Vickers-Härteprüfung - Vickers hardness test

Ein Härteprüfgerät von Vickers

Der Vickers-Härtetest wurde 1921 von Robert L. Smith und George E. Sandland bei Vickers Ltd als Alternative zur Brinell- Methode zur Messung der Härte von Materialien entwickelt. Der Vickers-Test ist oft einfacher anzuwenden als andere Härteprüfungen, da die erforderlichen Berechnungen unabhängig von der Größe des Eindringkörpers sind und der Eindringkörper für alle Materialien unabhängig von der Härte verwendet werden kann. Das Grundprinzip, wie bei allen gängigen Härtemaßen, besteht darin, die Fähigkeit eines Materials zu beobachten, einer plastischen Verformung aus einer Standardquelle zu widerstehen . Der Vickers-Test kann für alle Metalle verwendet werden und hat eine der breitesten Skalen unter den Härteprüfungen. Die durch den Test ermittelte Härteeinheit ist als Vickers-Pyramidenzahl ( HV ) oder Diamantpyramide-Härte ( DPH ) bekannt. Die Härtezahl kann in die Einheit Pascal umgerechnet werden , sollte jedoch nicht mit dem Druck verwechselt werden, der die gleichen Einheiten verwendet. Die Härtezahl wird durch die Belastung über die Fläche des Eindrucks und nicht die kraftnormale Fläche bestimmt und ist somit kein Druck.

Implementierung

Vickers-Testschema
Der pyramidenförmige Diamanteindringkörper eines Vickers-Härteprüfers
Ein Eindruck, der nach einem Vickers-Härtetest in einsatzgehärtetem Stahl zurückbleibt. Der Längenunterschied der beiden Diagonalen und der Beleuchtungsgradient sind beides klassische Anzeichen für eine unebene Probe. Dies ist keine gute Einrückung.
Dies ist eine gute Einrückung.

Es wurde entschieden, dass die Eindringkörperform in der Lage sein sollte, unabhängig von der Größe geometrisch ähnliche Eindrücke zu erzeugen; der Eindruck sollte gut definierte Messpunkte haben; und der Eindringkörper sollte eine hohe Beständigkeit gegen Selbstverformung aufweisen. Ein Diamant in Form einer quadratischen Pyramide erfüllte diese Bedingungen. Es wurde festgestellt, dass die ideale Größe einer Brinell- Abformung 38 des Kugeldurchmessers beträgt . Da sich zwei Tangenten an den Kreis an den Enden einer 3 d /8 langen Sehne bei 136° schneiden, wurde entschieden, dies als eingeschlossenen Winkel zwischen ebenen Flächen der Eindringkörperspitze zu verwenden. Dies ergibt einen Winkel von jeder Fläche senkrecht zur Normalen der horizontalen Ebene von 22° auf jeder Seite. Der Winkel wurde experimentell variiert und es wurde festgestellt, dass der an einem homogenen Materialstück erhaltene Härtewert unabhängig von der Belastung konstant blieb. Je nach Härte des zu messenden Materials werden dementsprechend Belastungen unterschiedlicher Größenordnung auf eine ebene Oberfläche aufgebracht. Die HV-Zahl wird dann durch das Verhältnis F/A bestimmt , wobei F die auf den Diamanten ausgeübte Kraft in Kilogramm-Kraft und A die Oberfläche der resultierenden Vertiefung in Quadratmillimetern ist. A kann durch die Formel bestimmt werden.

die durch Auswertung des Sinusterms angenähert werden kann, um zu geben,

wobei d die durchschnittliche Länge der vom Eindringkörper verbleibenden Diagonale in Millimetern ist. Somit,

,

wobei F in kgf und d in Millimetern ist.

Die entsprechende Einheit von HV ist dann die Kilogramm-Kraft pro Quadratmillimeter (kgf/mm²) oder die HV-Zahl. In der obigen Gleichung könnte F in N und d in mm sein, was HV in der SI-Einheit MPa ergibt. Um die Vickers-Härtezahl (VHN) mit SI-Einheiten zu berechnen, muss man die aufgebrachte Kraft von Newton in Kilogramm-Kraft umrechnen , indem man sie durch 9,806 65 ( Standardschwerkraft ) teilt . Dies führt zu folgender Gleichung:

wobei F in N und d in Millimetern ist. Ein häufiger Fehler ist, dass die obige Formel zur Berechnung der HV-Zahl keine Zahl mit der Einheit Newton pro Quadratmillimeter (N/mm²) ergibt, sondern direkt die Vickers-Härtezahl (meist ohne Einheiten angegeben), die in tatsächlich ein Kilogramm Kraft pro Quadratmillimeter (1 kgf/mm²).

Vickers- Härtezahlen werden als xxxHVyy , z. B. 440HV30 , oder xxxHVyy/zz angegeben, wenn die Kraftdauer von 10 s bis 15 s abweicht, z. B. 440HV30/20, wobei:

  • 440 ist die Härtezahl,
  • HV gibt die Härteskala (Vickers) an,
  • 30 gibt die verwendete Last in kgf an.
  • 20 gibt die Ladezeit an, wenn sie von 10 s bis 15 s abweicht
Beispiele für HV-Werte für verschiedene Materialien
Material Wert
Edelstahl 316L 140HV30
347L Edelstahl 180HV30
Kohlenstoffstahl 55–120HV5
Eisen 30–80HV5
Martensit 1000HV
Diamant 10000HV

Vorsichtsmaßnahmen

Bei den Härteprüfungen ist der Mindestabstand der Eindrücke und der Abstand vom Eindruck zum Rand der Probe zu berücksichtigen, um Wechselwirkungen zwischen den kaltverfestigten Bereichen und Auswirkungen der Kante zu vermeiden. Diese Mindestabstände sind für die Normen ISO 6507-1 und ASTM E384 unterschiedlich.

Standard Abstand zwischen den Vertiefungen Abstand von der Mitte des Eindrucks zum Rand der Probe
ISO 6507-1 > 3· d für Stahl und Kupferlegierungen und > 6·d für Leichtmetalle 2,5· d für Stahl und Kupferlegierungen und > 3·d für Leichtmetalle
ASTM E384 2,5· d 2,5· d

Vickers-Werte sind im Allgemeinen unabhängig von der Prüfkraft: Sie ergeben sich für 500 gf und 50 kgf gleich, solange die Kraft mindestens 200 gf beträgt. Eindrücke mit geringerer Belastung zeigen jedoch häufig eine Abhängigkeit der Härte von der Eindringtiefe, bekannt als Indentation Size Effect (ISE). Kleine Eindruckgrößen haben auch mikrostrukturabhängige Härtewerte.

Bei dünnen Proben kann die Eindringtiefe aufgrund von Substrateffekten ein Problem sein. Als Faustregel gilt, dass die Probendicke größer als das 2,5-fache des Eindruckdurchmessers sein sollte. Alternativ kann die Einrücktiefe , berechnet werden nach:

Umrechnung in SI-Einheiten

Zur Umrechnung der Vickers - Härtezahl in SI - Einheiten , die Härtezahl in Kilogramm-Kraft hat pro Quadratmillimeter (kgf / mm²) mit der zu multiplizierenden Standardschwerkraft , zu bekommen , um die Härte in MPa (N / mm²) und ferner durch 1000 geteilt um die Härte in GPa zu erhalten.

Die Vickers-Härte kann auch auf der Grundlage der projizierten Fläche des Eindrucks anstatt der Oberfläche in eine SI-Härte umgewandelt werden. Die projizierte Fläche , ist für eine Vickers-Eindringkörpergeometrie wie folgt definiert:

Diese Härte wird manchmal als mittlere Kontaktfläche oder Meyer-Härte bezeichnet und kann idealerweise direkt mit anderen Härteprüfungen verglichen werden, die auch mit projizierter Fläche definiert sind. Beim Vergleich anderer Härteprüfungen ist aufgrund verschiedener Größenskalenfaktoren, die sich auf die gemessene Härte auswirken können, Vorsicht geboten.

Abschätzung der Zugfestigkeit

Wenn HV zuerst in N/mm 2 (MPa) oder anderweitig durch Umrechnung von kgf/mm 2 ausgedrückt wird , dann kann die Zugfestigkeit (in MPa) des Materials angenähert werden als σ u ≈ HV/ c , wobei c a . ist Konstante bestimmt durch Streckgrenze, Poissonzahl, Kaltverfestigungsexponent und geometrische Faktoren – normalerweise im Bereich zwischen 2 und 4. Mit anderen Worten, wenn HV in N/mm 2 (dh in MPa) ausgedrückt wird, dann die Zugfestigkeit (in MPa) ≈ HV/3. Dieses empirische Gesetz hängt variabel vom Kaltverfestigungsverhalten des Werkstoffs ab.

Anwendung

Die Flossenbefestigungsstifte und -hülsen des Convair 580- Verkehrsflugzeugs wurden vom Flugzeughersteller so spezifiziert, dass sie auf eine Vickers-Härte-Spezifikation von 390HV5 gehärtet werden, wobei die „5“ fünf Kilopond bedeutet . Bei dem Flugzeug, das den Partnair-Flug 394 flog, stellte sich jedoch später heraus, dass die Stifte durch minderwertige Teile ersetzt wurden, was zu einem schnellen Verschleiß und schließlich zum Verlust des Flugzeugs führte. Bei der Untersuchung stellten die Unfallermittler fest, dass die minderwertigen Stifte nur einen Härtewert von etwa 200-230HV5 aufwiesen.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Meyers und Chawla (1999). "Abschnitt 3.8". Mechanisches Verhalten von Materialien . Prentice Hall, Inc.
  • ASTM E92: Standardmethode für die Vickers-Härte von metallischen Werkstoffen (zurückgezogen und ersetzt durch E384-10e2)
  • ASTM E384: Standardtestverfahren für die Knoop- und Vickers-Härte von Materialien
  • ISO 6507-1: Metallische Werkstoffe – Vickers-Härteprüfung – Teil 1: Prüfverfahren
  • ISO 6507-2: Metallische Werkstoffe – Vickers-Härteprüfung – Teil 2: Überprüfung und Kalibrierung von Prüfmaschinen
  • ISO 6507-3: Metallische Werkstoffe – Vickers-Härteprüfung – Teil 3: Kalibrierung von Referenzblöcken
  • ISO 6507-4: Metallische Werkstoffe – Vickers-Härteprüfung – Teil 4: Härtetabellen
  • ISO 18265: Metallische Werkstoffe – Umrechnung von Härtewerten

Externe Links