Girinti sertliği - Indentation hardness

Girinti sertliği testleri, bir malzemenin deformasyona karşı sertliğini belirlemek için makine mühendisliğinde kullanılır . Bu tür birkaç test mevcuttur, burada incelenen malzeme bir baskı oluşana kadar girintilidir; bu testler makroskopik veya mikroskobik ölçekte yapılabilir.

Metalleri test ederken, girinti sertliği kabaca doğrusal olarak gerilme mukavemeti ile ilişkilidir , ancak genellikle her girinti geometrisi için küçük mukavemet ve sertlik aralıklarıyla sınırlı kusurlu bir korelasyondur. Bu ilişki, elle tutulan Rockwell sertlik test cihazları gibi hafif, hatta taşınabilir ekipmanlarla dökme metal teslimatlarının ekonomik açıdan önemli tahribatsız testine izin verir.

Malzeme sertliği

Daha küçük ölçeklerde malzeme özelliklerini ölçmek için farklı teknikler kullanılır . İnce filmler gibi malzemeler için mekanik özelliklerin ölçülmesi, geleneksel tek eksenli çekme testi kullanılarak yapılamaz . Sonuç olarak, bu özellikleri tahmin etmeye çalışmak için çok küçük bir izlenime sahip bir malzemeye girinti yaparak malzeme "sertliğini" test eden teknikler geliştirilmiştir.

Sertlik ölçümleri, bir malzemenin plastik deformasyona karşı direncini ölçer. Girinti sertliği testleri, malzeme sertliğini belirlemek için kullanılan işlemlerin çoğunu oluşturur ve üç sınıfa ayrılabilir: makro, mikro ve nano indentasyon testleri. Microindentation testler tipik olarak 2, N (0.45 lb daha kuvvetlerine sahip _f ). Bununla birlikte, sertliğin temel bir maddi özellik olduğu düşünülemez. Klasik sertlik testi genellikle, malzeme özellikleri hakkında göreceli bir fikir vermek için kullanılabilecek bir sayı oluşturur. Bu nedenle, sertlik, farklı sertlik tekniklerinin farklı ölçekleri olduğundan, malzemenin plastik deformasyona karşı direnci hakkında yalnızca karşılaştırmalı bir fikir verebilir.

Denklem tabanlı sertlik tanımı, girinti ve test edilen malzeme arasındaki temas alanı üzerine uygulanan basınçtır. Sonuç olarak, sertlik değerleri tipik olarak basınç birimleri cinsinden rapor edilir, ancak bu yalnızca girinti ve yüzey arayüzü tamamen düzse "gerçek" bir basınçtır.

Aletli girinti

Enstrümante edilmiş girinti, temelde bir kuvvet-yer değiştirme eğrisi elde etmek için bir malzemenin yüzeyine keskin bir uç girintiler. Sonuçlar, sertlik , örneğin elastik modüller ve plastik deformasyon dahil olmak üzere malzemenin mekanik davranışı hakkında birçok bilgi sağlar . Aletli girinti testinin önemli bir faktörü, ucun girinti döngüsü boyunca aynı anda ölçülebilen kuvvet veya yer değiştirme ile kontrol edilmesi gerektiğidir. Mevcut teknoloji, geniş bir aralıkta doğru kuvvet kontrolünü gerçekleştirebilir. Bu nedenle sertlik, seramik gibi sert malzemelerden polimerler gibi yumuşak malzemelere kadar birçok farklı uzunluk ölçeğinde karakterize edilebilir.

İlk çalışma 1970'lerde Bulychev, Alekhin, Shorshorov tarafından tamamlandı ve Young'ın bir malzeme modülünün bir kuvvet ile yer değiştirme indentasyon eğrisinin eğiminden şu şekilde belirlenebileceğini belirledi:

${\ displaystyle S = {dP \ d \ delta üzerinden} = {\ frac {2} {\ sqrt {\ pi}}} E_ {r} {\ sqrt {A}}}$

${\ displaystyle S}$ : eğrinin eğimi olan malzeme sertliği

${\ displaystyle A}$ : uç-numune temas alanı

${\ displaystyle E_ {r}}$ : azaltılmış modül, şu şekilde tanımlanır:

${\ displaystyle {\ frac {1} {E_ {r}}} = {\ frac {1- \ nu _ {s} ^ {2}} {E_ {s}}} + {\ frac {1- \ nu _ {i} ^ {2}} {E_ {i}}}}$

Numunenin Young modülü ve Poisson oranı nerede ve nerede , bir ve indentörün oranı . Tipik olduğundan , ikinci terim tipik olarak göz ardı edilebilir. ${\ displaystyle E_ {s}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {s}}$ ${\ displaystyle E_ {i}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {i}}$ ${\ displaystyle E_ {i} >> E_ {s}}$

En kritik bilgi olan sertlik şu şekilde hesaplanabilir:

${\ displaystyle H = {\ frac {P_ {max}} {A}}}$

Yaygın olarak kullanılan girinti tekniklerinin yanı sıra her farklı yöntemin ayrıntılı hesaplanması aşağıda açıklanmıştır.

Makro indentasyon testleri

"Makro indentasyon" terimi, 1 kgf veya daha fazla gibi daha büyük bir test yükü olan testlere uygulanır . Aşağıdakiler dahil çeşitli makro indentasyon testleri vardır:

En geniş ölçeklerden birine sahip olan Vickers sertlik testi (HV). Her türlü metal malzemenin (çelik, demir dışı metaller, tinsel, semente karbür, sac, vb.) Sertliğini test etmek için yaygın olarak kullanılır; yüzey tabakası / kaplama (Karbürizasyon, nitrürleme, dekarbürizasyon tabakası, yüzey sertleştirme tabakası, galvaniz kaplama vb.).
Brinell sertlik testi (HB) BHN ve HBW yaygın olarak kullanılmaktadır
Küçük alanlarda ölçüm için Knoop sertlik testi (HK), yaygın olarak cam veya seramik malzemeyi test etmek için kullanılır.
Janka sertlik testi , ahşap için
Meyer sertlik testi
Rockwell sertlik testi (HR), esas olarak ABD'de kullanılmaktadır. HRA, HRB ve HRC ölçekleri en yaygın olarak kullanılmaktadır.
Kauçuk endüstrisinde yaygın olarak kullanılan polimerler için Shore sertlik testi .
Kompozit malzemeler için Barcol sertlik testi .

Genel olarak, farklı sertlik testlerinin sonuçları arasında basit bir ilişki yoktur. Örneğin, sert çelikler için pratik dönüştürme tabloları olmasına rağmen , bazı malzemeler çeşitli ölçüm yöntemleri altında niteliksel olarak farklı davranışlar gösterir. Vickers ve Brinell sertlik ölçekleri geniş bir aralıkta iyi bir korelasyon gösterir, ancak Brinell yalnızca yüksek yüklerde fazla tahmin edilen değerler üretir.

Mikro indentasyon testleri

" Mikro sertlik" terimi , düşük uygulanan yüklere sahip malzemelerin sertlik testini tanımlamak için literatürde yaygın olarak kullanılmaktadır. Daha kesin bir terim, "mikro indentasyon sertlik testi" dir. Mikro indentasyon sertlik testinde, 1 ila 1000 gf'lik bilinen bir uygulanan kuvvet (yaygın olarak "yük" veya "test yükü" olarak adlandırılır) kullanılarak test numunesinin yüzeyine belirli bir geometriye sahip elmas bir girinti bastırılır . Mikro indentasyon testleri tipik olarak 2 N (kabaca 200 gf) kuvvetlere sahiptir ve yaklaşık 50 μm girintiler üretir . Özgünlükleri nedeniyle, mikrosertlik testi, mikroskobik ölçekte sertlikteki değişiklikleri gözlemlemek için kullanılabilir. Ne yazık ki, mikro sertlik ölçümlerini standartlaştırmak zordur; Hemen hemen her malzemenin mikro sertliğinin makro sertliğinden daha yüksek olduğu bulunmuştur. Ek olarak, mikrosertlik değerleri, malzemelerin yük ve işle sertleştirme etkilerine göre değişir. En sık kullanılan iki mikro sertlik testi, makro indentasyon testleri olarak daha ağır yüklerle de uygulanabilen testlerdir:

Vickers sertlik testi (HV)
Knoop sertlik testi (HK)

Mikro indentasyon testinde, sertlik numarası, test numunesinin yüzeyinde oluşan girintiden yapılan ölçümlere dayanır. Sertlik numarası, sertlik birimlerini kgf / mm² cinsinden vererek, uygulanan kuvvetin girintinin yüzey alanına bölünmesine dayanır. Mikro indentasyon sertlik testi, Vickers ve Knoop indenters kullanılarak yapılabilir. Vickers testi için, hem köşegenler ölçülür ve ortalama değer, Vickers piramit sayısını hesaplamak için kullanılır. Knoop testinde, sadece daha uzun olan köşegen ölçülür ve Knoop sertliği, girintinin öngörülen alanı uygulanan kuvvete bölünerek hesaplanır ve ayrıca kgf / mm² cinsinden test birimleri verilir.

Vickers mikro indentasyon testi, aynı piramit kullanılarak Vickers makro indentasyon testlerine benzer şekilde gerçekleştirilir. Knoop testi, malzeme örneklerini girintilemek için uzun bir piramit kullanır. Bu uzun piramit , kırılgan malzemelerin veya ince bileşenlerin sertliğini ölçmek için yararlı olan sığ bir izlenim yaratır . Hem Knoop hem de Vickers girintileri, doğru sonuçlar elde etmek için yüzeyin cilalanmasını gerektirir.

3 gf veya 9 gf yüklerle gerçekleştirilen Bierbaum mikro karakter testi gibi düşük yüklerde çizilme testleri , geleneksel girintiler kullanılarak mikro sertlik test cihazlarının geliştirilmesinden önce yapılmıştır. 1925'te Birleşik Krallık'tan Smith ve Sandland, elmastan yapılmış kare tabanlı piramidal bir girinti kullanan bir girinti testi geliştirdi. Numune için Brinell sertlik numaralarına mümkün olduğu kadar yakın sertlik sayıları elde etmek için karşılıklı yüzler arasında 136 ° 'lik bir açı ile piramidal şekli seçtiler. Vickers testi, tüm malzemeleri test etmek için tek bir sertlik ölçeği kullanma konusunda büyük bir avantaja sahiptir. Düşük yüklerle Vickers girintisine ilk atıf , 1932'de Ulusal Fizik Laboratuvarı'nın yıllık raporunda yapılmıştır . Lips and Sack, 1936'da düşük yük kullanan ilk Vickers test cihazını tanımlar.

Literatürde, mikrosertlik testine uygulanabilen yük aralığı ile ilgili bazı anlaşmazlıklar vardır. Örneğin ASTM Spesifikasyonu E384, mikro sertlik testi için yük aralığının 1 ila 1000 gf olduğunu belirtir. 1 kgf ve altındaki yükler için, Vickers sertliği (HV) bir denklemle hesaplanır; burada yük ( L ) gram kuvvetidir ve iki köşegen ( d ) ortalama milimetre cinsindendir:

${\ displaystyle HV = 0,0018544 \ times {\ tfrac {L} {d ^ {2}}}}$

Herhangi bir yük için, düşük çapraz uzunluklarda sertlik hızla artar, yük azaldıkça etki daha belirgin hale gelir. Bu nedenle, düşük yüklerde, küçük ölçüm hataları büyük sertlik sapmalarına neden olacaktır. Bu nedenle, herhangi bir testte her zaman mümkün olan en yüksek yük kullanılmalıdır. Ayrıca, eğrilerin dikey kısmında, küçük ölçüm hataları büyük sertlik sapmalarına neden olacaktır.

Nano indentasyon testleri

Hata kaynakları

Girinti testlerindeki ana hata kaynakları, zayıf teknik, ekipmanın zayıf kalibrasyonu ve işlemin zorlanma sertleştirme etkisidir. Ancak, daha küçük girintilerle etkinin minimum olduğu "gerilimsiz sertlik testleri" ile deneysel olarak belirlenmiştir.

Yüzey pürüzlülüğüne kıyasla girinti büyük olduğu sürece parçanın yüzey kalitesi ve girintinin sertlik ölçümü üzerinde bir etkisi yoktur. Bu, pratik yüzeylerin sertliğini ölçerken yararlı olduğunu kanıtlıyor. Ayrıca, sığ bir girinti bırakırken de yararlıdır, çünkü ince bir şekilde oyulmuş bir girinti, düzgün bir girintiye göre okunması çok daha kolay bir girinti bırakır.

Girinti ve yük kaldırıldıktan sonra kalan girintinin "düzeldiği" veya hafifçe geri döndüğü bilinmektedir. Bu etki, tam anlamıyla sığlık olarak bilinir . Küresel girintiler için girintinin simetrik ve küresel kaldığı, ancak daha büyük bir yarıçapa sahip olduğu bilinmektedir. Çok sert malzemeler için yarıçap, girintinin yarıçapının üç katı olabilir. Bu etki, elastik gerilimlerin salınmasına bağlanır. Bu etkiden dolayı, girintinin çapı ve derinliği hatalar içerir. Çap değişikliğinden kaynaklanan hatanın yalnızca yüzde birkaç olduğu bilinmektedir, derinlik hatası daha büyüktür.

Yükün girinti üzerinde sahip olduğu diğer bir etki , çevreleyen malzemenin yığılması veya batmasıdır . Metal işle sertleştirilmişse, yığılma ve bir "krater" oluşturma eğilimi gösterir. Metal tavlanırsa, girintinin etrafına batacaktır. Bu etkilerin her ikisi de sertlik ölçümündeki hataya katkıda bulunur.

Akma stresi ile ilişki

Sertlik, ortalama temas basıncı (yük / öngörülen temas alanı) olarak tanımlandığında, birçok malzemenin akma gerilmesi, kısıtlama faktörü C olarak bilinen bir sabit tarafından sertlikle orantılıdır. ${\ displaystyle H}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {y}}$

${\ displaystyle H = C \ sigma _ {y}}$

nerede:

${\ displaystyle C \ yaklaşık {\ begin {case} 3 & {\ text {large}} E / \ sigma _ {y} {\ text {(ör. metaller)}} \\ 1.5 & {\ text {küçük}} E / \ sigma _ {y} {\ text {(ör. Gözlük)}} \ end {kılıf}}}$

Sertlik, malzemenin tek eksenli sıkıştırma akma gerilmesinden farklıdır çünkü farklı sıkıştırma kırılma modları geçerlidir. Tek eksenli bir test, malzemeyi yalnızca tek bir boyutta sınırlar, bu da malzemenin kesme sonucu başarısız olmasına izin verir . Öte yandan girinti sertliği, kaymanın kırılmaya hakim olmasını önleyen üç boyutta sınırlandırılmıştır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Notlar

Dış bağlantılar

"Langırt Test Cihazı Sertliği Ortaya Çıkarıyor." Popüler Mekanik , Kasım 1945, s. 75.

Kaynakça

Tabor David (2000), Metallerin Sertliği , Oxford University Press, ISBN 0-19-850776-3 .

Languages

In other projects