Устройство установки ИМАШ-9 для измерения микротвердости при нагреве и растяжении в вакууме
На рис. 102, а и б приведена принципиальная схема устройства прибора для измерения микротвердости, используемого в установке ИМАШ-9, созданной автором и В.С. Миротворским в 1957 г. Исследуемый образец 1 имеет форму и размеры, указанные на рис. 5, ж. Головки образца закреплены в захватах 2 и 3. Один из них может перемещаться при удлинении образца под действием растягивающей нагрузки Р, передаваемой тягой 4, которая проходит через корпус вакуумной камеры 5 и герметизирована в нем сильфоном 6. Образец можно передвигать по горизонтали внутри камеры 5 для выбора участка, в зоне которого требуется измерить микротвердость. Для этой цели предназначена тяга 7 со шпонкой, фиксирующей ее положение в корпусе камеры 5; имеющаяся на конце тяги 7 резьба соединена с резьбой в гайке 8. При вращении этой гайки тяга перемещается. Для уменьшения сил трения в описываемой системе служит упорный шариковый подшипник 9, а герметизация тяги 7 обеспечивается сильфоном 10.
К верхней части камеры 5 прикреплена насадка 11, в которую входит поворачиваемая на притертом вакуумном коническом уплотнении вставка 12, снабженная герметизированной на вакуумном уплотнении жестко соединенной с ней крышкой 13. Для поворота вставки 12 имеется рукоятка 14.
На крышке 13 укреплен микроскоп 15 типа МВТ, снабженный удлиненным тубусом 16, проходящим внутри вакуумной камеры. Вертикальное перемещение тубуса при наводке микроскопа на резкость без нарушения герметичности его соединения с камерой обеспечивается сильфоном 17. На конце тубуса 16 в вакуумно-плотном стакане 18 (в дно которого впаяно на хлористом серебре плоскопараллельное кварцевое стекло) укрепляется один из объективов микроскопа МВТ, рабочие расстояния и оптические характеристики которых представлены в помещенной выше табл. 11.
К тубусу микроскопа прикреплено устройство для подвески индентора 19 (устройство подвески, обеспечивающей безлюфтовое перемещение индентора, рассмотрено ниже).
На установке ИМАШ-9 микротвердость измеряют в следующей последовательности.
Во время выбора исследуемой зоны объектив микроскопа располагают над рассматриваемым участком образца; все элементы прибора в это время находятся в положении, показанном на рис. 102, а. Для вдавливания индентора в образец верхнюю часть прибора поворачивают при помощи рукоятки 14 на коническом вакуумном шлифе 12 в крайнее положение (до упора). При этом размещение деталей прибора соответствует показанному на рис. 102, б. Ось индентора 19 оказывается точно расположенной над выбранным участком образца.
Арретирный механизм 20, приводимый в действие через конический вакуумный шлиф 21 синхронным электродвигателем Уорена 22 мощностью 12 вт (на выходе редуктора 2 об/мин), плавно опускает индентор. Эта операция занимает около 25 сек Скорость перемещения индентора составляет примерно 0,15 мм/сек. При этом полностью отсутствует динамическое воздействие на образец, возникающее при быстром опускании индентора. Продолжительность выдержки индентора на образце регламентируется не показанным на рассматриваемой схеме реле времени. По окончании выдержки реле включает электродвигатель 22 и индентор поднимается в исходное положение. После этого крышка камеры вместе с укрепленными на ней элементами прибора поворачивается рукояткой 14 в первоначальное положение, и при помощи окулярного микрометра типа АМ9 2 или АМ9-3 (применяемых в приборах типа ПМТ-2 или ПМТ 3) под микроскопом 15 измеряют диагональ нанесенного отпечатка. В тех случаях, когда по характеру исследования требуется на носить большое число отпечатков за короткое время, диагонали этих отпечатков измеряют либо непосредственно на образце после завершения опыта, либо на негативе с помощью инструментального микроскопа, микрофотометра или другого измерительного устройства. Во втором случае при помощи камеры 23 предварительно фотографируют поверхность образца с нанесенными отпечатками.
Для нагрева через образец пропускают переменный ток промышленной частоты, который подводят к захватам 2 и 3 гибкими медными шинами 24 и 25, соединенными с герметизированными в камере 5 электродами. Температуру образца контролируют платинородий платиновой термопарой 26, спай которой прикреплен к его средней части.
Индентор нагревается до той же температуры, что и образец. Для этой цели в вакуумной камере имеется миниатюрная электрическая печь сопротивления 27. Выводы обмотки печи, а также термопары, прикрепленной к нагревателю печи, проходят по герметизированному в крышке камеры кабелю 28 и присоединены к клеммной колодке 29.
Для откачки воздуха и газов из камеры служит патрубок 30, соединенный с вакуумной системой установки, а для измерения остаточного давления в камере — манометрические лампы, присоединяемые через уплотнение 31.
На рис. 103 приведена схема механизма подвески индентора и нагревателя, обеспечивающего подогрев индентора до температуры образца. Индентор 1 укреплен в штоке 2, в котором зажимаются концы плоских пружин 3 и 4. Вторые концы этих пружин затянуты в цанговой втулке 5. При помощи гайки 6 втулка 5 может перемещаться по стержню 7, а также поворачиваться вокруг его оси. Стопорный винт 8 позволяет фиксировать положение цанговой втулки, при котором отпечаток индентора попадает в поле объектива, а также расположение конца свободно висящего индентора в фокальной плоскости объектива, что необходимо для нормальной работы прибора. При правильной юстировке точность попадания отпечатка в выбранную при рассматривании в объектив поверхность образца составляет ±5 мк.
Для подогрева индентора до температуры образца во время экспериментов служит нагреватель в виде цилиндрической петли 9 из молибденовой ленты высотой 10 мм и толщиной 0,3 мм. Питающее напряжение к нагревателю подводится по проводникам 10 и накладкам 11. Для снижения тепловых потерь от нагревателя предназначен экран 12. Вся система нагревателя прикрепляется на скобе 13 к консольной накладке 14. Для контроля температуры нагревателя служит термопара 15, спай которой прикреплен к экрану 12.
Сменный груз 16 позволяет создавать нагружение на индентор в пределах от 10 до 200 г.
При помощи планки 17 все описанное выше устройство жестко прикрепляется к тубусу микроскопа, находящемуся в вакуумной камере прибора.
При юстировке описываемого прибора корректируют положения объектива и индентора, которые должны находиться на равном расстоянии от оси вращения крышки вакуумной камеры, подбирают при помощи упорных винтов угол поворота конуса, обеспечивающий совмещение отпечатка с центром видимого в микроскоп поля, а также размещение вершины индентора в фокальной плоскости объектива. Последнее необходимо для того, чтобы избежать погрешности в нагрузке на индентор, возникающей под действием пружин подвески. Экспериментально установлено, что при глубине фокуса 0,03 мм для измерения микротвердости возможная ошибка в учете нагрузки на индентор составляет ±0,5 г при использовании объектива ОСФ-5 и ±0,3 г при объективе ОСФ-16.
Правильность юстировки проверяют измерением микротвердости каменной соли, как это рекомендуется делать при контроле работы приборов ПМТ-2 и ПМТ-3, так как твердость каменной соли составляет 19—22 кг/мм2 и не зависит от нагрузки на индентор.
На рис. 104 приведен схематический разрез рабочей камеры, на рис. 105, а. — внешний вид прибора для измерения микротвердости установки ИМАШ-9. Вакуумная рабочая камера 1 прикреплена к массивной стальной плите 2. Рычажная система растяжения 3 исследуемого образца соединена с коромыслом 5 и тягой 4, к которой прикрепляются грузы (не показанные на рассматриваемом снимке).
При помощи домкрата 6 и консоли 7 может быть поднята и отведена в сторону верхняя часть прибора 8, что необходимо при загрузке и разгрузке камеры. Рукоятка 9 позволяет (перемещать образец в горизонтальном направлении при выборе участка, на котором необходимо определить микротвердость. На крышке вакуумной камеры укреплен микроскоп 10 типа МВТ с осветителем 11 и микрофотонасадкой 12 типа МФН-2, а также электродвигатель Уорена 13. Для поворота крышки вакуумной камеры служит рукоятка 14. Величина деформации исследуемого образца во время опыта измеряется микронным индикатором 15.
Внешний вид всей установки типа ИМАШ-9 показан на рис. 105,б. На лицевой панели каркаса 1, имеющего размеры 800х1000 мм2 в плане и 1800 мм в высоту, размещены электронный потенциометр 2, амперметр 3, вольтметр 4, вакуумметр 5, часы-хронометр 6, реле времени 7, а также сигнальные лампы, выключатели и пусковая кнопка для включения механизма опускания индентора. На горизонтальной части каркаса находится прибор для измерения микротвердости 8 (нагружающее устройство которого 9 соединено с грузом 10), а также кнопки 11 включения и выключения цепей управления установкой.
Внутри каркаса расположены элементы вакуумной системы (кроме ротационного насоса, вынесенного из каркаса для устранения передачи вибраций, возникающих при его работе), а также трансформаторы и автотрансформаторы (рукоятки автотрансформаторов выведены на панель нижней части каркаса).