Измерение твердости по Виккерсу

Измерение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) заключается во вдавливании в испытываемый образец индентора в виде четырехгранной алмазной пирамиды с углом =136° при вершине между противоположными гранями под действием нагрузки Р в течение определенного времени (обычно 10-15 с для черных и 30 с для цветных металлов), получении четырехгранного отпечатка и определении значения твердости HV, как отношения приложенной нагрузки Р, Н к площади полученно­го отпечатка F, мм² (рис.7):

где d - диагональ отпечатка, мм.

Для измерения твердости по Виккерсу применяют специальные приборы - прессы электромеханического и гидравлического действия. Например, пресс электромеханического действия марки ТП-2 (Т - твердомер, П - индентор в виде пирамиды) (рис.8) состоит из нагружающего механизма, расположенного в станине 1, сменных грузов 2, индентора 3 в виде четырехгранной алмазной пирамиды с оградительным чехлом и измерительного микроскопа 4 в поворотной головке 5, столика 6, маховика 7, педали 8 нагружающего механизма, рукоятки взвода, нагружающего механизма 9. При измерении твердости по Виккерсу обычно применяют нагрузки 98,1; 196,2;.294,3; 490,5 и 981 Н, а также 9,8; 19,6; 29,4; 49,0 Н. Для черных металлов рекомендуется использовать нагрузки от 49,0 до 981 Н, для сплавов на основе меди - от 19,6 до 490,5 Н. Возможность применения малых нагрузок позволяет определять твердость деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев (например, цементованных, цианированных, азотированных и др.). При этом величину нагрузки выбирает такой, чтобы полученная глубина отпечатка не выходила за пределы толщины поверхностного слоя (последняя должна быть, по крайней мере, в 1,5 раза больше диагонали отпечатка), а сам отпечаток был достаточно четким. Для характеристики условий измерения твердости приводят значение нагрузки, длительность нагружения. Например, обозначение HV98,1/40-2300 означает, что значение твердости 2300 МПа получено при измерении под нагрузкой 98,1Н в течение 40 с. При использовании наиболее предпочтительной нагрузки 294,3 Н и длительности нагружения 10-15 с условия измерения твердости не указываются (например, HV 5000).

Рис.7. Схема измерения твердости по Виккерсу

Рис.8. Общий вид прибора для измерения твердости по Виккерсу марки ТП-2

Перед измерением твердости поверхность образца должна быть подготовлена - отшлифована и даже отполирована. В этом случае в большей степени реализуется преимущество метода Виккерса - возможность получения высокой точности даже при малой глубине вдавливания пирамиды, поскольку в связи с тем, что диагональ отпечатка в 7 раз больше глубины вдавливания, контур отпечатка получается достаточно четким. Ввиду более высокой точности измерений метод Виккерса находит применение в исследовательской практике. Так же, как и при использовании метода Роквелла, необходим контроль прибора перед измерением с помощью эталонных плиток.

При измерении твердости испытываемый образец помещают на столик 6 подготовленной поверхностью к поворотной головке 5 (см.рис.8). Затем с помощью рычага головки поворачивают ее в крайнее левое положение, с помощью рукоятки 9 взводят нагружающий механизм прибора и вращением маховика 7 вручную по часовой стрелке поднимают столик 6 и прижимают испытываемый образен к оградительному чехлу индентора. После этого нажатием педали 8 приводят в действие нагружающий механизм (о чем свидетельствует загорание контрольной лампочки 10), вдавливающий индентор 3 под действием нагрузки Р в испытываемую поверхность, и выдерживают до момента потухания сигнальной лампочки 10. Выполнив эти операции, вращением маховика 7 вручную против часовой стрелки опускают столик с образцом, рычагом головки поворачивают ее в крайнее правое положение и снова с помощью маховика 7 поднимают столик с образцом настолько, чтобы при наблюдении в окуляр измерительного микроскопа 4 был четко виден полученный отпечаток.

Диагональ отпечатка измеряют с помощью измерительного микроскопа 4 в двух взаимно перпендикулярных направлениях, определяя её как среднее арифметическое из двух измерений. Для измерения диагонали отпечатка в окуляре микроскопа имеются три штриха: два основных и один дополнительный, которые должны быть раздвинуты на расстояние, большее диагонали отпечатка (рис.9,а). Вращением большого левого винта измерительного микроскопа подводят левый штрих к левому углу отпечатка, а вращением правого подводят средний штрих - к правому углу отпечатка. Результат, полученный на шкале окуляра и на микрометрическом винте, соответствует величине его диагонали. При использовании объектива с увеличением х10 одно деление шкалы соответствует 100 мкм, а одно деление на лимбе микрометрического винта -1 мкм; ipn использовании объектива с увеличением х3,7, устанавливаемого со специальной втулкой, соответственно - 250 мкм и 2,5 мкм, После первого измерения диагонали отпечатка образец поворачивают на 90° и аналогичным образом измеряют вторую диагональ.

Рис.9. Схема измерения диагонали отпечатка с использованием измерительного микроскопа: а, б, в - различные этапы измерения

Затем вычисляют среднее арифметическое значение диагонали отпечатка, по которому с помощью таблиц определяют значение твердости HV (табл.3). Имеющийся на окуляре микроскопа дополнительный

правый штрих применяют при массовых, серийных измерениях твердости. Для достоверного определения твердости необходимо выполнить массив измерений на нескольких образцах и статистически их обработать. При этом расстояние между центром первого отпечатка и краем второго, смежного с ним (или краем образца) должно быть не менее 2,5 диагоналей отпечатка.

Таблица 3

Значения твердости по Виккерсу HV в зависимости от диагонали отпечатка d при нагрузке Р = 98,1 Н

Примечание. Для определения значения твердости HV при любой другой величине нагрузки приведенное в таблице значение твердости HV необходимо умножить на коэффициент Р/98,1. Например, при Р=196,2 H диагональ отпечатка 0,3 мм дает значение твердости HV 4120.