CC BY
85
УДК 620.178
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ ФЕРРИТА АРМКО-ЖЕЛЕЗА
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., В.М. Власовец, доцент, к.т.н., В.В. Мерчанский, аспирант, ХНТУСХ
Аннотация. Рассмотрены факторы, влияющие на погрешность измерения микротвердости феррита армко-железа на приборе ПМТ-3 в интервале нагрузок 0,049-1,962 Н. Уточнены рекомендации для пересмотра ГОСТ 9450.
Ключевые слова: микротвердость, погрешность измерения, феррит, восстановленный отпечаток, нагрузка на индентор.
ВПЛИВ Р1ЗНИХ ФАКТОР1В НА ПОХИБКИ ВИМ1РЮВАННЯ М1КРОТВЕРДОСТ1 ФЕРИТУ АРМКО-ЗАЛ1ЗА
В.1. Мощенок, професор, к.т.н., 1.В. Дощечкша, доцент, к.т.н., I.C. Кухарева, асшрант, ХНАДУ, Т.С. Скобло, професор, д.т.н., О.1. Сщашенко, профессор, д.т.н., В.М. Власовець, доцент, к.т.н., В.В. Мерчанський, асшрант, ХНТУСХ
Анотаця. Розглянуто фактори, що впливають на похибки вим1рювання мтротвердост1 фериту армко-зал1за в Штервал1 навантажень 0,049-1,962Н. Уточнено рекомендаци для перегляду ГОСТ 9450.
Ключов1 слова: мтротверд1сть, похибка вим1рювання, ферит, в1дновлений в1дбиток, наван-таження на тдентор.
INFLUENCE OF DIFFERENT FACTORS ON ERRORS OF ARMCO-IRON MICROHARDNESS MEASURING
V. Moshchenok, Professor, Candidate of Technical Science I. Doshchechkina, Associate Professor, Candidate of Technical Science, I. Kuchareva, graduate, KhNAHU T. Skoblo, Professor, Doctor of Technical Science A. Sidashenko, Professor, Doctor of Technical Science, V. Vlasovets, Associate Professor, Candidate of Technical Science, V. Merchanskiy, graduate, KNTUA
Abstract. Factors influencing the errors of measuring offerrit microhardness of armco-iron within the intervals of loadings of0.049-1.962H are considered. Recommendations concerning reconsidering the state standard 9450 are specified.
Key words: microhardness, measuring error, ferrit, reduced of point, loading on indentor.
Введение
При изучении микротвердости гетерогенных структур железоуглеродистых сплавов, используемых в современной технике, важной является достоверная оценка каждой структурной составляющей [1].
Анализ публикаций
Метод определения микротвердости широко используется для исследования отдельных структурных составляющих металлических сплавов и регламентируется ГОСТ 9450. Однако данный нормативный документ не пре-
дусматривает оценки погрешностей измерений, что вносит неточность в получаемые результаты индентирования [2].
лике прибора (рис. 2, б) также оказывает влияние на значения микротвердости, изменяя их в среднем на 12-15 %.
В предыдущей работе [3] было изучено влияние различных факторов на погрешность измерения микротвердости аустенита стали 12Х18Н10Т, что позволило уточнить оптимальную нагрузку на индентор, при которой фиксируются не только стабильные показатели твердости этой структурной составляющей, но и наиболее точный её уровень. Данная работа продолжает цикл исследований, направленных на уточнение положений стандарта ГОСТ 9450, и посвящена исследованию оценки микротвердости феррита.
Цель и постановка задачи
Цель работы - оценить влияние различных факторов на погрешность измерения микротвердости феррита. Для достижения поставленной цели изучили влияние величины и скорости нагружения индентора, жесткости подложки, поля распределения пластических деформаций вокруг отпечатка на уровень микротвердости, её разброс.
Материалы и методики исследований
Исследовали ферритную структуру армко-железа. Микротвердость оценивали на приборе ПМТ-3 методом восстановленного отпечатка при использовании в качестве ин-дентора пирамиды Виккерса. Интервал нагрузок соответствовал 0,049-1,962 Н.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Внедрение индентора в твердое тело сопровождается вытеснением материала и упруго-пластической деформацией зоны, прилегающей к отпечатку. Деформация вокруг отпечатка неоднородна и охватывает значительный объем - до 120 % (рис. 1, а). Границы зерен, включения (рис. 1, б) декорируют зону пластической деформации.
При увеличении скорости опускания инден-тора, как и для аустенита, отмечен незначительный поворот индентора (рис. 2, а), что приводит к увеличению диагонали отпечатка и, как следствие, к уменьшению значения микротвердости на 9,5-12,4 % (с Н0,49= = 156 - 164 до Н0,49=141 - 144). Наклон образца при его фиксации на предметном сто-
В случае правильной фиксации объекта форма отпечатка при измерении феррита имеет практически ровный или выпуклый край (рис. 2, в). Измерения на границах зерен меняют его форму на вогнутую (рис. 2, г). Погрешность, вносимая деформацией граней отпечатка, для феррита при малых нагрузках (0,049 Н - 0,098 Н) составляет 3-5 %.
А
Л
I
/
*
13 цш
б
Рис.1. Зоны пластической деформации феррита вокруг отпечатков под нагрузкой 1,962 Н (а) и 0,49 Н (б). Стрелками указаны контуры зоны пластической деформации у включений (а), на границе зерна (б)
Качество подготовки поверхности шлифа также существенно влияет на результат измерений. При нагрузке 0,49 Н наличие единичных царапин на поверхности под инден-тором увеличивает фиксируемое значение микротвердости на 4,6-12 % (с Н0,49=152-159 до Н0,49=162-170). Наличие большого количества мелких царапин снижает уровень мик-
а
ротвердости на 21,1 - 22,6 % (с Н0,49=152-159 до Н0,49=120-124).
При внедрении индентора деформация не одинакова по тем же направлениям, что и в аустените, - наибольшие отклонения отмечаются у середины сторон, а наименьшие -по углам отпечатка (рис. 3, а).
Травление поверхности декорирует область максимальных деформаций - непосредственно у края отпечатка (рис. 3, б).
Исследовали влияние расстояния между центрами отпечатков на уровень фиксируемой микротвердости (рис. 4).
13 цш
жш
п
13 цш
Рис. 2. Искажение формы отпечатка при нагрузках 1,962 Н (а), 0,49 Н (б) и 0,098 Н (в, г). Стрелками указаны выпуклые и вогнутые стороны отпечатка
13 (Л1п
а б
Рис. 3. Деформация вокруг отпечатка: а - до и б - после травления 4%-ным раствором НК03. Нагрузка соответствует 0,49 Н и 1,962 Н
б
а
в
г
НЩ96=213
. ж
Н)196=229
5
3
Но,196=229 | УГ Л Ь^О 7 \\
^_^Ч^в^^ч |Н),196=222
НО,196=228 | У6 _
_.V, ^ Н1,962=160
НО,196=216 I ^8 2 _
НО,196=240 Я 9 1Но,196=213
Рис. 4. Оценка влияния расстояния между отпечатками на уровень микротвердости. Порядок проведения измерений указан цифрами, где нагрузка соответствует 1,962 Н и 0,196 Н
Установлено, что область пластической деформации феррита, как и аустенита [3], не однородна и состоит из двух зон. Первая -зона пониженной микротвердости (Н0,196=213) вследствие уменьшения напряжений после снятия нагрузки, протяженностью до 1,7 мкм. Эта зона в виде темной оторочки по краю отпечатка отчетливо видна при замере микротвердости на травленой поверхности шлифа (рис. 3, б). Вторая зона упрочнена (Н0,196=216-240) и имеет значительно большую протяженность - до 22 мкм.
Под влиянием соседних измерений (при 0,196 Н) отпечаток, полученный при 1,962 Н, деформировался и твердость уменьшилась.
При одинаковой деформации феррита вокруг отпечатков, полученных при нагрузках в диапазоне 0,049 Н - 1,962 Н, необходимо при оценке твердости учитывать их ориентацию. При измерении микротвердости феррита у боковой грани исходного отпечатка расстояние между центрами последующих отпечатков должно превышать размер диагонали более чем в 2,5 раза, а вблизи угла - может быть снижено до двух раз.
Для оценки оптимального уровня нагрузки при определении микротвердости феррита выполнили специальные исследования. Определяли величину микротвердости и отклонение, изменяя нагрузку в интервале 0,049 Н - 1,962 Н для двух выборок (рис. 5). В первой исследования проведены на нетравленой поверхности шлифов без учета
влияния границ зерен (рис. 5, а). Во второй выборке измерения выполнили в пределах зерен после травления поверхности шлифов (рис. 5, б). Специальными исследованиями установлено, что влияние границы зерна на увеличение микротвердости (на 82 %) максимально при индентировании нагрузкой 0,049 Н (рис. 6).
250
л
н о о
Ч
И Н О
к 8
50
200
214
166 I 160
п П п
0,098 0,196 1,962
Нагрузка на индентор, Н а
Л
н о о
Ч
а
<ц
и н о
к 2
150
100
50
0,049 0,098 0,196 0,49 0,981 1,962 Нагрузка на индентор, Н б
Рис. 5. Средняя микротвердость феррита (армко-железо) для различной нагрузки: а - без учета границ зерен; б - в пределах ферритных зерен
190
Л 170
н
о
о 150
Ч
а <ц 130
и
н о 110
^
и 90
2 70
50
1 173
95
Нагрузка на индентор 0,049 Н □ На границе зерна вВ центре зерна
Рис. 6. Влияние границы зерна феррита на увеличение микротвердости при инден-тировании нагрузкой 0,049 Н
Снятие нагрузки при измерении микротвердости феррита приводит к уменьшению размеров диагоналей, полученных при инденти-ровании нагрузками 0,490 Н и 0,981 Н, и, как следствие, фиксируется увеличение микро-
4
твердости на 9,4-11,1 %. Однако при меньших нагрузках такая закономерность не установлена.
Для оценки влияния погрешностей, связанных с фокусированием оператором прибора путем вращения микровинта, провели специальный эксперимент. Вращая микровинт, изменяли фокусное расстояние линзы видеокамеры и поверхности шлифа с отпечатком, полученным при индентировании нагрузкой 1,962 Н.
Установлено, что погрешность измерения в таком случае может изменяться в широких пределах - от 6,2 % до 12,9 % (с Н1,962=110 до Н19б2=115-130). Такой большой разброс был получен на гранично допустимых отклонениях межфокусного расстояния. Значительно меньшая ошибка вносится автоматической фокусировкой видеокамеры или оператором, наводящим резкость на отпечаток при смене зоны исследования. Согласно исследованиям такая ошибка не превышает 3 %.
Выводы
Установлено, что на погрешность измерения микротвердости феррита оказывают влияние: увеличение скорости опускания индентора (уменьшается значение микротвердости на 9,5-12,4 %); наклон образца при его фиксации на предментном столике прибора (в среднем на 12-15 %); деформация сторон отпечатка при малых нагрузках 0,049 Н -0,098 Н (на 3-5 %). Качество подготовки поверхности шлифа (наличие единичных царапин под индентором увеличивает микротвердость на 4,6-12 %, а наличие большого количества мелких царапин - на 21,1-22,6 %); отклонения в фокусировке видеокамеры оператором, наводящим резкость на отпечаток при смене зоны исследования, изменяют значения микротвердости на 3,1-12,9 %, восстановление размера отпечатка после снятия нагрузок увеличивает микротвердость на 9,4-11,1 %.
При измерении микротвердости феррита у боковой грани ранее полученного отпечатка расстояние между центрами последующих отпечатков должно превышать размер диагонали более чем в 2,5 раза, а вблизи угла -может быть снижено до двух раз.
Границы зерен существенно влияют на уровень микротвердости при малых нагрузках (0,049 Н) и могут повышать ее на 82 %.
Измерения уровня микротвердости феррита рекомендуется производить нагрузками
0.098., 0,1962 Н, при которых обеспечивается наибольшая точность измерений. Эти особенности, выявленные в ходе проведения исследований, не отражены в существующем нормативном документе (ГОСТ 9450).
Литература
1. Металловедение и термическая обработка
стали и чугуна : справ. : в 3 т. / Б.С. Бок-штейн, Ю.Г. Векслер, Б.А. Дроздовский, Л.М. Капуткина. - М. : Интермет Инжиниринг, 2005. - Т. 2. Строение стали и чугуна. - 526 с.
2. Григорович В. К. Твердость и микротвер-
дость металлов. / В.К. Григорович. -М. : Наука, 1976. - 230 с.
3. Мощенок В.И. Влияние различных факто-
ров на погрешности измерения микротвердости аустенитной структурной составляющей стали 12Х18Н10Т / В.И. Мощенок, Т.С. Скобло, ИВ. До-щечкина и др. // Вестник ХНАДУ. -2009. - Вып. 42. - С. 68-70.
Рецензент: А.Н. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 20 августа 2010 г.
