Методы и средства измерения твердости

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Твёрдость, как характеристика свойств материала 4
2. Методы измерения твердости и измеряемые характеристики 5
3. Классификация методов индентирования для измерения твердости материалов 7
3.1 Общие понятия 7
3.2 Статическая твердость 7
3.3 Динамическая твердость 9
3.4 Микротвердость 10
3.5 Наноиндентирование 12
3.6 Сравнительный анализ методов индентирования и основные факторы, влияющие на результат измерения твердости 13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 16
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 17

1. Твёрдость, как характеристика свойств материала
Твердость является одной из основных характеристик материала. Она дает возможность применения его при различных эксплуатационных условиях работы и в конструкциях различного типа, то есть твердость определяет качество материала. Понятие «твердость» широко распространено и часто применяется в повседневной жизни. Без численного выражения твердости, либо ее определения различают как мягкие, так и твердые вещества и материалы. В технике наиболее часто это понятие определяют как сопротивление, оказываемое телом при внедрении в него другого, более твердого тела.
Испытание на твердость относится к наиболее часто используемым методам механических испытаний материалов. Этому способствуют нижеперечисленные преимущества:
1. Существует количественная зависимость между механическими свойствами материала и между его твердостью, которая определяется способом вдавливания.
2.
...

2. Методы измерения твердости и измеряемые характеристики
Твердость можно понимать следующим образом – это определенное свойство материала, которое позволяет сопротивляться внедрению в данный материал более упругого и твердого индентора. Индентирование является одним из способов механических испытаний. В процессе увеличения нагрузки на наконечник материал проявляет те же свойства, что и при любом другом виде механических испытаний и проходит три стадии: упругую деформацию, пластическую деформацию и разрушение.
...

3.1 Общие понятия
Методы индентирования, как правило, по масштабному фактору делят на несколько видов: макроиндентирование, микроиндентирование, а также наноиндентирование. В международном стандарте ISO 14577 («Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 2. Проверка и калибровка твердомеров») определены следующие масштабные диапазоны измерений твердости:
• нанодиапазон – усилие от 0,1 до 1960 мH, глубина индентирования h – не более двадцати нанометров;
• микродиапазон – усилие менее 2 Н, h – более двадцати нанометров;
• макродиапазон – усилие от 2 до 30 кН, h – более двадцати нанометров.
Выделяют еще пикоиндентирование в случае, если глубина отпечатка не превышает несколько нанометров, а разрешение – не более одного нанометра.
При определении микротвердости используют нагрузки в диапазоне 0,049–4,9 ньютона, при макротвердости – более 49 ньютонов.
...

3.2 Статическая твердость
Среди методов определения статической твердости материалов следует выделить методы Бринелля, Виккерса и Роквелла.
При измерении твердости по Бринеллю в качестве индентора используется стальной шарик диаметром D, который равен 10; 5 или 2,5 миллиметра. Нагрузка при испытании может изменяться от двух с половиной до тридцати тысяч ньютонов в зависимости от вида материала. Отпечаток после сферического индентирования представляет собой лунку диаметром d (Рисунок 3.1, а).2
Измерение твердости по методу Бринелля не применяется для материалов, имеющих высокую твердость, так как стальной шарик, действующий на испытуемый материал, может деформироваться.

Рисунок 3.1 - Схема определения твердости
а – по Бринеллю (сферический индентор); б – по Роквеллу (конический индентор); в– по Виккерсу (индентор в виде пирамиды)

Метод Роквелла наименее трудоемок и наиболее универсален (Рисунок 3.1, б).
...

3.3 Динамическая твердость
При измерении твердости материала динамическими методами, твердость определяется при ударе, где оценивается кинетическая энергия индентора, а точнее расход этой энергии. К динамическим методам можно также условно отнести метод царапания. Измерение твердости методом склерометрии заключается в анализе профиля царапин, нанесенных на поверхность материала.
Основные методы измерения динамической твердости приведены в Таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Методы определения динамической твердости материалов

Метод предполагает непрерывную регистрацию параметров процесса индентирования, с помощью которого возможно довольно точно оценивать модуль упругости, прочностные и пластические свойства материалов, прочность сцепления покрытия с основой, степень пористости.
...

3.4 Микротвердость
Такой метод применяется для нахождения твердости материала, имеющего небольшое покрытие, либо просто небольшого образца.
При внедрении индентора возникают деформации, а иногда и микротрещины, которые образуют новые поверхности. В связи с этим микротвердость можно представить как сумму процессов, происходящих при ее измерении.
При малых нагрузках требуется много энергии на образование новой поверхности и твердость в этом случае выше, чем при большой нагрузке.
Использование измерения микротвердости материала следующее:
• для исследования структурных составляющих материала;
• использование по локальным объемам материала оценки микронеоднородности пластической деформации;
• использование по толщине поверхностного слоя анализа градиента микротвердости;
• для оценки анизотропии прочностных свойств монокристалла;
• для оценки разброса значений микротвердости в материале.
...

3.5 Наноиндентирование
Среди методов измерения твердости в нанометровом масштабе можно отметить: метод склерометрии и методы вдавливания индентора в материал (наноиндентирование).
Наиболее популярным методом измерения твердости в нанометровом масштабе является метод динамического наноиндентирования. Но при данном методе при небольших глубинах внедрения индентора и при небольших нагрузках измерение твердости может быть не точным и не корректным. Это объясняется тем, что появляются пластические навалы по периметру отпечатка в процессе измерения. Подложка оказывает влияние на механические характеристики пленок и даже при небольших глубинах проникновения испытывает упруго-пластические деформации.
При наноиндентировании используются инденторы различной формы, некоторые из которых представлены на Рисунке 3.2.4

Рисунок 3.
...

3.6 Сравнительный анализ методов индентирования и основные факторы, влияющие на результат измерения твердости
Для определения твердости строят кривую индентирования (фактически кривую нагружения) в координатах «глубина внедрения индентора–сила сопротивления внедрению индентора» (Рисунок 3.3). Кривая имеет следующие участки:
• ветвь нагружения 1, характеризующая сопротивление материала внедрению индентора;
• горизонтальный участок 2, соответствующий выдержке образца при максимальной нагрузке;
• участок разгружения 3;
• участок выдержки 4 при снятии 90% максимальной нагрузки;
• участок разгружения 5 до нулевого значения (полного снятия нагрузки).
Наличие этих участков соответствует рекомендациям стандартов измерения твердости по последовательности нагружения образца.5

Рисунок 3.
...

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проделанной работы выполнены все задачи для достижения поставленной цели: рассмотрено твердость, как характеристика свойств материала, методы измерения твердости и измеряемые характеристики, классификация методов индентирования для измерения твердости материалов, а также сравнительный анализ методов индентирования и основные факторы, влияющие на результат измерения твердости и другие моменты.
Из вышеизложенного материала необходимо сделать несколько выводов: во-первых, понятие «твердость» широко распространено и часто применяется в повседневной жизни. Различают твердые и мягкие вещества без определения или численного выражения твердости. В технике наиболее часто это понятие определяют как сопротивление, оказываемое телом при внедрении в него другого, более твердого тела.
...