Министерство образования Российской Федерации

Ивановский государственный университет

Кафедра экспериментальной и технической физики

Измерение микротвердости

Методические указания к лабораторному практикуму

по курсу «Механические свойства твердых тел» для студентов

физического факультета специализации 01.04.07

Иваново 2000

Печатается по решению методической комиссии

физического факультета Ивановского государственного университета

Составитель:

кандидат техн. наук В.В. Новиков

(Ивановский государственный университет),

Рецензент:

кандидат техн. наук С.А. Егоров

(Ивановская государственная текстильная академия)

1. Теоретические сведения

Метод определения микротвердости предназначен для оценки твердости очень малых (микроскопических) объемов материалов. Его применяют для измерения твердости мелких деталей, тонкой проволоки или ленты, тонких поверхностных слоев, покрытий и т. д. Важное назначение —оценка твердости отдельных фаз или структурных составляющих сплавов, а также разницы в твердо­сти отдельных участков этих составляющих.

Метод стандартизован (ГОСТ 9450—76).В качестве индентора при измерении микротвердости чаще всего используют алмазную пирамиду Виккерса — правильную четы­рехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136° (рис. 1).

П

Рис. 1. Схема определения твердостипо Виккерсу

ри разработке данной формы индентора Виккерс отталкивался от условий испытания по методу Бринелля. При вдавливании шарового индентора диаметромD по методу Бринелля диаметр оптечатка колеблется в пределах 0,250,5D, средний диаметр отпечатка составляет 0,375 D. Если при среднем диаметре отпечатка к окружности – образующей отпечатка в точках выхода его на поверхность провести касательные, то угол между ними составит именно 136. Таким образом, угол при вершине алмазной пирамиды обеспечивает подобие условий деформации материала под индентором в методах Виккерса и Бринелля. Это дает возможность сопоставлять результаты испытаний, выполненных различными методами.

По сравнению с методом Бринелля метод Виккерса имеет ряд преимуществ. Метод Виккерса позволяет измерять твердость как мягких, так и твердых материалов. Кроме того, величина твердости не зависит от приложенной нагрузки, что позволяет использовать метод Виккерса при малых нагрузках на индентор, т.е. при измерении микротвердости материалов.

При в вдавливании в поверхность алмазная пирамида образует в материале оптечаток пирамидальной формы. Проекция этого отпечатка — квадрат (рис.1). Число микротвердости по Виккерсу определяется отношением величины нагрузки Р к площади боковой поверхности отпечатка S:

. (1)

Площадь поверхности отпечатка может быть рассчитана по формуле

, (2)

где h – глубина отпечатка,а – длина стороны квадрата отпечатка.

Связь между стороной квадрата и глубиной оптечатка определяется из геометрических соотношений для правильной пирамиды

. (3)

При измерениях параметров оптечатка обычно определяют не длину стороны квадрата, а длину диагонали отпечатка d:

. (4)

С учетом выражений (1)…(4), число микротвердости рассчитывается по формуле:

. (5)

При измерениях микротвердости нагрузка на индентор составляет 0,05…5Н, диагональ отпечатка – 7…50 мкм. По ГОСТу число микротвердости записывается без указания единицы измерения с указанием нагрузки в кгс или граммах, например, 120HV₁₀₀ (120 – число твердости, 100 г – нагрузка). Если число твердости выражают в МПа, то для него указывают единицу измерения (например, НV₅₀ = 3200 МПа, 50 г – нагрузка).

Кроме четырехгранной пирамиды с квадратным отпечатком стандартом предусмотрено использование алмазных наконечни­ков другой формы: 1) четырехгранной пирамиды с ромбическим основанием (пирамида Кнупа, 1939) 2)трехгранной пирамиды с треугольным основа­нием и 3)биконического наконечника, состоящего из двух конусов, соединенных между собой основаниями (метод Гродзинского, 1949). Соответствующие числа твердости — Н_, Н_и Н_ – определяются какHV по отношению нагрузки к боковой поверхности отпечатка. Н_ измеряют при испытаниях объектов высокой твердости> 1000 HV. Микротвердости Н_и Н_ используют при оценке твердости очень тонких слоев. Так глубины отпечатков в методе Кнупа и в методе Гродзинского составляют соответственно¹/₃₀ и¹/₈₀часть от длины диагонали отпечатка.

Микротвердость массивных образцов измеряют на металлогра­фических шлифах, приготовленных специальным образом. Глу­бина вдавливания индентора при определении микротвердости составляет несколько микрометров и соизмерима с глуби­ной получаемого в результате механической шлифовки и поли­ровки наклепанного поверхностного слоя. Поэтому методика уда­ления этого слоя имеет важное значение.

Наклепанный слой удаляют обычно одним из трех методов: электрополировкой, отжигом готовых шлифов в вакууме или инер­тной атмосфере и глубоким химическим травлением. При исполь­зовании любого метода экспериментально устанавливают режим (время электрополировки или травления, плотность тока и кон­центрацию реактива, температуру и время отжига и т. д.), при котором полностью снимается наклеп в поверхностном слое об­разца. Для этого строят зависимость HVот параметра, изменяе­мого при подборе режима снятия наклепанного слоя. Момент выхода на горизонталь величины HVсоответствует оптимально­му режиму, который затем используется при подготовке анало­гичных образцов.

При измерении микротвердости расстояние между центрами соседних отпечатков должно быть не менее двух длин диагонали большего отпечатка. Таким же должно быть расстояние от центра отпечатка до края образца, длина диагонали отпечатка —не бо­лее полуторной толщины образца.

Фактически при использовании четырехгранной пирамиды с квадратным отпечатком метод микротвердости —это разновид­ность метода Виккерса и отличается от него только использова­нием меньших нагрузок и соответственно меньшим размером отпечатка. Поэтому физический смысл числа микротвердости аналогичен HV.Часто наблюдаемые отклонения от равенства чисел микротвердости и твердости по Виккерсу, особенно в областиP < 0,05–0,1 H,объясняются в основном большими погрешнос­тями измерения микротвердости. Источники этих погрешностей—вибрации, инструментальные ошибки в измерении длины ди­агонали отпечатка, неидентичность условий ручного нагружения, искажения структуры поверхностного слоя и др. По мере умень­шения нагрузки все погрешности возрастают. Поэтому не реко­мендуется работать с нагрузками, которые дают отпечатки с < 8–9мкм. Использование приставок для автоматического нагруже­ния, всемерное устранение вибраций, тщательная отработка ме­тодики приготовления шлифов позволяют свести ошибки в опре­делении числа микротвердости к минимуму.

Как уже отмечалось, главная ценность метода микротвердости —это возможность оценки твердости сверхтонких слоев и от­дельных фаз и структурных составляющих, что очень важно при решении многих материаловедческих задач, что нельзя сделать другими методами. В табл. 1 представлены данные о микротвердости основных структурных составляющих ряда сталей и чугунов.