Твердость материалов по Виккерсу

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.

Азнак равноd22грех⁡(136∘2),{\ displaystyle A = {\ frac {d ^ {2}} {2 \ sin (136 ^ {\ circ} / 2)}},}

который может быть аппроксимирован путем оценки синусоидального члена, чтобы дать,

А≈d21,8544,{\ displaystyle A \ приблизительно {\ frac {d ^ {2}} {1.8544}},}

где d – средняя длина диагонали, оставленной индентором, в миллиметрах. Следовательно,

ЧАСVзнак равноFА≈1,8544Fd2кгс / мм2{\ 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:

ЧАСV≈0,1891Fd2кгс / мм2,{\ 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.
Примеры значений HV для различных материалов
МатериалЦенить
Нержавеющая сталь 316L140HV30
347L нержавеющая сталь180HV30
Углеродистая сталь55–120HV5
Железо30–80HV5
Мартенсит1000HV
Алмаз10000HV

Измерение твердости («hardness testing»)

Измерение твердости металлов – твердометрия («hardness testing») или дюрометрический анализ является основным неразрушающим методом оценки прочностных характеристик при экспертизе металлов. Если давать каноническое определение, то твердость – это способность материала сопротивляться пластической деформации. Твердометрия крайне широко используется в металловедческой экспертизе, благодаря скорости и простоте проведения исследования. Зачастую не нужна даже пробоподготовка, а твердость измеряют на готовом изделии.

Теперь о том, как же проводится измерение твердости. Определенной формы индентор (о формах которого поговорим ниже) вдавливается в исследуемы материал с заданной нагрузкой в течении регламентированного периода времени (5-15 с.). После снятия нагрузки в материале остается след от индентора – вмятина, площадь которой определяют. Отношение вдавливающей нагрузки к площади полученного отпечатка и является значением твердости, измеряется в кгс/мм2.

Методов твердости существует множество, все они отличаются только типом индентора, а принцип везде один и тот же. В экспертизе металлов основными видами измерения твердости являются:

измерение твердости по Бриннелю (HB).

измерение твердости по Виккерсу (HV);

измерение твердости по Роквеллу (HR);

Если говорить

Теперь давайте о каждом методе измерения твердости поподробнее.

Метод твердости по Бриннелю разработал и впервые применил на практике инженер из Швеции Юхан Бриннель. Данный способ измерения твердости заключается во вдавливании в исследуемый металл стального шарика диаметром от 1 до 10 мм. Недостатком данного метода является большой диаметр отпечатка и невозможность его использовать на высокотвердых материалах. Твердость по Бриннелю используют в основном для аттестации цветных сплавов и чугунов.

В 1914 г. свой способ измерения твердости предложили однофамильцы Роквелл Хью и Станли из США. Индентором в данном методе является стальной шарик диаметром одна шестнадцатая дюйма или алмазный конус с углом при вершине 120°. По Роквеллу можно определяют твердость образцов из закаленных сталей, что не позволяет сделать по методу Бриннелю.

В методе определения твердости по Виккерсу в качестве индентора используется квадратная алмазная пирамидка с углом у вершины 136°.


Данный способ широко используется при экспертизе закаленных сталей, высокопрочных покрытий, сварных швов. Существуют приборы микротвердости по Виккерсу, которые работают в паре с оптическим микроскопом и позволяют определять твердость отдельных структурных составляющих стали, например твердость пластинки видманшеттового феррита. для своих исследований использует микротвердомер, представленный на фото.

Твердость очень хорошо коррелирует с прочностными характеристиками, в частности с пределом прочности. Используя экспериментально определенные характеристики, можно измерив неразрушающим методом твердость, рассчитать предел прочность стали. Средний коэффициент для средней марки стали будет равен примерно 0,3, не зависимо от способа определения твердости. Так например, если твердость исследованного образца составляет 220 кгс/мм2, то примерный предел прочности будет около 660 МПа.

Кратко расскажу об экзотических, то есть редко применяемых в металловедческой экспертизе методах измерениях твердости.

Метод Мооса или метод царапания – твердость определяют по глубине царапины оставленной индентором.

Методы Шора: отскока – твердость определяют по высоте отскока стального шарика от исследуемого материала и метод вдавливания – вдавливаются разнообразные инденторы, по отпечатку определяют твердость. Используют в основном для резин и пластмасс.

<<<�предыдущая статья следующая статья>>>

Метод Шора

Этот метод измерения твердости был предложен американским изобретателем Альбертом Шором. Его еще нередко называют «методом отскока». При измерении твердости по Шору боек стандартного размера и массы падает с определенной высоты на поверхность тестируемого материала. Ключевое значение данного опыта – высота отскока бойка, измеряемая в условных единицах.

Твердость по Шору измеряется в диапазоне от 20 до 140 единиц. Ста единицам соответствует высота отскока в 13,6 мм (± 0,5 мм). По стандарту эта величина является твердость закаленной углеродистой стали. Современный прибор для измерения твердости материалов по Шору называют склероскопом или дюрометром (его можно увидеть на фото ниже).

Измерение микротвердости

Метод измерения микротвердости регламентирован ГОСТ 9450. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) проводят при исследовании отдельных структурных составляющих сплавов, тонких покрытий, а также при из­мерении твердости мелких деталей. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пи­рамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пира­миду под нагрузкой 0,05…5 Н.

Микротвердость измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного индентора под действием статической нагрузки Р в течении определенного времени выдержки т. Число твердости определяют (как и по Виккерсу) делением приложенной нагрузки в Н или кгс на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка в мм2.

Основным вариантом испытания является так называемый метод восстановленного отпечатка, когда размеры отпечатков определяются после снятия нагрузки. Для случая, когда требуется определение дополнительных характеристик материала (упругое восстановление, релаксация, ползучесть при комнатной температуре и др.) допускается проводить испытание по методу невосстановленного отпечатка. При этом размеры отпечатка определяют на глубине вдавливания индентора в процессе приложения нагрузки.

Практически микротвердость определяют по стандартным таблицам дня конкретной формы индентора, нагрузки Р и полученных в испытании размеров диагоналей отпечатка.

В качестве инденторов используют алмазные наконечники разных форм и размеров в зависимости от назначения испытании микротвердости. Основным и наиболее распространенным нконечником является четырехгранная алмазная пирамида с квадратым основанием (по форме подобна индентору, применяющемуся при определении твердости по Виккерсу).

Число микротвердости обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим перед ними символом H с указанием индекса формы наконечника, например, Н□ =3000. Допускается указывать после индекса формы наконечника величину прилагаемой нагрузки, например: Н□ 0,196 =3000 — число микротвердости 3000 Н/мм2, полученное при испытании с четырех гранной пирамидой при нагрузке 0,196 Н. Размерность микротвердости (Н/мм2 или кгс/мм2) обычно не указывают. Если микротвердость определяли по методу невосстановленного отпечанка, то к индексу формы наконечника добавляют букву h (Н□h).

Соотношение значений твердости

При сопоставлении значений твердости, полученных разными методами, между собой и с механическими свойствами материалов необходимо помнить, что приводимые в литературных источниках таблицы или зависимости для такого сопоставительного перевода являются чисто эмпирическими. Физического смысла такой перевод лишен, так как при вдавливании paзличных по форме и размерам инденторов и с разной нагрузкой твердость определяется при совершенно различных напряженных состояниях материала. Даже при одном и том же способе измерения твердости значение сильно зависит от нагрузки: при меньших нагрузках значения твердости получаются более высокими.

Выше были рассмотрены основные методы контроля твердости. Существуют и другие методики контроля, которые основаны на косвенных измерениях значений механических свойств. Например электрические, магнитные, акустические и т.д. Все эти методы основаны на составлении экспериментальных корреляционных таблиц «измеряемый параметр — параметр механических свойств», где все параметры постоянны (химический состав металла, номер плавки, количество загрязнений), а меняются лишь табличные параметры. Такие методы на производстве практически не работают, т.к. например химический состав металлов по ГОСТам требуется в селекте, т.е. может быть в заданном пределе и меняться от плавки к плавке. Составление градуировочных таблиц на каждую партию металла — очень трудоёмкая работа. Pla пластик растворитель — https://www.dcpt.ru

Показатель твердости стали

Самый высокий показатель HRC не обязательно является лучшим.

Более твердая сталь, как правило, лучше держит кромку, чем более мягкая сталь, но она также с большей вероятностью трескается или выходит из строя. На самом деле, если она действительно твердая, она может разбиться, как стекло на бетоне!

Сталь, используемая при изготовлении ножа, также имеет большое отношение к тому, насколько хорошо нож будет удерживать кромку. Каждый отдельный стальной сплав имеет свой оптимальный диапазон, который уравновешивает твердость с производительностью и предназначением.

Так почему же показатель ножа по Роквеллу имеет значение? Что такое хорошая твердость по Роквеллу для ножа?

Твердость ножа очень важна с точки зрения его производительности и долговечности. Например, более твердая сталь с RC 58-62 будет держать кромку лучше, чем более мягкая сталь. Однако, эта же самая твердая сталь менее прочна и более склонна к растрескиванию или даже поломке

Некоторые кухонные ножи с высокой твердостью требуют особой осторожности, чтобы не повредить тонкую режущую кромку

Более мягкая сталь более долговечна за счет свой высокой упругости. В большинстве топоров и зубил используется более мягкая сталь, которая выдерживает удары, с которыми они сталкиваются в повседневной работе.

Поскольку карманные ножи и охотничьи ножи обычно не используются для строгания и рубки древесины, они выигрывают от использования более прочной стали, которая сохраняет отличную остроту для нарезки мягких материалов.

Однако, нож для выживания, к которому вы собираетесь приложить экстремальные усилия, только выиграет от твердости по Роквелу 55-58. Нож, который мог бы резать кости и твердую древесину, в первую очередь, должен быть прочным. Нож с более низкой твердостью может затупиться быстрее, но с большей вероятностью переживет большое количество ударов и механических повреждений.

Испытание по Роквеллу помогает производителям ножей уравновешивать три наиболее важных фактора, которые могут повлиять на качество их готовой продукции: твердость, гибкость и вязкость. Наличие этих трех факторов в правильном балансе позволяет им производить ножи для различных сфер использования.

Существует несколько различных аббревиатур, которые могут использоваться изготовителем ножей при указании твердости: HR, HRc, HR C, RC, Rc, C по шкале Роквелла, шкала твердости Роквелла C. Независимо от того, как написано о ножевой стали, все они ссылаются на одну и ту же шкалу С. Это может немного запутать, но просто знайте, что рейтинги сами по себе одинаковы — какое бы обозначение не использовал производитель.

Стэнли П. Роквелл был металлургом на заводе по производству шарикоподшипников в Новой Англии в 1919 году. Он разработал шкалу твердости для того, чтобы измерять твердость шариков для подшипников быстро, точно и с высокой повторяемостью.

Производители всего, начиная от пружин для часов и заканчивая колесами для поездов, давно нуждались в таком испытании и быстро применяли шкалу Роквелла для всех видов стали, а также других металлов, деталей. В конце концов, тест был адаптирован даже для испытаний неметаллических материалов — даже пластмасс.

Измерение микротвердости

Метод измерения микротвердости регламентирован ГОСТ 9450. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) проводят при исследовании отдельных структурных составляющих сплавов, тонких покрытий, а также при из­мерении твердости мелких деталей. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пи­рамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пира­миду под нагрузкой 0,05…5 Н.

Микротвердость измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного индентора под действием статической нагрузки Р в течении определенного времени выдержки т. Число твердости определяют (как и по Виккерсу) делением приложенной нагрузки в Н или кгс на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка в мм2.

Основным вариантом испытания является так называемый метод восстановленного отпечатка, когда размеры отпечатков определяются после снятия нагрузки. Для случая, когда требуется определение дополнительных характеристик материала (упругое восстановление, релаксация, ползучесть при комнатной температуре и др.) допускается проводить испытание по методу невосстановленного отпечатка. При этом размеры отпечатка определяют на глубине вдавливания индентора в процессе приложения нагрузки.

Практически микротвердость определяют по стандартным таблицам дня конкретной формы индентора, нагрузки Р и полученных в испытании размеров диагоналей отпечатка.

В качестве инденторов используют алмазные наконечники разных форм и размеров в зависимости от назначения испытании микротвердости. Основным и наиболее распространенным нконечником является четырехгранная алмазная пирамида с квадратым основанием (по форме подобна индентору, применяющемуся при определении твердости по Виккерсу).

Число микротвердости обозначают цифрами, характеризующими величину твердости со стоящим перед ними символом H с указанием индекса формы наконечника, например, Н□ =3000. Допускается указывать после индекса формы наконечника величину прилагаемой нагрузки, например: Н□ 0,196 =3000 – число микротвердости 3000 Н/мм2, полученное при испытании с четырех гранной пирамидой при нагрузке 0,196 Н. Размерность микротвердости (Н/мм2 или кгс/мм2) обычно не указывают. Если микротвердость определяли по методу невосстановленного отпечанка, то к индексу формы наконечника добавляют букву h (Н□h).

Соотношение значений твердости

При сопоставлении значений твердости, полученных разными методами, между собой и с механическими свойствами материалов необходимо помнить, что приводимые в литературных источниках таблицы или зависимости для такого сопоставительного перевода являются чисто эмпирическими. Физического смысла такой перевод лишен, так как при вдавливании paзличных по форме и размерам инденторов и с разной нагрузкой твердость определяется при совершенно различных напряженных состояниях материала. Даже при одном и том же способе измерения твердости значение сильно зависит от нагрузки: при меньших нагрузках значения твердости получаются более высокими.

Выше были рассмотрены основные методы контроля твердости. Существуют и другие методики контроля, которые основаны на косвенных измерениях значений механических свойств. Например электрические, магнитные, акустические и т.д. Все эти методы основаны на составлении экспериментальных корреляционных таблиц “измеряемый параметр – параметр механических свойств”, где все параметры постоянны (химический состав металла, номер плавки, количество загрязнений), а меняются лишь табличные параметры. Такие методы на производстве практически не работают, т.к. например химический состав металлов по ГОСТам требуется в селекте, т.е. может быть в заданном пределе и меняться от плавки к плавке. Составление градуировочных таблиц на каждую партию металла – очень трудоёмкая работа.

https://www.dcpt.ru

Метод измерения твердости по виккерсу область применения

Металлы и сплавы

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ

Metals and alloys. Vickers hardness test. Part 1. Test method

Дата введения 2008-08-01

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации — ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Всероссийским научно-исследовательским институтом физико-технических и радиотехнических измерений Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Управлением метрологии Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 6507-1:2005 «Материалы металлические. Определение твердости по Виккерсу. Часть 1. Метод испытания» (ISO 6507-1:2005 «Metallic materials — Vickers hardness test — Part 1: Test method»).

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (подраздел 3.5)

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении Е

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Твердость материалов по Виккерсу

Твердость материала означает его сопротивление местной пластической деформации при проникновении в него другого тела, которое не подвержено такой деформации. Из определения следует вывод, что твердость внедряемого тела должна превышать таковую у испытуемого образца на достаточную величину. Рассмотрим определение твердости по методу Виккерса. Все методики различаются как технологией измерения, так и используемыми инструментами и устройствами. Наиболее распространены три методики определения величины твердости:

  • Сопротивление вдавливанию твердого наконечника (индентора) в испытуемый образец. Форма индентора может быть самой разнообразной – в виде конуса, шара, пирамиды и т.д.
  • Сопротивление царапанию высокопрочными эталонными образцами.
  • Определение сопротивления качения маятника, где испытуемое тело является опорой наконечника определенной формы.

Большинство измерений проводится на плоской поверхности исследуемого материала. Каждая из методик определения технических характеристик дает определенную погрешность. Для большей точности требуется соблюдение условий по величине испытуемого образца, его минимальной толщине. Кроме того, каждая методика работает только в определенном диапазоне значений измерений.

Суть метода

Метод определения твердости по Виккерсу основан на исследовании зависимости глубины проникновения алмазного конуса (индентора) в исследуемый материал от величины усилия. После снятия усилия на поверхности образца остается отпечаток, соответствующий глубине погружения индентора. Ввиду того, что геометрические размеры индентора известны и строго регламентированы, вместо глубины погружения определяют площадь отпечатка в поверхностном слое испытуемого материала.

Определение твердости по Виккерсу возможно для веществ с самыми высокими значениями, поскольку в качестве испытательного конуса используется пирамидка из алмаза, который имеет максимальную известную твёрдость.

Индентор выполнен в виде четырехугольной пирамиды с углами между гранями 136°. Такой угол выбран для того, чтобы сблизить значения метода Виккерса с методом Бриннеля. Таким образом, значения твердости в пределах 400-450 единиц практически совпадают, особенно, в области меньших значений.

Метод Виккерса

Твердость по Виккерсу определяют путем вдавливания пирамиды в испытуемый образец под действием силы определенной величины. Зная приложенную силу и площадь отпечатка можно определить твердость поверхности испытуемого материала.

Вместо расчета площади отпечатка используются значения измеренных диагоналей ромба, между которыми находится прямая зависимость.

Итоговый результат твёрдости определяют по формуле:

Как правило, при измерениях по Виккерсу никаких вычислений по приведенной формуле не применяют, а используют табличные значения, исходя из приложенного усилия, времени воздействия и результирующей площади следа.

Значение приложенной силы регламентировано и составляет 30 кг. Время воздействия на поверхность обычно составляет 10-15 с. Это самые распространенные значения, однако во многих ситуациях необходимо воздействовать на материал образца при помощи иных значений силы.

Величина нагрузки зависит от измеряемого материала (его предполагаемой твердости). Чем тверже поверхность испытуемого образца материала, тем больше нагрузка. Это вызвано стремлением к уменьшению погрешности при определении площади и уменьшения влияния вязкости материала.

Для снижения погрешности также предъявляются ограничения по размерам испытуемого образца. Минимальная толщина образца должна быть в 1,2-1,5 раз больше предполагаемой диагонали отпечатка в зависимости от вида металла (меньшая величина соответствует стали, большая предназначена для цветных металлов). Расстояние между краем образца или краем предыдущего отпечатка и центром отпечатка должно быть не менее 2,5 величины диагонали.

Особые требования предъявляются также к чистоте поверхности. Ее шероховатость не должна превышать 0,16 мкм, что означает необходимость в полировке поверхности.

Таблица для определения твердости по Виккерсу

Малые линейные размеры образца требуют применение микроскопа дл измерения размеров отпечатка, причем, чем тверже образец, тем более четкую картинку должен передавать микроскоп для сохранения точности измерения.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий