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:
HV = 1.854∙F/d2
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.
Скачать ГОСТ 2999-75
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.
Твердость по Виккерсу. Шкала и метод Виккерса
Укрощение строптивых. Так образно можно назвать измерение твердости по Виккерсу. Метод используют для работы с особо твердыми металлами и их сплавами.
К таким нужен особый подход. Присутствуют в лабораториях и алмазы . В каком качестве?
Измерение твердости по Виккерсу
Из алмазов производят наконечники инденторов. Последние вдавливаются в металл, дабы определить степень его сопротивления.
Только вот, в часть сплавов погрузиться может лишь алмаз – самый твердый минерал на Земле, с показателем по шкале Мооса в 10 баллов.
В большинстве твердомеров, к примеру, аппаратах Роквелла , на инденторе устанавливается конус из закаленной стали.
Для отдельных металлов она сгодится. Даже самый твердый уран по шкале Мооса может похвастаться всего 6-ю баллами, а закаленная сталь – 7,5-8-ю.
Однако, если брать урановые сплавы, они могут быть равнозначны 9-бальному корунду.
Специализация метода не означает, что твердость по Виккерсу запрещено проставлять на мягких материалах. Машина, способная справиться с самыми прочными, измерит и податливые.
Просто, предприятиям, работающим исключительно с мягкими сплавами, нет нужды покупать дорогостоящий твердомер с алмазным наконечником.
Измерение твердости по методу Виккерса отличается не только использованием алмазных вдавливателей, но и возможностью определить степень сопротивления предметов разной величины.
Есть наручные часы ? Пружины в них проходят проверку на аппаратах Виккерса.
Каким образом они приспособлены работать одновременно и с массивными, и с миниатюрными предметами, рассмотрим в следующей главе.
Принцип измерения по Виккерсу
Для определения твердости по Виккерсу нужна четырехгранная пирамида из алмаза . Обязательна правильная форма вдавливателя.
Да, да, камень именно вдавливается в поверхность испытуемого материала. Если угол между противоположными гранями пирамиды составляет ровно 136 градусов, измерения должны быть верными.
Опыты проводятся с помощью специального прибора. У него есть опорный столик, на который кладется испытуемый образец и тот самый индентор с бриллиантовой пирамидой.
Есть пресс, вдавливающий наконечник, и регуляторы нагрузки. Результаты записываются цифрами, к которым прибавляются буквы HV.
Твердость по Виккерсу соответствует диагонали отпечатка от алмазной пирамидки. Отпечаток этот подвергается изучению под микроскопом, точность которого равна 1 микрометру.
На других твердомерах подобных «дивайсов» нет. Поэтому, точность измерений по Виккерсу повышена.
Описание метода можно свести к формуле: HV=P/F(ean/ii 2 ). Под P понимается нагрузка. F обозначает площадь отпечатка.
Интересно, что результат почти не зависит от приложенной нагрузки. Кажется, можно ведь надавить посильнее, или послабже.
Однако, выручает пирамидальная форма индентора. Профиль отпечатка треугольный, то есть, обладает свойствами подобия.
Для убеждения в правильности измерений можно повторить опыт уже на твердомере Бринелля. Это инженер из Швеции.
Его шкала твердости металлов совпадает с отметками Виккерса в пределах от 100 до 450-ти единиц. В этих границах находится, к примеру, твердость стали по Виккерсу.
Выдержка на обоих твердомерах равна 10-15-ти секундам. Это время вдавливания наконечников инденторов в испытуемую поверхность.
Она не должна быть шероховатой. Иначе, результаты могут быть неточными на обоих приборах. Это считается минусом методов.
Применение измерений по Виккерсу
Шкала твердости Виккерса позволяет протестировать не только часовые пружины, но и листовые материалы вплоть до гальванического покрытия.
Гальваника – металлическое напыление, призванное защитить предмет от коррозии, улучшить свойства и эстетику.
Толщина пленки может составлять всего доли миллиметра. Ни один твердомер кроме аппарата Виккерса за такое «не возьмется».
Твердомер Виккерса способен настраиваться на нагрузку от 1-го до 500-от граммов. С таким же успехом аппарат дает давление и в полтонны.
Применение разных грузов, отлаженная электроника, делают твердомер Виккерса универсальным для любых предприятий, особенно, широкого профиля.
Твердость по Виккерсу – ГОСТ, входящий в национальный стандарт Российской Федерации. Прописаны не только требования к той, или иной, продукции, но и запросы по отношению к твердомерам.
Получается, маркировка по Виккерсу – показатель качества товаров. Особенно часто твердость требуется определить в отрасли автомобилестроения.
По Виккерсу ориентируются и конструкторы космических кораблей, спутников, воздушных судов. Все они нуждаются в корпусах и прочих деталях повышенной прочности.
Но, мало разработать сплав, должный отличаться исключительной твердостью. Нужно еще и доказать, что она именно такова, как прописано в документах. Вот и приходит на помощь твердость по Виккерсу.
Принцип определения сопротивления металлов важен и в ювелирной отрасли. Приобретая драгоценности, люди хотят, чтобы они были носкими.
Это во многом зависит от твердости сплавов. Золотое изделие может быть дорогостоящим, но потерять блеск уже через несколько месяцев эксплуатации.
Область применения
Измерение твердости по методу Виккерса – универсальный метод, но наиболее точные значения он дает при исследовании веществ с высокой твёрдостью. Малые усилия и, соответственно, небольшие линейные размеры отпечатка позволяют практически не нарушать поверхность измеряемого материала.
Дальнейшее развитие метод Виккерса получил при измерениях микротвердости. Величина давления при этом составляет от 2 до 500 г, а глубина погружения индентора не превышает 0,2 мкм. Столь малые величины требуют применения микроскопов с большой увеличительной способностью.
Установка для измерения твердости по Виккерсу
Причина применения данной методики заключается в измерениях прочности покрытий практически любой толщины и твердости. Таким образом, не существует принципиальных ограничений по определению характеристик анодированных, цементированных и азотированных деталей и инструментов. Это важно при определении качества гальванических и химических покрытий.
Возможны измерения очень тонких поверхностных слоев. К примеру, если использовать методику Виккерса по определению микротвердости с глубиной погружения 0,2 мкм, то допустимая толщина материала составляет 0,3 мкм. Глубина упрочненного слоя стали при использовании различных методик составляет десятые доли миллиметра, толщина слоя родия составляет десятки микрометров.
В отечественных лабораториях наиболее распространен твердомер типа ТП-7Р-1. Он имеет пять фиксированных значений испытательной нагрузки с пределами измерений HV от 8 до 2000.
Достоинства и недостатки метода
Основной недостаток метода Виккерса заключен в самом принципе измерений – это зависимость полученного значения измеряемой величины от приложенной нагрузки. Чтобы избежать погрешностей, жестко регламентированы величины прилагаемых усилий и время воздействия на образец.
Еще один недостаток, который свойственен большинству методов измерений – необходимость в тщательной подготовке исследуемой поверхности.
Среди достоинств метода – специфическая форма измерительного инструмента – индентора. Малая площадь взаимодействия позволяет измерять твёрдости отдельных вкраплений или зерен в теле образца.
Сущность метода измерения по Виккерсу
Кто впервые предложил метод?
Впервые метод измерения твердости предложил британский военно-промышленный концерн Виккерс-Армстронг
и стал широко применяемым и стандартизированным методом измерении твердости.
В чем заключается сущность метода Виккерса?
Сущность метода по Виккерсу
заключается в плавном внедрении четырехгранной алмазной пирамиды (с углом 136 градусов между противоположными гранями) в исследуемый образец с определенной нагрузкой
P
, и последующим определением диагонали отпечатка
d
и расчета твердости по таблицам.
Какой применяют индентор для определения твердости?
Для определения твердости по Виккерсу применяют четырехгранную алмазную пирамиду.
Какой твердомер используют для определения твердости?
Для определения твердости образцов по Виккерсу (HV) применяют стационарные твердомеры (например: твердомеры модификаций ИТВ-1, ИТВ-5, ИТВ-10, ИТВ-30, ИТВ-50)
.
Преимущество метода Виккерса
Преимущество метода Виккерса является возможности измерять твердость образцов и небольших изделий из твердых сплавов, черных и цветных металлов, тонколистовых сталей, закаленных и не закаленных сталей, литья, полудрагоценных и драгоценных камней, цинкованных, хромированных и луженых покрытий поверхностей с различной толщиной. Измерение твердости не занимает много времени (требует тщательной подготовки исследуемой поверхности).
Как рассчитывают твердость исследуемых образцов по Виккерсу?
После окончания испытания измеряют длины диагоналей отпечатка и рассчитывают, по среднему значению длины, твердость образца по таблицам (подробнее в ГОСТ 2999-75).
Источник
Обозначение твердости
Как и любая физическая величина, твёрдость имеет свое обозначение. Из-за наличия множества методик измерений, каждая из них требует своего обозначения во избежание путаницы. Следует заметить, что часть методов выдает искомую величину как безразмерную, но по методу Виккерса твердость измеряется как кгс/мм2. В обозначениях размерность не пишут, подразумевая ее наличие.
Твердость по Виккерсу обозначается символами HV, где после символов может стоять значение силы и времени выдержки:
- HV 500 – стандартная нагрузка 30 кгс (294,2 Н) при времени выдержки 10-15 с;
- HV 150 10/40 – нагрузка 10 кгс (98,07 Н) при выдержке 40 с.
Перевод значений, измеренных другими методами, производится при помощи стандартных таблиц, которые входят в комплекты документации на измерительные приборы, а также присутствуют в справочной литературе.
