Тест на твердость по Виккерсу

Тест на твердость по Виккерсу был разработан в 1921 году Робертом Л. Смитом и Джорджем Э. Сэндландом в компании Vickers Ltd как альтернатива методу Бринелля для измерения твердости материалов. ^[1] Испытание Виккерса зачастую проще в использовании, чем другие испытания на твердость, поскольку необходимые расчеты не зависят от размера индентора, а индентор можно использовать для всех материалов, независимо от твердости. Основной принцип, как и во всех распространенных измерениях твердости, заключается в наблюдении способности материала сопротивляться пластической деформации из стандартного источника. Тест Виккерса можно использовать для всех металлов и он имеет одну из самых широких шкал среди тестов на твердость. Единица твердости, определяемая в результате теста, известна как число пирамиды Виккерса ( HV ) или твердость алмазной пирамиды ( DPH ). Число твердости можно перевести в паскали , но не следует путать с давлением , в котором используются те же единицы. Число твердости определяется нагрузкой на площадь поверхности отпечатка, а не площадью, нормальной к силе, и, следовательно, не является давлением.

Выполнение

Было решено, что форма индентора должна обеспечивать геометрически схожие отпечатки независимо от размера; впечатление должно иметь четко определенные точки измерения; индентор должен иметь высокую устойчивость к самодеформации. Этим условиям удовлетворял алмаз . в форме пирамиды с квадратным основанием Установлено, что идеальный размер оттиска Бринелля составляет 3/8 шара диаметра . Поскольку две касательные к окружности на концах хорды длиной 3 d /8 пересекаются под углом 136°, было решено использовать этот угол в качестве внутреннего угла между плоскими гранями кончика индентора. Это дает угол между нормалью каждой грани к нормали к горизонтальной плоскости, равный 22° с каждой стороны. Экспериментально изменяли угол и установили, что значение твердости, полученное на однородном куске материала, остается постоянным независимо от нагрузки. ^[2] Соответственно, к плоской поверхности прикладывают нагрузки различной величины в зависимости от твердости измеряемого материала. Число HV затем определяется соотношением F / A , где F — сила, приложенная к алмазу, в килограммах-силах, а A — площадь поверхности образовавшегося углубления в квадратных миллиметрах.

A={\frac {d^{2}}{2\sin(136^{\circ }/2)}},

который можно аппроксимировать, вычислив синусоидальный член, чтобы получить,

A\approx {\frac {d^{2}}{1.8544}},

где d — средняя длина диагонали, оставленной индентором, в миллиметрах. Следовательно, ^[3]

\mathrm {HV} ={\frac {F}{A}}\approx {\frac {1.8544F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {kgf/mm}}^{2}]

,

где F — в кгс , а d — в миллиметрах.

Тогда соответствующей единицей HV является килограмм-сила на квадратный миллиметр (кгс/мм). ²) или номер HV. В приведенном выше уравнении F может быть в Н, а d в мм, что дает HV в единицах СИ МПа. Чтобы рассчитать число твердости по Виккерсу (VHN) с использованием единиц СИ, необходимо преобразовать приложенную силу из ньютонов в килограмм-силу , разделив на 9,806 65 ( стандартная сила тяжести ). Это приводит к следующему уравнению: ^[4]

\mathrm {HV} \approx {0.1891}{\frac {F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {N/mm}}^{2}],

где F — в Н, а d — в миллиметрах. Распространенной ошибкой является то, что приведенная выше формула для расчета числа HV не дает числа с единицей измерения ньютон на квадратный миллиметр (Н/мм). ²), но приводит непосредственно к числу твердости по Виккерсу (обычно указывается без единиц измерения), которое на самом деле составляет один килограмм-сила на квадратный миллиметр (1 кгс/мм ²).

Числа твердости по Виккерсу обозначаются как xxxHVyy , например 440HV30 , или xxxHVyy/zz, если продолжительность воздействия силы отличается от 10 до 15 с, например 440HV30/20, где:

440 – число твердости,
HV называет шкалу твердости (по Виккерсу),
30 указывает используемую нагрузку в кгс.
20 указывает время загрузки, если оно отличается от 10 с до 15 с.

Примеры значений HV для различных материалов ^[5]
Материал	Ценить
нержавеющая сталь 316L	140ХВ30
347L нержавеющая сталь	180ХВ30
Углеродистая сталь	55–120ХВ5
Железо	30–80ХВ5
Мартенсит	1000В
Алмаз	10000В

Меры предосторожности

При проведении испытаний на твердость необходимо учитывать минимальное расстояние между отпечатками и расстояние от отпечатка до края образца во избежание взаимодействия нагартованных участков и воздействия кромки. Эти минимальные расстояния различаются для стандартов ISO 6507-1 и ASTM E384.

Стандартный	Расстояние между углублениями	Расстояние от центра отпечатка до края образца
ИСО 6507-1	> 3· d для стали и медных сплавов и > 6· d для легких металлов	2,5· d для стали и медных сплавов и >3·d для легких металлов
АСТМ Е384	2,5 · д	2,5 · д

Значения Виккерса, как правило, не зависят от испытательной силы: они будут одинаковыми для 500 гс и 50 кгс, если сила составляет не менее 200 гс. ^[6] Однако вмятины при более низкой нагрузке часто демонстрируют зависимость твердости от глубины вмятины, известную как эффект размера вмятины (ISE). ^[7] Небольшие размеры отпечатков также будут иметь значения твердости, зависящие от микроструктуры.

Для тонких образцов глубина отпечатка может стать проблемой из-за влияния подложки. Как правило, толщина образца должна превышать диаметр отпечатка более чем в 2,5 раза. Альтернативно глубина отступа, $t$ , можно рассчитать по формуле:

t={\frac {d_{\rm {avg}}}{2{\sqrt {2}}\tan {\frac {\theta }{2}}}}\approx {\frac {d_{\rm {avg}}}{7.0006}},

Преобразование в единицы СИ

Чтобы преобразовать число твердости по Виккерсу в единицы СИ, необходимо число твердости в килограммах-силах на квадратный миллиметр (кгс/мм). ²) необходимо умножить на стандартную гравитацию , $g_{0}$ , чтобы получить твердость в МПа (Н/мм ²) и, кроме того, разделить на 1000, чтобы получить твердость в ГПа.

${\text{surface area hardness (GPa)}}={\frac {g_{0}}{1000}}HV={\frac {9.80665}{1000}}HV$

Твердость по Виккерсу также можно преобразовать в твердость по шкале SI на основе площади проекции отпечатка, а не площади поверхности. Проектируемая площадь, $A_{\rm {p}}$ , определяется следующим образом для геометрии индентора Виккерса: ^[8]

$A_{\rm {p}}={\frac {d_{\rm {avg}}^{2}}{2}}={\frac {1.854}{2}}{A_{s}}$

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

${\text{projected area hardness (GPa)}}={\frac {g_{0}}{1000}}{\frac {2}{1.854}}HV\approx {\frac {HV}{94.5}}$

Оценка прочности на растяжение

Если HV сначала выражается в Н/мм ² (МПа), или иначе, переведя из кгс/мм ², то предел прочности (в МПа) материала можно аппроксимировать 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. . ^[9] Другими словами, если HV выражается в Н/мм ² (т.е. в МПа), то предел прочности (в МПа) ≈ HV/3. Этот эмпирический закон по-разному зависит от поведения материала при наклепе. ^[10]

Приложение

Шпильки килей и втулки крепления авиалайнера Convair 580 были закалены производителем самолетов до твердости по Виккерсу 390HV5, где «5» означает пять килофунтов . Однако позже выяснилось, что на самолете, выполнявшем рейс 394 компании Partnernair, штифты были заменены некачественными деталями, что привело к быстрому износу и, в конечном итоге, к гибели самолета. В ходе проверки следователи обнаружили, что нестандартные штифты имели твердость всего лишь около 200–230HV5. ^[11]

См. также

Ссылки

^ 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.
^ Машина для определения твердости по Виккерсу . UK Calibrations.co.uk. Проверено 3 июня 2016 г.
^ ASTM E384-10e2
^ ИСО 6507-1: 2005 (Е)
^ Справочник Smithells Metals, 8-е издание, гл. 22
↑ Тест Виккерса. Архивировано 21 октября 2014 года в Wayback Machine . Сайт Инстрон .
^ Никс, Уильям Д.; Гао, Хуацзянь (1 марта 1998 г.). «Влияние размера отпечатка в кристаллических материалах: закон пластичности градиента деформации» . Журнал механики и физики твердого тела . 46 (3): 411–425. Бибкод : 1998JMPSo..46..411N . дои : 10.1016/S0022-5096(97)00086-0 . ISSN 0022-5096 .
^ Фишер-Криппс, Энтони К. (2007). Введение в контактную механику (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. стр. 212–213. ISBN 9780387681887 . OCLC 187014877 .
^ «Твердость» . Matter.org.uk .
^ Чжан П. (сентябрь 2011 г.). «Общая связь между прочностью и твердостью». Материаловедение и инженерия А. 529 : 62. doi : 10.1016/j.msea.2011.08.061 .
^ Отчет об авиакатастрофе Convair 340/580 LN-PAA к северу от Хиртсхальса, Дания, 8 сентября 1989 г. | Айбн . Айбн.но. Проверено 3 июня 2016 г.

Дальнейшее чтение

Мейерс и Чавла (1999). «Раздел 3.8». Механическое поведение материалов . Прентис Холл, Инк.
ASTM E92: Стандартный метод определения твердости металлических материалов по Виккерсу (отменен и заменен 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 по испытанию на твердость по Виккерсу
Тест на твердость по Виккерсу
Таблица преобразования – шкалы Виккерса, Бринелля и Роквелла.

[1] 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.

[2] Машина для определения твердости по Виккерсу . UK Calibrations.co.uk. Проверено 3 июня 2016 г.

[3] ASTM E384-10e2

[4] ИСО 6507-1: 2005 (Е)

[5] Справочник Smithells Metals, 8-е издание, гл. 22

[6] Тест Виккерса. Архивировано 21 октября 2014 года в Wayback Machine . Сайт Инстрон .

[7] Никс, Уильям Д.; Гао, Хуацзянь (1 марта 1998 г.). «Влияние размера отпечатка в кристаллических материалах: закон пластичности градиента деформации» . Журнал механики и физики твердого тела . 46 (3): 411–425. Бибкод : 1998JMPSo..46..411N . дои : 10.1016/S0022-5096(97)00086-0 . ISSN 0022-5096 .

[8] Фишер-Криппс, Энтони К. (2007). Введение в контактную механику (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. стр. 212–213. ISBN 9780387681887 . OCLC 187014877 .

[9] «Твердость» . Matter.org.uk .

[Journal_Article-10] Чжан П. (сентябрь 2011 г.). «Общая связь между прочностью и твердостью». Материаловедение и инженерия А. 529 : 62. doi : 10.1016/j.msea.2011.08.061 .

[11] Отчет об авиакатастрофе Convair 340/580 LN-PAA к северу от Хиртсхальса, Дания, 8 сентября 1989 г. | Айбн . Айбн.но. Проверено 3 июня 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]