В материаловедении испытание на твердость играет важную роль в анализе и контроле качества, особенно в отношении напряжения и износа. Это важный способ оценки твердость материалов и широко используется в различных отраслях промышленности, от автомобилестроения и строительства до биомедицинской инженерии и исследований. В этой статье рассматриваются основные принципы, методы испытаний, оборудование и процедуры, используемые при испытаниях на твердость».
Содержание:
Что такое испытание на твердость?
Испытание на твердость — это процесс, который проверяет способность материала противостоять деформации, особенно при постоянном вдавливании на поверхность более твердого материала. Он измеряет глубину или размер следа, оставленного твердым индентором при стандартной нагрузке. Проще говоря, это метод, который помогает определить уровень твердости материала.
Испытание твердости берет свое начало в 1812 году, когда Фридрих Моос ввел десятибалльную шкалу царапания, которая ранжирует минералы от талька (1) до алмаза (10). Затем последовали современные инструментальные методы: Бринелль (вдавливание шарика 1900 г.), склероскоп Шора (отскок 1907 г.), Роквелл (глубина 1919 г.), Виккерс (алмазная пирамида 1921 г.) и Кнуп (микровдавливание 1939 г.).
Методы измерения твердости
Существуют различные типы методов испытания твердости, которые подразделяются на динамические методы испытания или статические методы испытания. Давайте рассмотрим несколько наиболее часто используемых:
Испытание на твердость по Роквеллу (HR)
Испытание на твердость по Роквеллу измеряет твердость материала, вдавливая алмазный конус в его поверхность под определенной нагрузкой, а затем измеряя глубину полученного углубления. Этот метод быстрый, простой и не требует напряжения. Он в основном полезен при испытании стали и сплавов для контроля качества.
Испытание на твердость по Бринеллю (HB)
В отличие от метода Роквелла, Испытание на твердость по Бринеллю использует стальной или карбидный шарик для создания углубления на поверхности материала, которое затем измеряется для определения твердости. Он также прикладывает нагрузку, но измеряет диаметр отметки, сделанной для измерения твердости материала. Уникальность этого метода в том, что он очень эффективен для испытания материалов с неровными и грубыми поверхностями. Он в основном применяется для испытания отливок и поковок.
Испытание на твердость по Виккерсу (HV)
В отличие от ранее упомянутых методов, измеряющих глубину и диаметр вмятины, Определение твердости по Виккерсу Метод отличается. Он измеряет длину диагоналей отметки, сделанной путем проникновения в испытуемый образец алмазной пирамидой 136°. Однако есть одна схожая вещь: он также прикладывает фиксированную нагрузку. Метод Виккерса уникален, поскольку его можно использовать для испытания самых разных материалов, таких как керамика, металлы и композиты.
Тест на твердость по Моосу
Как упоминалось ранее, Испытание на твердость по Моосу Твёрдость материала определяется его способностью царапать другой материал. Это простой процесс, основанный на качественных процедурах и подходящий для испытания минералов и образцов, используемых в геологических исследованиях.
Испытание на твердость по Кнупу
Испытание на твердость по Кнупу известен своей уникальностью в тестировании небольших и крошечных материалов, таких как тонкие покрытия и пленки. Прикладываемые нагрузки невелики, а индентор, который прокалывает испытуемый образец, тонкий и длинный с тонким наконечником. Измерение выполняется только путем концентрации на длине длинных диагоналей.
Оборудование для испытания на твердость
Каждый конкретный метод испытания на твердость имеет свою собственную уникальную установку, однако большинство наиболее часто используемых методов, как правило, состоят из следующих четырех важных видов оборудования:
- Индентор, который используется для проникновения в испытуемый материал с целью создания отметки или углубления (стальной, алмазный или твердосплавный шарик).
- Система, которая прикладывает необходимую нагрузку или силу.
- Средством наблюдения и измерения сделанного отпечатка или углубления могут служить весы или микроскоп, в некоторых случаях они автоматизированы.
- Естественно, для оптимальной работы каждую машину время от времени необходимо калибровать, то же самое касается и оборудования для испытания на твердость.
Процедура испытания на твердость
Хотя процедуры немного различаются в зависимости от метода, общие шаги включают в себя:
Базовые приготовления
Испытуемая поверхность должна быть гладкой, чистой и свободной от окалины или покрытий, если целью не является испытание поверхностей с покрытием.
Применение нагрузки
Индентор вдавливается в поверхность под заданной нагрузкой в течение определенного времени.
Измерение отпечатка
Глубина или диаметр/диагональ углубления измеряются с помощью оптических или электронных инструментов.
Расчет твердости
Машина или оператор вычисляют значение твердости на основе стандартных формул.
Применение испытаний на твердость
- Процесс проверки и сравнения уровней твердости материалов для правильного выбора с учетом особенностей их применения.
- Проверка процессов термообработки путем подтверждения их эффективности, например, таких процессов, как отпуск или закалка
- Обеспечение и контроль качества продукции в производственных процессах путем проверки на наличие ошибок и дефектов.
- Проверка обработки поверхности путем оценки твердости покрытий, гальванопокрытий или азотирования.
Преимущества и ограничения каждого метода
| Способ доставки | Наши преимущества | ограничения |
|---|---|---|
| Rockwell | Быстрый и простой в использовании | Ограничено для очень тонких материалов |
| Бринеллю | Идеально подходит для грубых поверхностей | Менее точный, большой отступ |
| Vickers | Точный, универсальный | Кропотливый |
| Мооса | Простой, удобный в использовании | Субъективный, качественный |
| Кнуп | Высокое разрешение для тонких слоев | Требуются навыки и чистые поверхности. |
FAQ
Почему испытание на твердость по Виккерсу является предпочтительным для деталей, изготовленных методом порошковой металлургии?
Детали порошковой металлургии сохраняют определённый уровень остаточной пористости, и индентор с большим радиусом может ударить по поре и дать обманчиво заниженное показание. Метод Виккерса использует алмазную пирамиду, которая оставляет очень маленький отпечаток, поэтому измерение можно проводить исключительно в зоне полной плотности. Таким образом, низкая испытательная нагрузка регистрирует собственную твёрдость металлической матрицы, а не объёмную «кажущуюся» твёрдость пористой структуры. Для спечённых металлов стандартными рекомендуемыми диапазонами нагрузки являются HV5, HV10 и HV20.
Могут ли испытания на твердость повредить материал?
Это зависит от метода испытания на твердость. Это связано с тем, что методы испытания на твердость подразделяются на разрушающие испытания на твердость (например, Роквелл, Бринелль, Виккерс)) и неразрушающие испытания на твердость (например, портативные твердомеры Либа). Разрушающие испытания на твердость оставляют постоянные повреждения испытуемого материала после вдавливания, в то время как неразрушающие испытания на твердость оставляют небольшую деформацию, которая не влияет на материал или его свойства.
Существует ли стандарт испытания на твердость?
Да, испытания на твердость соответствуют различным стандартам, таким как ASTM и ISO, например, ASTM E10 и ISO 6506 регламентируют испытание на твердость по Бринеллю, а ASTM E18 и ISO 6508 — испытание на твердость по Роквеллу.
Какие источники ошибок следует проверять при проведении испытаний на твердость?
Ошибки во время испытаний на твердость могут возникать по разным причинам: от оператора до испытательного материала, оборудования и даже самого процесса испытаний, и это лишь некоторые из них;
- Когда поверхность испытуемого образца не подготовлена должным образом для испытания.
- Неравномерное приложение нагрузки.
- Дрейф калибровки из-за ошибки оборудования.
- Использование поврежденного, изношенного или неправильно выровненного индентора.
- Человеческая ошибка при считывании результатов.
В чем разница между методами динамического и статического измерения твердости?
Динамические методы испытания твердости проходят через процесс, в котором нагрузка прикладывается внезапно с быстрым увеличением нагрузки. Скорость отскока измеряется (преобразуется в число твердости), например, испытания твердости по Либу и Шору Склероскопом. С другой стороны, статические методы испытания твердости используют постоянную нагрузку или постепенно увеличивающуюся нагрузку. Вместо этого они измеряют глубину вдавливания, как испытания по Бринеллю, Виккерсу и Кнупу.