN 1023-8883 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Мейерс и Чавла (1999): «Механическое поведение материалов», 162–168.
^ Оливер, WC; Фарр, GM (июнь 1992 г.). «Улучшенная методика определения твердости и модуля упругости с использованием экспериментов с чувствительностью нагрузки и чувствительности к смещению» . Журнал исследований материалов . 7 (6): 1564–1583. Bibcode : 1992jmatr ... 7.1564o . doi : 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 )
^ EBP Vickers Test http://www.hiebp.com
^ EBP Бринелл Тест на твердость http://www.hiebp.com
^ Ebp knoop test http://www.hiebp.com
^ EBP Rockwell Тест на твердость http://www.hiebp.com
^ EBP Shore Test http://www.hiebp.com
^ RL Smith и GE Sandland, «Точный метод определения твердости металлов, с особой ссылкой на высокую степень твердости», Труды Института инженеров -механиков, Vol. I, 1922, стр. 623–641.
^ Табор, с. 16
^ Табор, с. 14
^ Табор, стр. 14-15.
^ Табор, с. 15
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Фишер-Криппс, Энтони С. (2007). Введение в контактную механику (2 -е изд.). Нью -Йорк: Спрингер. С. 156–157. ISBN 978-0-387-68188-7 Полем OCLC 187014877 .

Внешние ссылки

«Пинбольный тестер раскрывает твердость». Популярная механика , ноябрь 1945, с. 75

Библиография

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

[1] Павлина, EJ; Ван Тайн, CJ (2008). «Корреляция прочности урожая и прочности на растяжение с твердостью для сталей» . Журнал материалов и производительность . 17 (6): 888–893. Bibcode : 2008jmep ... 17..888p . doi : 10.1007/s11665-008-9225-5 . S2CID 135890256 .

[2] Броитман, Эстебан (март 2017 г.). «Измерения твердости в отступлении на макро-, микро- и наноразмерных: критический обзор» . Трибологические письма . 65 (1): 23. doi : 10.1007/s11249-016-0805-5 . ISSN 1023-8883 .

[MeyersChawla-3] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Мейерс и Чавла (1999): «Механическое поведение материалов», 162–168.

[4] Оливер, WC; Фарр, GM (июнь 1992 г.). «Улучшенная методика определения твердости и модуля упругости с использованием экспериментов с чувствительностью нагрузки и чувствительности к смещению» . Журнал исследований материалов . 7 (6): 1564–1583. Bibcode : 1992jmatr ... 7.1564o . doi : 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] EBP Vickers Test http://www.hiebp.com

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

[8] Ebp knoop test http://www.hiebp.com

[9] EBP Rockwell Тест на твердость http://www.hiebp.com

[10] EBP Shore Test http://www.hiebp.com

[11] RL Smith и GE Sandland, «Точный метод определения твердости металлов, с особой ссылкой на высокую степень твердости», Труды Института инженеров -механиков, Vol. I, 1922, стр. 623–641.

[12] Табор, с. 16

[13] Табор, с. 14

[14] Табор, стр. 14-15.

[15] Табор, с. 15

[:0-16] Jump up to: ^а ^{беременный} Фишер-Криппс, Энтони С. (2007). Введение в контактную механику (2 -е изд.). Нью -Йорк: Спрингер. С. 156–157. ISBN 978-0-387-68188-7 Полем OCLC 187014877 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]