ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ. ЗАДАЧИ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ В ЗАВОДСКИХ УСЛОВИЯХ.

Цель работы: Ознакомление с методами определения микротвердости металлов, а также с устройством и принципом действия приборов для измерения микротвердости.

Оборудование и материалы: Микротвердомер ПМТ-3М, ручной пресс для прецизионной установки измеряемой поверхности образца в горизонтальной плоскости, протравленные микрошлифы различных материалов с диффузионными зонами или фазами различной твердости, цифровой микроскоп «Микровизор» для предварительного просмотра образцов и выбора мест для измерений, плитка пластилина для установки образцов, бумажные салфетки.

Задания: 1. Ознакомиться с основными методами определения микротвердости. 2. Изучить устройство и принцип действия микротвердомера ПМТ-3М. 3. Ознакомиться с устройством и работой современных приборов для определения микротвердости. Объяснить, в чем разница измерений на приборах типа ПМТ-3 и современных приборах. 4. Произвести пробное нагружение образца и измерение отпечатка. 5. Провести измерения микротвердости на приборе ПМТ-3М на образцах с различными фа6ами. 5. Провести измерения микротвердости на стальном образце с обезуглероженным слоем. 7. Построить графики зависимости микротвердости от расстояния между отпечатками.  8. Подготовить отчет по работе.

Общие сведения

   Испытания на микротвердость – это один из статических методов определения твердости путем вдавливания. От других способов он отличается по величине прикладываемой нагрузки: испытания на микротвердость (нагрузка менее 0.5 кгс), твердость при малых нагрузках (нагрузка в пределах от 0.5кгс до 5 кгс) и испытания на макротвердость ( нагрузка более 5 кгс). Результаты испытаний на микротвердость зависят от структурного состояния материала и их применяют, в основном, как один из методов исследования микроструктуры.

   При таких испытаниях возможно измерение твердости на деталях небольшой толщины, в очень тонких слоях или в микрообъемах металла, Измерения микротвердости применяют и при оценке различных по структуре и свойствам слоев металла, например, поверхностного слоя цементованной, азотированной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Можно также измерять твердость отдельных структурных составляющих стали.

   Измерения твердости (макротвердости) отличаются от измерений микротвердости тем, что в испытываемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, зависящую прежде всего от величины прилагаемой нагрузки и свойств материала. При этом во многих случаях вдавливается тело больших размеров (шарик Ф10 мм), в результате чего в деформированном объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава. В результате, измеренная твердость характеризует твердость всего изделия.

  Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, подшипниковые сплавы и т.п.), то можно определить твердость этих составляющих. Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную микроструктуру, то даже малые по объему участки испытываемого изделия достаточны для оценки его свойств. В таких случаях специальные испытания на микротвердость бессмысленны, так как их результаты будут совпадать с результатами испытаний на макротвердость. Таким образом, цель измерения микротвердости состоит в оценке свойств отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (а не усредненной характеристики, как при измерении макротвердости). В данном случае объем, деформируемый вдавливанием, должен быт меньше объема (площади) измеряемого зерна и, поэтому, прилагаемая нагрузка выбирается небольшой.

   Значительное влияние на результаты испытаний твердости оказывает состояние поверхности измеряемого материала, так как поверхностный слой должен наиболее полно характеризовать материал. Отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка вдавливания, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность, которая для измерения микротвердости должна быть не только отполирована, но и протравлена и не содержать рисок и инородных микрочастиц; нельзя допускать наклепа поверхностного слоя.

   Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т.е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела.

Метод микротвердости позволяет определить твердость фаз и структурных составляющих и дает возможность решать вопросы, связанные с влиянием этих составляющих на упрочнение. Метод позволяет установить, какие легирующие компоненты играют главную роль в упрочнении исследуемого сплава.

Фактически, измерение микротвердости является одним из методов металлографического анализа, т.е. анализа микроструктуры. Целями измерения микротвердости являются:

‑ определение твердости отдельных зерен и структурных составляющих многокомпонентных сплавов (здесь метод микротвердости единственный), что имеет большое значение при изучении свойств и превращений в сплавах при их термической обработке в производстве, структурных изменениях в эксплуатации и многих др.

‑ определение твердости отдельных микрообъемов образцов и деталей, имеющих отличия от основной массы их материала; это могут быть местные (поверхностные) упрочнения и разупрочнения (различные покрытия, наклепанные деформированием слои, участки разогрева и соответственно разупрочнение режущего лезвия инструмента и т. п.).

Метод микротвердости применяется для изучения внутрикристаллической ликвации, его можно использовать при построении диаграмм состояния.

Метод микротвердости можно с успехом применять для исследования процессов диффузии в металлических сплавах, так как величина микротвердости зависит от концентрации легирующего компонента в той или иной фазе.

Для исследования процессов диффузии в поверхностных слоях образца следует делать его косые срезы, что увеличивает размер исследуемой поверхности и точность измерений.

Метод микротвердости очень чувствителен к незначительным изменениям состава фаз, поэтому им можно пользоваться для изучения пределов растворимости. В случае ограниченной растворимости в твердом состоянии микротвердость растет по мере увеличения концентрации второго компонента в сплаве; при переходе за предел насыщения рост микротвердости раствора практически прекращается.

По данным ряда исследований для некоторых случаев взаимодействия компонентов построены диаграммы состав–микротвердость (рис. 8.1).

Микротвердость эвтектической смеси практически не меняется и определяется твердостью той составляющей, количество которой преобладает в эвтектической смеси. Наиболее интересен тот факт, что микротвердость эвтектики почти не зависит от высокой твердости кристаллов химического соединения, входящих в эвтектику.

              а                                               б                                        в

Рис. 8.1 Диаграммы состав – микротвердость для некоторых случаев взаимодействия компонентов: а ‑ случай с ограниченной растворимостью и эвтектикой; б – случай с перитектикой; в ‑ случай с ограниченной растворимостью, химическим соединением и эвтектикой.

В приложении (табл. 1–3) приведены значения микротвердости некоторых металлов, сплавов, а также фаз и структурных составляющих.

Измерение микротвердости

Для изучения свойств и превращений в сплавах необходимо нетолько знать «усредненную» твердость – макротвердость HB, HRC, HRA, HRВ (рис. 8.2, а, б), представляющую твердость как результат суммарного влияния на нее присутствующих в сплаве фаз и структурных составляющих, но и определять твердость (микротвердость) отдельных фаз и структурных составляющих сплава.

 

а                                                    б                                        в

Рис. 8.2. Схемы испытания на твердость:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу (алмазная пирамида)

 

Микротвердость устанавливают вдавливанием алмазной пирамиды (рис. 8.2, в). При измерении микротвердости согласно, ГОСТ 9450-76, чаще всего используют методы Виккерса (алмазный индентор с четырехгранной пирамидой и квадратным основанием) и Кнупа (алмазный индентор с четырехгранной пирамидой и ромбическим основанием).

Для индентора Виккерса с четырехгранной пирамидой и квадратным основанием микротвердость рассчитывают по формуле (1):

H_£h .

Для четырехгранной пирамиды с ромбическим основанием (по методу Кнуппа) число микротвердости (H_¸h) следует вычислять по формуле (2):

H_¸h ,

где P ‑ нормальная нагрузка, приложенная к алмазному наконечнику, H (кгс); S ‑ условная площадь боковой поверхности полученного отпечатка, мм²; d ‑ среднее арифметическое длины обеих диагоналей квадратного отпечатка, мкм; l ‑ размер отпечатка (длина большой диагонали), мкм; a,  b ‑ углы разных заострений алмазных наконечников, градусы.

Четырехгранная алмазная пирамида индентора имеет угол между гранями при вершине 136°, т. е. такой же, как и в пирамиде для измерения макротвердости по Виккерсу, что облегчает пересчет на числа Виккерса и значения HB, HRC, HRA, HRB.

В случаях, когда необходимо измерить тонкие образцы, покрытия малой толщины, тонкие поверхностные слои используется индентор Кнуппа с четырехгранной пирамидой с ромбическим основанием и углом между гранями при вершине α = 172°, β = 130°.

Глубина отпечатка составляет:

h_£  при измерении индентором с квадратным основанием;

h_¸  при измерении индентором с ромбическим основанием,

что позволяет проводить измерения тонких образцов и структурных составляющих без искажения результатов.

В данной работе используется разработанный в СССР и широко применяющийся в настоящее  время    микротвердомер  ПМТ-3М (Рис.8.3).  Ниже  приведено  устройство  и    принцип действия этого прибора. Измерения микротвердости с помощью прибора ПМТ-3М осуществляется следующим образом.

1. Производится отбор образцов, пригодных для проведения измерений. Образцы должны содержать различные фазы или диффузионные слои с размерами, превышающими величину диагонали отпечатка. Поверхность в месте для измерений должна быть гладкой и горизонтальной. Для этой цели используется металлографический микроскоп, пригодный для быстрого просмотра микрошлифов.

2. Проводится юстировка прибора в следующей последовательности: а) проверка горизонтальности поверхности, на которой установлен микротвердомер с помощью уровня. б) юстировка прибора с помощью юстировочных винтов согласно заводской инструкции.

3. Установка измеряемой поверхности образца в горизонтальное положение на съемным столике микротвердомера с помощью кусочков пластилина, ручного пресса и предохраняющих поверхность микрошлифа от повреждения бумажных салфеток.

4. Перенос съемного столика с установленной в горизонтальное положение поверхностью микрошлифа на поворотный столик с ручками (13).

5. Включение прибора, выбор мест для измерений перемещением образца с помощью микрометрических винтов (13). Измерения должны осуществляться в середине поля зрения микроскопа прибора – точно в вершине угла неподвижной сетки, наблюдаемой в окулярном микрометре.

6. Проведение пробного испытания на микротвердость в одном из выбранных мест:        а) осуществить плавный, без толчков поворот стола на 180⁰ с помощью ручки (1), б) произвести «укол» образца алмазной пирамидкой медленным поворотом рычага (4) в течение 10-15 с так, чтобы алмаз коснулся образца, в) осуществить выдержку в течение 10-15 с, г) плавно повернуть рычаг (4) в первоначальное положение, подымая шток с алмазом, д) возвратить поворотный стол в исходное состояние, разворачивая его в обратном направлении на 180⁰ для измерения диагонали отпечатка (Рис. 8.4).

7. Измерение величины отпечатка: если прибор правильно отцентрирован, то изображение отпечатка в окулярном микрометре окажется в поле зрения микроскопа близко к вершине угла неподвижной сетки (см. п. 5). а) Вращением винтов (10) отпечаток подводят к угольнику неподвижной сетки (Рис. 5.4) так, чтобы вершина угольника совпала с левым углом отпечатка. б) вращением микрометрического барабана окуляра вершину треугольника подводят вершину угольника подвижной сетки к противоположному углу отпечатка. в) При таком положении сеток деления микрометрического барабанчика указывают длину диагонали отпечатка; записываем этот размер. г) Поворачивая окуляр на 90⁰, определяем длину второй диагонали. д) определяем среднюю длину диагонали отпечатка d.

8. Определение числа микротвердости H_h определяется по формуле (1) или по таблицам расчета твердости по Виккерсу.

Недостатки измерения твердости приборами типа ПМТ-3.

Микротвердомер ПМТ-3 – это оптический микроскоп, оснащенный рычажной системой с набором грузиков для осуществления нагружения. На приборе вручную приходится проводить юстировку и тарировку, выставлять уровень, проводить вращение предметного столика, вручную производить перемещение отсчетного механизма, вручную проводить перемещение индентора, осуществлять нагружение и разгрузку.

Система очень чувствительна к вибрациям и перемещениям. Юстировку необходимо проводить регулярно. Если прибором пользуется не один человек, каждый оператор должен перед его использованием всю перечисленную выше работу осуществлять заново. Результаты измерений, как правило, зависят от оператора, т.е. человеческий фактор очень важен.

Современные приборы для измерений микротвердости.

    В последние годы происходит революция в технической оснащенности лабораторий производственных предприятий, НИИ и ВУЗов. Твердомеры с грузо-рычажной системой нагружения, в том числе микротвердомеры типа ПМТ-3 уже не выпускаются. На смену им пришли приборы с современной точной механикой и оптикой, электронной системой нагружения, регистрации и корректировки данных с использованием тензометрических датчиков.

Приборы автоматизированы, что позволяет избежать ошибок, обусловленных человеческим фактором. Они оснащены цифровой системой нагружения, измерения и обработки результатов испытаний. Один из современного приборов -  микротвердомер Nexus 4504 показан на рис. 8.5. Большинство микротвердомеров универсальны и позволяют проводить испытания различными методами с различным уровнем нагрузки. Смена системы нагружения осуществляется быстро простым автоматически осуществляемым поворотом револьверной головки (Рис.8.6) или турели. При этом в рабочее положение могут устанавливаться различные инденторы (Виккерса или Кнупа) или объективы микроскопов. При необходимости возможно проведение и ручных измерений отпечатков. Как правило, микротвердомеры имеют столь широкий диапазон нагрузок, что позволяют проводить и измерения макротвердости (Рис. 8.7).

Приборы имеют столик для автоматического перемещения образцов в заданную точку (Рис. 8.6; 8.7), совершенную оптическую систему металлографических микроскопов и систему анализа изображений.  После проведения испытаний система выводит изображение  отпечатка

 на экран монитора (рис. 8.5; 8.7) персонального компьютера.

 На рис. 8.8 показана микроструктура литой быстрорежущей стали после закалки. Сталь состоит из крупных зерен неоднородного строения, причем каждое зерно имеет три концентрических слоя (различия в микротвердости хорошо иллюстрируются размерами отпечатков):

1) сердцевина зерна имеет твердость 320‑350 НV (35 HRC);

2) промежуточный слой 700‑725 HV (58 HRC);

3) наружный слой 940‑1000 HV (65‑67 HRC).

Рис. 8.8. Литая быстрорежущая сталь после закалки, видны отпечатки алмазной пирамиды; х500.

 

Между различными методами измерения твердости существует корреляция, хотя и не очень точная. Зная значение твердости, полученное одним способом, по соответствующим таблицам можно определить, какому числу твердости (и прочности) другого метода оно соответствует (табл. 8.1). При измерении микротвердости на приборе перевод значения микротвердости по Виккерсу может автоматически пересчитываться в значения твердости по Роквеллу и Бринеллю.

Таблица 8.1 Сравнительная таблица значений твердости, полученных на различных приборах, и перевода в значения прочности.

Виккерс HV	Бринелль НВ3000	Роквелл HRB	σв, МПа	Виккерс HV	Бринелль НВ3000	Роквелл HRC	σв, МПа	Виккерс HV	Роквелл HRC
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
100	100	52,4	340	240	240	20,3	810	490	47,5
105	105	57,5	360	245	245	21,2	830	500	48,2
110	110	60,9	370	250	250	22,1	850	520	49,6
115	115	64,1	390	255	255	23,0	870	540	50,8
120	120	67,0	410	260	260	23,9	880	560	52,0
125	125	69,8	420	265	265	24,8	900	580	53,1
130	130	72,4	440	270	270	25,6	920	600	54,2
135	135	74,7	460	275	275	26,4	930	620	55,4
140	140	76,6	480	280	280	27,2	950	640	56,5
145	145	78,3	490	285	285	28,0	970	660	57,5
150	150	79,9	510	290	290	28,8	990	680	58,4
155	155	81,4	630	295	295	29,5	1000	700	59,3
160	160	82,8	540	300	300	30,2	1020	720	60,2
165	165	84,2	560	310	310	31,6	1050	740	61,1
170	170	85,6	580	320	319	33,0	1080	760	62,0
175	175	87,0	590	330	328	34,2	1110	780	62,8
180	180	88,3	610	340	336	35,3	1140	800	63,6
185	185	89,5	630	350	344	36,3	1170	820	64,3
190	190	90,6	650	360	352	37,2	1200	840	65,1
195	195	91,7	660	370	360	38,1	1220	860	65,8
200	200	92,8	680	380	368	38,9	1250	880	66,4
205	205	93,8	700	390	376	39,7	1280	900	67,0
210	210	94,8	710	400	384	40,5	1310
215	215	95,7	730	410	392	41,3	1330
220	220	96,6	750	420	400	42,1	1360
225	225	97,5	760	430	408	42,9	1390
230	230	98,4	780	440	416	43,7	1410
235	235	99,2	800	450	425	44,5	1440
240	240	100,0	810	460	434	45,3	1470
				470	443	46,1	1510
				480	452	46,8	1540

Погрешность перевода чисел твердости по Виккерсу в единицы Бринелля составляет ± НВ 20, в единицы Роквелла ‑ ± 3 НRC (HRВ), в значения σ_в ± 10%.

---

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 400; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!