Vickersův test tvrdosti - Vickers hardness test

Tvrdoměr Vickers

The Vickersův test tvrdosti byl vyvinut v roce 1921 Robertem L. Smithem a Georgem E. Sandlandem v Vickers Ltd. jako alternativa k Brinell metoda měření tvrdost materiálů.^[1] Vickersův test se často používá snáze než jiné testy tvrdosti, protože požadované výpočty jsou nezávislé na velikosti indentu a indentor lze použít pro všechny materiály bez ohledu na tvrdost. Základním principem, stejně jako u všech běžných měr tvrdosti, je pozorování schopnosti materiálu odolávat plastická deformace ze standardního zdroje. Vickersův test lze použít pro všechny kovy a má jednu z nejširších stupnic mezi zkouškami tvrdosti. Jednotka tvrdosti daná zkouškou je známá jako Vickersova pyramida číslo (HV) nebo Tvrdost diamantové pyramidy (DPH). Číslo tvrdosti lze převést na jednotky pascaly, ale nemělo by se zaměňovat s tlakem, který používá stejné jednotky. Číslo tvrdosti je určeno zatížením na povrchu vtlačku, a ne na ploše kolmé k síle, a proto nejde o tlak.

Implementace

Schéma Vickersova testu

Pyramidální diamant vtlačovač tvrdoměru Vickers

Po zkoušce tvrdosti podle Vickerse zůstalo odsazení v cementované oceli. Rozdíl v délce obou úhlopříček a gradientu osvětlení jsou klasickými indikacemi mimoúrovňového vzorku. To není dobré odsazení.

Toto je dobré odsazení.

Bylo rozhodnuto, že tvar indentoru by měl být schopen vytvářet geometricky podobné otisky, bez ohledu na velikost; dojem by měl mít přesně definované body měření; a indentor by měl mít vysokou odolnost vůči sebe-deformaci. A diamant ve formě čtvercové pyramidy splňovaly tyto podmínky. Bylo zjištěno, že ideální velikost a Brinell dojem byl³⁄₈ průměru koule. Jako dvě tečny ke kruhu na konci akordu 3d/ 8 dlouhý průsečík při 136 °, bylo rozhodnuto použít toto jako zahrnutý úhel mezi rovinnými plochami špičky indenteru. To dává úhel z každé tváře normální do vodorovné roviny kolmé na 22 ° na každou stranu. Úhel se experimentálně měnil a bylo zjištěno, že hodnota tvrdosti získaná na homogenním kusu materiálu zůstala konstantní bez ohledu na zatížení.^[2] V souladu s tím jsou na plochý povrch aplikována zatížení různých velikostí, v závislosti na tvrdosti měřeného materiálu. Číslo HV je pak určeno poměrem F / A, kde F je síla působící na diamant v kilogramech - síla a A je povrch výsledného odsazení v milimetrech čtverečních. A lze určit podle vzorce.

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

které lze aproximovat vyhodnocením sinusového výrazu, který má dát,

${ displaystyle A přibližně { frac {d ^ {2}} {1,8544}},}$

kde d je průměrná délka úhlopříčky zanechané indentorem v milimetrech. Proto,^[3]

${ displaystyle HV = { frac {F} {A}} přibližně { frac {1.8544F} {d ^ {2}}} quad [{ textrm {kgf / mm}} ^ {2}]}$,

kde F je v kgf a d je v milimetrech.

Odpovídající jednotkou HV je pak kilogramová síla na čtvereční milimetr (kgf / mm²) nebo číslo HV. Ve výše uvedené rovnici může být „F“ v N a „d“ v mm, což dává HV v jednotce SI MPa. Chcete-li vypočítat Vickersovo číslo tvrdosti (VHN) pomocí jednotek SI, musíte převést sílu aplikovanou z newtonů na kilogramová síla dělením 9,806 65 (standardní gravitace ). To vede k následující rovnici:^[4]

${ displaystyle HV cca {0,1891} { frac {F} {d ^ {2}}} quad [{ textrm {N / mm}} ^ {2}],}$

kde F je v N a d je v milimetrech. Běžnou chybou je, že výše uvedený vzorec pro výpočet čísla HV nevede k číslu s jednotkou Newton na čtvereční milimetr (N / mm²), ale vede přímo k číslu tvrdosti podle Vickerse (obvykle udávaného bez jednotek), které je v fakt jedna kilogramová síla na čtvereční milimetr (1 kgf / mm²).

Čísla tvrdosti podle Vickerse jsou uváděna jako xxxHVyy, např. 440HV30nebo xxxHVyy / zz pokud se trvání síly liší od 10 s do 15 s, např. 440HV30 / 20, kde:

• 440 je číslo tvrdosti,
• HV udává stupnici tvrdosti (Vickers),
• 30 označuje zatížení použité v kgf.
• 20 označuje dobu načítání, pokud se liší od 10 s do 15 s

Chcete-li převést číslo tvrdosti podle Vickerse na jednotky SI, číslo tvrdosti kilogramová síla na čtvereční milimetr (kgf / mm²) se musí vynásobit standardní gravitací (9,806 65), aby se získala tvrdost v MPa (N / mm²), a dále se dělí 1000, aby se získala tvrdost v GPa. Tvrdost podle Vickerse lze také převést na tvrdost SI na základě projektované plochy odsazení, nikoli plochy. Projektovaná plocha, ${ displaystyle A_ {p}}$, je definována jako následující pro geometrii vtisku Vickers^[5]:

${ displaystyle A_ {p} = { frac {d_ {avg} ^ {2}} {2}}}$

Tato tvrdost se někdy označuje jako střední kontaktní plocha a v ideálním případě ji lze přímo porovnat s jinými zkouškami tvrdosti, které jsou rovněž definovány pomocí projektované plochy.

Hodnoty Vickers jsou obecně nezávislé na testovací síle: vyjdou stejně pro 500 gf a 50 kgf, pokud je síla alespoň 200 gf.^[6]Nižší odrážky zatížení však často vykazují závislost tvrdosti na hloubce odsazení známé jako efekt velikosti odsazení (ISE).^[7]

U tenkých vzorků může být hloubka vtisku problémem kvůli účinkům substrátu. Obecně platí, že tloušťka vzorku by měla být větší než 2,5násobek průměru odsazení. Alternativně hloubka odsazení, ${ displaystyle t}$, lze vypočítat podle:

${ displaystyle t = { frac {d_ {avg}} {2 { sqrt {2}} tan { frac { theta} {2}}}} přibližně { frac {d_ {avg}} { 7.0006}},}$

Opatření

Při provádění zkoušek tvrdosti je třeba vzít v úvahu minimální vzdálenost mezi prohlubněmi a vzdálenost od prohlubně k okraji vzorku, aby se zabránilo interakci mezi oblastmi zpevněnými v důsledku působení a účinky hrany. Tyto minimální vzdálenosti se u norem ISO 6507-1 a ASTM E384 liší.

Odhad pevnosti v tahu

Pokud je HV poprvé vyjádřeno v N / mm² (MPa) nebo jinak převodem z kgf / mm², pak pevnost v tahu (v MPa) materiálu lze aproximovat jako σ_u ≈ HV /C ≈ HV / 3, kde C je konstanta určená mezí kluzu, Poissonovým poměrem, exponentem vytvrzování a geometrickými faktory - obvykle v rozmezí 2 až 4.^[9] Jinými slovy, pokud je HV vyjádřeno v N / mm² (tj. v MPa) pak pevnost v tahu (v MPa) ≈ HV / 3. Tento empirický zákon závisí variabilně na chování materiálu při kalení.^[10]

aplikace

The ploutev připevňovací kolíky a objímky v Convair 580 letadlo bylo výrobcem letadel specifikováno tak, aby bylo tvrzeno podle specifikace Vickersovy tvrdosti 390HV5, přičemž „5“ znamená pět kilopondů. Nicméně v letadle létajícím Let Partnair 394 později se zjistilo, že čepy byly nahrazeny nestandardními součástmi, což vedlo k rychlému opotřebení a nakonec ke ztrátě letadla. Při zkoumání vyšetřovatelé nehod zjistili, že nestandardní kolíky měly hodnotu tvrdosti pouze asi 200-230HV5.^[11]

Viz také

Reference

Další čtení

• Meyers a Chawla (1999). „Oddíl 3.8“. Mechanické chování materiálů. Prentice Hall, Inc.
• ASTM E92: Standardní metoda pro tvrdost kovových materiálů podle Vickerse (stažena a nahrazena E384-10e2)
• ASTM E384: Standardní zkušební metoda pro Knoopovu a Vickersovu tvrdost materiálů
• ISO 6507-1: Kovové materiály - Zkouška tvrdosti podle Vickerse - Část 1: Zkušební metoda
• ISO 6507-2: Kovové materiály - Zkouška tvrdosti podle Vickerse - Část 2: Ověření a kalibrace zkušebních strojů
• ISO 6507-3: Kovové materiály - Zkouška tvrdosti podle Vickerse - Část 3: Kalibrace referenčních bloků
• ISO 6507-4: Kovové materiály - Zkouška tvrdosti podle Vickerse - Část 4: Tabulky hodnot tvrdosti
• ISO 18265: Kovové materiály - Převod hodnot tvrdosti

externí odkazy

• Video ze zkoušky tvrdosti podle Vickerse
• Vickersův test tvrdosti
• Převodní tabulka - Váhy Vickers, Brinell a Rockwell