Определение твердости и истираемости

Твердость электроизоляционных материалов при их использова­нии в различных конструкциях, а также при механической обработке имеет важное техническое значение.

Твердость материала - это способность его поверхностного слоя про­ти­востоять деформации от действия динамического или статического сжимаю­щего усилия.

Твердость диэлектриков (аналогично и металлов) может быть опреде­лена различными методами, причем оценивается она различными единицами изме­рения.

Однако каждый метод определения твердости в своей основе имеет фи­зическое содержание и может быть связан с понятием поверхност­ной энер­гии. Для электроизоляционных материалов стандартным методом измерения твер­дости является метод Бринелля (ГОСТ 4670-49).

Способ вдавливаемого шарика (способ Бринелля) сводится к тому, что на специальном прессе в лежащий на стальной плите образец вдав­ливается сталь­ной закаленный и полированный шарик диаметром D (обычно 5 мм).

Образец должен иметь толщину не менее 10 мм и ширину не менее 15 мм; поверхность образца должна быть гладкой. Вдавли­вающее усилие плавно увеличивается со скоростью 10 кГ/сек до наибольшего значения Р (обычно при испытании электроизоляцион­ных материалов Р = 50 кГ; для особо твер­дых ма­териалов - 250 кГ); это значение вдавливающего усилия выдержива­ется в тече­ние 1 мин, после чего нагрузка плавно снимается.

Твердость по Бри­неллю Т, определяется делением вдавливаю­щего уси­лия Р на площадь F лунки (отпе­чатка шарика), оставшейся в образце после удале­ния шарика (F измеряют в миллиметрах с точностью до ± 0,02 мм)

[кГ/мм²].

Поверхность шарового сегмента определяется как

,

где R - радиус шарика, мм; h - глубина отпечатка, мм.

Практически проще измерить диаметр отпечатка d, чем его глу­бину. По­этому h можно выразить через R:

с другой стороны

следовательно

Тогда поверхность F равна:

Твердость соответственно будет равна

Диаметр отпечатка d измеряют микроскопом в двух взаимно перпенди­кулярных направлениях с точностью до 0,01 мм. Из среднего арифметиче­ского двух измерений определяется d.

Испытание на твердость рекомендуется проводить не менее трех раз на одном и том же образце (при повторных испытаниях центр от­печатка должен находиться от центра соседнего отпечатка на расстоя­нии не менее двух диа­метров шарика). Чтобы не вычислять каждый раз твердость по формуле, к прессу Бринелля прилагают таб­лицы, по которым можно определить Т.

Способ маятника (способ Куз­нецова) применим для испытания разнооб­разных материалов, в том числе хрупких (например, стекла), для которых спо­соб Бринелля непригоден. При определении твердости по Кузнецову на гори­зонтальную поверхность образца ста­вится на двух опорах маятник, состоящий из легкой металлической рамки с укрепленным в нижней ее части грузом.

1 - пластина; 2 - опоры; 3 - испытуемый образец; 4 - подставка для образца (кронштейн); 5 - рамка; 6 - шкала; 7 - указа­тель; 8 - груз.

Опоры маятника представляют собой стальные шарики или (при испыта­нии особо твердых материалов) заточенные под углом 90° алмазы. Ма­ятник приводится в колебательное движение; амплитуда колеба­ния отмеча­ется указа­телем на шкале прибора. Колебания маятника затухают тем ско­рее, чем меньше твердость испытуемого образца; твердость оценивается по времени, в течение кото­рого амплитуда колебания маятника уменьшается на определен­ную вели­чину.

Например, для лаковых пленок уменьшение амплитуды колебаний со­ставляет примерно 3°.

Известна еще минералогическая шкала твердости Мо­оса, с помощью ко­торой методом царапания можно определить твер­дость.

Номер по шкале Мооса	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Минерал	Тальк	Гипс	Каль­цит	Флуо­рит	Апа­тит	Орток­лаз	Кварц	Топаз	Сап­фир	Алмаз
Минерал	Тальк	Каменная соль	Известковый шпат	Плавиковый шпат	Апа­тит	Полевой шпат	Кварц	Топаз	Корунд	Алмаз

В этом случае твердость определяется шириной черты, полученной при царапании.

Способ падающего шари­ка (способ Шора) приме­ним для испытания хрупких материалов. В специальном приборе, называемом склерос­копом Шора, стальной шарик, падая с определенной высоты, ударяется о горизон­тальную поверхность испытуемого образца и подскакивает. Твердость характе­ризуется отношением высоты отскока к высоте падения.

Кроме описанных стандартных методов механических испытаний, с по­мощью сравнительно простого оборудования проводятся исследо­вания меха­нических характеристик с использованием усложненной аппаратуры, а также применяются различные методы, отличные от стандартных.

Истираемость - способность противостоять механическому износу от действия сил трения.

Для определения истираемости имеется ряд приборов. Изоляция эмаль­проводов испытывается на истирание на приборе, схема кото­рого изображена на рисунке (схема с беличьим колесом).

Испытуемый провод, натягиваемый грузом, подвешенным на пружине к свободному концу провода (вес груза тем больше, чем больше диаметр про­вода и, соответственно, толщина его изоляции), переброшен через беличье колесо диамет­ром 200 мм, по окружности которого, между щеками, укреп­лено 12 стальных спиц диаметром 5,6 мм каждая. Другой конец провода, зачищен­ный от эмали, прикрепляется к скобе. Между проводом и спицами бе­личьего колеса подается напряжение 6  12 В; колесо вращается со скоро­стью 60 об/мин, и спицы его истирают эмаль. Число оборотов колеса до возникнове­ния электри­ческого контакта между проводом и спицей является ме­рой стойки изоляции провода к истиранию.

При испытании на описанном выше приборе истиранию подвер­гается только узкая часть эмалевого покрытия пленки, непосред­ственно прилегаю­щая к спицам, что ввиду неодинаковой толщины слоя эмали может привести к зна­чительному разбросу результатов.

Чтобы исключить этот недостаток испытания механической прочности обмоточных проводов испытывается в соответствии с ГОСТ: 14340.10-69; 15634.2-70 на приборе, схема которого показана на рисунке.

1 – эксцентрик; 2 – груз; 3 – головка скребка; 4 – игла; 5 – образец провода; 6 – зажим; 7 – пластина для крепления образца

Здесь стальная игла 4 диаметром 0,4 или 0,6 мм ук­реплена в за­жимной го­ловке 3, соединенной с валом микроэлектродвигателя с помощью штанги и эксцентрика 1; игла прижимается к образцу провода с оп­ределенным усилием, создаваемым грузом 2 и двигается возвратно-поступа­тельно, производя исти­рание эмалевой пленки на участке 10±1 мм. Скорость иглы 60±3 двойных хо­дов иглы в 1 минуту. При появ­лении электрического контакта между прово­дом и иглой прибор автоматиче­ски останавливается, и зажигается сиг­нальная лампа. Напряжение переменного или постоянного тока между иглой и жилой должно составлять 12 В. Ток сраба­тывания реле, фиксирующего конец испыта­ний (5±1) мА, время его сраба­ты­вания 0,1÷0,15 с. Иглу периодически необхо­димо заменять. Иглу периодически необходимо заменять. Число двой­ных хо­дов иглы до замыкания электрической цепи характеризует механиче­скую прочность покрытия.

Зажимы провода позволяют поворачивать его вокруг оси провода на углы 120 и 240°. Испытания изоляции проводятся с трех сторон провода.

Испытание прочности изоляции описанным методом приводит к до­вольно большому разбросу результатов испыта­ний. В связи с этим МЭК пред­ложен новый метод испытаний.

1 – основание; 2 – фиксированная точка вращения; 3 – указатель; 4 – груз; 5 – нагружающее истирающее устройство (рычаг); 6 – устройство возврата рычага: 7 – шкала с указанием ко­эффициента; 8 – игла; 9 – планшайба для изменения угла на 120º; 10 – опора, перемещаю­щаяся по высоте; 11 - испытуемый образец.

Рабочей частью прибора служит стальная игла или рояльная проволока диаметром 0,23 см. Скорость движения скребка составляет 300 мм/мин. Скре­бок движется в одном направлении с постепенно увеличивающейся нагрузкой. Первоначальная нагрузка составляет 90% от мини­мальной, указываемой в тех­нической документации на провода. Схема при­бора выполнена так, что повре­ждение изоляции фиксируется в том случае, если игла соскабливает изоляцию на длине 3 мм.