Композиционные материалы в машиностроении. Лабораторный практикум. Учебное пособие

брать из коробочки только за боковую поверхность и ставить только на предметный столик микроскопа.

2.Во избежание загрязнения и повреждения изучаемой поверхности микрошлифов нельзя касаться ее пальцами, тереть, передвигать по поверхности предметного столика и т. д.

3.Перед началом работы студент получает комплект шлифов

ипо окончании работы сдает его преподавателю. Для изучения структуры металлов и сплавов применяется металлографический микроскоп инвертированного типа Optika XDS-3MET (рис. 4).

Рис. 4. Optika XDS-3MET - металлографический микроскоп: 1- окуляры; 2 - тринокулярная насадка; 3 - набор объективов; 4 - пяти позиционный револьвер; 5 - перемещение предметного столика; 6 - корпус; 7 - макровинт; 8 - микровинт

Предназначен для проведения исследований методом светлого поля в отраженном и поляризованном свете. Металлографический (металлургический) микроскоп используется для исследования не пропускающих свет поверхностей или препаратов (минералов, керамики, игл, катетеров, микросхем и т.д.) при высоком увеличении. Принцип работы такого микроскопа заключается в том, что свет проходит через объективы и падает на поверхность образца, а затем отражается от него.

Промышленный металлографический микроскоп используется для идентификации и анализа структуры различных металлов и сплавов. Металлографический микроскоп применяется в

11

машиностроении, металлургии и других отраслях промышленности. Металлографический микроскоп Optika XDS-3MET применяется для исследования качества литья, плавки и высокотемпературной обработки, для тестирования сырья и обработанных материалов и анализа материалов после высокотемпературной -об работки. Общее увеличение микроскопа 45×, 100×, 200×, 500×.

Правила обращения с микроскопом

1.Микроскоп является точным прибором, требующим аккуратного и осторожного обращения.

2.Работая на микроскопе, нельзя делать быстрых и резких движений при наводке объектива на фокус, при установке и перемене окуляров.

3.Если вращение макро- и микровинтов затруднено, то нельзя применять силу и стремиться во что бы то ни стало повернуть винт, так как это может повлечь за собой смятие резьбы, т. е. порчу микроскопа.

4.Нельзя трогать ответственные части микроскопа, кроме макро- и микрометрических винтов, винтов предметного столика

ирукоятки светофильтров, т.к. микроскоп отрегулирован и смещение частей приводит к трудновыполнимой работе по новой регулировке.

5.Недопустимо отвинчивать винты, разъединять детали микроскопа и т. п., так как это ведет к его порче.

Задание: исследовать макроструктуру композиционных материалов; зарисовать характерные макроструктуры исследуемых материалов; исследовать микроструктуру композиционных материалов; зарисовать характерные микроструктуры исследуемых материалов.

Порядок выполнения работы

1. Изучить методику проведения макро- и микроскопического анализа.

12

2.Провести исследования макро- и микроструктур композиционных материалов, выданных преподавателем.

3.Зарисовать характерные макро- и микроструктуры.

Содержание отчета

1.Описать методику выявления структуры макро- и микрошлифа.

2.Зарисовать характерные макро- и микроструктуры композиционных материалов.

3.Кратко описать методику подготовки микрошлифов.

4.Сделать выводы.

Контрольные вопросы

1.Что называется макроструктурой?

2.Что представляет собой макрошлиф?

3.Что можно выявить на отполированном, но не протравленном макрошлифе?

4.С какой целью макрошлиф подвергают травлению?

5.Что дает изучение макрошлифа?

6.Можно ли по виду макроструктуры определить, какой обработке подвергся исследуемый образец?

7.Можно ли исследовать макроструктуру массивной детали без ее разрушения?

8.Какие основные этапы подготовки макрошлифа?

9.Что можно определить по виду излома?

10.Что называется микроструктурой?

11.Что представляет собой микрошлиф?

12.Что можно выявить на нетравленом отполированном

шлифе?

13.С какой целью микрошлиф подвергают травлению?

14.Как подобрать травитель для микрошлифа?

15.Каковы признаки перетравливания шлифа?

16.Каковы признаки недотравливания шлифа?

17.Какие искажения структуры возможны при изготовлении микрошлифов?

13

18.В чем источник несоответствия между наблюдаемой картиной микроструктуры и истинной микроструктурой?

19.Виды дефектов композиционных структур?

20.Техника безопасности работы на металлографическом микроскопе.

Лабораторная работа № 3.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: ознакомиться с методикой определения твердости по методу Баркола и Бринелля; определить механические свойства композиционных материалов.

Приспособления, инструмент, материалы: твердомер Баркола; прибор для определения твердости по методу Бринелля; образцы композиционных полимерных материалов.

Теоретические сведения

Под твердостью понимается свойство материала оказывать сопротивление местной пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия суждения о его свойствах получило широкое применение для контроля качества композиционных материалов.

Твердость поверхности композиционного материала определяют с помощью твердомера Баркола (рис. 5, 6). Относительная глубина вдавливания наконечника позволяет получить количественное значение твердости материала.

Твердомер Баркола модели ТПБа-934 предназначен для мягких металлов, таких как алюминий и его сплавы, латунь, медь, а также некоторых твёрдых пластиков и стеклопластиков, с таблицей перевода в единицы твёрдости по Бринеллю, Виккерсу

14

и Роквеллу. ТПБа-935 предназначен для мягких пластмасс и очень мягких металлов(олово, медь, свинец и т.д.). ТПБа-936 предназначен для мягких материалов (кожа, ткани, резина, линолеум, дерево и т.д.).

Рис. 5. Твердомер Баркола

Рис. 6. Схема твердомера Баркола: 1- винт рамы; 2 - индикаторное устройство; 3 - винт кожуха; 4 - рычаг; 5 - стопорная гайка; 6 - неподвижная втулка; 7 - подвижная направляющая втулка; 8 - направляющее кольцо; 9 - наконечник индентора; 10 - нижняя направляющая плунжера; 11 - пружина подвижной направляющей втулки; 12 - опора; 13 - штифт; 14 - узел рамы и кожуха; 15 - плунжер; 16 - верхняя гайка с направлением плунжера

15

Определение твердости по Барколу

Твердомер Баркола состоит из индентора и индикаторного устройства. Наконечник индентора должен быть изготовлен из закаленной стали в виде усеченного корпуса с углом наклона 26° и плоской вершины индентора диаметром0,157 мм. Индикаторное устройство имеет шкалу со 100 делениями. Каждое деление соответствует значению глубины проникновения в материал, равному 0,0076 мм. Чем выше показание прибора, тем тверже материал.

Образцы для испытаний

1.Поверхность образца для испытаний должна иметь гладкую поверхность без механических дефектов.

2.Толщина образцов для испытаний должна быть не менее 1,5 мм, их размер должен быть достаточным для того, чтобы расстояние от точки вдавливания до торца образца для испытаний, а также между двумя точками вдавливания было не менее 3 мм.

Проведение испытаний

Твердомер и образец для испытаний(или контрольные образцы для калибровки) размещают на плоской, твердой и устойчивой поверхности, например, на каменной, металлической или керамической поверхности. При использовании более мягких поверхностей может иметь место ложный результат со значением меньшим, чем в действительности.

Устанавливают корпус наконечника на образец для испытаний, затем опору на той же поверхности или на твердом материале, который имеет одинаковую толщину, таким образом, чтобы твердомер находился под прямым углом к поверхности образца для испытаний. Крепко удерживают твердомер между опорой и корпусом наконечника. Быстро прикладывают руками нагрузку, постепенно увеличивая нагрузку до достижения максимального показания на шкале индикатора. При проведении испытания следует избегать скольжения индентора по образцу для испытаний. Заносят в протокол максимальное показание прибора.

16

Определение твердости по Бринеллю

Для определения твердости полимерных композиционных материалов рекомендуют использовать метод Бринелля, который описан в ГОСТ4670–2015. Этот стандарт рекомендует определять глубину вдавливания в образец шарика из закаленной стали диаметром 5 мм.

При испытаниях нагрузка на шарик устанавливается из условия вдавливания его на глубину не менее 0,15 и не более 0,35 мм. Продолжительность приложения нагрузки – 2 мин. Для проведения эксперимента применяют любое устройство, обеспечивающее приложение нагрузки строго вертикально и замер перемещения индентора с точностью не менее 0,01мм.

По результатам эксперимента определяют значение твердости, упругость и пластичность материала, значение коэффициента Пуассона, оценочные значения разрушающего напряжения и предела текучести по эмпирическим зависимостям.

Упругую и пластическую деформации материала измеряют, разгружая индентор без изменения положения образца. Отсчет остаточной (пластической) деформации h1 берут через 60 с после снятия нагрузки.

Образцы для испытаний

Для оценки твердости материалов по Бринеллю применяют образцы в виде плоскопараллельной пластины или таблетки толщиной не менее 2 мм.

Проведение испытаний

Образец устанавливают на поворотный столик прибора и вращением маховика поднимают столик до соприкосновения образца с индентором. При этом создают предварительное усилие прижатия величиной до 10 Н. Устанавливают стрелку индикатора на ноль.

Далее задают необходимое усилие сменными грузами на нагружающем рычаге. Продолжительность приложения нагрузки

– 2 мин. Глубину вдавливания индентора определяют по показаниям индикатора часового типа по истечении заданного времени. Разгружают индентор без изменения положения образца и изме-

17

ряют глубину h1 по показаниям индикатора через1 мин после снятия нагрузки.

Эксперимент проводят не менее пяти раз на одном образце, выбирая различные точки для приложения индентора. По результатам эксперимента определяют значение твердости, упругость и пластичность материала, значение коэффициента Пуассона, оценочные значения разрушающего напряжения и предела текучести по эмпирическим зависимостям.

Значение твердости по Бринеллю(HB) рассчитывают по уравнению

где F – усилие, приложенное к индентору, Н; d – диметр шарика, мм; h – глубина вдавливания шарика, мм.

Число упругости У в процентах рассчитывают по уравне-

нию

У = h - h1 ×100, h

Число пластичности П оценивают из соотношения

П =100- У

По известным значениям h и h1 можно оценить приближенно величину модуля упругости при сжатии E:

3× h1 × h × d

Величину коэффициента Пуассона v оценивают по уравнению

v = 1 - 4 × K h ×d × E , 6 × F

где K h = 1 - h1 . h

18

Задание: определить твердость поверхности образцов полимерных композиционных материалов методом Баркола и методом Бринелля. Рассчитать число упругости, пластичности и коэффициент Пуассона исследуемых образцов.

Порядок выполнения работы

1.Изучить работу твердомера Барколла и метод измерения твердости по Бринеллю.

2.Произвести замеры твердости образцов композиционных материалов выданных преподавателем.

3.Заполнить табл. 1 и 2.

Таблица 1

Результаты испытаний по методу Баркола

19

Продолжение табл. 2

Содержание отчета

1.Кратко описать методики определения твердости композиционных полимерных материалов.

2.Представить результаты испытаний в виде табл. 1 и 2.

3.Сделать выводы.

Контрольные вопросы

1.Какие известны методы определения твердости?

2.Как проводится подготовка образца для измерения твер-

дости?

3.Как проводятся испытания твердости по методу Баркола?

4.Особенности проведения испытаний при определении твердости по методу Бринелля?

Лабораторная работа № 4.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: определить механические характеристики волокнистых композиционных материалов с различными углами вырезки образцов и ориентацией армирующих волокон в условиях упругой и упруго-вязкой заделки. Лабораторная работа со-

20