Руководство по измерению твердости: Виккерс, Роквелл, Бринелль и подготовка образцов

Металлографическая подготовка проб: почему это важно перед любым испытанием на твердость

Точные измерения твердости начинаются задолго до контакта индентора с образцом. Металлографическая подготовка проб — контролируемый процесс разрезания, монтажа, шлифования и полировки образца металла — напрямую определяет, отражают ли показания твердости истинные свойства материала или артефакт, появившийся во время обработки.

В частности, для методов микротвердости критическое значение имеет состояние поверхности. Плохо отполированный образец приводит к топографическим изменениям, которые отклоняют индентор, увеличивают разброс и дают показания, которые невозможно сопоставить с какой-либо опубликованной таблицей преобразования. Общим требованием для испытаний на микротвердость по Виккерсу и Кнупу является чистота поверхности 0,1 мкм Ra или выше, что достигается только путем систематической металлографической подготовки.

Последовательность подготовки обычно включает в себя:

1. Резка абразивным отрезным кругом с использованием достаточного количества охлаждающей жидкости для предотвращения термического повреждения.
2. Холодный или горячий монтаж в эпоксидную или фенольную смолу для обеспечения поддержки кромок и безопасного обращения.
3. Плоское шлифование для устранения повреждений при сечении и достижения плоской базовой плоскости.
4. Последовательное шлифование более мелкими абразивами SiC (обычно зернистость 240 → 400 → 600 → 1200)
5. Алмазная полировка (6 мкм, затем 3 мкм, затем 1 мкм) для устранения всех царапин от шлифовки.
6. Окончательная полировка коллоидным диоксидом кремния (0,04–0,05 мкм OPS) для получения зеркальной поверхности, требуемой стандартами микротвердости.

Каждый этап должен полностью снять урон от предыдущего. Пропуск шагов или слишком быстрое время выдержки приводит к внедрению деформированных подповерхностных слоев — нагартованных зон, которые дают ложно высокие показания Виккерса в диапазоне 10–50 В, что является значительной ошибкой при тестировании тонких покрытий, зон термического влияния или цементированных слоев.

Для чего используется тест на твердость по Виккерсу?

Испытание на твердость по Виккерсу используется для измерения устойчивости материала к постоянным вдавливаниям с использованием алмазного пирамидального индентора с квадратным основанием и углом грани 136°. Это самый универсальный из доступных методов макро- и микротвердости. , применим практически к любому твердому материалу независимо от уровня твердости и является предпочтительным методом, когда требуется точность, прослеживаемость или разрешение микроструктуры.

На практике тест Виккерса используется для:

• Измерение глубины корпуса - профилирование градиентов твердости на цементированных, азотированных или индукционно закаленных поверхностях путем выполнения серии углублений на возрастающем расстоянии от поверхности.
• Оценка тонкого покрытия — оценка твердых покрытий PVD/CVD, гальванических слоев и диффузионной обработки, где толщина зоны воздействия может составлять всего несколько микрон.
• Проверка качества сварных швов — картирование твердости основного металла, зоны термического влияния и сварного шва для выявления склонности к размягчению, переупрочнению или водородному растрескиванию.
• Анализ отказов — выявление обезуглероживания, неотпущенного мартенсита, остаточного аустенита или фазовых границ посредством локальных измерений твердости.
• Сертификация материалов — проверка результатов термообработки компонентов аэрокосмической, автомобильной и инструментальной промышленности в соответствии со спецификациями, такими как AMS, ISO 6507 и ASTM E92.
• Исследования и разработки - характеристика вновь разработанных сплавов, спеченной керамики и композиционных материалов, для которых ранее не существовало шкал преобразования.

Поскольку шкала Виккерса непрерывна от примерно 5 HV (очень мягкие свинцовые сплавы) до более 3000 HV (алмаз), никаких изменений диапазона не требуется. Один метод охватывает мягкую медь (40–80 HV), закаленную инструментальную сталь (700–900 HV) и твердый сплав (1400–1800 HV). Эта преемственность делает Виккерс основой всех международных таблиц преобразования твердости.

Эталонные образцы твердости по Роквеллу: калибровка, отслеживаемость и правильное использование

A Эталонный образец твердости по Роквеллу (также называемый испытательным образцом или калибровочным образцом) представляет собой сертифицированный металлический образец с прецизионной шлифовкой, используемый для проверки того, что твердомер Роквелла работает в установленных пределах точности. Это не расходный материал — один сертифицированный блок при правильном использовании обычно поддерживает сотни проверочных измерений.

В соответствии со стандартами ASTM E18 и ISO 6508 эталонные образцы должны быть откалиброваны на первичной стандартизирующей машине, отслеживаемой национальным метрологическим институтом (NIST в США, PTB в Германии и т. д.). Каждый блок поставляется с сертификатом, в котором указаны сертифицированное значение твердости, погрешность измерения и количество действительных мест испытаний, оставшихся на поверхности блока.

Правильное использование эталонных блоков

Распространенные ошибки, которые делают измерения эталонного образца недействительными, включают тестирование на скошенных краях, повторное использование мест отпечатков в пределах зоны исключения диаметром 3 отпечатка и тестирование на нижней грани (которая имеет другое состояние остаточного напряжения, чем калиброванная верхняя грань). Для проверочных испытаний годна только четко обозначенная верхняя поверхность.

Ежедневную проверку следует производить с блоками, близкими по твердости к испытуемому материалу. Использование блока с твердостью 60 HRC для проверки машины, которая будет тестировать детали с твердостью 25 HRC, технически допустимо, но практически менее чувствительно к систематическим погрешностям — посадке наковальни, состоянию индентора и дрейфу тензодатчиков — которые влияют на показания среднего диапазона.

Блоки следует хранить в закрытом футляре, вдали от влаги и вибрации, обращаться с ними следует в хлопчатобумажных перчатках во избежание коррозии полированной поверхности. Блок, который упал, поцарапал активную зону или имеет признаки окисления поверхности, следует исключить из использования при калибровке.

Что такое HK по твердости? Кнуп против Викерса при работе на микротвердость

HK означает твердость по Кнупу. , шкала, используемая в тесте на микротвердость по Кнупу. Как и Викерс (HV), Кнооп использует алмазный пирамидальный индентор и оптическое измерение полученного отпечатка, но геометрия принципиально отличается. Индентор Кнупа создает удлиненный ромбоэдрический отпечаток с соотношением диагонали 7,11:1, тогда как Виккерс создает почти квадратный отпечаток.

Это геометрическое различие имеет два важных практических следствия:

• Меньшая глубина проникновения - Глубина отступа Кнупа составляет примерно 1/30 длинной диагонали по сравнению с 1/7 для отступа Виккерса той же длины диагонали. Это делает Knoop значительно более подходящим для очень тонких покрытий, хрупкой керамики и стекла, где глубокое проникновение может вызвать растрескивание или влияние подложки.
• Чувствительность к направленности — вытянутая форма может выявить кристаллографическую анизотропию в монокристаллах или сильнотекстурированных материалах при вращении образца относительно оси индентора.

Согласно АСТМ Е384, метод Кнупа является предпочтительным для испытаний: твердых сплавов, закаленного стекла, тонких гальванических слоев и материалов, растрескивание которых вокруг отпечатка Виккерса может поставить под угрозу достоверность измерений. Для большинства применений из стали, алюминия и медных сплавов микротвердость по Виккерсу (от HV 0,1 до HV 1) является выбором по умолчанию из-за ее более простой геометрии и прямой конвертации в другие шкалы твердости.

Преобразование твердости по Бринелю в предел прочности на разрыв

Твердость по Бринеллю (HBW) линейно коррелирует с пределом прочности на разрыв (UTS) для широкого спектра сталей и чугунов. , что делает его одним из наиболее практически полезных преобразований твердости в прочность в технике. Эта связь возникает потому, что оба свойства определяются сопротивлением микроструктуры материала пластическому течению под действием сосредоточенной нагрузки.

Широко применяемое приближение для углеродистых и низколегированных сталей:

UTS (МПа) ≈ 3,45 × HBW

В обычных единицах измерения США: UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Эти коэффициенты достаточно хорошо сохраняются для ферритных, перлитных и мартенситных сталей в диапазоне 150–400 HBW. Точность обычно находится в пределах ±7% для нормализованной или закаленной и отпущенной углеродистой стали, что достаточно для проверки материала и входного контроля.

Связь ухудшается, и ее не следует использовать без данных по конкретному материалу в следующих случаях:

• Аустенитные нержавеющие стали — поведение наклепа существенно отличается от ферритных сталей; множитель ближе к 3,3–3,55 и зависит от сплава.
• Алюминиевые сплавы - часто упоминается множитель около 3,6–3,8, но разброс велик в зависимости от состояния окружающей среды.
• Чугун - морфология графита (чешуйчатая или узелковая) представляет вторичную микроструктурную переменную; к опубликованным таблицам для ковкого и серого чугуна следует обращаться отдельно.
• HBW > 400 — линейная зависимость нарушается; Преобразование C по Виккерсу или Роквеллу по ASTM E140 более надежно при высоких уровнях твердости.

ASTM A370 и EN ISO 18265 предоставляют табличные данные преобразования твердости в прочность на растяжение с указанными диапазонами применимости и ожидаемыми неопределенностями и должны быть справочными документами для любого преобразования, критического для спецификации.

Предел прочности на разрыв по твердости по Роквеллу: методы преобразования и пределы

Оценка прочности на разрыв по твердости по Роквеллу состоит из двух этапов: сначала преобразуйте Роквелла в Бринелля с помощью таблиц преобразования ASTM E140, затем примените описанную выше зависимость Бринелля к UTS — или используйте таблицы прямой корреляции UTS, которые объединяют оба шага.

Для закаленной стали в диапазоне HRC 20–65. , следующие приблизительные эквиваленты обеспечивают практическую отправную точку:

Выше HRC 40 (~400 HBW) сам тест Бринелля уже недействителен, поскольку твердосплавный шарик диаметром 10 мм упруго деформируется при высоких нагрузках, что приводит к невоспроизводимым результатам. В этом диапазоне Виккерс или Роквелл C — правильные методы измерения твердости. , а оценка UTS должна ссылаться на прямые эмпирические таблицы для конкретной марки стали, а не на общую линейную формулу.

Для инженерных решений, включающих критически важные для безопасности компоненты — сосуды под давлением, конструктивные элементы, коленчатые валы — значения UTS, полученные на основе твердости, следует рассматривать только как проверочные данные. Для сертификации основы проекта необходимы испытания на физическое растяжение в соответствии с ASTM E8 или ISO 6892.