4.2.4 Метод измерения твердости по Виккерсу

4.2.4.1 Принцип метода Виккерса

Метод Виккерса – это универсальный метод измерения твердости материалов, основанный на вдавливании алмазного индентора, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с углом между противоположными гранями 136°, в поверхность образца под действием заданной нагрузки. После вдавливания и выдержки на поверхности материала остается отпечаток в виде ромба. Твердость по Виккерсу вычисляется на основе измерений диагоналей этого отпечатка и приложенной нагрузки.

Основным преимуществом метода Виккерса является его универсальность. Он подходит для измерения твердости широкого спектра материалов: как мягких, так и очень твердых, как массивных образцов, так и тонких покрытий и мелких деталей. Метод является статическим, что означает, что нагрузка прикладывается плавно и выдерживается в течение определенного времени.

4.2.4.2 Индентор, нагрузки и шкала Виккерса

В методе Виккерса используется один вид индентора: алмазная пирамида с углом между противоположными гранями 136°, изготовленная из монокристаллического алмаза с высокой точностью и износостойкостью. Индентор имеет высокую твердость, что позволяет проводить измерения на широком диапазоне материалов.

Нагрузки: При измерении твердости по Виккерсу, в зависимости от типа и толщины материала, применяются различные нагрузки, обычно в диапазоне от 1 гс до 100 кгс (0.0098 Н - 980,7 Н). Выбор нагрузки зависит от ожидаемой твердости материала и должен обеспечить получение отпечатка достаточно большого размера для точных измерений, но не слишком большого, чтобы не вызвать деформацию материала вокруг отпечатка. Для более тонких покрытий и пленок используются малые нагрузки, для массивных образцов – более высокие.

Формула для расчета твердости по Виккерсу (HV):

где:

* HV — твердость по Виккерсу;

* P — приложенная нагрузка в кгс;

* d — среднее арифметическое значение диагоналей отпечатка в мм.

Шкала Виккерса: В методе Виккерса используется единая шкала твердости, обозначаемая как HV (твердость по Виккерсу). Значение твердости записывается с указанием приложенной нагрузки, например, 450 HV 10, где 450 - значение твердости, 10 - нагрузка в кгс. При этом при записи можно дополнительно указать время выдержки, если оно отличается от стандартного, например, 500 HV 50/15, где 15 - время выдержки в секундах.

4.2.4.3 Подготовка к измерениям, методика измерения твердости по Виккерсу и особенности

Процедура измерения твердости по Виккерсу включает следующие этапы:

1. Подготовка образца: Поверхность образца должна быть ровной, чистой и гладкой. Необходимо удалить с поверхности окислы, окалину, грязь, масло и другие загрязнения. Для этого могут использоваться шлифовка, полировка или обезжиривание.

2. Выбор нагрузки: Выберите подходящую нагрузку в зависимости от материала, его толщины, а также от требований к точности измерений.

3. Установка образца: установите образец на предметный столик твердомера. Обеспечьте надежную опору образца и точное его позиционирование под индентором.

4. Приложение нагрузки: плавно и без рывков приложите нагрузку. В этом положении индентор вдавливается в материал, оставляя ромбовидный отпечаток.

5. Время выдержки: выдержите образец под нагрузкой в течение определенного времени (обычно 10-15 секунд, если не указано иное в стандарте). Это время необходимо для того, чтобы произошла полная пластическая деформация материала.

6. Снятие нагрузки: По истечении времени выдержки, нагрузка снимается.

7. Измерение диагоналей отпечатка: после снятия нагрузки измерьте обе диагонали ромбовидного отпечатка с помощью микроскопа или окулярного микрометра. Измерения необходимо проводить с заданной точностью и вычислять среднее арифметическое значение диагоналей.

8. Расчет твердости: Рассчитайте твердость по Виккерсу (HV) по приведенной выше формуле.

9. Запись результата: Запишите полученное значение твердости, обязательно указав приложенную нагрузку и время выдержки (если отличается от стандартного), например: 380 HV 20, 700 HV 10/15

10. Повторение измерений: для повышения точности результатов измерения следует выполнить несколько раз в разных точках поверхности образца и определить среднее значение, а также дисперсию и СКО измерений.

11. Особенности: следует учитывать, что метод Виккерса, как и методы Бринелля и Роквелла, относится к статическим методам измерения твердости и может быть подвержен влиянию шероховатости поверхности, неоднородности материала и погрешности измерения диагоналей отпечатка. Правильность выбора нагрузки и точность измерения диагоналей являются важными факторами, влияющими на точность измерений.