Тест на микроиндентирование часто называют испытанием на микротвёрдость, что видится неверной характеристикой. Тест широко используется для изучения мелкомасштабных изменений твёрдости, как преднамеренных, так и случайных. По сути, термин «микротвёрдость» указывает на чрезвычайно низкую твёрдость, что не соответствует действительности. Приложенная нагрузка и результирующий размер отпечатка малы по сравнению с объёмными испытаниями, но при этом получают тот же показатель твёрдости. Поэтому более актуален здесь термин «испытание на твёрдость микроиндентированием» (Microindentation Hardness Testing) под аббревиатурой «MHT».
СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :
Испытание на твёрдость микроиндентированием
Стандартом «ASTM E 384» описываются два наиболее распространённых теста на микроиндентирование:
- Тест Виккерса.
- Тест Кнупа.
Тестом Виккерса нагрузка прикладывается плавно, без ударных эффектов, вдавливанием индентора в испытуемый образец. Индентор удерживается на месте в течение 10-15 секунд. Чтобы получить правильные результаты, необходимо контролировать физическое качество индентора и точность приложенной нагрузки.
После снятия нагрузки измеряют две диагонали оттиска (обычно с точностью до 0,1 мкм) с помощью нитяного (филярного) микрометра и усредняют. Твёрдость по Виккерсу (HV — Hardness Vickers) рассчитывается с использованием формулы:
HV = 1854,4L / D2
где, нагрузка L выражена значением грамм/сила (гс), а среднее значение диагонали D в микрометрах (мкм).
Оригинальные тестеры Виккерса разрабатывались для испытательных нагрузок от 1 до 120 кгс и дают довольно большие отпечатки. Признавая необходимость более низких испытательных нагрузок, учёные разработали первый тестер Виккерса с малой нагрузкой ещё в 1936 году.
Поскольку форма вмятины здесь геометрически одинакова при всех испытательных нагрузках, значение HV является постоянным в пределах статистической точности в очень широком диапазоне испытательных нагрузок, пока образец для испытаний достаточно однороден.
Многочисленные исследования результатов испытаний на прочность и твёрдость при микровдавливании, проведённые в широком диапазоне испытательных нагрузок, показали — результаты испытаний не являются постоянными при очень низких нагрузках. Эта проблема «эффекта размера вдавливания» (ISE — Indentation Size Effect), объясняется фундаментальными характеристиками материала.
Тест Виккерса – особенности применения по стандарту
Начиная с 1960-х годов, стандартным символом характеристики твёрдости по Виккерсу согласно стандарту «ASTM E 92» и «E 384» определён символ «HV». Именно эту символику следует использовать вместо устаревшей символики «DPN» или «VPN». Твёрдость здесь выражается в стандартном формате. Например, если используется нагрузка 300 гс и тест показывает твёрдость 375 HV, значение выражается как 375 HV300.
Строгое применение системы СИ приводит к единицам твёрдости, выраженным не в стандартных, понятных значениях кгс/мм2, но в единицах ГПа, которые не имеют смысла для большинства инженеров и техников. Стандарт «ASTM» рекомендует в этом случае «мягкий» метрический подход.
Тест Виккерса предполагает, что упругое восстановление не происходит после снятия нагрузки. Однако упругое восстановление имеет место, а иногда это влияние выражено значительно. Обычно отпечаток видится квадратным, а две диагонали имеют одинаковую длину. Как и в случае теста Бринелля, число твёрдости по Виккерсу рассчитывается на основе площади поверхности отпечатка, а не площади проекции.
Если форма отпечатка искажается по причине упругого восстановления (что часто отмечается на анизотропных материалах), следует ли основываться на среднем значении двух диагоналей? Можно рассчитать твёрдость по Виккерсу на основе проецируемой площади отпечатка, которую измерить посредством анализа изображения.
Несмотря на то, что тщательных исследований этой проблемы в литературе мало, диагональное измерение в настоящее время является предпочтительным подходом даже для искажённых отпечатков.
Тест Кнупа – испытание на микроиндентирование
В качестве альтернативы тесту Виккерса, особенно для случаев тестирования очень тонких слоёв, разработан тест с низкой нагрузкой, где используется алмазный индентор ромбоэдрической формы. Эта методика испытания получила название тест Кнупа (по имени разработчика).
Длинная диагональ в семь раз (фактически 7,114) длиннее короткой диагонали. При такой форме индентора упругое восстановление может быть сведено к минимуму. Некоторые исследователи утверждают, что в тесте Кнупа упругое восстановление отсутствует.
Однако это ошибочное утверждение, поскольку измерения отношения длинной диагонали и короткой часто показывают результаты, существенно отличающиеся от идеального значения (7,114).
Тест Кнупа проводится аналогичным образом с использованием одинакового тестера. Однако измеряется только длинная диагональ. Соответственно, налицо экономия времени под испытание на микроиндентирование. Значение твёрдости по Кнупу рассчитывается посредством формулы:
HK = 14229L / D2
где нагрузка L выражена в гс, а длинная диагональ D в мкм.
Рабочая символика «HK» принята в начале 1960-х годов. Соответственно, другие термины; например, «HKN» или «KHN» являются устаревшими и не используются в современной практике.
Значение твёрдости по Кнупу выражается так же, как и значение по Виккерсу. То есть, распечатка 375 HK300 означает, что нагрузка 300 гс даёт значение твёрдости по Кнупу, равное 375.
Помимо экономии времени, одним из основных достоинств теста Кнупа является возможность более лёгкого тестирования тонких слоёв. Для поверхностей с различной твёрдостью, вмятины Кнупа могут располагаться ближе друг к другу, чем вмятины Виккерса.
Таким образом, одна траверса Кнупа способна определить градиент твёрдости более просто, чем серия из двух или трёх параллельных траверсов Виккерса, где каждая отметка делается на разной глубине.
Кроме того, если твёрдость сильно зависит от глубины, отпечаток Виккерса будет искажен этим изменением. То есть диагональ, параллельная изменению твёрдости, будет зависеть от градиента (половины этой диагонали одинаковой приблизительной длины).
Недостатком теста Кнупа является то, что трёхмерная форма отпечатка меняется при испытательной нагрузке. Следовательно, значение «HK» меняется в зависимости от нагрузки. При больших нагрузках это изменение несущественно.
Преобразование значений «HK» в другие тестовые шкалы может быть надёжно выполнено только для значений «HK», полученных при стандартной нагрузке. Обычно при нагрузке 500 гс, используемой для построения корреляций. Все преобразования шкалы основаны на эмпирических данных и являются приблизительными.
Факторы влияния на точность прецизионность погрешность
Многие факторы способны оказывать влияние на качество результатов испытаний на микроиндентирование. На заре испытаний на микроиндентирование с низкой нагрузкой (< 100 гс) выяснилось, что неправильная подготовка образцов влияет на результаты испытаний.
Большинством выпущенных учебников утверждается, что неправильная подготовка неизбежно приведёт к более высоким результатам испытаний, поскольку поверхность содержит чрезмерную деформацию, вызванную подготовкой.
Не исключены и другие случаи, когда неправильная подготовка приводит к чрезмерному нагреву, снижающему показатели многих металлов и сплавов. Всегда считалось необходимым электролитически полировать образцы, тем самым удаляя повреждения, вызванные препарированием, что позволяет проводить испытания на микроиндентирование при низкой нагрузке без смещения.
Сегодня существует несколько операционных факторов, которые необходимо контролировать для получения оптимальных результатов испытаний. Рекомендуется периодически осматривать индентор на наличие повреждений, например трещин или сколов алмаза.
Если в наличии имеется метрологическое оборудование, рекомендуется измерить углы наклона и остроту наконечника. Технические характеристики геометрии индентора Виккерса и Кнупа можно найти в описании стандартов «E 384».
При помощи информации: Materion