Испытание на твердость по Виккерсу — Vickers hardness test

Испытание на твердость по Виккерсу — Vickers hardness test

Тест на твердость по Виккерсу был разработан в 1921 году Робертом Л. Смитом и Джорджем Э. Сандлендом в Vickers Ltd в качестве альтернативы методу Бринелля для измерения твердости материалов. Испытание Виккерса часто проще в использовании, чем другие испытания на твердость, поскольку требуемые расчеты не зависят от размера индентора, а индентор можно использовать для всех материалов независимо от твердости. Основной принцип, как и во всех обычных измерениях твердости, заключается в наблюдении за способностью материала сопротивляться пластической деформации от стандартного источника. Тест Виккерса можно использовать для всех металлов.и имеет одну из самых широких шкал среди тестов на твердость. Единица твердости, полученная при испытании, известна как число пирамиды Виккерса ( HV ) или твердость алмазной пирамиды ( DPH ). Число твердости можно преобразовать в паскали , но не следует путать с давлением, в котором используются те же единицы. Число твердости определяется нагрузкой по площади поверхности вдавливания, а не по площади, перпендикулярной силе, и поэтому не является давлением.

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.

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:

В данной формуле F – это значение силы, а d – диагональ ромба.

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.

Большинство измерительных приборов отрегулировано для некоторых дискретных и строго нормированных значений усилия.

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.

3.1. Перед измерением твердости производят осмотр образцов (изделий).

3.3. При измерении твердости должна быть обеспечена перпендикулярность приложения действующего усилия к испытуемой поверхности.

3.4. Опорная поверхность столика должна быть чистой. Образец должен лежать на подставке жестко и устойчиво.

3.5. При измерении твердости алмазной пирамидой применяются следующие нагрузки: 9,807 (1); 19,61 (2); 24,52 (2,5); 29,42 (3); 49,03 (5); 98,07 (10); 196,1 (20); 294,2 (30); 490,3 (50); 980,7 (100) Н (кгс).

Для получения более точного результата измерения твердости нагрузка должна быть возможно больше, причем на обратной стороне образца не должно быть заметно следов деформации.

Примечание. Для определения твердости черных металлов и сплавов применяют нагрузки от 49,03 Н (5 кгс) до 980,7 Н (100 кгс); для меди и ее сплавов — от 24,52 Н (2,5 кгс) до 490,3 Н (50 кгс); для алюминиевых сплавов — от 9,807 Н (1 кгс) до 980,7 Н (100 кгс).

(Измененная редакция, Изм. № 1, 2).

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.

Читайте также  Как собрать стеллаж

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.

заявка

В плавнике штифты крепления и рукав в Конвэр 580 авиалайнера были определены изготовителем самолета , чтобы быть закалены в спецификацию по Виккерсу 390HV5, то «5» означают пять килопондов . Однако на самолете, выполнявшем рейс 394 компании Partnair, позже было обнаружено, что пальцы были заменены на детали, не соответствующие стандарту, что привело к быстрому износу и, в конечном итоге, к потере самолета. При осмотре следователи ДТП обнаружили, что твердость нестандартных штифтов составляла всего около 200-230HV5.

Обозначение твёрдости

В соответствии с ГОСТ 2999-75, твердость по Виккерсу при условиях испытания F=294,2 Н (30 кгс) и времени выдержки под нагрузкой 10-15 с — обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HV. При других условиях испытания после букв HV указывается нагрузка и время выдержки.

  • 500 HV — твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке F=30 кгс и времени выдержки 10-15 с;
  • 220 HV 10/40 — твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке 98,07 (10 кгс) и времени выдержки 40 с.

Какой применяют индентор для определения твердости?

Для определения твердости по Виккерсу применяют четырехгранную алмазную пирамиду.

Меры твердости

Меры твердости образцовые 2 разряда по ГОСТ 9031-75 предназначены для поверки приборов измерения твердости металлов по методам Бринелля, Виккерса, Роквелла, Супер-Роквелла и Шора.

В зависимости от назначения меры твердости выпускаются следующих типов:

  • МТБ: метод измерения — Бринелля;
  • МТВ: метод измерения — Виккерса;
  • МТР: метод измерения — Роквелла;
  • МТСР: метод измерения — Супер-Роквелла;
  • МТШ: метод измерения — Шора D.

Меры твердости изготавливаются по ГОСТ 9031-75.

  • Меры твердости
    по Бринеллю
  • Меры твердости
    по Роквеллу
  • Меры твердости
    по Виккерсу
  • Меры твердости
    Супер-Роквелла

В комплект мер твердости по Бринеллю МТБ-1 входит по одной мере каждого номинала (100, 200, 400) НВ.

Возможно приобретение мер любого номинала поштучно.

В комплект мер твердости по Роквеллу МТР-1 входит по одной мере каждого номинала.

Возможно приобретение мер любого номинала поштучно.

В комплект мер твердости по Виккерсу МТВ-1 входит по одной мере каждого номинала.

Возможно приобретение мер любого номинала поштучно.

В комплект мер твердости по Супер-Роквеллу МТСР-1 входит по одной мере каждого номинала.

Возможно приобретение мер любого номинала поштучно.

ТАКЖЕ ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ НА:

Измерение твердости по методу Виккерса основано на вдавливании алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды в образец (изделие) под действием нагрузки F, приложенной в течение определенного времени, и измерении диагоналей отпечатка d1 и d2 оставшихся на поверхности образца после снятия нагрузки.

При изготовлении образца и при подготовке его поверхности необходимо принимать меры, предотвращающие возможность изменения свойств металла. Минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов — в 1,5 раза. Поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм и быть свободной от окисной пленки и посторонних веществ. При измерении твердости должна быть обеспечена перпендикулярность приложения действующего усилия к испытуемой поверхности. Опорная поверхность столика должна быть чистой. Образец должен лежать на подставке жестко и устойчиво.

При измерении твердости алмазной пирамидой применяются следующие нагрузки: 9,807 (1); 19,61 (2); 24,52 (2,5); 29,42 (3); 49,03 (5); 98,07 (10); 196,1 (20); 294,2 (30); 490,3 (50); 980,7 (100) Н (кгс).

Для определения твердости черных металлов и сплавов применяют нагрузки от 49,03 Н (5 кгс) до 980,7 Н (100 кгс); для меди и ее сплавов — от 24,52 Н (2,5 кгс) до 490,3 Н (50 кгс); для алюминиевых сплавов — от 9,807 Н (1 кгс) до 980,7 Н (100 кгс).

При измерении твердости должны быть соблюдены следующие условия:

а) плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;

б) поддержание постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени.

Продолжительность выдержки под нагрузкой должна составлять 10-15 с.

При измерении твердости по методу Виккерса как правило используют стационарные или переносные установки (твердомеры) для измерения твердости.


Автор: http://en.wikipedia.org/wiki/User:Tariqabjotu —
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Vickers-tester.png,
Общественное достояние, Ссылка

Для определения твердости по Виккерсу берут среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей (см. чертеж). Разность диагоналей одного отпечатка не должна превышать 2% от меньшей из них.

Измерение диагоналей длиной до 0,2 мм включительно должно производиться с погрешностью не более ±0,001 мм, и для диагоналей длиной более 0,2 мм — с погрешностью не более ±0,5%.

Твердость по Виккерсу при условиях испытания F=294,2 Н (30 кгс) и времени выдержки под нагрузкой 10-15 с — обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HV. При других условиях испытания после букв HV указывается нагрузка и время выдержки.

Примеры обозначения: 500 HV — твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке F=30 кгс и времени выдержки 10-15 с;

220 HV 10/40 — твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке 98,07 (10 кгс) и времени выдержки 40 с.

Для определения твердости HV по длине диагонали отпечатка необходимо воспользоваться таблицами величин из ГОСТ 2999-75 или определить твердость при помощи онлайн калькулятора:

Правила выбора твердомеров для металлов

Прежде чем купить твердомер , следует определиться с его видом. Для испытания мягких металлов, сплавов и изделий из них используют приборы, работающие по методу Бриннеля. Свойства средних по твёрдости материалов проверяют с помощью аппаратов Роквелла, а очень твёрдых — Виккерса. Если предполагаются исследования разных образцов, то лучше остановить выбор на универсальных устройствах KB Pruftechnik стационарного типа. Также стоит обратить внимание:

  • на способ связи датчика с индентором, который бывает встроенным, проводным и беспроводным;
  • качество и надежность нагрузочной ячейки;
  • диапазон нагрузок;
  • возможность подключения к ПК;
  • сходимость и воспроизводимость результатов.

Информация об этих и других параметрах твердомеров указана в карточках товаров. При желании её уточнить или проконсультироваться со специалистом, звоните либо присылайте заявку на обратную связь. Мы не только дадим исчерпывающие ответы, но и поможем с оформлением заказа, доставкой оборудования в лабораторию, выполнением пуско-наладочных работ и организацией технического обслуживания.