Испытания на микротвердость

Лабораторная работа № 6 Испытания на микротвердость

Порядок проведения испытаний на микротведость:

1. Подобрать нагрузку и установить грузы на стержень 2. Величина нагрузки должна быть такой, чтобы диагональ отпечатка равнялась 30…50 делениям барабана 7 окуляр-микрометра.

2. Установить образец в пластилине на специальную подставку и с помощью пресса добиться параллельности плоскостей шлифа, подставки и предметного столика.

3. Установить столик в крайнее правое положение и поместить на него подставку с образцом под объектив микроскопа, закрепить ее прижимными лапками.

4. Освободить тубус 8 микроскопа и с помощью винтов макро- 6 и микроподачи 5 нанести на фокус поверхность образца, а с помощью окулярной линзы 12 – перекрестии шкалы окуляр-микрометра.

5. Выбрать на образце подходящее место для нанесения отпечатка и с помощью микрометрических винтов подвести его под перекрытие нитей измерительного окуляра; провести окончательную наводку на резкость поверхности образца и перекрытий шкалы.

6. Перевести предметный столик в крайнее левое положение (на 180⁰) до упора и закрепить его стопорным винтом, находящимся в нижней неподвижной части столика.

Рекомендуемые материалы

2. Повернуть рукоятку 3 на себя одним пальцем плавно без рывков в течение примерно 15 с до касания индентором 1 поверхности образца и произвести нагружение  с выдержкой под нагрузкой около 4...7 секунд.

3. Снять нагрузку поворотом ручки 3 в обратном направлении, освободить предметный столик, перевести образец под объектив микроскопа и произвести измерение диагоналей отпечатка. Количество отпечатков может быть 100 и более.

Цель работы: ознакомиться с устройством твердомера ПМТ-3 для измерения микротвердости материалов, изучить особенности методики испытания на микротвердость, научиться обрабатывать результаты измерений.

6.1 Общие положения

Метод измерения микротвердости начал разрабатываться в Советском Союзе с начала 1940 г. Первый такой прибор был создан М.М. Хрущевым и Е.С. Берковичем, а одна из его разновидностей – твердомер ПМТ-3 широко применяется в научно-производственной практике и в настоящее время. Метод микротвердости предназначен для измерения твердости  микроскопических объемов металлов и сплавов (зерен, границ фаз, дендритной ликвации, диффузионных слоев и т. д.), а также твердости мелких деталей приборов, фольги, проволоки, гальванических покрытий, поверхностных слоев металлов после химико-термической  обработки и др.

Особенность метода определения микротвердости состоит в том, что с его помощью можно решать исследовательские задачи, связанные с развитием структурных и фазовых превращений, протеканием диффузионных процессов, изменением пределов растворимости фаз в зависимости от различных факторов, а также судить о степени искаженности кристаллических решеток при термической и термомеханической обработке, анизотропии свойств и развитии текстуры при градиентном отжиге и деформации.

Метод измерения микротвердости стандартизирован (ГОСТ 9450-76) и принципиально не отличается от метода определения твердости по Виккерсу: используется такой же индентор – алмазная четырехгранная  пирамида с углом при вершине 136⁰, а также порядок операций, способ обработки результатов испытаний и способ нагружения – плавное вдавливание индентора в материал. Меняется лишь величина нагрузки – от 2 до 500 Гс (0,02…4,9 Н). Соответственно увеличивается локальность метода, она измеряется единицами микронов.

Число твердости обозначается буквой Н с указанием в нижнем правом углу величины нагрузки в ГС и определяется по формуле:

                                                   ,                                                (25)

где Р – нагрузка;

      d – диагональ отпечатка, мкм;

     d²/1854 – площадь боковой поверхности пирамидального отпечатка. Для определения числа микротвердости  по длине диагонали (мкм) при разных нагрузках существуют специальные таблицы. При записи величины микротвердости размерность обычно не указывается.

6.2 Устройство прибора ПМТ-3

Общий вид микротвердомера ПМТ-3 показан на рис. 6.1, а. На чугунном основании 1 установлены предметный столик 2 и стойка 3, на которой  укреплен кронштейн с микроскопом и нагружается устройством 4. Микроскоп состоит из тубуса 8, окуляр-микрометра 7, сменного объектива 10 и осветителя 9 с набором светофильтров. Тубус 8 с помощью винтов макро – 6 и микроподачи 5 может перемещаться в вертикальном направлении для обеспечения, соответственно, грубой и тонкой наводки микроскопа на резкость.

Предметный столик 11 состоит из двух частей: неподвижной нижней и подвижной верхней, которая с помощью микрометрических винтов может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а с помощью рукоятки 2 – вращаться вокруг оси на 180⁰ для перемещения образца под индентор или объектив.

Нагружающее устройство (рис. 6.1, б) представляет собой стержень, оканчивающийся штоком 2, к нижней части которого крепится оправка с алмазным индентором 1. Стержень подвешен к кронштейну на двух плоских пружинах 4 и 6 и связан с рукояткой 3, обеспечивающий ему движение вниз при нагружении и вверх при разгрузке. Грузами служат диски с прорезью весом от 2 до 500 Гс, которые перед испытанием надеваются на стержень 2. Процесс нагружения осуществляется рукояткой 3 при движении ее вперед до касания индентором поверхности образца.

Для правильной оценки микротвердости прибор должен быть тщательно юстирован, центрирован, градуирован. Задача юстировки состоит в точном совмещении оптической оси с осью нагружения при повороте предметного столика на 180⁰. Задача центровки заключается в том, чтобы отпечаток индентора находился точно в месте пересечения нитей окуляр-микрометра (рис. 6.1). Задача градуировки (или юстировки в вертикальном направлении) сводится к правильной установке по высоте механизма нагружения для получения заданного размера диагонали отпечатка у определенного материала при известной нагрузке. Обычно для этой цели используется отожженный алюминий при нагрузке 2 Гс, диагональ отпечатка при этом равна 32 делениям по измерительному микрометру.

Рисунок 6.1 – Устройство микротвердомера ПМТ-3

6.3 Подготовка образцов

1. Фольгу и ленты испытывают без предварительной подготовки.

2. Поверхность массивных образцов шлифуют и полируют до полного исчезновения царапин и рисок. Для определения твердости отдельных фаз образец подвергается металлографическому травлению.

6.4 Устройство и принцип работы окуляр-микрометра

Окуляр-микрометр представляет собой микрометр 7, показания которого связаны со шкалой и перекрестием нитей, фиксируемым двойной линией, расположенной на шкале измерительной линзы 12 (рис. 6.2). До начала измерений двойная линия, а, соответственно, и перекрестие должны быть расположены на цифре 4.

 Порядок измерения длины диагонали отпечатка состоит в следующем:

1. Подвести с помощью микрометрических винтов правый угол отпечатка под перекрестие, при этом шкала барабана или лимб микрометра должна находиться в нулевом положении.

2. Вращением барабана микрометра 7 перевести перекрестие от правого к левому углу отпечатка и измерить горизонтальную диагональ ромба.

3. Произвести отсчет показаний шкалы и лимба измерительного барабана микрометра и записать полученный результат в протокол испытаний. Полный оборот барабана микрометра соответствует перемещению перекрестия (двойного штриха) на одно деление шкалы. Произвести то же самое в обратном направлении, показания записать (2 измерения).

Развернуть шкалу окуляра на 90⁰, так чтобы она заняла вертикальное положение.

Рисунок 6.2 – Схема центровки и измерение отпечатка на приборе ПМТ-3

4. Подвести с помощью микрометрических винтов верхний угол отпечатка под перекрестие и вращением барабана микрометра перевести его в нижний угол отпечатка, произведя измерение вертикальной диагонали, результат записать. Операцию повторить в обратном направлении.

5. Найти среднее арифметическое 4 измерений (), результат записать в протокол испытаний

                                                 .                                                 (26)

6. Определить длину диагонали отпечатка в мкм, умножив ее на значение в делениях на 0,3 мкм – цену одного деления лимба барабана окулярного микрометра. Рассчитать Н по формуле (25), результат записать в протокол испытаний. Число твердости можно определить  по специальным таблицам, рассчитанным для разных нагрузок.

Результат испытаний записать в таблицу 6.1.

Таблица 6.1 – Результаты измерения микротвердости образцов

6.5 Другие методы определения твердости

6.5.1 Твердость при царапании

Определение твердости этим методом производят царапанием поверхности алмазным конусом с углом  при вершине 90⁰. Мерой твердости в этом случае является величина, обратная ширине царапины при определенной постоянной нагрузке. На каждом образце измеряют ширину большого числа царапин, так как точное измерение ширины царапины затруднено вследствие нерезких ее краев.

Твердость при царапании характеризует уже не сопротивление пластической деформации, как в предыдущих  методах,  а сопротивление разрушению, так как при царапании происходит местное разрушение.

           Н.Н. Давиденков установил, что твердость при царапании, вычисленная как величина, обратная ширине  царапины при нагрузке на алмаз 50 г, тесно связана с сопротивлением разрушению при разрыве. У большинства металлов при царапании происходит разрушение путем среза. Поэтому метод царапания, широко распространенный при изучении минералов, может представлять большой практический интерес  и при изучении металлов, давая возможность определять сопротивлением разрушению и связанных с ним характеристик, по данным испытаний очень малого участка поверхности.

         6.5.2 Упругий отскок шарика

При этом способе критерием твердости служит высота h упругого отскока бойка весом q, падающего на плиту с определенной высоты h. Если работа удара бойка

                                                           ,                                                        (27)

а работа отскока бойка

                                                            ,                                                        (28)

то разность  

                                                                                               (29)

является мерой твердости.

Чем больше W, тем меньше твердость. Испытания производятся на специальных переносных приборах  (склероскопах). Шкала твердости в этих приборах принята условно так, что высота отскока бойка от поверхности твердой инструментальной стали принята за 100 равных делений. Образцы для испытания должны быть либо массивными – весом порядка 2 кгс и выше, либо жестко зажаты в опору во избежание значительных ошибок.

Принцип данного метода состоит в том, что измеряется поглощенная при отскоке работа W. У идеального твердого тела вся работа возвращается бойку, т. е. H=h и W=0, и твердость максимальна. Чем ниже сопротивление пластической деформации, тем больше поглощенная материалом работа деформации, тем больше разность H-h, тем меньше твердость.

Поскольку величина работы зависит от модуля упругости, материал с меньшим модулем может казаться  значительно более твердым вследствие большой величины работы упругой деформации и относительно  меньшей величины работы пластической деформации.

Например, при испытании по Шору, резина и стекло оказываются более твердым, чем закаленная сталь.

         При этом данный метод принципиально неприменим для сравнения между собой материалов с резко  различными модулями упругости.

         Метод упругого отскока широко применяется для контроля отливок, поковок, при изучении материала в различных состояниях и т. д.

          Между величинами твердости, определяемой при упругом отскоке, и при статическом вдавливании шарика наблюдается почти линейная зависимость. В диапазоне значений твердости до НВ 400…500. Метод отличается высокой производительностью (несколько сот измерений в час).

6.5.3 Ударное вдавливание шарика

Твердость измеряется на приборе, в котором баба весом 1,5 кг с укрепленным на ее нижней части стальным шариком определенного диаметра D свободно падает с высоты 200 мм на горизонтальную  поверхность образца, плотно зажатого в особую наковальню. Измерив диаметр отпечатка d, подсчитывают вытесненный объем металла (шарового сегмента, который характеризует деформированный объем).

          За динамическую твердость при вдавливании принимается удельная работа вдавливания шарика, определяемая как частное от деления ударной высоты вдавливания (кгм×мм) на объем отпечатка (мм³).

Динамическая твердость, определяемая данным методом, обычно больше статической. Отношение ударной твердости к НВ для отожженных сталей близко к 1,7 и растет с увеличением твердости материала.

          Основное применение метода – определение твердости при повышенных температурах, чему способствует простота метода и кратковременность соприкосновения шарика с нагретым образцом.                          

6.6 Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Основные положения.

3. Отличие метода микротвердости от методов твердости.

4. Способы определения микротвердости.

5. Таблицы с результатами испытаний.

6. Выводы.

Контрольные вопросы:

1. Что такое микротвердость?

2. Каковы возможности испытания на микротвердость?

3. Как производится измерение диагоналей отпечатка?

4. Как работает микротвердомер ПМТ-3?

5. Из каких основных частей состоит прибор ПМТ-3?

6. Кто впервые предложил этот метод и разработал прибор ПМТ?

7. От каких факторов зависит выбор нагрузки?

         Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Жуковец Н.И. Механические свойства металлов. – М.: Высшая школа, 1986. – 312 с.

4. Колмаков А.Г. Методы измерения твердости. – М.: Интермет Инжиниринг, 2000. – 412 с.

В лекции "Городская проза" также много полезной информации.

5. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Механические свойства материалов». Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И., Атамбаев Ж.Н., КарГТУ, 2005 г.

Контрольные задания для СРС [1, 2, 6, 12]

1.Методика проведения испытаний на микротвердость.

2. Универсальный твердомер марки УПТ-1.

3. Юстировка.

4.Образцы для измерения микротвердости.