Введение

Любая мера твердости, основанная на сопротивлении вдавливанию. Испытания твердости по вдавливанию используются в машиностроении для определения сопротивления материала пластической деформации. Существует несколько таких методов, в которых исследуемый материал вдавливается до образования отпечатка; эти испытания могут проводиться в макро- или микромасштабе. При испытании металлов твердость по вдавливанию приблизительно линейно коррелирует с прочностью на разрыв, однако эта корреляция несовершенна и часто ограничена небольшими диапазонами прочности и твердости для каждой геометрии индентора. Эта зависимость позволяет проводить экономически выгодные неразрушающие испытания крупных партий металла с использованием легкого, в том числе портативного оборудования, такого как ручные тестеры твердости по Роквеллу.

Твердость материала

Для количественной оценки характеристик материалов в меньших масштабах используются различные методы. Измерение механических свойств материалов, например, тонких плёнок, невозможно осуществить с помощью традиционных испытаний на одноосное растяжение. В связи с этим были разработаны методы оценки "твёрдости" материала, основанные на вдавливании в него индентора, создающего очень небольшую площадь контакта, для приблизительной оценки этих свойств. Измерения твёрдости количественно характеризуют сопротивление материала пластической деформации. Испытания на твёрдость методом вдавливания составляют основную часть процессов, используемых для определения твёрдости материала, и подразделяются на три класса: макро-, микро- и наноиндентация. Таким образом, твёрдость может дать лишь сравнительное представление о сопротивлении материала пластической деформации, поскольку различные методы определения твёрдости используют разные шкалы. Определение твёрдости, основанное на уравнении, представляет собой давление, приходящееся на площадь контакта между индентором и испытываемым материалом. Соответственно, значения твёрдости обычно выражаются в единицах давления, хотя это является "истинным" давлением только в случае идеально плоского контакта между индентором и поверхностью.

Испытания микроиндентации

Термин "микротвердость" широко используется в литературе для описания испытаний твердости материалов при низких приложенных нагрузках. Более точный термин – "испытание на микроиндентационную твердость". При испытании на микроиндентационную твердость алмазный индентор определенной геометрии вдавливается в поверхность образца с использованием известной приложенной силы (обычно называемой "нагрузкой" или "испытательной нагрузкой") от 1 до 1000 гф. Испытания на микроиндентацию обычно проводятся с силой 2 Н (примерно 200 гф) и создают отпечатки размером около 50 мкм. Благодаря своей специфичности, испытания на микротвердость могут использоваться для наблюдения изменений твердости в микроскопическом масштабе. К сожалению, стандартизировать измерения микротвердости сложно; установлено, что микротвердость практически любого материала выше его макротвердости. Кроме того, значения микротвердости зависят от нагрузки и эффектов упрочнения материала. Они выбрали пирамидальную форму с углом 136° между противоположными гранями, чтобы получить значения твердости, максимально приближенные к значениям твердости по Бринеллю для данного образца. Тест по Виккерсу имеет значительное преимущество – использование единой шкалы твердости для испытания всех материалов. Первое упоминание об инденторе Виккерса при низких нагрузках содержится в годовом отчете Национальной физической лаборатории за 1932 год. Липс и Сакк описали первый тестер Виккерса, работающий с низкими нагрузками, в 1936 году. В литературе существуют разногласия относительно диапазона нагрузок, применимого к испытаниям на микротвердость. Например, в спецификации ASTM E384 указано, что диапазон нагрузок для испытания на микротвердость составляет от 1 до 1000 гф. Для нагрузок 1 кгф и ниже твердость по Виккерсу (HV) рассчитывается по формуле, в которой нагрузка (L) выражается в граммах силы, а среднее значение двух диагоналей (d) – в миллиметрах:

При любой заданной нагрузке твердость быстро возрастает при малых длинах диагоналей, причем этот эффект становится более выраженным при уменьшении нагрузки. Таким образом, при низких нагрузках небольшие ошибки измерений приводят к значительным отклонениям в значениях твердости. Следовательно, при любом испытании следует использовать максимально возможную нагрузку. Также, в вертикальной части кривых небольшие ошибки измерений приведут к большим отклонениям в значениях твердости.

Источники ошибок

Основными источниками ошибок при испытаниях на вдавливание являются некачественная техника выполнения, плохая калибровка оборудования и эффект упрочнения при деформации. Однако экспериментально установлено, что этот эффект минимален при небольших вдавливаниях. Шероховатость поверхности детали и индентора не оказывают влияния на измерение твердости, если размер вдавливания значительно превышает шероховатость поверхности. Это полезно при измерении твердости реальных поверхностей. Также это полезно при создании неглубоких вдавливаний, поскольку индентор с мелко выраженной насечкой оставляет вдавливание, которое легче читается, чем от индентора с гладкой поверхностью. Известно, что вдавливание, остающееся после снятия нагрузки и индентора, подвержено "восстановлению", то есть незначительному пружинному возврату. Этот эффект правильно называется расслаблением. Для сферических инденторов вдавливание сохраняет симметричную сферическую форму, но с большим радиусом. Для очень твердых материалов радиус может быть в три раза больше радиуса индентора. Этот эффект объясняется снятием упругих напряжений. Из-за этого эффекта диаметр и глубина вдавливания содержат погрешности. Погрешность, связанная с изменением диаметра, обычно составляет всего несколько процентов, в то время как погрешность по глубине больше. Другим эффектом нагрузки на вдавливание является наплыв или проседание окружающего материала. Если металл упрочнен, он имеет тенденцию наплывать и образовывать "кратер". Если металл отпущен, он будет проседать вокруг вдавливания. Оба этих эффекта вносят вклад в погрешность измерения твердости.