Приборы для измерения статической макротвердости при высоких температурах » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Приборы для измерения статической макротвердости при высоких температурах

15.05.2021

Для измерения твердости металлов и сплавов статическим методом в интервале от комнатной температуры до 1300 °C методом вдавливания в 1947 г. в Институте металлургии им. А.А. Байкова была начата, а с 1951 г. в Институте машиноведения АН бывш. СССР была продолжена разработка новых специальных приборов, в которых образцы нагреваются в вакууме. Были созданы следующие приборы, различающиеся по способу нагрева и количеству одновременно исследуемых образцов: а) однопозиционные приборы с нагревом одного образца пропускаемым по нему электрическим током и б) много позиционные (шестишпиндельные) установки для измерения твердости с радиационным нагревом образцов. Однопозиционные приборы для измерения твердости при нагреве до 1100° в вакууме описаны в работах и.

Многопозиционная установка для измерения твердости при радиационном нагреве образцов до 1300 °C в вакууме была разработана Н.Т. Гудцовым, Н.А. Богдановым и автором. В этом устройстве образец и наконечник нагреваются до одной и той же температуры, а испытанию можно одновременно подвергать шесть образцов.

При измерении твердости металлов, интенсивно испаряющихся при нагреве в вакууме, целесообразно, что и предусмотрено, наполнять рабочую камеру установки инертным газом (аргоном, гелием).

Исследуемые образцы 1 (рис. 91, а), имеющие форму диска диаметром 14,8 мм и высотой 5 мм, помещены в держатели 2, прикрепленные к стойкам 3, снабженным зубчатыми колесами 4. Стойки и образцы вращаются вокруг вертикальной оси в подшипниках 5, расположенных в подставке 6. Коническая зубчатая передача 7 соединена через вакуумный шлиф 8 с червячным редуктором 9 со стрелкой и шкалой 10 для определения положения образцов. Каждое деление шкалы соответствует повороту образцов на угол 6°.

Образцы нагреваются до 1300 °C за счет излучения от молибденового ленточного нагревателя 11, охватывающего каждый образец. Выводы от нагревателя проходят через вакуумное уплотнение в корпусе 12 и присоединяются к низковольтному трансформатору. Для снижения величины тепловых потерь от нагревателя служат экраны 13.

Твердость металлов и сплавов в описанных выше приборах измеряется методом вдавливания наконечника индентора, имеющего форму четырехгранной пирамиды. Подавляющее большинство осуществленных нами исследований температурной зависимости твердости с нагревом до 900—1000 °С (результаты излагаются ниже) выполнено при использовании инденторов, снабженных наконечниками из технического алмаза; три испытаниях с нагревом до 1300 °C применены инденторы, армированные наконечниками из искусственного сапфира.

Хотя, по литературным данным, потемнение кристаллов алмаза, нагреваемого в вакууме, происходит только при 1500 °C, а твердость алмаза наиболее высокая по сравнению с твердостью всех известных материалов применение алмазных наконечников для измерения твердости металлов и сплавов при нагреве до 1100 °C рекомендовать нельзя.

При высокотемпературных измерениях твердости, например технического железа, в интервале 900—1100 °C неизменно наблюдается схватывание алмазных пирамид с образцами. Кроме того, происходит притупление рабочей зоны наконечника уже через несколько десятков измерений при 900 °С, а при 1100 °C для притупления наконечника достаточно вдавливания в течение 1 мин. при нагрузке 1 кг.

Схватывание между алмазным наконечником и образцом при высокотемпературных испытаниях твердости можно объяснить диффузионными процессами в зове контакта. В результате перемещения частиц углерода из кристаллической решетки алмаза образец изнашивается и для восстановления его наконечника необходима перешлифовка. Была исследована возможность использования различных материалов для изготовления наконечников прибора измерения твердости при высокотемпературном нагреве в вакууме. Например, были исследованы инденторы с наконечниками из твердых сплавов (изготовленных методами порошковой металлургии из карбида вольфрама и смеси карбида вольфрама и карбида титана с кобальтом в качестве связки), а также наконечники с керамическими вставками из термокорунда (материала, используемого в виде пластинок для резцов). Однако уже при 900—1000° эти наконечники выходили из строя после нескольких вдавливаний.

Значительно более высокими эксплуатационными качествами обладают наконечники, армированные искусственными сапфирами (синтетическим корундом). Этот материал имеет гексагональную кристаллическую решетку и обладает твердостью по Моосу, равной 9. Удельный вес искусственного сапфира, выращиваемого в виде монокристаллов диаметром до 30 мм и длиной около 60 мм, составляет 3,9—4,1 г/см3, а температура его плавления 2050 °С.

Искусственный сапфир первого сорта имеет модуль упругости 17800 кг/мм2 и коэффициент линейного расширения 5,5*10в-6.

Выполненные автором совместно с М.Б. Гутерманом испытания показали, что инденторы, армированные искусственными сапфирами, обладают достаточно высокой стойкостью при 1300 °С, в частности при испытании чистого железа, когда алмазные наконечники притупляются уже при 1100 °C.

Оси наконечников и образцов на описываемом приборе смещены одна относительно другой на 5 мм. При опускании наконечников после каждого поворота образцов на 6° можно получить на их поверхности целую серию отпечатков. При расположении отпечатков на расстоянии около 0,5 мм один от другого и при эксцентриситете х (между осью наконечников и осью образцов), равном 5 мм, длина окружности, по которой могут быть сделаны отпечатки, равна 31,4 мм, а общее число отпечатков составляет 60.

Однако для того чтобы точно зафиксировать участки начала и окончания измерений твердости, на образец наносят не более 58 отпечатков алмазного наконечника, так как при этом не получается замкнутая «пунктирная линия», образованная отпечатками.

Диагонали отпечатков на образцах измеряют (окулярным микрометром) после их охлаждения до комнатной температуры и извлечения из рабочей камеры. Полученные значения диагоналей подставляют в формулу,
Приборы для измерения статической макротвердости при высоких температурах

где HV — твердость по Виккерсу;

F — площадь отпечатка, мм2;

P — нагрузка на индентор, кг;

а — угол между противолежащими гранями пирамиды (а = 136°);

b — диагональ отпечатка, мм.

На описываемом приборе имеется шесть разъемных грузов 14. Эти грузы опираются на площадку 15, укрепленную на двух полых стойках 16. Вертикальные штоки 17 соединяют грузы с инденторами 18. Поднимаются и опускаются грузы и наконечники при помощи тяги 19 и кулачкового механизма 20. Ось кулачкового валика 21 проходит через вакуумный конический шлиф 22 и соединена с муфтой 23 привода исполнительного механизма 24 типа ПР-1. При нажатии кнопки на пульте включается двигатель исполнительного механизма и муфта 23 плавно поворачивается на 180° за 30 сек., опуская площадку 15 с шестью грузами 14, штоками 17 и инденторами 18. Рабочий ход кулачков 20 на несколько миллиметров больше промежутка между образцами и наконечниками. Поэтому при опускании площадки 15 торцы грузов выходят из соприкосновения с плоскостью площадки и оказывают давление на острие наконечников. Трением между штоками 17 и направляющими втулками, через которые проходят штоки, можно пренебречь, так как оно очень мало.

На шкале моторного реле времени (не показанного на рассматриваемой схеме) устанавливается требуемая выдержка инденторов на образце под нагрузкой плюс 30 сек., так как данное реле включается одновременно с электродвигателем исполнительного механизма, а поворот муфты 23, как сообщалось выше, обеспечивающий опускание грузов, совершается за 30 сек.

По окончании заданной экспозиции реле времени производит пуск электродвигателя исполнительного механизма в обратном направлении; при этом поднимается площадка 15. Затем при помощи редуктора 9 все образцы поворачиваются в вакууме на угол в 6° и может быть повторена операция вдавливания индентора, для чего нажимают кнопку, воздействующую напуск электродвигателя исполнительного механизма или, если это требуется, изменена температура испытания.

Температуру нагрева образцов измеряют платинородий-платиновой термопарой 25, спай которой прикреплен к держателю образца точечной электросваркой. Выводы термопары 25 пропущены через вакуумное уплотнение в корпусе 12 и соединены с автоматическим электронным потенциометром, обеспечивающим сохранение требуемой температуры с точностью ±0,5%. Для контроля работы прибора используются три вспомогательные термопары (не показанные на рис. 90, а), спаи которых прикрепляются еще к одному держателю образца, а также к двум участкам нагревателя.

Воздух и газы из рабочей камеры прибора (образуемой стеклянным колпаком 26 и медным корпусом 12) откачиваются через горловину корпуса 12. Остаточное давление в рабочей камере при нагреве образцов должно быть порядка 1*10в-5 мм рт. ст.

В некоторых случаях, например при измерении твердости сплавов, обладающих высокой твердостью и жаропрочностью, целесообразно увеличивать нагрузку на алмазную пирамиду до 5—10 кг, так как при меньшей нагрузке отпечатки имеют столь малые размеры, что небольшая неточность при их измерении сильно увеличивает разброс чисел твердости. В приборе предусмотрена установка вместо шести грузов по 1 кг двух грузов по 10 кг, составляемых из двух частей: одна из них вместе со штоком весит 5 кг, а вес второй части 5 кг. Испытания при нагрузке 5 или 10 кг можно проводить только на двух расположенных друг против друга позициях прибора.

На рис. 91, б показан внешний вид описанного выше прибора.

Перепад температуры между образцами и нагревателем составляет около 300 °C (при температуре образцов до 600 °С) и снижается при нагреве образцов до более высокой температуры. Поскольку алмазные или сапфировые наконечники находятся на расстоянии около 3 мм от образцов, а высота нагревателя составляет 30 мм, то образцы и наконечник индентора равномерно прогреваются. Средний срок службы молибденового нагревателя больше 500 час. непрерывной работы установки.

На рис. 92 показана схема расположения отпечатков на поверхности образца, нанесенных при нагреве в вакууме, а на рис. 93, а и б даны чертежи инденторов, армированных техническим алмазом и искусственным сапфиром (синтетическим корундом). Корпус индентора при армировании алмазом изготовляется из аустенитной стали, а при исследовании в качестве материала наконечника искусственного сапфира — из молибдена, так как коэффициенты расширения сапфира и молибдена очень близки. Крепятся наконечники путем зачеканки; применение пайки, естественно, недопустимо, Г.В. Бокучава исследовал температурную зависимость твердости при нагреве от 500 до 1300 °C в вакууме трех твердых материалов: карбида кремния, электрокорунда, легированного окисью хрома (рубина), и белого электрокорунда (искусственного сапфира). В качестве индентора использовали алмазный наконечник, заточенный в виде четырехгранной пирамиды. В табл. 16 приведены результаты этих измерений, а на рис. 94 — температурная зависимость твердости искусственного сапфира (по данным В.С. Миротворского). Испытанию подвергались образцы, вырезанные вдоль и поперек монокристаллической були. На этот же график нанесены данные Г.В. Бокучавы. Заметного изменения твердости сапфира в зависимости от его кристаллографической ориентации не установлено.


Более высокие значения, полученные Г.В. Бокучава, можно объяснить, по-видимому, иным сортом исследованных образцов, а также тем, что индентор в опытах Г.В. Бокучавы не нагревался до температуры образца, что могло привести за счет локального подстуживания при вдавливании индентора к получению более высоких, чем действительные, чисел твердости сапфира.

Описанный выше прибор для изучения твердости входил в комплект изготовлявшихся серийно на заводе «Платиноприбор» установок типа УИМВ-1 и ВИМ-1.

Как отмечалось выше, диагонали отпечатков индентора измеряют после охлаждения образцов до комнатной температуры и извлечения их из вакуумной рабочей камеры. Это, естественно, вносит определенную погрешность в величину вычисляемой твердости (она оказывается несколько завышенной).

Например, при коэффициенте линейного расширения материала, равном 15*10в-6 мм/мм*град, охлаждение с 1000 °C до комнатной температуры вызывает погрешность в CTqpoHy уменьшения размера диагонали примерно на 1,5%. Поскольку величина диагонали входит в формулу для определения чисел твердости по Виккерсу во второй степени, искажение из-за отсутствия учета этих изменений в данном примере скажется в виде увеличения твердости на 2,25%.

Когда требуется получить точные значения твердости материалов в широком интервале температур, следует вводить указанную поправку в вычисляемые размеры диагоналей отпечатков.

В тех случаях, когда размеры диагоналей определяют на приборе типа ПМТ-3 (очень удобном для этой цели) и применяются входящие в комплект этого прибора объектив типа ОЭ-23 (с фокусным расстоянием F = 23,17 и апертурой А = 0,17) и окулярный микрометр типа АМ9-2, трудоемкость работы можно значительно снизить при использовании для определения чисел твердости данных табл. 17.

В первом столбце этой таблицы по вертикали помещены значения от 20 до 500 величины диагонали отпечатка в делениях окулярного микрометра. Твердость по Виккерсу при этом может быть найдена в соседнем столбце с индексом 0.

Для определения значений твердости с учетом десятых долей, измеряемых при определении размеров диагоналей окулярным микрометром, предназначаются графы, расположенные в табл. 17 по горизонтали под цифрами 1—9.

Для измерения твердости при радиационном нагреве в вакууме в 1960 т. была создана установка типа ИМАШ-7, внешний вид открытой рабочей камеры которой показан на рис. 95. В данной установке испытанию подвергают один образец, который помещают внутри трубчатого нагревателя (графитового, молибденового или вольфрамового). После каждого вдавливания индентора с алмазным или сапфировым наконечником (аналогичным показанному на рис. 93) смещение оси образца относительно оси индентора, а также поворот образца осуществляются при помощи специального механизма. Такое сложное движение позволяет наносить на поверхность образца (имеющего диаметр 14,8 мм) за время опыта до 200 отпечатков, располагающихся по спирали, с расстоянием между соседними отпечатками около 0,5 мм и промежуткам между ветвями спирали около 1 мм (рис. 96).

На установке ИМАШ-7 можно измерять твердость в интервале от 20 до 1300 °C при остаточном давлении внутри рабочей камеры около 10в-5 мм рт. ст.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: