Materiaalin kovuus määritellään mekaaniseksi kestävyydeksi , jonka materiaali vastustaa tunkeutumista.
Materiaalin kovuuden mittaamiseksi testattavan materiaalin pintaan ajetaan alhaisen muodonmuutettavuuden sisennys (timanttikartio tai pallo, kobolttiin sitoutunut volframikarbidi tai erikoiskova teräs) tietyn ajan tietyllä voimalla. Mitä pienempi jalanjälki jäljellä, sitä kovempi materiaali. Kovuus mitataan eri asteikoilla riippuen materiaalin tyypistä.
Kovuuskokeet ovat monenlaisia mahdollisia, yleisimpiä ja tunnetuimpia ovat tunkeutumistestit tai rebound-testit metallien , muovien ja elastomeerien kovuuden luonnehtimiseksi , mutta naarmuuntumistesti voi joissakin tapauksissa tarjota mielenkiintoisia mahdollisuuksia mineraalien kovuuden karakterisointiin . Näiden testien etuna on yksinkertaisempi suorittaa, nopea ja yleensä rikkomaton. Lisäksi niiden avulla voidaan arvioida ja arvioida tietyissä toimenpiteissä materiaalien mekaanista kestävyyttä, niiden jäykkyyttä, hauraiden kappaleiden kestävyyttä jne. .
Kovuusmittausta reboundilla käytetään pääasiassa elastomeerien kanssa . Se koostuu mitatusta pienestä massasta, joka putoaa tunnetulta korkeudelta testattavan materiaalin pinnalle. Massa on valmistettu teräksestä, jonka pääty on pyöristetty timantti. Se putoaa liukumalla sileään putkeen ja sen palautumisen korkeus mitataan lennossa.
Testiä ei ole hyväksytty, ja materiaalit absorboivat elastisen venymäenergian . Tämän ymmärtämiseksi täysin on välttämätöntä tarkkailla elastomeerin vetokäyriä, joiden lataus- ja purkaussykli on elastisella alueella. Siksi on huomattava, että elastomeerien tapauksessa elastinen varaus ja purkaus eivät kulje samaa polkua kuin kiteisen materiaalin tapauksessa.
"Jännitys - jännitys" -tasossa käyrän alla olevalla pinnalla on energian ulottuvuus. Elastisen vetokäyrän alla oleva pinta-ala vastaa siis materiaalin absorboimaa elastista energiaa. Purkauskäyrän alla oleva alue vastaa materiaalin vapauttamaa energiaa. "Kumimainen" materiaali ei siten palauta kaikkea absorboitua energiaa, minkä lisäksi sitä käytetään niin usein tärinän vaimentamiseen .
Mitä kovempi elastomeeri, sitä enemmän se käyttäytyy kuin tavallinen kiteinen materiaali. Pehmeämpi elastomeeri, sitä enemmän elastista energiaa se absorboi. Siksi huomaamme tässä sanojen "kova" ja "pehmeä" merkityksen eron polymeerien ja kiteisten välillä.
Tästä testistä on myös muunnos metalliseoksille . Käyttötapa pysyy samana, mutta tulkinta on erilainen. Tässä tapauksessa on kyse materiaalin absorboiman plastisen muodonmuutosenergian mittaamisesta . Jos isku on täysin joustava (ei plastista muodonmuutosta, erittäin kova osa testattavissa), piste teoriassa pomppii vapautuskorkeuteensa (laiminlyö kitka); voimme suhteuttaa korkeusero h on kineettisen energian Δ E c imeytyy törmäyksen aikana:
missä m on vapautunut massa ja g on painovoiman kiihtyvyys . Erittäin pehmeän esineen tapauksessa kärki uppoaa sisään eikä pomppu. Laitteet kalibroidaan normaalisti kovuuden ollessa 100 kovetetulle 0,9% hiiliteräkselle ja noin 35 kovuudelle.
Kovuuden mittaus tunkeutumisen kautta on yleisintä. Periaate on aina sama: muotoilematon sisennys jättää jäljen testattavaan materiaaliin. Painatuksen mitat mitataan ja niistä johdetaan kovuus.
Ensimmäisessä lähestymistavassa voimme yhdistää melko yksinkertaisen tavan joustorajan R e jäljen pintaan: mitä enemmän tunkeutuva esine uppoaa, sitä enemmän pinta S kasvaa, joten voima F on vakio, sitä enemmän jännitys vähenee. Kun jännitys ei enää riitä muokkaamaan testattavaa kiinteää ainetta plastisesti, tunkeutuva esine pysähtyy, minkä vuoksi:
Alla esitettyjen eri protokollien ja testilaitteiden ansiosta saadut kovuusarvot ovat tämä joustavuusraja R e, mutta tulokset eivät ole samat, koska näissä yksinkertaistetuissa laskelmissa otetaan huomioon jäljen projektion pinta (kuten levy tai neliö ) sen sijaan, että otettaisiin huomioon vaikutelman todellinen alue (kuten pallomaisen korkin alue tai pyramidimäisen vaikutelman puolet). Toistettavien mittausten varmistamiseksi testattavan materiaalin massan on oltava paljon suurempi kuin syvennyksen paino.
Brinell-testi ja Vickers-testi samasta näytteestä eivät anna samaa tuloksen arvoa, mutta laskemalla laskemalla voiman arvo todelliseen vaikutelman pintaan (vastaavasti pallomainen korkki tai pyramidi) putoamme sisään molemmissa tapauksissa sama arvo, joka on kiinteän materiaalin "paineen" arvo.
Mahdollisia kovuuskokeita on laaja:
Vickers-kovuusmittaus tehdään standardoidulla pyramidin muotoisella timanttipisteellä, jossa on neliön muotoinen alaosa ja yläosassa oleva kulma pintojen välillä on 136 °. Siksi leima on neliön muotoinen ; kaksi lävistäjien d 1 ja d 2 tämän neliön mitataan käyttämällä optisen laitteen. Arvo d saadaan ottamalla d 1: n ja d 2: n keskiarvo . Se on d , joka käytetään kovuuden laskennassa. Myös tuen vahvuus ja kesto normalisoituvat. Vickers-kovuus saadaan seuraavasta suhteesta:
HV = Vickers-kovuus |
Kovuuden aste, havaittu Hv, luetaan sitten abakusta (taulukko); tuen voimalla on abakus.
StandarditStandardit Euroopan ( EN ) ja kansainväliset ( ISO ):
Sisäkappale on karkaistua terästä tai volframikarbidipalloa, jonka halkaisija on D (mm), ontelo on pallomainen korkki, jonka halkaisija on d . Käytetty voima F valitaan standardoidusta alueesta, joka soveltuu D: lle ja testattavalle materiaalille. Brinell-kovuus (huomattu H B ) saadaan seuraavasta suhteesta:
HB = Brinell-kovuus g = maan kiihtyvyys (9.80665) |
Pinnan on oltava tasainen ja puhdistettu (ilman voiteluaineita, oksidia tai kalkkia). Paksuuden on oltava riittävä, jotta pallon tunkeutuminen ei vääristä materiaalia. Muuten mittaus ei olisi luotettavaa. Vähintään kahdeksan kertaa paksuuden h paksuus vaaditaan.
KäyttötapaAseta sisennys kosketukseen materiaalin pinnan kanssa. Käytä voimaa. Ylläpidä tätä latausta 10-15 sekunnin ajan. Mittaa syvennyksestä kaksi halkaisijaa 90 ° kulmassa toisiinsa nähden. Mittaus tehdään suurennuslaitteella ja asteikkoviivalla suurennuskerroin huomioon ottaen.
StandarditEurooppalaiset (EN) ja kansainväliset (ISO) standardit:
Amerikkalainen standardi ( ASTM ):
Mayerin kovuus määritetään samalla Brinell-kovuustestillä. Sisäkohta on identtinen Brinell-kovuuden kanssa, mutta sen arvo lasketaan käytetystä voimasta ja sisennyksen ennustetusta pinta-alasta seuraavan kaavan mukaisesti:
kanssa
Rockwell-kovuuskoe PeriaateRockwell-kovuustestit ovat tunkeutumistestejä. Itse asiassa on olemassa useita erilaisia sisennyksiä, jotka koostuvat timanttikartiosta tai kiillotetusta karkaistusta teräksestä . Rockwell-kovuusarvon saamiseksi mitataan sisäkeskuksen jäännösläpäisykyky, johon kohdistetaan pieni kuorma. Rockwell-testi on nopea ja helppo. Se soveltuu pienempiin osiin ja koviin kovuuksiin.
Testi tapahtuu kolmessa vaiheessa:
Arvo r on jäljellä masennus saadaan soveltamalla vapauttamalla sitten voima F 1 .
Kovuusarvo saadaan sitten seuraavalla kaavalla:
Rockwell-kovuuden yksikkö, joka vastaa tunkeutumista 0,002 mm.
TikkaatTikapuut | Symboli | Penetrator | Kokonaisvoiman arvo F 0 + F 1 (N) |
Sovellus |
---|---|---|---|---|
AT | HRA | Pyöreän muotoinen timanttikartio, pyöristetty pallomainen kärki 0,2 mm | 588,6 | Kovametalli, teräs ja ohut |
B | HRB | Halkaisijaltaan 1,588 mm (1/16 tuumaa ) teräspallo | 981 |
Metalliseos on kuparia , terästä pehmeä metalliseos alumiini materiaali, jonka vetolujuus on välillä 340 ja 1000 MPa |
VS | HRC | Pyöreän muotoinen timanttikartio, pyöristetty pallomainen kärki 0,2 mm | 1471,5 | Terästä, valurautaa , titaania Materiaali, jonka murtolujuus on yli 1000 MPa |
D. | HRD | Pyöreän muotoinen timanttikartio, pyöristetty pallomainen kärki 0,2 mm | 981 | |
E | HRE | Halkaisijaltaan 3,175 mm: n teräspallo | 981 | Valurauta, alumiiniseos ja valurauta |
F | HRF | Halkaisijaltaan 1,588 mm teräspallo | 588,6 | Hehkutettu kupariseos, ohut metallilevy. |
G | HRG | Halkaisijaltaan 1,588 mm teräspallo | 1471,5 | Kupari-nikkeli, kupari-nikkeli-sinkkiseos |
Kaksi eniten käytettyä asteikkoa ovat B- ja C-asteikko .
Pinta Rockwellin kovuusNäitä vaakoja käytetään erittäin ohuisiin tuotteisiin ja pinnoitteiden kovuuden mittaamiseen.
Kaksi käytettyä asteikkoa ovat N (timanttikartio) ja T (teräspallo) asteikko. Molemmissa tapauksissa alkuperäinen kuormitus ( F 0 ) on 29,4 N . Kukin asteikko voidaan käyttää käyttämällä kokonaiskuormitus 147 N , 294 N tai 441 N . Huomaa, että on myös W (3,175 mm: n pallo ), X (6,350 mm: n pallo ) ja Y (12,70 mm: n pallo) .
Tässä tapauksessa Rockwell-kovuuden yksikkö vastaa 0,001 mm: n syvennystä.
N- ja T-asteikkojen kovuus annetaan kaavalla:
Tikapuut | Symboli | Penetrator | Kokonaisvoiman arvo F 0 + F 1 (N) |
|
---|---|---|---|---|
EI | HR15N | Pyöreän muotoinen timanttikartio, pyöristetty pallomainen kärki 0,2 mm | 15 | |
EI | HR30N | Pyöreän muotoinen timanttikartio, pyöristetty pallomainen kärki 0,2 mm | 30 | |
EI | HR45N | Pyöreän muotoinen timanttikartio, pyöristetty pallomainen kärki 0,2 mm | 45 | |
T | HR15T | Halkaisijaltaan 1,588 mm teräspallo | 15 | |
T | HR30T | Halkaisijaltaan 1,588 mm teräspallo | 30 | |
T | HR45T | Halkaisijaltaan 1,588 mm teräspallo | 45 | |
T | HR15Y | Halkaisijaltaan 12,7 mm: n teräspallo, jota käytetään pääasiassa hiottaviin pinnoitteisiin |
147 |
Knoopin kovuuden mittaus tehdään pyramidimantilla, jossa on hyvin litistetty rombipohja, mikä mahdollistaa riittävän suuren syvennyksen erittäin pienelle kuormitukselle. Se saadaan testin kuormitussuhteella F (K) sisennyksen pinnalla seuraavan suhteen mukaan:
kanssa
F = käytetty voima (N)Knoop-kovuutta käytetään erityisesti hauraiden materiaalien tutkimiseen, toisaalta matalan tunkeutumissyvyyden vuoksi halkeamien muodostuminen on rajallista, toisaalta kahden lävistäjän eriarvoisuus antaa mahdollisuuden arvioida anisotropioita materiaalien pinnalla .
Tunkeutumismenetelmien vertailuBrinell-testi soveltuu erityisesti myymälämittauksiin. Pinnan kunnon ei tarvitse olla erityisen varovainen. Vickers-testi sopeutuu hyvin pehmeisiin ja koviin materiaaleihin, kuten lyijyyn. Knoop-testi mittaa kovien ja hauraiden materiaalien, kuten lasin ja keramiikan, kovuuden.
Testin tyyppi | Huoneen valmistelu | Pääkäyttö | Kommentti |
---|---|---|---|
Brinell | Työkappaleen pinta ei vaadi erityisen huolellista valmistelua (sorvausta tai hiontaa). | Työpajassa | Menetelmä, jolla on helpoin toteuttaa kolme menetelmää. |
Rockwell | Hyvä pinnan esikäsittely (esimerkiksi OO-hiekkapaperilla). Naarmujen esiintyminen antaa aliarvioidut arvot. | Työpajassa | Testi on nopea ja helppo.
Sopii hyvin kovemmille kovuuksille (yli 400 Brinell). Sitä käytetään pikemminkin pieniin osiin (on välttämätöntä, että osa on täysin vakaa). |
Vickers | Erittäin siisti pinnan kunto (saadaan pienet sormenjäljet, epäsäännöllisyys häiritsee lukemista). | Laboratoriossa | Se on melko monipuolinen testi, joka soveltuu pehmeille tai erittäin koville materiaaleille. Sitä käytetään yleensä pienikokoisiin osiin. |
Hyvin pienellä kuormituksella tehdyt mikrokovuustestit mahdollistavat hyvin paikalliset mittaukset (noin 100 µm 2 ). Esimerkiksi mikrodurometrillä on mahdollista määrittää tietyn vaiheen kovuus monivaiheisessa näytteessä tai hyvin herkän ja ohuen näytteen kovuus.
Nankovuuden mittausNanovarmuus johtui tarpeesta mitata ohuiden kerrostumien kovuus. Se perustuu nanoindentoitumistestien kehittämiseen, jossa jäljen syvyys voidaan rajoittaa muutamaan kymmeneen nanometriin. Berkovich-tyyppisiä läpivientejä käytetään yleensä yksinkertaistetun muodonsa vuoksi. Kovuus H saadaan suhde suurimman kuorman P max on lävistimen / näyte kosketukseen alue A.
Pisteytyskovuuden mittaus on vanhin menetelmä kovuuden mittaamiseksi, joka johti Mohsin vuonna 1820 ehdottamaan ensimmäiseen kovuusasteeseen . Sen määrittelee vastus, jota materiaali vastustaa naarmuuntumiselta.
Mohsin asteikkoSe koostuu kymmenestä vertailumateriaalista, joista kukin ylittää sen alapuoliset ja naarmuuntuvat yllä olevista. Timanttia vastaavan asteikon viimeinen arvo, jonka vain toinen timantti voi naarmuttaa.
Talkki kiteitä (kovuus 1).
Kipsi (kovuus 2).
Kalsiitti (kovuus 3).
Fluoriitti (kovuus 4).
Apatiitti (kovuus 5).
Ortoosi (kovuus 6).
Kvartsi (kovuus 7).
Topaasi (kovuus 8).
Timantti (kovuus 10).