CC BY
108
УДК 621.178.151.6
МОДЕРНИЗАЦИЯ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
МИКРОТВЕРДОСТИ
В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., И.Е. Кухарева, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Предложен новый расчетный метод оценки универсальной и истинной микротвердости материалов.
Ключевые слова: универсальная и истинная микротвердость, нагрузка, ин-дентор, глубина внедрения индентора, пирамиды Виккерса и Берковича.
Введение
Современная техника в связи с усложнением работы машин, механизмов, инструмента, что обусловлено повышением скорости движения, ростом удельных нагрузок и других активно действующих факторов, выдвигает все возрастающие требования к состоянию поверхности.
С контактным взаимодействием поверхностей связаны методы обработки, способы упрочнения и соединения материалов, а так же их служебные характеристики в условиях трения и износа. От изменения структуры и свойств тонких поверхностных слоев в процессе механической обработки при трении, обработки давлением, под влиянием коррозионных сред и циклических нагрузок зависит долговечность изделий.
В последние годы для повышения долговечности конструкций разные отрасли промышленности диктуют необходимость использования тонких гальванических конструкций или ионно-плазменных покрытий, оксидных пленок, лазерной закалки и других современных методов упрочнения, которые обеспечивают поверхностным слоям уникальное сочетание свойств, принципиально отличающихся от свойств материалов, обработанных современными методами.
В связи с этим остро стоит вопрос корректной аттестации состояния поверхности, что особенно сложно при оценке характеристик особо твердых, хрупких слоев.
Анализ публикаций
Передовые технологии позволили разработать новые методы исследования функциональных возможностей поверхности и тонких приповерхностных слоев, однако, наиболее часто используемым, простым, быстрым и доступным способом тестирования продолжает оставаться определение микротвердости [1-3]. Во многих случаях это практически единственно возможная характеристика оценки механических свойств материала в микрообъемах (тонкие механические ленты и проволока, фольги, покрытия, пленки, поверхностные слои лазерной закалки). Одно из главных назначений микротвердости - количественное представление о свойствах фаз и структурных составляющих.
Определение микротвердости является универсальным методом механических испытаний, охватывающим практически неограниченный круг материалов - от самых мягких до сверхтвердых. Испытания на микротвердость позволяют получать пластические отпечатки на таких материалах, из которых изготовить образцы для других механических испытаний очень трудно или невозможно.
При оценке микротвердости пирамидальный алмазный индентор вдавливается в плоскую отполированную поверхность образца под нагрузкой, действующей в течение фиксированного времени (не менее 5 сек.). Величина нагрузки в пределах от 0,005 до 0,5 кгс выбирается в зависимости от вида испытуемого
материала. В качестве индентора чаще всего используется четырехгранная алмазная пирамида Виккерса с квадратным основанием и углом при вершине между противоположными гранями 136°.
Микротвердость определяется отношением нагрузки к площади боковой поверхности пирамидального отпечатка по формуле [4]
Н =
1,854Р
(1)
где Р - нагрузка, кгс; й - диагональ восстановленного отпечатка после снятия нагрузки, мм.
Для отпечатков малого размера (0 - 10 мкм) желательно использовать трехгранную пирамиду Берковича с углом при вершине между ребром и высотой 65°. Острая вершина пирамиды позволяет получить более четкие отпечатки и точнее их измерить.
При испытаниях пирамидой Берковича значения микротвердости определяются согласно формуле [4]
Н =
1,854Р
й2 :
(2)
где Р - нагрузка, кгс; h - высота треугольного отпечатка, мм.
По мнению авторов [5-6], микротвердость наиболее точно отражает свойства объектов в малых объемах и поэтому широко используется в науке и технике, однако, до сих пор являются дискуссионными вопросы о физическом смысле этой величины и корректных способах ее оценки [6]. Авторы [7-8] отмечают, что традиционные методы измерения твердости и микротвердости дают условную, очень усредненную оценку твердости и не отражают поведение материала в эксплуатации. Имеют место также инструментальные погрешности, обусловленные ошибкой в измерении диагонали отпечатка, неидентичностью ручного нагружения и др.
В настоящее время все шире используется разработанный в 60-х годах прошлого века новый метод испытаний на твердость по глубине отпечатка [1], дающий более точные ре-
зультаты. Евростандарт рекомендует определять расчетные значения универсальной твердости, под которой понимается отношение максимально приложенной нагрузки к контактной площади отпечатка под нагрузкой. Для испытаний рекомендуется использовать алмазные четырех- и трехгранные пирамидальные инденторы. Однако, по данным [9] универсальная твердость в значительной степени зависит от формы и геометрических параметров индентора, а также от прилагаемой нагрузки. Характер этой нагрузки сложный и полностью не изучен.
В связи с изложенным разработка корректных и более точных методов определения микротвердости является актуальной научной задачей.
Цель и постановка задачи
В работе были поставлены следующие задачи: разработать расчетные методы определения универсальной и истинной микротвердости материалов в малых объемах по глубине внедренного индентора с целью более точной оценки их механических свойств и прогнозирования поведения в эксплуатации.
Материал и методика исследования
Исследованию подвергались материалы различные по своей природе, химическому составу, структуре, свойствам и назначению. Определялась микротвердость стали ШХ15, У8 после диффузионного хромирования, сплава А1 - Mg, бериллия и кристаллов каменной соли. Эти же материалы исследовались в работе [3].
Микротвердость рассчитывалась согласно предложенным формулам по глубине отпечатка. Нагрузка на индентор изменялась в пределах 0,002 - 1 кгс. В качестве инденто-ров были использованы алмазные пирамиды Виккерса и Берковича.
Результаты исследований
Одним из авторов работы [10] для оценки макротвердости материалов рекомендована более точная характеристика, получившая название истинной твердости, которая определяется отношением силы сопротивления ин-дентора приложенной нагрузке к объему его внедренной части.
В данной работе авторами были разработаны расчетные формулы универсальной и истинной микротвердости материалов, измеренной пирамидами Виккерса и Берковича под постоянной нагрузкой.
г
!3 1700
и 1650
О И
н -
р
р
26,428ЧИ2
(3)
НА у -
р
р
26,4342ЧИ2
(4)
12 3 4
Нагрузка Р/102, кГс
н -
р
8,168 ЧИ3
р
Н - Р -
А" V 10,3107 ЧИ3
(5)
(6)
где Р - нагрузка, Н; И - глубина отпечатка под нагрузкой, мм; 5 - площадь отпечатка под нагрузкой, мм2; V - объем внедренной части индентора, мм3.
920 900
1_
а
£ 880
0 ет
860
ф ш
£ 840 X
л
1 820
о.
ф
= 800
х >.
780
46 Нагрузка Р/102, кГс
Глубина внедренной части индентора (И) определялась с учетом диагонали восстановленных отпечатков и значений микротвердости, полученных традиционными методами.
И-
р
'26,428 ЧН
(7)
ИА -
р
' 26,4342 ЧН А
(8)
4 6
Нагрузка Р/102, кГс
По приведенным формулам определены значения универсальной (3) и (4), а также истинной (5) и (6) микротвердости исследуемых материалов, построены их зависимости от нагрузки (рис. 1 и 2).
21
2 20,8
1_
* 20,6 л
а20,4 &
ф
¡5 20,2 к
х 20
.й
С
о 19,8
(V
а
| 19,6 19,4
0,5 1 1,5
Нагрузка Р/102, кГс
1750
О 1600
¡5 1550
1500
0
5
б
и
10
в
2
г
а
0
2
д
1 30290
2
2 370 ф
ш
£ 350
х
л
§ 330
£1
Ф
§ 310
х >.
290
2 3
Нагрузка Р/102, кГс
Рис. 1. Зависимость универсальной микротвердости от нагрузки: а - сталь У8 с хромистым покрытием; б - сталь ШХ15; в - сплав системы А1 - Mg; г -кристаллы каменной соли; д - бериллий; □ - ин-дентор-пирамида Виккерса; А - инден-тор-пирамида Берковича
8000290
| 7000290
* 6000290 л
о 5000290
а &
со 4000290 « 3000290
X
Й 2000290 1000290 290
4500290 4000290 3500290 3000290 2500290 2000290 1500290 1000290 500290 290
2 3 4
Нагрузка Р/102, кГс
4 6
Нагрузка Р/102, кГс
¡3 20290
О
Ч
3 140290 2
120290 100290
о о
ЕЕ 80290
О)
ш
£ 60290 го
| 40290 &
= 20290 290
^ 1800290
1600290
|_
* 1400290 л"
Й 1200290
0
§1000290
О)
£ 800290 со 600290
X
1 400290 (3
£ 200290
0,5 1 1,5
Нагрузка Р/102, кГс
4 6
Нагрузка Р/102, кГс
1 2 3
Нагрузка Р/102, кГс
Рис. 2. Зависимость истинной твердости от нагрузки: а - сталь У8 с хромистым покрытием; б - сталь ШХ15; в - сплав системы А1 - Mg; г - кристаллы каменной соли; д - бериллий, □ - индентор-пира-мида Виккерса, А - индентор-пирамида Берковича
¥ 15290
10290
4
0
2
г
а
2
8
0
Д
0
5
б
0
4
5
0
2
8
в
При анализе кривых обращает на себя внимание их резко различный характер для всех материалов, исключая бериллий. На всех кривых фиксируется весьма значительное повышение микротвердости при нагрузках ~ 0,1 - 0,15 кгс. До определенной малой по
величине нагрузки, разной для различных материалов, значения микротвердости, определенной с использованием пирамиды Вик-керса, выше. С увеличением нагрузки (опять таки разной для разных материалом) картина изменяется без какой-либо закономерности. Надо подчеркнуть, что характер этих зависимостей для разных материалов не аналогичен.
Анализируя кривые зависимости истинной микротвердости от величины прилагаемой нагрузки, следует отметить, что кривые эквидистантны друг другу. При малых нагрузках отмечается значительное повышение твердости, наиболее существенное у бериллия (почти в 10 раз), далее у алюминий-магниевого сплава (в 7 раз) и каменной соли (в 5 раз). У стали ШХ15 и стали У8 с покрытием микротвердость возрастает в 3,5 - 4 раза.
С уменьшением нагрузки до 0,1 кгс микротвердость сильно понижается, достигая минимальных значений при Р=0,4 кгс и при дальнейшем нагружении практически не изменяется.
Выводы
Предложен более точный расчетный метод оценки микротвердости различных по химическому составу, строению и назначению материалов в малых объемах и хрупких по своей природе.
Зависимости универсальной микротвердости от нагрузки имеет случайный хаотичный характер и не отражает ее действительной величины.
Истинная микротвердость, определенная по глубине внедрения индентора с использованием восстановленного отпечатка, является более корректной и точной характеристикой и должна шире использоваться в научных исследованиях и при экспресс-контроле качества малой толщины объектов.
Литература
1. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием
индентора. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.
2. Farber B.V., Orlov V.I., Heuer A.H. // Phis.
St. Sol., 1998. - V. 166. - P. 115 - 126.
3. Мотт В.В. Испытание на твердость ми-
кровдавливанием. - М.: Металлургиз-дат, 1960. - 338 с.
4. Глазов В.М., Вигдорович В.Н. Микро-
твердость металлов. - М.: Металлургия, 1962. - 224 с.
5. Глазов В.М., Вигдорович В.Н. Микро-
твердостьметаллов и полупроводников.
- М.: Металлургия, 1970. - 248 с.
6. Петржик М.И., Штанский Д.В., Левашов
Е.А. Современные методы оценки механических и трибологических свойств функциональных поверхностей // Труды Х международной технической конференции «Высокие технологии в промышленности России». - М.: ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ», 2004. - С. 311
- 318.
7. Musil I., Zerman H., Kunc F. Vleck. Meas-
urement of hardness of Superhardness films by microindentation. - Mater. Sci. Eng. - AOO. - 2002. - P. 1 - 5.
8. Veprek S., Mucherjee S., Mannling H.-D. On
the realiability of measurements of mechanical properties of Superhard coatings. -Mater. Sci. Eng. - AOO. - 2002. - P. 1 - 6.
9. Фридман Я.Б. Механические свойства ме-
таллов, Ч. 2. - М.: Машиностроение, 1974. - 368 с.
10. Дуб С.Н., Новиков В.Н. Испытания на микротвердость // Сверхтвердые материалы. - 2004. - № 6. - С. 16 - 17.
11. Мощенок В.И. Влияние величины нагруз-
ки и формы индентора на значения твердости образцовой меры // Вестник ХНАДУ. - Харьков: ХНАДУ. - 2007. -Вып. 37. - С. 68-70.
12. Мощенок В.И. Определение истинной твердости деталей дорожных машин ин-денторами различной формы. - // Вестник ХНАДУ. - Харьков: ХНАДУ. -2007. - Вып. 38. - С 285 - 289.
Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 10 сентября 2008 г.
