Выбор нагрузки, расстояние между отпечатками и краевой эффект в испытании на микротвёрдость

Испытание на микротвёрдость широко применяется для характеризации локальных механических свойств тонких слоёв, мелких деталей, покрытий и микроструктуры. Достоверность данных напрямую зависит от выбора нагрузки, расстояния между отпечатками и контроля краевого эффекта; испытание проводят в соответствии с GB/T 4340.1 (твёрдость по Виккерсу) и ASTM E384 (микроиндентационная твёрдость).

Принципы выбора нагрузки

Число твёрдости по Виккерсу HV = 0.1891×F/d², где F — нагрузка (Н), d — среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка (мм). Для одного и того же материала слишком малая нагрузка даёт короткие диагонали и повышает долю погрешности измерения; слишком большая — усиливает влияние соседних зон или основы. Обычно диагональ отпечатка должна быть не менее 20 мкм, чтобы обеспечить точность оптических измерений. Для тонких слоёв и покрытий действует эмпирическое правило: глубина отпечатка не должна превышать 1/10 толщины слоя. Глубина виккерсовского отпечатка составляет около 1/7 диагонали, поэтому диагональ следует удерживать в пределах примерно 70% толщины слоя; иначе снижайте нагрузку или переходите на индентор Кнупа (Knoop). Отпечаток Кнупа удлинённый, его глубина — лишь около 1/30 длинной диагонали, что лучше подходит тонким слоям и хрупким материалам, но повышает требования к шероховатости и перпендикулярности поверхности.

Расстояние между отпечатками и краевой эффект

Вокруг отпечатка существует зона пластической деформации: при слишком малом расстоянии отпечатки влияют друг на друга и завышают показания. GB/T 4340.1 требует, чтобы расстояние между центрами соседних отпечатков было не менее 3 средних диагоналей, а от центра отпечатка до края — не менее 2.5 диагонали; ASTM E384 для стали устанавливает расстояние не менее 2.5 диагонали, для лёгких металлов (алюминий, медь) — не менее 3. При выполнении руководствуйтесь выбранным стандартом, придерживаясь более строгих требований.

Приготовление образца и условия испытаний

Поверхность образца полируют до чёткой различимости диагоналей отпечатка; отклонение от перпендикулярности между испытательной поверхностью и осью индентора не должно превышать 2°. Для запрессованных образцов материал запрессовки должен быть вровень с образцом, иначе скругление кромки внесёт погрешность. Вибрация, колебания температуры и скорость нагружения влияют на результат; время выдержки контролируют по стандарту (обычно 10–15 с).

Практические рекомендации

• Минимальную нагрузку подбирайте из условия диагонали не менее 20 мкм; для тонких слоёв глубина отпечатка — не более 1/10 толщины слоя.
• Расстояния между отпечатками и от края — 2.5–3 диагонали по стандарту, в сторону более строгих значений.
• Для хрупких тонких слоёв в первую очередь рассмотрите индентор Кнупа.
• Качество полировки, перпендикулярность и время выдержки — по GB/T 4340.1 и ASTM E384; окончательное решение — по регламенту работ.