МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Физической химии

отчет

по лабораторной работе №2

по дисциплине «Материаловедение»

Тема: «Измерение микротвердости материалов»

Студент(ка) гр.2503
Преподаватель		Карпов О.Н.

Санкт-Петербург

2024 г.

Основные теоретические положения

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Твердость материалов определяют при помощи воздействия на их поверхность наконечника, называющегося индентором, который изготавливается из высокопрочного малодеформирующегося материала (закаленная сталь, алмаз, сапфир и т. п.) и имеет форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.

Метод вдавливания – наиболее распространенный способ измерения твердости. В результате вдавливания индентора в материал, его поверхностные слои, находящиеся под наконечником индентора и вблизи него, пластически деформируются. В результате после снятия нагрузки на поверхности материала остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным материалом. В условиях испытания возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна. Поэтому при измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные, но также и хрупкие материалы (например, чугун, керамика).

В зависимости от величины нагрузки и размера индентора можно определить макро и микротвердость материала.

Метод определения микротвердости предназначен для оценки твердости очень малых (микроскопических) объемов материала. Его применяют для измерения твердости мелких деталей, тонкой проволоки или ленты, тонких поверхностных слоев, покрытий и т. д. Также метод позволяет произвести оценку твердости отдельных фаз или структурных составляющих материалов, а также разницы в твердости отдельных участков этих составляющих.

В качестве индентора при измерении микротвердости чаще всего, как и в случае определения твердости по Виккерсу, используют правильную четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136° (индентор Виккерса). Индентор плавно вдавливается в образец при нагрузках 0.09807-1.961 Н и стандартном времени приложения нагрузки 10 с. Число твердости по Виккерсу (НV – Vickers Hardness) определяется по формуле:

где F – нагрузка на индентор (статическая сила), выраженная в Н; d – диагональ отпечатка, выраженная в мм, g – ускорение свободного падения 9.80665 м/с2.

Глубина вдавливания индентора при определении микротвердости составляет несколько микрометров и соизмерима с глубиной получаемого в результате механической шлифовки и полировки модифицированного поверхностного слоя. Поэтому методика удаления этого слоя особенно важна.

Модифицированный слой удаляют обычно одним из трех методов: электрополировкой, отжигом готовых аншлифов в вакууме или инертной атмосфере и глубоким химическим травлением. Для этого строят зависимость НV от параметра, изменяемого при подборе режима снятия поверхностного слоя.

Фактически метод микротвердости – это разновидность метода Виккерса и отличается от него только использованием меньших нагрузок и соответственно меньшим размером отпечатка. Поэтому физический смысл числа микротвердости аналогичен классической твердости по Виккерсу. Для гомогенных однофазных материалов с крупным зерном Hμ ≈ HV Часто наблюдаемые отклонения от этого равенства, особенно в области F < 0.1 Н, объясняются в основном большими погрешностями измерения микротвердости. Источники этих погрешностей – вибрации, инструментальные ошибки в измерении длины диагонали отпечатка, не идентичность условий ручного нагружения, искажения структуры поверхностного слоя и др. По мере уменьшения нагрузки все погрешности возрастают. Поэтому не рекомендуется работать с нагрузками, которые дают отпечатки с d < 8-9 мкм (обычно длина диагонали составляет от 10 до 50 мкм). Использование приставок для автоматического нагружения, всемерное устранение вибраций, тщательная отработка методики приготовления аншлифов позволяют свести ошибки в определении числа микротвердости к минимуму.

Главная ценность метода микротвердости – это возможность оценки твердости отдельных фаз и структурных составляющих, что очень важно при решении многих материаловедческих задач и чего нельзя сделать другими методами.

Порядок выполнения работы

Для определения микротвердости в работе используется микротвердомер марки ПМТ-3М, общий вид которого показан на рис. 1а.

Рисунок 1 – Прибор ПМТ-3М для измерения микротвердости:

а) – общий вид; б) – схема нагружения.

1 – основание; 2 – тумблер блока питания; 3 – регулятор силы света осветителя; 4 – мик-рометрические винты перемещения предметного столика; 5 – фиксатор положения предметного столика; 6 – предметный столик; 7 – тубус микроскопа; 8 – винты юстировки рабочих осей; 9 – фиксатор перемещения тубуса; 10 – фиксатор окулярного микрометра; 11 – окулярный микрометр; 12 – наклонная монокулярная насадка; 13 – барашек грубого перемещения тубуса; 14 – барашек микрометрического перемещения тубуса; 15 – держатель тубуса; 16 – винт-фиксатор держателя тубуса; 17 – регулирующая гайка вертикального положения держателя тубуса; 18 – лампа; 19 – осветительное устройство; 20 – колонка опорная; 21 – светофильтры осветителя; 22 – ручка поворота предметного столика; 23 – сменная пластина для плоских образцов; 24 – штепсель осветителя; 25 – фиксирующий винт механизма нагружения; 26 – рукоятка арретира для приложения/снятия нагрузки; 27 – регулирующая гайка вертикального положения механизма нагружения; 28 – фиксатор наклонной монокулярной насадки; 29 – воздушный демпфер механизма нагружения; 30 – цилиндрический шток механизма нагружения; 31 – гири в виде дисков с прорезями; 32 – держатель индентора; 33 – фиксатор индентора; 34 – индентор, закрепленный в оправке; 35 – ручной минералогический прессик; 36 – призматический держатель для цилиндрических образцов; 37 и 38 – пружины механизма нагружения; 39 – объектив микроскопа; 40 – объект-микрометр (эталонная шкала).

Схема нагружения

Механизм нагружения, схема которого приведена на рис. 1б, состоит из штока 30, закрепленного на двух плоских пружинах 37 и 38, расположенных внутри корпуса механизма. На штоке закреплен воздушный демпфер 29. В держатель 32 вставляется и закрепляется винтом 33 оправка с алмазным индентором 34. На утолщенную часть штока устанавливаются гири в виде дисков с прорезями 31 из комплекта гирь, поставляемого с микротвердомером. Для получения отпечатка шток опускают плавным вращением рукоятки 26 арретира (без рывков и вибрации) против часовой стрелки до упора.

Осветительное устройство 19 закреплено на тубусе микроскопа и служит для освещения исследуемого объекта. При повороте рукоятки 7 от упора до упора осветитель позволяет рассматривать предмет, как в светлом, так и в темном поле. Равномерное освещение достигается перемещением и разворотом патрона с лампой 18. Светофильтры 21 осветителя предназначены для повышения контрастности исследуемого предмета.

Лампа осветителя питается от блока питания 9 В, 25 Вт, встроенного в основание 1 микротвердомера. Включается блок питания тумблером 2. Рукоятка 3 служит для регулировки силы света осветителя. Штепсель 24 осветителя вставляется в разъем. Встроенный блок питания работает от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц.

Окулярный микрометр 11 устанавливается на тубусе наклонной монокулярной насадки 12 и закрепляется винтом 10. Окулярный микрометр при установке должен быть развернут так, чтобы его вертикальный (подвижный) штрих был перпендикулярен отрезку, который необходимо измерить. Для наблюдения объекта и фотографирования полученных отпечатков на место окулярного микрометра может быть установлена любая подходящая по посадке фотоокулярная насадка.

Для нанесения отпечатка испытуемый образец устанавливают в положение оптического наблюдения и выбирают на его поверхности место, в ко-тором необходимо измерить микротвердость. Затем перемещают образец так, чтобы выбранное место оказалось под острием алмазной пирамиды (поворотом предметного столика на 180° до упора – положение индентирования). После вдавливания индентора и снятия нагрузки с образца последний вновь переводят в положение оптического наблюдения и измеряют длину диагонали полученного отпечатка.

Для обеспечения точного замера микротвердости прибор должен быть тщательно отъюстирован. Задача юстировки — точное совмещение оптической оси с осью нагружения при повороте предметного столика на 180°. При измерении микротвердости расстояние между центрами соседних отпечатков должно быть не менее двух длин диагонали отпечатка. Расстояние от центра отпечатка до края образца должна быть не менее трех длин диагоналей отпечатка. Длина диагонали отпечатка должна быть не более полуторной толщины образца.