تست سختی ویکرز

تست سختی

سختی سنج ویکرز

تست سختی ویکرز در سال 1921 توسط Robert L. Smith و George E. Sandland در Vickers Ltd به عنوان جایگزینی برای روش برینل برای اندازه گیری سختی مواد ایجاد شد . ^[1] استفاده از تست ویکرز نسبت به سایر تست‌های سختی آسان‌تر است، زیرا محاسبات مورد نیاز مستقل از اندازه دندانه‌دار هستند و می‌توان از فرورفتگی برای همه مواد صرف نظر از سختی استفاده کرد. اصل اساسی، مانند تمام معیارهای رایج سختی، مشاهده توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک از یک منبع استاندارد است. تست ویکرز برای تمام فلزات قابل استفاده است و یکی از وسیع ترین مقیاس ها را در بین تست های سختی دارد. واحد سختی داده شده توسط آزمایش به عنوان عدد هرم ویکرز ( HV ) یا سختی هرم الماس ( DPH ) شناخته می شود. عدد سختی را می توان به واحد پاسکال تبدیل کرد ، اما نباید آن را با فشار که از واحدهای مشابه استفاده می کند اشتباه گرفت. عدد سختی توسط بار روی سطح فرورفتگی تعیین می شود و نه ناحیه نرمال نسبت به نیرو، و بنابراین فشار نیست.

پیاده سازی

طرح تست ویکرز

فرورفتگی الماس هرمی شکل سختی سنج ویکرز

یک فرورفتگی در فولاد سخت شده پس از تست سختی ویکرز باقی مانده است. تفاوت در طول هر دو مورب و گرادیان روشنایی، هر دو نشانه کلاسیک یک نمونه خارج از سطح هستند. این تورفتگی خوبی نیست.

این تورفتگی خوبی است.

تصمیم گرفته شد که شکل فرورفتگی بدون در نظر گرفتن اندازه، قادر به ایجاد تأثیرات هندسی مشابه باشد. برداشت باید دارای نقاط اندازه گیری کاملاً مشخص باشد. و فرورفتگی باید مقاومت بالایی در برابر تغییر شکل خود داشته باشد. الماسی به شکل هرم مربعی این شرایط را برآورده می کرد . مشخص شده بود که اندازه ایده آل قالب برینل 3/8 قطر توپ است . از آنجایی که دو مماس بر دایره در انتهای یک وتر به طول 3 d / 8 در 136 درجه تلاقی می کنند، تصمیم گرفته شد که از این به عنوان زاویه شامل بین وجه های صفحه نوک فرورفتگی استفاده شود. این یک زاویه از هر وجه عادی به سطح افقی نرمال 22 درجه در هر طرف می دهد. زاویه به طور تجربی تغییر کرد و مشخص شد که مقدار سختی به‌دست‌آمده بر روی یک قطعه همگن از مواد، بدون توجه به بار، ثابت باقی می‌ماند. ^[2] بر این اساس، بسته به سختی ماده ای که باید اندازه گیری شود، بارهایی با مقادیر مختلف بر روی یک سطح صاف اعمال می شود. سپس عدد HV با نسبت F / A تعیین می شود ، که در آن F نیروی اعمال شده به الماس بر حسب کیلوگرم نیرو و A مساحت سطح فرورفتگی حاصل بر حسب میلی متر مربع است. ^{[ نیازمند منبع ]}

${\displaystyle A={\frac {d^{2}}{2\sin(136^{\circ }/2)}},}$

که می توان با ارزیابی عبارت سینوسی به دست آورد،

${\displaystyle A\approx {\frac {d^{2}}{1.8544}},}$

که در آن d میانگین طول قطر باقیمانده توسط دندانه دار بر حسب میلی متر است. از این رو، ^[3]

${\displaystyle \mathrm {HV} ={\frac {F}{A}}\approx {\frac {1.8544F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {kgf/mm}}^{2}]}$،

که در آن F بر حسب kgf و d بر حسب میلی متر است.

واحد متناظر HV سپس کیلوگرم نیروی بر میلی متر مربع (kgf/mm ² ) یا عدد HV است. در معادله بالا، F می تواند N و d بر حسب میلی متر باشد که HV را در واحد SI MPa می دهد. برای محاسبه عدد سختی ویکرز (VHN) با استفاده از واحدهای SI، باید نیروی اعمال شده از نیوتن به کیلوگرم نیرو با تقسیم بر 9.806 65 ( گرانش استاندارد ) تبدیل شود. این منجر به معادله زیر می شود: ^[4]

${\displaystyle \mathrm {HV} \approx {0.1891}{\frac {F}{d^{2}}}\quad [{\textrm {N/mm}}^{2}],}$

که در آن F بر حسب N و d بر حسب میلی متر است. یک خطای رایج این است که فرمول بالا برای محاسبه عدد HV به عددی با واحد نیوتن بر میلی‌متر مربع (N/mm ² ) منجر نمی‌شود ، بلکه مستقیماً به عدد سختی ویکرز (معمولاً بدون واحد داده می‌شود) منجر می‌شود. در واقع یک کیلوگرم نیرو بر میلی متر مربع (1 کیلوگرم بر میلی متر ^مربع ).

اعداد سختی ویکرز به صورت xxxHVyy ، به عنوان مثال 440HV30 ، یا xxxHVyy/zz گزارش می شود اگر مدت زمان نیرو از 10 ثانیه تا 15 ثانیه متفاوت باشد، به عنوان مثال 440HV30/20، که در آن:

• 440 عدد سختی است،
• HV مقیاس سختی (Vickers) را نامگذاری می کند.
• 30 نشان دهنده بار مصرف شده بر حسب kgf است.
• 20 زمان بارگذاری را نشان می دهد اگر از 10 تا 15 ثانیه متفاوت باشد

موارد احتیاط

هنگام انجام تست های سختی، حداقل فاصله بین فرورفتگی ها و فاصله از فرورفتگی تا لبه نمونه باید در نظر گرفته شود تا از تعامل بین نواحی سخت کاری شده و اثرات لبه جلوگیری شود. این حداقل فاصله ها برای استانداردهای ISO 6507-1 و ASTM E384 متفاوت است.

مقادیر ویکرز عموماً مستقل از نیروی آزمایشی هستند: تا زمانی که نیرو حداقل 200 گرم‌افرام باشد، برای 500 gf و 50 kgf یکسان هستند. ^[6] با این حال، فرورفتگی‌های بار پایین‌تر اغلب وابستگی سختی را به عمق فرورفتگی نشان می‌دهند که به عنوان اثر اندازه فرورفتگی (ISE) شناخته می‌شود. ^[7] اندازه های تورفتگی کوچک نیز دارای مقادیر سختی وابسته به ریزساختار خواهند بود.

برای نمونه های نازک، عمق فرورفتگی می تواند به دلیل اثرات زیرلایه مشکل باشد. به عنوان یک قاعده کلی، ضخامت نمونه باید بیشتر از 2.5 برابر قطر فرورفتگی نگه داشته شود. به طور متناوب عمق تورفتگی، را می توان بر اساس موارد زیر محاسبه کرد: ${\displaystyle t}$

${\displaystyle t={\frac {d_{\rm {avg}}}{2{\sqrt {2}}\tan {\frac {\theta }{2}}}}\approx {\frac {d_{\rm {avg}}}{7.0006}},}$

تبدیل به واحدهای SI

برای تبدیل عدد سختی ویکرز به واحدهای SI، عدد سختی بر حسب کیلوگرم نیروی بر میلی‌متر مربع (کیلوگرم بر میلی‌متر ^مربع ) باید با گرانش استاندارد ضرب شود تا سختی بر حسب MPa (N/mm ² ) بدست آید و به‌علاوه تقسیم شود. تا 1000 سختی را بر حسب GPa بدست آورید. ${\displaystyle g_{0}}$

${\displaystyle {\text{surface area hardness (GPa)}}={\frac {g_{0}}{1000}}HV={\frac {9.80665}{1000}}HV}$

سختی ویکرز را نیز می‌توان به سختی SI بر اساس ناحیه پیش‌بینی شده فرورفتگی به جای مساحت سطح تبدیل کرد. منطقه پیش بینی شده ، برای هندسه فرورفتگی ویکرز به صورت زیر تعریف می شود: ^[8] ${\displaystyle A_{\rm {p}}}$

${\displaystyle A_{\rm {p}}={\frac {d_{\rm {avg}}^{2}}{2}}={\frac {1.854}{2}}{A_{s}}}$

این سختی گاهی اوقات به عنوان سطح تماس متوسط ​​یا سختی مایر نامیده می شود و در حالت ایده آل می توان مستقیماً با سایر تست های سختی نیز که با استفاده از ناحیه پیش بینی شده تعریف شده اند مقایسه کرد. با توجه به فاکتورهای مقیاس اندازه مختلف که می تواند بر سختی اندازه گیری شده تأثیر بگذارد، هنگام مقایسه سایر آزمون های سختی باید دقت شود.

${\displaystyle {\text{projected area hardness (GPa)}}={\frac {g_{0}}{1000}}{\frac {2}{1.854}}HV\approx {\frac {HV}{94.5}}}$

تخمین مقاومت کششی

اگر HV ابتدا بر حسب N/mm ² (MPa) یا در غیر این صورت با تبدیل از kgf/mm ² بیان شود ، در آن صورت استحکام کششی (بر حسب MPa) ماده را می توان به صورت σu ≈ HV/ c تقریب زد ، که در آن c یک است _. ثابت تعیین شده توسط استحکام تسلیم، نسبت پواسون، توان سخت شدن کار و عوامل هندسی - معمولاً بین 2 تا ⁴ متغیر است ^. در MPa) ≈ HV/3. این قانون تجربی به طور متغیر به رفتار سخت شدن کار مواد بستگی دارد. ^[10]

برنامه

پین‌ها و آستین‌های اتصال باله در هواپیمای Convair 580 توسط سازنده هواپیما مشخص شده است تا با مشخصات سختی Vickers 390HV5، یعنی '5' به معنای پنج کیلوپاند ، سخت شود . با این حال، در هواپیمای پارتنر پرواز 394 بعداً مشخص شد که پین‌ها با قطعات غیر استاندارد جایگزین شده‌اند که منجر به فرسودگی سریع و در نهایت از دست دادن هواپیما شد. در معاینه، محققان تصادف دریافتند که پین‌های زیر استاندارد دارای مقدار سختی تنها حدود 200-230HV5 هستند. ^[11]

همچنین ببینید

• سختی تورفتگی
• تست سختی ریباند لیب
• مقایسه سختی
• تست سختی Knoop
• تست سختی مایر
• مقیاس موهس
• مقیاس راکول
• تست چقرمگی سرامیک ویکرز
• مواد فوق سخت

مراجع

1. RL Smith & GE Sandland، "روش دقیق تعیین سختی فلزات، با ارجاع خاص به فلزات با درجه سختی بالا"، مجموعه مقالات موسسه مهندسی مکانیک ، جلد. I, 1922, p 623-641.
2. دستگاه تست سختی ویکرز. UKcalibrations.co.uk. بازبینی شده در 2016-06-03.
3. ASTM E384-10e2
4. ISO 6507-1:2005(E)
5. کتاب مرجع فلزات اسمیتلز، ویرایش هشتم، فصل. 22
6. ویکرز تست بایگانی شده در 21 اکتبر 2014 در Wayback Machine . وب سایت اینسترون
7. نیکس، ویلیام دی. گائو، هواجیان (1 مارس 1998). "اثرات اندازه تورفتگی در مواد کریستالی: قانونی برای انعطاف پذیری گرادیان کرنش". مجله مکانیک و فیزیک جامدات . 46 (3): 411-425. Bibcode :1998JMPSo..46..411N. doi : 10.1016/S0022-5096(97)00086-0 . ISSN  0022-5096.
8. فیشر-کریپس، آنتونی سی (2007). مقدمه ای بر مکانیک تماس (ویرایش دوم). نیویورک: اسپرینگر. ص 212-213. شابک 9780387681887. OCLC  187014877.
9. «سختی». Matter.org.uk​
10. ژانگ، پی (سپتامبر ۲۰۱۱). "رابطه کلی بین استحکام و سختی". علوم و مهندسی مواد الف . 529 : 62. doi :10.1016/j.msea.2011.08.061.
11. گزارش سانحه هواپیمای Convair 340/580 LN-PAA در شمال هیرتشالز، دانمارک در 8 سپتامبر 1989 | ایبن ایبن.خیر. بازبینی شده در 2016-06-03.

در ادامه مطلب

• مایرز و چاولا (1999). "بخش 3.8". رفتار مکانیکی مواد . پرنتیس هال، شرکت
• ASTM E92: روش استاندارد برای سختی ویکرز مواد فلزی (با حذف و جایگزینی با E384-10e2)
• ASTM E384: روش تست استاندارد برای سختی مواد Knoop و Vickers
• ISO 6507-1: مواد فلزی – تست سختی ویکرز – قسمت 1: روش آزمایش
• ISO 6507-2: مواد فلزی - تست سختی ویکرز - قسمت 2: تأیید و کالیبراسیون ماشین‌های آزمایش
• ISO 6507-3: مواد فلزی – تست سختی ویکرز – قسمت 3: کالیبراسیون بلوک های مرجع
• ISO 6507-4: مواد فلزی – تست سختی ویکرز – قسمت 4: جداول مقادیر سختی
• ISO 18265: مواد فلزی - تبدیل مقادیر سختی

لینک های خارجی

• ویدئویی در مورد تست سختی ویکرز
• تست سختی ویکرز
• جدول تبدیل - مقیاس های ویکرز، برینل و راکول