Установки и приборы для измерения макро- и микротвердости металлов и сплавов при высоких температурах » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Установки и приборы для измерения макро- и микротвердости металлов и сплавов при высоких температурах

15.05.2021

Макро- и микротвердость являются важной характеристикой металлов и сплавов и широко используются для оценки их свойств в широком диапазоне температур. Однако величина твердости зависит не только от свойств материала, но и в значительной мере определяется способом и условиями измерения. Поэтому необходимо наряду с величиной твердости всегда учитывать метод и примененный режим измерения твердости. Значения твердости одного и того же материала, измеренные различными способами, могут существенно отличаться друг от друга и обладать не имеющими между собой ничего общего размерностями.

В настоящее время существует много различных методов измерения твердости. Среди них могут быть выделены способы определения твердости царапанием поверхности образца алмазным или победитовым наконечником при определенных нагрузках и условиях перемещения; статические методы испытания, основанные на вдавливании в исследуемую поверхность под нагрузкой наконечников в виде шара, конуса или пирамиды и последующем измерении размеров отпечатков или глубины вдавливания. Кроме того, применяются также различные динамические методы измерения твердости, позволяющие получать данные о твердостных характеристиках материалов, например, по высоте отскока бойка, падающего на изучаемый объект с определенной высоты, или по изменению декремента затухания колебания маятника за счет взаимодействия его опоры с исследуемым образцом, и ряд других.

Наиболее распространенными являются статические методы измерения твердости, для осуществления которых применяют стандартные твердомеры Бринеля, Роквелла и Виккерса, а для испытаний, проводимых при повышенных и высоких температурах, используют различные специальные приборы, некоторые типы которых рассматриваются ниже.

Следует уточнить понятие, вводимое нами в термины «измерение макротвердости» (или просто «измерение твердости») и «измерение микротвердости» при высоких температурах. Разупрочнение металлов и сплавов при нагреве характеризуется снижением их сопротивления деформированию. Поэтому при широко используемом на практике методе измерения микротвердости путем вдавливания индентора в поверхность изучаемого образца в большинстве случаев оказывается возможным оценивать значения твердости отдельных локальных микроучастков, таких, например, как зоны возле границ и в теле отдельных зерен, определять величины твердости структурных составляющих, а также выполнять исследования на миниатюрных образцах, что особенно важно при изучении дефицитных и дорогостоящих материалов.

При выборе нагрузки для определения микротвердости экспериментатор, как правило, применяет такую ее величину, чтобы размер отпечатка был значительно меньше поперечника зерен данного материала. Нагрузки на индентор при исследовании микротвердости металлов и сплавов могут составлять от нескольких граммов до 0,5—1 кг и зависят от физических свойств и размера зерен изучаемого образца. Поэтому нельзя провести четкую демаркационную полосу, отделяющую приборы для измерения микротвердости от предназначенных для определения макротвердости.

При нагрузках на индентор, вызывающих возникновение зоны вдавливания индентора, охватывающей площадь, занимаемую несколькими (а иногда десятками и даже сотнями) зернами, получаемые сведения независимо от типа используемого прибора характеризуют только среднее интегральное значение твердости материала при температуре опыта, определяемое сопротивлением деформации как тела, так и границ зерен. Такие изыскания относятся нами к установлению значений «макротвердости».

Указанное разделение на измерение «микротвердости» и «макротвердости» может рассматриваться только как условное, так как при изучении особо мелкозернистых материалов даже при малых нагрузках на индентор невозможно определение твердостных свойств отдельных кристаллитов, а при исследовании крупнозернистых образцов, а также монокристаллов и при сравнительно больших нагрузках на индентор вполне осуществимы указанные выше определения. Однако приведенные выше термины позволяют разделить типы применяемых приборов и установок, в которых конструкция механизмов нагружения и вдавливания инденторов в значительной мере изменяется в зависимости от величины нагрузки, передаваемой образцу во время испытания. При малых нагрузках (от десятков граммов до 1—2 кг) весьма важным для получения достоверных данных о твердости является создание устройств, в которых механические потери были бы минимальными, отсутствовала вибрация и некоторые другие факторы, снижающие точность проводимых испытаний. Это обстоятельство сказывается на конструкции аппаратуры, которая применяется для измерения «горячей» микротвердости.

В настоящее время метод измерения макро- и микротвердости металлов и сплавов прочно вошел в практику контроля качества изделий и режимов технологии и широко используется при проведении многих научных исследований.

Можно выделить три основных направления, нашедшие наибольшее применение при измерении «горячей» макротвердости металлов и сплавов при высокотемпературном нагреве в вакууме (рис. 85):

1. Определение температурной зависимости твердости (рис. 85, а). При температуре T1 материал 1 обладает более высокой твердостью, чем 2 и 3; при T2 материал 1 разупрочняется и более прочным оказывается материал 2. При повышении температуры до значения T3 материал 3 оказывается самым прочным, хотя он обладал значительно меньшей твердостью при невысоких температурах.

Такая методика испытания на твердость широко применяется для качественной оценки новых композиций сплавов.

2. Исследование кинетики старения изучаемых образцов методом определения их твердости в изотермических условиях (рис. 85, б). Кривая 1 свидетельствует об отсутствии какого-либо упрочнения в исследуемом материале при данных температуре и продолжительности опыта. На кривой 2 можно определить точки а и б, характеризующие начало и окончание процесса дисперсионного твердения.

Кривая 3 иллюстрирует наблюдаемое при определенных условиях «перестаривание», сказывающееся на снижении твердости исследуемого материала. Если требуемая при эксплуатации величина минимальной твердости составляет Н1, то по кривой 3 можно установить время т1, требующееся для получения этой твердости, а также продолжительность сохранения более высокой твердости т2. Если эксплуатация данного материала будет происходить при температуре испытания, то найденное значение т2 характеризует допустимый срок службы изделия.

Данные, получаемые при испытаниях твердости в изотермических условиях, представляют большой практический интерес для назначения оптимальных режимов старения материалов.

3. Определение так называемой длительной твердости, измеряемой в изотермических условиях (рис. 85, в) при различной продолжительности выдержки индентора на образце под нагрузкой, выбираемой обычно в логарифмической зависимости и установленной нами равной 30; 300 и 3000 сек. (0,5; 5 и 50 мин.). В тех случаях, когда числа твердости при всех трех вариантах продолжительности выдержки индентора остаются неизменными (кривая 1), ориентировочно считают, что подвергаемый испытанию материал не имеет в данных условиях склонности к ползучести. По углу наклона а кривой 2 к оси ординат можно судить о степени разупрочнения: чем меньше угол между осью ординат и линией 2, тем больше склонность материала образца к ползучести. Следует отметить, что определение длительной твердости не заменяет испытаний на ползучесть и длительную прочность, так как при воздействии на образец индентора, находящегося во время опыта под постоянной нагрузкой в зоне контактирования индентора с образцом, увеличивающейся по мере возрастания размера отпечатка, будет снижаться удельное давление, т. е. нарушится основное требование, предъявляемое к испытаниям на ползучесть, — неизменная величина создаваемого в образце напряжения.

Одно из первых исследований, связанных с измерениями микротвердости при повышенных температурах, выполнено акад. А.А. Бочваром и посвящено изысканию метода ускоренных испытаний материалов при высоких температурах. Эти опыты проводились на приборе типа ПМТ-2 при нагреве образцов до 350 °C на воздухе и нагрузках на индентор 10 и 100 г. Исследовались сплавы системы алюминий — медь (с содержанием 5, 8, 10 и 12% Cu). Было установлено, в частности, что по значениям длительной твердости эти сплавы располагаются в ряд в той же последовательности, как и по значениям характеристик ползучести. Поэтому было предложено использовать простой и быстрый метод определения длительной твердости при повышенных температурах для ориентировочной оценки длительной прочности сплавов.

Для изучения свойств некоторых видов электролитических покрытий (хромового, никелевого и кобальтовольфрамового) при нагреве до 1000 °C в среде водорода А. Бреннер сконструировал специальный прибор для измерения горячей микротвердости.

Для исследования прочностных свойств при высоких температурах хрупких однофазных материалов (интерметаллических соединений, карбидов, боридов, ионных кристаллов и др.) Дж. X. Вестбрук изготовил и успешно применил прибор, позволяющий измерять микротвердость при нагрузках от 20 до 900 г и нагреве в вакууме. Из указанных материалов трудно, а иногда просто невозможно изготовлять образцы сложной формы для испытаний, например на растяжение, а при измерении макротвердости при больших нагрузках возникают существенные затруднения из-за хрупкости образцов. Использование метода определения микротвердости позволило преодолеть эти трудности и получить данные, характеризующие температурную зависимость прочности этих хрупких материалов.

С целью рационального подбора абразивов для шлифования Г.В. Бокучава провел их испытания на твердость методом вдавливания с нагрузкой на индентор от 50 до 300 г при нагреве в вакууме 1*10в-4 мм рт. ст. от 500 до 1300°С. Опыты выполнялись на специально изготовленном для этой цели приборе.

Метод измерения микротвердости был успешно использован немецкими исследователями Г. Шенком и другими при изучении нагретых в вакууме до 1000 °C образцов железа, углеродистых и марганцовистых сталей.

Таким образом, опыт последних лет свидетельствует о все возрастающем внимании исследователей к измерениям макро- и микротвердости металлов и сплавов в широком диапазоне температур.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: