The Durometer

The Durometer is a popular instrument for measuring the indentation hardness of rubber and rubber-like materials. The most popular testers are the Model A used for measuring softer materials and the Model D for harder materials.The operation of the tester is quite simple. The material is subjected to a definite pressure applied by a calibrated spring to an indenter that is either a cone or sphere and an indicating device measures the depth of indentation.

Read More

The Scleroscope Hardness Test

The Scleroscope test consists of dropping a diamond tipped hammer, which falls inside a glass tube under the force of its own weight from a fixed height, onto the test specimen. The height of the rebound travel of the hammer is measured on a graduated scale. The scale of the rebound is arbitrarily chosen  and  consists  on  Shore units, divided  into  100  parts,  which  represent  the average rebound from pure hardened high-carbon steel. The scale is continued higher than 100 to include metals having greater hardness. In normal use the shore scleroscope test does not mark the material under test. The Shore Scleroscope measures hardness in terms of the elasticity of the material and the hardness number depends on the height to which the hammer rebounds, the harder the material, the higher the rebound. Advantages of this method are portability and non- marking of the test surface.

Read More

Micro-hardness Test

Knoop Hardness Test The term microhardness test usually refers to static indentations made with loads not exceeding 1 kgf. The indenter is either the Vickers diamond pyramid or the Knoop elongated diamond pyramid. The procedure for testing is very similar to that of the standard Vickers hardness test, except that it is done on a microscopic scale with higher precision instruments. The surface being tested generally requires a metallographic finish; the smaller the load used, the higher the surface finish required. Precision microscopes are used to measure the indentations; these usually have a magnification of around X500 and measure to an accuracy of +0.5 micrometres. Also with the same observer differences of +0.2 micrometres can usually be resolved. It should, however, be added that considerable care and experience are necessary to obtain this accuracy. The Knoop hardness number KHN is the ratio of the load applied to the indenter, P (kgf) to the unrecovered projected area A (mm2) KHN = F/A = P/CL2 Where: F = applied load in kgf A = the unrecovered projected area of the indentation in mm2 L = measured length of long diagonal of indentation in mm C = 0.07028 = Constant of indenter relating projected area of the indentation to the square of the length of the long diagonal.

Read More

Vickers Hardness Test

The Vickers hardness test method consists of indenting the test material with a diamond indenter, in the form of a right pyramid with a square base and an angle of 136 degrees between opposite faces subjected to a load of 1 to 100 kgf. The full load is normally applied for 10 to 15 seconds. The two diagonals of the indentation left in the surface of the material after removal of the load are measured using a microscope and their average calculated. The area of the sloping surface of the indentation is calculated. The Vickers hardness is the quotient obtained by dividing the kgf load by the square mm area of indentation. When the mean diagonal of the indentation has been determined the Vickers hardness may be calculated from the formula, but is more convenient to use conversion tables. The Vickers hardness should be reported like 800 HV/10, which means a Vickers hardness of 800, was obtained  using  a  10  kgf  force.  Several  different  loading  settings  give  practically  identical hardness numbers on uniform material, which is much better than the arbitrary changing of scale with the other hardness testing methods. The advantages of the Vickers hardness test are that extremely accurate readings can be taken, and just one type of indenter is used for all types of metals and surface treatments. Although thoroughly adaptable and very precise for testing the softest and hardest of materials, under varying loads, the Vickers machine is a floor standing unit that is moreexpensive than the Brinell or Rockwell machines. F  = Load in kgf D =Arithmetic mean of the two diagonals, d1 and d2 in mm HV = Vickers hardness

Read More

Rockwell Hardness Test

The Rockwell hardness test method consists of indenting the test material with a diamond cone or hardened steel ball indenter. The indenter is forced into the test material under a preliminary minor load F0 (Fig. 1A) usually 10 kgf. When equilibrium has been reached, an indicating device, which follows the movements of the indenter and so responds to changes in depth of penetration of the indenter is set to a datum position. While the preliminary minor load is still applied an additional major load is applied with resulting increase in penetration (Fig. 1B). When equilibrium has again been reach, the additional major load is removed but the preliminary minor load is still maintained. Removal of the additional major load allows a partial recovery, so reducing the depth of penetration. The permanent increase in depth of penetration, resulting from the application and removal of the additional major load is used to calculate the Rockwell hardness number.  Advantages of the Rockwell hardness method include the direct Rockwell hardness number readout and rapid testing time.

Read More

The Brinell Hardness Test

The Brinell hardness test method consists of indenting the test material with a 10 mm diameter hardened steel or carbide ball subjected to a load of 3000 kg. For softer materials the load can be reduced to 1500 kg or 500 kg to avoid excessive indentation. The full load is normally applied for10 to 15 seconds in the case of iron and steel and for at least 30 seconds in the case of other metals. The diameter of the indentation left in the test material is measured with a low powered microscope. The Brinell harness number is calculated by dividing the load applied by the surface area ofthe indentation.

Read More

Yield criteria and macroscopic aspects of plastic deformation

Gross plastic deformation of a polycrystalline specimen corresponds to the comparable distortion of  the  individual  grains  by  means  of  slip.  During  deformation,  mechanical  integrity  and coherency are maintained along the grain boundaries; that is, the grain boundaries is constrained, to some degree, in the shape it may assume by its neighboring grains. Before deformation the grains are equiaxed, or have approximately the same dimension in all directions. For this particular deformation, the grains become elongated along the directions. For this particular deformation, the grains become elongated along the direction in which the specimen was extended.

Read More

True Stress and Strain

When one applies a constant tensile force the material will break after reaching the tensile strength. The material starts necking (the transverse area decreases) but the stress cannot increase beyond tensile strength. The ratio of the force to the initial area, what we normally do, is called the engineering stress. If the ratio is to the actual area (that changes with stress) one obtains the true stress.

Read More

Tensile Properties

Yield point. If the stress is too large, the strain deviates from being proportional to the stress. The point at which this happens is the yield point because there the material yields, deforming permanently (plastically). Yield stress. Hooke’s law is not valid beyond the yield point. The stress at the yield point is called yield stress, and is an important measure of the mechanical properties of materials. In practice, the yield stress is chosen as that causing a permanent strain of 0.002 The yield stress measures the resistance to plastic deformation. The reason for plastic deformation, in normal materials, is not that the atomic bond is stretched beyond repair, but the motion of dislocations, which involves breaking and reforming bonds. Plastic deformation is caused by the motion of dislocations. Tensile strength: When stress continues in the plastic regime, the stress-strain passes through a maximum, called the tensile strength, and then falls as the material starts to develop a neck and it finally breaks at the fracture point. For structural applications, the yield stress is usually a more important property than the tensile strength, since once it is passed, the structure has deformed beyond acceptable limits. Ductility: The ability to deform before braking. It is the opposite of brittleness. Ductility can be given either as percent maximum elongation åmax or maximum area reduction. %EL = åmax x 100 % %AR = (A0 – Af)/A0 These are measured after fracture (repositioning the two pieces back together). Resilience: Capacity to absorb energy elastically. The energy per unit volume is the area under the strain-stress curve in the elastic region. Toughness: Ability to absorb energy up to fracture. The energy per unit volume is the total area under the strain-stress curve. It is measured by an impact test .

Read More

Plastic deformation

When the stress is removed, the material does not return to its previous dimension but there is a permanent, irreversible deformation. In tensile tests, if the deformation is elastic, the stress-strain relationship is called Hooke’s law: σ = E ε That is, E is the slope of the stress-strain curve. E is Young’s modulus or modulus of elasticity. In some cases, the relationship is not linear so that E can be defined alternatively as the local slope: E = dσ/dε Shear stresses produce strains according to: τ = G γ where G is the shear modulus. Elastic moduli measure the stiffness of the material. They are related to the second derivative of the interatomic potential, or the first derivative of the force vs. inter nuclear distance. By examining these curves we can tell which material has a higher modulus. Due to thermal vibrations the elastic modulus decreases with temperature. E is large for ceramics (stronger ionic bond) and small for polymers (weak covalent bond). Since the interatomic distances  depend  on  direction  in  the crystal,  E  depends  on  direction  (i.e.,  it  is anisotropic) for single crystals. For randomly oriented policrystals, E is isotropic. Yield criteria and macroscopic aspects of plastic deformation Gross plastic deformation of a polycrystalline specimen corresponds to the comparable distortion of  the  individual  grains  by  means  of  slip.  During  deformation,  mechanical  integrity  and coherency are maintained along the grain boundaries; that is, the grain boundaries is constrained, to some degree, in the shape it may assume by its neighboring grains. Before deformation the grains are equiaxed, or have approximately the same dimension in all directions. For this particular deformation, the grains become elongated along the directions. For this particular deformation, the grains become elongated along the direction in which the specimen was extended.

Read More