Приборы для определения динамической твердости при высоких температурах

Одно из направлений в области создания специальных приборов для измерения макротвердости при высоких температурах — разработка устройств, в которых твердость определяется динамическим методом (при кратковременном ударном воздействии индентора на образец). При этом учитывается, что при малой продолжительности контакта холодного индентора с нагретой поверхностью образца можно изготовлять индентор из материалов, не выдерживающих длительного воздействия высоких температур, а также пренебречь локальным «подстуживанием» образца. Ряд таких приборов был изготовлен и проверен в эксплуатации еще в 1924-1928 гг., однако в дальнейшем они не нашли применения. Только в самое последнее время (в 1960 г.) появились сведения о том, что Л.М. Фитцжеральд создал оригинальную установку для измерения динамической твердости при температурах до 3000 °C в вакууме 1*10в-4 мм рт. ст. Нa рис. 90 приведена принципиальная схема устройства рабочей камеры этою прибора. Исследуемый образец 1 в виде цилиндра диаметром 12,5—25 мм и такой же высоты помещают на графитовую подставку 2, расположенную внутри графитовой трубы 3 длиной 220 мм с внутренним диаметром 36 мм и толщиной стенок 4 мм. Эта труба служит нагревателем и присоединена к водоохлаждаемым фланцам 4, связанным с низковольтным трансформатором мощностью 25 ква. При нагреве на 2000 °C к трубе 3 подводится напряжение около 9 в, а ток при этом составляет 1200 а. Графитовая подставка опирается на изолирующую стойку 5. Для снижения тепловых потерь при нагреве трубы 2 служат экраны 6. Вакуумное уплотнение и электрическая изоляция фланцев 4 от корпуса 7 осуществляются резиновыми кольцевыми прокладками 8.

По оси нагревателя 3 расположен водоохлаждаемый колпак 9, в верхней части которого имеется бункер, в который перед, началом опыта загружают 50 шариков из карбида вольфрама, имеющих, диаметр 3,2 мм и вес 0,25 г каждый. Механизм 10 подает по одному шарику индентору, который может свободно падать на образец с высоты h1 = 560 мм, перемещаясь внутри трубы 11.

Когда шарик проходит мимо смотрового стекла 12 и освещается лампой 13, в фотоумножителе 14 возникает импульс, подготовляющий к работе электронно-счетное устройство, не изображенное на схеме рис. 90. Второй импульс, возникающий в фотоумножителе 14 при перемещении шарика вверх после отскока от образца, включает электронносчетное устройство, а третий, возбуждаемый в фотоумножителе при падении шарики вниз после потери энергии при ударе об образец, выключает электронно-счетное устройство. Время полета 2t шарика-индентора, определяемое электронно-счетным устройством от момента его включения до момента выключения, позволяет вычислять высоту отскока

где g — вес шарика, равный, как указывалось выше, 0,25 г;

h1 — расстояние от образца до зоны регистрации положения шарика фотоумножителем (в описываемой конструкции h1 = 127 мм),

Устройство 15 в виде заслонки с электромагнитным управлением предотвращает вторичное падение на образец шарика-индентора, отводя его в сторону, после чего механизмом 10 может быть подан следующий шарик. Таким образом, в течение одного опыта можно провести до 50 измерений твердости при высоких температурах.

По данным Д. Тейбора, динамическое воздействие, пропорциональное скорости шарика при его ударе в результате (падения на образец с высоты 250 мм, примерно равно статическому давлению, определенному из формулы

где Va — объем в зоне вдавливания шарикового индентора в образец (в тех случаях, когда отпечатки имеют такой же радиус кривизны, что и индентор).

Этот объем

где 2а, равное d, — размер хорды по диаметру в зоне вдавливания;

r1 — радиус индентора.

Д. Тейбор вывел зависимость, в которой значение Va исключено и P может быть определено из величин h1 и h2. Зная модули упругости E1 и E2 индентора и образца, величину твердости можно найти только по измерениям высоты отскока шарикового индентора:

Полагая, что [1/f(E)]4 при нагреве значительно не меняется, величину твердости можно характеризовать высотой отскока индентора A2.

Время t взаимодействия шарика с поверхностью образца при ударе на описываемой установке, определяемое при помощи пьезоэлектрического датчика, составляет всего 2*10в-6 сек.

Поэтому указанное взаимодействие можно рассматривать как мгновенную передачу энергии образцу. При этом усилие, воспринимаемое образцом, будет равно

В данной установке Fmt = 8,3 кг.

Необходимо напомнить, что одна из труднейших проблем при создании приборов для измерения твердости при высоких температурах — выбор термостойкого материала. При температурах 1500 °C и более статические методы определения твердости вряд ли обеспечат надежную работу твердомеров. Поэтому можно полагать весьма перспективным развитие работ в области проектирования, изготовления и совершенствования приборов для динамического определения твердости. Однако в этом направлении сделано пока еще очень мало.