CC BY
216
УДК 620.178
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ АУСТЕНИТНОЙ СТРУКТУРНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СТАЛИ 12Х18Н10Т
В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., И.В. Дощечкина, доцент, к. т.н., И.Е. Кухарева, аспирант, ХНАДУ, Т.С. Скобло, профессор, д.т.н., А.И. Сидашенко, профессор, к.т.н., М.В. Марченко, доцент, к.т.н., В.М. Власовец, доцент, к. т.н., ХНТУСХ
Аннотация. Рассмотрены факторы, влияющие на погрешность измерения микротвердости аустенита стали 12Х18Н10Т на приборе ПМТ-3 в интервале нагрузок 0,049-1,962 Н. Уточнены рекомендации ГОСТ 9450-76.
Ключевые слова: микротвердость, погрешность измерения, аустенит, восстановленный отпечаток, нагрузка на индентор.
Введение
Работоспособность изделий из стали 12Х18Н10Т во всем интервале температур эксплуатации во многом обеспечивается устойчивостью аустенитной структурной составляющей [1]. Одним из методов оценки её свойств является измерение микротвердости [2].
Анализ публикаций
В настоящее время метод измерения микротвердости различных структурных составляющих сталей и чугунов регламентирует ГОСТ 9450-76. Однако данный стандарт не предусматривает оценки погрешностей измерений. Поэтому для однозначности интерпретации полученных результатов необходимым представляется разработка нового стандарта, учитывающего основные факторы, влияющие на результат измерения.
Цель и постановка задачи
Цель работы - оценить влияние различных факторов на погрешность измерения микротвердости аустенита. Для достижения поставленной цели изучили влияние скорости нагружения индентора, жесткости подложки, поля распределения пластических деформаций вокруг отпечатка, величины нагружения на уровень микротвердости и её разброс.
Материалы и методики исследований
Исследовали аустенитную структурную составляющую стали 12Х18Н10Т. Микротвердость оценивали на приборе ПМТ-3 методом восстановленного отпечатка при внедрении алмазного наконечника с формой рабочей части в виде четырехгранной пирамиды с квадратным основанием в интервале нагрузок 0,049-1,962 Н.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Внедрение наконечника в твердое тело сопровождается вытеснением материала из-под индентора и упруго-пластической деформацией зоны, прилегающей к отпечатку.
Так как исследуемая аустенитная сталь обладает высокой пластичностью, такая деформация охватывает очень большой объем (до 80% от диагонали отпечатка) и начальная плоскость поднимается на небольшую высоту (рис. 1, а). Однако если пластичность ау-стенита ограничена наличием границы зерна или скоплений неметаллических включений, то такой участок декорируется более заметным поднятием металла (рис. 1, б).
В процессе испытаний скорость опускания индентора определяется оператором и влияет на форму отпечатка. При её увеличении наблюдается незначительный поворот инден-
тора. На отпечатках при нагрузке 1,962 Н это приводит к деформации краев (рис. 2, а), а при малых нагрузках 0,098 Н и 0,196 Н может быть установлено по форме зоны пластической деформации - наблюдаются отчетливый контур, характерный для касательных напряжений (рис. 2,б). Поворот инден-тора приводит к увеличению диагонали отпечатка, и, как следствие, к уменьшению значения микротвердости на 3,2 - 10% (с Н-200-238-249 до Н-200-224-230) и 10 -12,6% (с Н-10-260-286 до Н-10-249-260).
ч
ч
Рис. 1. Форма зоны пластической деформации аустенита вокруг отпечатков под нагрузкой 0,49Н для однородной зоны пластичности (а) и с границей зерна (б)
Помимо скорости приложения нагрузки, на величину фиксируемой микротвердости оказывает также влияние способ закрепления образца. Приложение нагрузки 1,962 Н к образцу, закрепленному непосредственно на предметном столике, приводит к упругим деформациям и уменьшению диагонали отпечатка. При этом фиксируется увеличение микротвердости по сравнению с закреплением на пластичной подложке до 10% (с Н-200-255 до Н-200-269).
Высокая пластичность аустенита исследуемых образцов из стали 12Х18Н10Т способствует формированию больших зон деформированного металла с гребнем, удаленным от краев отпечатка и, как следствие, вогнутых сторон отпечатка. Поэтому при расчете мик-
ротвердости по фактической поверхности отпечатка пирамиды учитывали изогнутость сторон по формуле, предложенной В.К. Григоровичем [3]
н
н =_расч_
факт 1,8855а/й - 0,3333'
(1)
где Нфакт - фактическая микротвердость, Нрасч - микротвердость, рассчитанная в соответствии с ГОСТ 9450-76, а - расстояние между серединами сторон, й - диагональ отпечатка. Погрешность, вносимая деформацией сторон восстановленного отпечатка, для аустенита исследуемой стали составляет 2 - 3%.
б
Рис. 2. Искажение формы отпечатка при нагрузке 1,962 Н (а) и 0,098 Н (б)
При внедрении наконечника с формой рабочей части в виде четырехгранной пирамиды с квадратным основанием деформации не одинаковы по различным направлениям - наибольшие отклонения отмечаются у середины сторон, а наименьшие - по углам отпечатка.
Согласно требований ГОСТ 9450-76 расстояние от центра отпечатка до края изделия должно быть не менее двойного размера отпечатка. Расстояние между центрами отпечатков, нанесенных на одну поверхность, должно превышать размер отпечатка более чем в три раза. При исследовании структурных составляющих различных металлов из-за малого размера зон
а
а
аустенита возникает необходимость выполнять многократные замеры ближе рекомендованного интервала. Для оценки степени влияния расстояния от предыдущего отпечатка на уровень фиксируемой микротвердости провели исследования (рис. 3).
Рис. 3. Оценка влияния расстояния между отпечатками на уровень микротвердости. Порядок проведения измерений указан цифрами, где нагрузка соответствует: 1 - 1,962 Н, 2-8 - 0,49 Н
В результате исследований установлено, что зона пластической деформации неоднородна и состоит из двух зон. Первая, зона пониженной микротвердости вследствие уменьшения напряжений после снятия нагрузки Н-50-363, протяженностью до 0,95 мкм. Вторая зона упрочнена Н-50-370-384 и имеет протяженность до 7,7 мкм. Для угла предыдущего отпечатка протяженность первой зоны не превышает 3 мкм (Н-50-292), а второго - достигает 5,8 мкм (Н-50-349).
При тождественной зоне деформации аустени-та вокруг индентора кратных величине нагрузки в диапазоне 0,049 Н - 1,962 Н можно рекомендовать производить замеры на расстояниях, учитывающих ориентацию предыдущего отпечатка. При измерении микротвердости аусте-нита у боковой грани расстояние между центрами отпечатков должно превышать размер диагонали более чем в два раза, а вблизи угла -может быть снижено до 1,7.
Согласно рекомендациям ГОСТ 9450-76 для получения наиболее точного результата измерения микротвердости нагрузка должна быть возможно большей. Для оценки оптимального уровня нагрузки при определении микротвердости аустенита выполнили специальные исследования. Оценивали уровень микротвердости и стандартное отклонение, изменяя нагрузку в интервале 0,049 Н - 1,962 Н (рис. 4).
0.049 0.0981 С 1962 0.4905 1 962 Нагрузка на индентор, Н
а
0 049
0.0981 0 1962 0.4905
1.562
Нагрузка на индентор, Н б
Рис. 4. Средняя микротвердость (а) и стандартное отклонение (б) аустенита (сталь 12Х18Н10Т) для различной нагрузки
Выводы
Установлено, что с увеличением нагрузки показания микротвердости становятся более однородными - минимальное стандартное отклонение - 10,4 соответствует максимальной нагрузке - 1,962 Н. Однако измерения уровня микротвердости аустенита рекомендуется производить нагрузками 0,4905 Н и
0.1962.Н, так как при этом обеспечиваются не только стабильные показатели, но и наиболее точный её уровень.
Литература
1. Масленков С.Б. Стали и сплавы для высо-
ких температур: Справ. изд. в 2-х кн. Кн. 1/ [Масленков С.Б., Масленкова Е.А] - М.: Металлургия, 1991. - 383 с.
2. Григорович В. К. Твердость и микротвер-
дость металлов. - М.: Наука, 1976. -230 с.
Рецензент: Л.А. Тимофеева, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 25 июня 2009 г.
