Приложение D (справочное) Неопределенность измерения твердости по Виккерсу. Соотношения между числами твердости Определение прочности материалов по виккерсу

Метод Виккерса - метод измерения твёрдости металлов и сплавов по Виккерсу. Регламентируется ГОСТ 2999-75 и ISO 6507.

Сущность метода заключается во вдавливании в испытуемый материал правильной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями.

Твёрдость по Виккерсу вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка. Метод Виккерса позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов.

Наблюдается хорошее совпадение значений твёрдости по Виккерсу и Бринеллю в пределах от 100 до 450 НV. Твёрдость по Виккерсу во всех случаях обозначается буквами HV без указания размерности - кгс/мм² (10МПа).

Основными параметрами при измерении твёрдости по Виккерсу являются нагрузка Р до 980,7 Н (100 кгс) и время выдержки 10-15 с.

В других случаях после символа HV указывают индексы разделённые наклонной чертой и обозначающие нагрузку и время выдержки, и через тире - число твёрдости.

Недостатки метода

Основным недостатком метода является зависимость измеряемой твёрдости от приложенной нагрузки или глубины внедрения индентора (явление размерного эффекта, часто называемого в англоязычной литературе indentation size effect). Особенно сильно эта зависимость проявляется при малых нагрузках.

Выбор по производителю

Не выбрано Компьютерная радиография DUERR NDT / DÜRR NDT АКС Синтез НДТ Proceq SA НПЦ Кропус Константа Центр МЕТ Bosello High Technology SaluTron® Messtechnik GmbH ЗИО "ПОЛАРИС" НПП «Промприбор» ЭЛИТЕСТ Промтест Bruker ТОЧПРИБОР FUTURE-TECH CORP. OXFORD Instruments Амкро Ньюком-НДТ Sonotron NDT YXLON International Array Corporation Raycraft General Electric Vidar systems corporation ООО «Арсенал НК» Echo Graphic НПП "Машпроект"

Методы Виккерса и Шора для твердомеров

09.11.2017

Твёрдость по Виккерсу: методика и оборудование

В результате внедрения на поверхности исследуемого образца остаётся отпечаток в виде ромба (иногда – неправильного). По значению диагонали этого ромба (или среднего арифметического значения обеих диагоналей) устанавливают число твёрдости Виккерса, которое имеет размерность механического давления.

Выпускаемое оборудование, при помощи которого определяется твердость по Виккерсу, относится к машинам статического действия. Они могут быть стационарными и переносными. Линейка видов такого оборудования отечественного производства маркируется ТП (Твёрдость Пирамидальная).

Стандартными условиями для проведения испытаний служат:

• Измерительный диапазон усилий нагружения 49-1176 Н, который в твердомерах ТП имеет 7 положений (ступенчато-изменяемых);
• Время выдержки образца под давлением – не менее 5 с.
• Принцип измерения диагоналей отпечатка

Число Виккерса (HV) рассчитывается по формуле:

HV = 2Psin (0,5α/d 2 ) = 1,8544Р/d 2 ,

При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следующие условия:

• плавное возрастание нагрузки до необходимого значения
• обеспечение перпендикулярности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности
• поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм
• поддержание постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени
• расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка
• минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов – в 1,5 раза.

Измерение твёрдости по Виккерсу HV выполняется в следующей последовательности.

• Образец или деталь устанавливается на стол прибора измеряемой поверхностью вверх. После этого стол вращением рукоятки маховика поднимают вверх, до лёгкого соприкосновения с индентором.
• Отпускают рычаг, приводя тем самым в движение нагружающий механизм. После установленной с помощью реле времени продолжительности измерения нагрузка снимается и рабочая головка, с закреплённым в ней индентором, возвращается в исходное положение.
• После этого можно развернуть приборный стол с образцом к имеющемуся на станине твердомера отсчётному микроскопу, и замерить диагонали отпечатка.

Метод Виккерса является наиболее совершенным, позволяющим из­мерять твердость черных и цветных металлов и сплавов, тонких деталей и поверхностных слоев в единицах, соответствующих напряжениям, возникаюшим в зоне контакта индентор - образец.

Основными достоинствами метода являются:

1. определение твердости независимо от прилагаемой нагрузки, так как сохраняется геометрическое подобие отпечатка;

2. возможность испытания как весьма твердых, так и мягких материалов, благодаря алмазному индентору и широкому интервалу испытательных нагрузок;

3. незначительное повреждение поверхности материала;

4. возможность определения твердости очень тонких пластин, слоев и по­крытий.

Недостатки метода:

1. невозможность испытания крупнозернистых гетерогенных материалов из- за искажения формы отпечатка;

2. повышенная, по сравнению с методом Роквелла, продолжительность определения твердости.

Твердость по Виккерсу определяют путем вдавливания в материал ал­мазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине α=136 0 определенной силой Р в течение установленного времени (рис. 4). После снятия на­грузки измеряют диагональ d полученного на поверхности образца отпе­чатка.

Величину твердости рассчитывают по формуле

F = – площадь поверхности отпечатка, мм 2 .

Тогда твердость НV = 1,8544 .

Так как поверхность отпечатка не имеет точной формы квадрата, то для расчета твердости используют среднюю величину диагонали

d=0,5(d 1 +d 2),

где d 1 и d 2 - длины диагоналей отпечатка (рис. 4).

Разность их длин не должна превышать 2% от длины меньшей диагонали.

Угол при вершине α=136 0 выбран с таким расчетом, чтобы получаемая твердость была близка к твердости по Бринеллю, полученной при оптимальном угле вдавливания шарика, когда диаметр сферического отпе­чатка d = 0,375D. Поэтому числа твердости HV и НВ практически совпада­ют до 400...450 единиц. При более высокой твердости величина HV стано­вится выше НВ вследствие влияния деформаций стального шарика.

Метод Виккерса предусматривает использование нагрузок от 9,8 Н (1кгс) до 980 Н (100 кгс). Нагрузки меньше 49 Н (5 кгс) применяют для мягких цветных металлов и сплавов. Продолжительность выдержки под нагрузкой должна составлять 10... 15 с. По техническим условиям допускает­ся увеличение выдержки.

Для измерения твердости по методу Виккерса применяют твердомеры типа ТП-7Р-1 (ГОСТ 23677-79). При испытательных нагрузках, Н (кгс): 49 (5); 98 (10); 196 (20): 294 (30); 490 (50) и 980 (100) прибор позволяет изме­рять твердость черных и цветных металлов в диапазоне 8... 1000 HV.

Твердомер состоит из следующих основных узлов: рычажной системы для передачи испытательных нагрузок на образец с передаточным отноше­нием 1:20; отсчетно-проекционной системы для проецирования отпечатка на экран с увеличением в 120 раз и измерения диагоналей отпечатка в двух взаимно-перпендикулярных направлениях; ручного привода с демпферным устройством для плавного приложения испытательных нагрузок со ско­ростью не более 0,5 мм/с; механизма подъема предметного столика и элек­трооборудования.

Испытания на твердомере ТП-7Р-1 проводят в следующем порядке:

1. Установив на подвеске требуемый груз, тумблерами, расположенными на передней стенке корпуса, включают прибор и реле времени на выдержку 12,5 и 30 с.

2. Устанавливают образец на предметный столик и поднимают его до упора в ограничитель. При этом на экране головки отсчетно-проекционной си­стемы появляется изображение поверхности образца.

3. Переводят рукоятку привода в верхнее (рабочее) положение. Происходит включение электромагнита, который поворачивает каретку в положение "Наконечник", а опорная платформа освобождает подвеску с грузом. Рычажная система через шпиндель передает нагрузку на каретку и нако­нечник внедряется в поверхность образца.

4. После определенной выдержки под нагрузкой звучит звонок, и рукоятку переводят в нижнее (исходное) положение. Действие нагрузки прекращается, электромагнит отключается, и каретка под действием пружины возвращается в положение "Объектив". На экране появляется изображе­ние полученного отпечатка.

5. С помощью штриховых шкал, нанесенных на экран, используя поворот головки, измеряют две диагонали отпечатка. Шкалы выполнены подвиж­ными и имеют разную цену делений: большая - 0,1 мм, малая - 0,01 мм. Перемещение шкал осуществляется вращением микрометрических винтов, расположенных на головке. Левый винт перемещает" одновременно обе шкалы и служит для совмещения штриха большой шкалы с началом диа­гонали отпечатка. Правый микрометрический винт перемещает только малую шкалу, обеспечивающую измерение с точностью до 0,001 мм. Ис­пользование нониуса барабана этого винта, имеющего цену деления 0,001 мм, позволяет снизить погрешность измерения до 1 мкм.

В процессе испытаний по Виккерсу необходимо соблюдать следующие условия:

1. шероховатость поверхности образца должна быть не более 0,16 мм;

2. допускается измерение на криволинейных поверхностях с радиусом кривизны не менее 5 мм;

3. толщина образца или поверхностного слоя должна быть в 1,2 раза (для черных металлов) или в 1,5 раза (для цветных сплавов) больше диагонали отпечатка;

4. при неизвестной толщине испытуемого слоя необходимо провести несколько измерений, уменьшая нагрузку до тех пор, пока твердость при двух смежных нагрузках будет совпадать;

5. расстояние между центром отпечатка и краем образца или краем соседне­го отпечатка должно быть не менее 2,5 длин диагонали;

6. диагональ длиной до 0,2 мм включительно измерять с погрешностью ±0,001 мм, а длиной более 0,2 мм - с погрешностью не более ± 0,5 %.

При испытании материала под нагрузкой 294 Н (30 кгс) в течение 10... 15 с условия испытания в обозначении твердости не указывают (например, 512 HV). При отличных параметрах испытаний их указывают в конце обозначения твердости через дробь (например, 220 HV 10/40, где 10 - нагрузка в кгс, 40 - время выдержки, с).

Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника (индентора), имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136 °, в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диагонали отпечатка d , оставшегося после снятия нагрузки (рис. 1.6 ).

Рис. 1.6. Метод Виккерса: а − схема измерения; б − вид отпечатка

[МПа], (1.6)

если Р выражена в Н, и

[кгс/мм 2 ], (1.7)

если Р выражена в кгс.

Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе. Число твердости по Виккерсу HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине d .

Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Как правило, используют небольшие нагрузки: 10, 30, 50, 100, 200, 500 Н. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка.

Кинематическая схема прибора для измерения твердости методом Виккерса показана на рис. 1.7 .

Рис. 1.7. Схема прибора для измерения твердости по Виккерсу:

1 − Столик для установки образца; 2 − маховик; 3 − шток с алмазной пирамидой;

4− Педаль пускового рычага;5− подвеска с призмой;6− микроскоп

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имеющих твердость до 450 НВ , практически совпадают.

Вместе с тем измерения пирамидой дают более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом. Алмазная пирамида имеет большой угол в вершине (136 °) и диагональ ее отпечатка примерно в семь раз больше глубины отпечатка, что повышает точность измерения отпечатка даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину и делает этот способ особенно пригодным для определения твердости тонких или твердых сплавов.

При испытании твердых и хрупких слоев (азотированного, цианированного) около углов отпечатка иногда образуются трещины (отколы), по виду которых можно судить о хрупкости измеряемого слоя.

Метод микротвердости − метод Хрущева-Берковича

Измерение микротвердости (ГОСТ 9450-76) имеет целью определить твердость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (рис. 1.8 ), очень тонких слоев (сотые доли миллиметра), а не «усредненную» твердость, как при измерении макротвердости.

Прибор для определения микротвердости типа ПМТ-3, разработанный М. М. Хрущевым и Е. С. Берковичем (рис. 1.9 ), имеет штатив 1 вертикального микроскопа с тубусом, перемещающимся вверх и вниз с помощью макрометрического винта 2 и микрометрического винта 3 . На верхний конец тубуса насажен окулярный микрометр 4 , а в нижнем конце закреплены шток 5 с алмазной пирамидой, опак-иллюминатор 6 и объективы 7 , В опак-иллюминаторе имеется лампочка напряжением 6 В, питаемая от электросети через трансформатор.

Прибор снабжен двумя объективами для просмотра микрошлифа при увеличениях в 478 × и 135 × . Окуляр увеличивает в 15 раз.

Окулярный микрометр имеет неподвижную сетку, остаточный микрометрический барабанчик и каретку с подвижной сеткой. На неподвижной сетке длиной 5 мм нанесены штрихи с цифрами и угольник с прямым углом, вершина которого совпадает с цифрой 0. На подвижной сетке нанесен угольник с прямым углом и две риски.

Рис. 1.9. Схема прибора ПМТ-3 для измерения микротвердости:

1 − микроскоп;2 − микрометрический винт;3 − микрометрический винт;4 − окулярныймикрометр; 5 − шток с алмазной пирамидой; 6 – опак-иллюминатор;7 − объектив;8 − стол для установки микрошлифа;9 − ручка стола;10 − винт стола;11 − регулировочные винты;

Министерство образования Российской Федерации

Таганрогский Государственный Радиотехнический Университет

Кафедра Механики

Реферат

Выполнил:

Студент гр. Р-99

Андриевский В. А.

Проверил:

доцент кафедры механики

Шаповалов Р. Г.

Таганрог 2001

Методы определения твердости металлов

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, по отскоку – упругие свойства, вдавливанием сопротивление пластической деформации. В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор твердость различают статическую (нагрузка прикладывается плавно) и динамическую (нагрузка прикладывается ударом).

Широкое распространение испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

Простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;

Высокая производительность;

Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

Возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности.

Так, например, зная твердость по Бринеллю (HB), можно определить предел прочности на растяжение

где k – коэффициент, зависящий от материала;

k = 0,34 – сталь HB 120 … 175;

k = 0,35 – сталь HB 175 … 450;

k = 0,55 – медь, латунь и бронза отоженные;

k = 0,33 … 0,36 – алюминий и его сплавы.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

Таким образом под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора.

Измерение твердости по Бринеллю

Площадь шарового сегмента составит:

где D –диаметр шарика, (мм);

h – глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр отпечатка d, выражают h через диаметр шарика D и отпечатка d:

Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:

Для перевода твердости по Бринеллю в единицы СИ необходимо умножить число твердости в кгс/мм 2 на 9,81, т.е. HB=9,81*HB (МПа).

Для получения сопоставимых результатов при определении твердости HB шариками различного диаметра необходимо соблюдать условие подобия.

Подобие отпечатков при разных D и P будет обеспечено, если угол j остается постоянным (Рис. 1.1). Подставив в формулу (6)

В практике при определении твердости не делают вычислений по формуле (6), а пользуются таблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяют диаметром 10,5 и 2,5 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца (табл. 1). При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D 2 . Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

Таблица 1

Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30-200, что означает – число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с.

При измерении твердости по методу бринелля необходимо выполнять следующие условия:

Образцы с твердостью выше HB 450 кгс/мм 2 (4500 МПа) испытывать запрещается;