Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы аттестации наноструктурных поверхностей методы формирования и исследования функциональных поверхностей. Лабораторный практикум
.pdf
РЕВЕТЕСТ конструктивно объединяет прецизионную систему нагружения и оптический микроскоп, которые используют один и тот
же предметный столик с программируемым цифровым моторизованным приводом. Процесс перемещения в латеральной (горизонтальной) плоскости (позиционирование) и в вертикальной плоскости (измерение) управляются персональным компьютером с использованием прецизионных датчиков и программного обеспечения с весьма
высокой точностью. Прибор позволяет проводить царапание в той
области, которая была выбрана при наблюдении в оптический микроскоп с точностью позиционирования менее микрона, а затем наблюдать царапину в оптический микроскоп.
Принцип измерения
Измерения проводят на образцах материалов с плоскопараллельными поверхностями – опорной и изучаемой. Образец закрепляют в механических
тисках на предметном столике, чтобы выбрать такое место для царапания, где нет видимых дефектов (пор,
трещин и др.), а затем перемещают под индентор. В процессе измерения на поверхность опускается индентор, к которому прикладывается заданная нагрузка в диапазоне 1…200 Н.
Проведение измерения
Перед серией измерений проводят юстировку расстояния между
оптической
осью объектива микроскопа и острием индентора. Для
этого наносят отпечаток на медный полированный образец, перемещают его точно под оптическую ось объектива микроскопа, и заносят в память программы точное расстояние между положением центра отпечатка и оптической осью объектива микроскопа. Перед измерением в управляющей компьютерной программе задаются параметры испытания: нагрузка, скорость нагружения, время выдержки
под нагрузкой и скорость разгружения. При испытании нагрузочноразгрузочный цикл проходит с заданной скоростью и выдержкой.
Управляющая программа позволяет сохранить на жестком диске
компьтера для каждого испытания 1000 точек с координатами «расстояние – приложенная нагрузка – измеренная нагрузка – сила трения –акустическая эмиссия – глубина вдавливания».
41
6.4. Порядок проведения работы и указания
по охране труда
Используемый в лабораторной работе прибор является автоматизированным прецизионным прибором и используется в демонстрационном режиме. Все операции при испытании осуществляются
только при непосредственном контроле преподавателя. Они включают в себя следующие этапы:
1. Запуск программы SCRATCH.
2. Установка образца.
3. Выбор области для царапания при наблюдении в оптический
микроскоп.
4. Задание условий измерения
.
5. Проведения измерения.
6. Просмотр под микроскопом и фотографирование участков ца-
рапины.
7. Анализ зависимостей и фотографий для определения критиче-
ских нагрузок.
6.5. Обработка результатов эксперимента
Для получения достоверных результатов следует провести серию
из 3–5 царапин, сопоставить изменения кривых «свойство–нагрузка»
и появление следов разрушения покрытия, видимых в оптический
микроскоп. Цель анализа – определить, какая минимальная (критическая) нагрузка (
тистически усреднить полученные значения
L
) привела к определенной стадии разрушения и ста-
c
L
.
c
6.6. Требования к отчету о работе
Отчет о работе должен содержать аккуратный конспект, содержащий основные теоретические положения, экспериментальные результаты и выполненные студентом расчеты. Проверка готовности к
проведению работы проводится при наличии конспекта. После выполнения работы каждый студент получает для обработки таблицу
результатов измерительного царапания в электронном виде
(табл. 6.2), а также микрофотографии участков царапины,
ных при определенной нагрузке. Проводит самостоятельно построение графика «показание датчика – приложенная нагрузка», а также
оценивает по экспериментальным данным значения когезионной и
адгезионной прочности.
42
получен-
Таблица 6.2
Фрагмент таблицы экспериментальных результатов
Расстояние,
мм
X (mm) Fn (N)
0,0025 0,9069 0,8979 0,0075 36,9461 0,0686
0,005 0,9175 0,9123 0,0106 38,0463 0,0756
0,01 0,9314 0,9267 0,002 35,91 0,0647
0,015 0,9524 0,9515 0,026 44,4763 0,0211
0,02 0,963 0,9645 0,0302 42,8314 0,011
0,025 0,9704 0,9777 0,0396 42,5047 0,0249
0,03 0,9943 0,9976 0,0414 40,4282 0,0889
0,035 1,0015 1,0032 0,0406 37,0636 0,1037
… … … … … …
Приложенная
нагрузка, Н
Измеренная
нагрузка, Н
Measured
Fn (N)
Сила
трения,
Н
Ft (N) AE (%) Pd (µm)
Акустическая эмис-
сия, %
Глубина
вдавливания,
мкм
Библиографический список
1. ASTM C1624–05. Standard Test Method for Adhesion Strength and
Mechanical Failure Modes of Ceramic Coatings by Quantitative Single
Point Scratch Testing.
2. Петржик М.И., Левашов Е.А. Современные методы изучения
функциональных поверхностей перспективных материалов в условиях механического контакта // Кристаллография. 2007. Т. 52. № 6.
С. 1002–1010.
3. www.csm-instruments.com
.
Контрольные вопросы
1. В чем состоит метод измерительного царапания?
2. Какой тип индентора используют в этом методе?
3. Перечислите требования к изучаемым образцам.
4. Какие параметры измеряют при царапании?
5. Какие параметры определяют по экспериментальным данным?
6. Что называют критической нагрузкой?
7. Какова максимальная нагрузка на индентер?
8. Дайте определение когезионной и адгезионной прочности.
9. Какие параметры
10. Зачем надо проводить юстировку расстояния «объектив–
индентор»?
рассчитывают по экспериментальным данным?
43
Лабораторная работа 7
ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
ПО МЕТОДУ «СТЕРЖЕНЬ–ДИСК»
7.1. Цель работы
Провести комплексное трибологическое исследование, которое
включает запись коэффициента трения в реальном времени при испытании по схеме «неподвижный стержень–вращающийся диск», а
также фрактографическое исследование бороздки износа (включая
измерение профиля бороздки) и пятна износа на контртеле, по результатам которого проводят расчет приведенного износа образца и
контртела.
7.2. Теоретическое введение
Испытания на износостойкость покрытий проводят на автоматизированной машине трения TRIBOMETER (CSM Instruments, Швейцария)
[1], управляемой компьютером. В этой установке использована схема
испытания «стержень–диск» (рис. 7.1). Испытания соответствуют стандартам для вращательного скольжения ASTM G 99–95 [2] и возвратнопоступательного скольжения ASTM G 133–95 [3]. Контртелом является
шарик из сертифицированного материала, закрепленный неподвижно в
торце полого стержня. Такая конструкция обеспечивает выполнение
условий
началом испытания и позволяет использовать один шарик для нескольких экспериментов, смещая перед новым испытанием изношенную область на шарике из контактного положения.
вращаемом электродвигателем. Компьютерное управление позволяет
поддерживать постоянной предварительно установленную частоту
вращения
полый стержень, который является держателем неподвижно закрепленного сменного шарика диаметром 3 или 6 мм, изготовленного из стандартного материала с известными свойствами. Сверху стержень нагружают сертифицированными грузами, что позволяет приложить нагрузку
величиной 1…10 Н. Стержень связан с двумя датчиками перемещения.
Один из них измеряет положение оси
ния, т.е. радиус дорожки износа. Другой замеряет тангенциальное от-
задачи Герца об упругом взаимодействии двух шаров перед
Образец в виде диска толщиной 3…6 мм устанавливают в патроне,
двигателя. Перпендикулярно плоскости образца закрепляют
стержня относительно оси враще-
44
клонение стержня от первоначального положения, которое пропорцио-
2
n
F
a
n
F
нально силе трения скольжения для пары трения «материал шарика–
материал диска», что позволяет установить экспериментальное значение коэффициента трения в определенный момент времени.
Рис. 7.1. Стандартная схема испытания «стержень–диск»
Схема установки позволяет использовать аналитическое решение
задачи Герца о механическом взаимодействии двух твердых шаров
(или шара и полуплоскости) и оценить максимальные напряжения,
создаваемые в изучаемом образце при приложении нагрузки. Модель
Герца позволяет рассчитать [4] начальные напряжения (напряжения
Герца), возникающие в паре «образец – контртело» перед началом
испытания. Это важно для понимания того,
насколько материал выбранного контртела и нагрузка соответствуют условиям, в которых
находится реальная пара трения
3
∼
σ
, (7.1)
2π
где
– нормальная нагрузка; a – радиус пятна контакта.
Напряжения Герца принято называть начальными (стартовыми),
поскольку при проведении испытания из-за износа шарика меняется
его геометрия и пятно контакта увеличивается, что приводит к непредсказуемому уменьшению давления.
«Жесткость» условий испытания может быть изменена при выборе шариков, отличающихся модулем Юнга, коэффициентом Пуассона и диаметром, поскольку
именно эти характеристики входят в
формулу Герца и определяют площадь пятна контакта. На практике
тип шарика, как и другие условия испытания (линейная скорость,
нагрузка и длина пробега/число оборотов) выбирают из принципа
45
сравнимости изучаемого материала с уже исследованным. Кроме того, поскольку представляет интерес износостойкость диска (образца
объемного материала или покрытия на подложке), то следует выбирать шарик более твердый, чем материал покрытия. Хотя и не всегда,
но в этом случае скорость износа покрытия больше.
Во время испытания осуществляется дискретная (с заданной час
тотой опроса) регистрация значений коэффициента трения (к.т.),
времени, длины пробега и количества циклов (рис. 7.2).
Рис. 7.2. Графическая зависимость коэффициента трения от длины
пробега, м, количества циклов и времени от начала испытания, с
-
а б
Рис. 7.3. Несколько пятен износа на шарике, закрепленном в стальном
держателе (а), и фрагменты двух бороздок износа (б), образованных
на образце. По берегам бороздки меньшего радиуса заметны
образовавшиеся продукты износа в виде белых хлопьев
46
7.3. Оборудование и материалы
В работе используется прецизионная автоматизированная машина
трения TRIBOMETER (CSM Instruments, Швейцария), образцы объемных материалов и покрытий.
Таблица 7.1
Условия испытаний на установке «TRIBOMETER»
Параметр Значение
Контртело Шарик диаметром 3 или 6 мм
Материал контртела Стали, Al2O3, Si3N4, WC–Co и др.
Нормальная нагрузка 1…10 Н
Радиус кольца износа 3…30 мм
Линейная скорость 0,01…50 см/с
Среда испытания Воздух или жидкость
7.4. Порядок проведения работы и указания
по охране труда
Комплексное трибологическое исследование [5] включает запись
коэффициента трения при испытании по схеме «неподвижный стержень–вращающийся диск» на автоматизированной установке TRIBOMETER, а также фрактографическое исследование, в том
числе измерения профиля бороздки и пятна износа, по результатам
которого проводят расчет износа образца и контртела.
Рис. 7.4. Окно программы Instrum X для калибровки машины трения
TRIBOMETER
47
Используемый в лабораторной работе прибор является автоматизированной прецизионной машиной трения и используется в демонстрационном режиме. Все операции осуществляются только при непосредственном контроле преподавателя.
Перед проведением испытаний с помощью программы
for Tribometer
должны быть проведены три калибровки (рис. 7.4):
Instrum X
частоты вращения двигателя, датчика тангенциального смещения,
датчика радиального смещения.
В управляющей программе (рис. 7.5) должны быть заданы следующие параметры испытания.
Рис. 7.5. Установка параметров испытания (программа Instrum X)
1. Данные об окружающей среде (Tribological environment, Lubri-
cant):
– температура воздуха в помещении;
– тип жидкости, в которой происходят испытания;
– объем раствора, используемый при испытаниях, мл.
2. Величина нагрузки, при которой проводятся испытания (Load).
48
3. Линейная скорость (Linear speed), см/с
4. Длина пробега в метрах или количестве циклов (Distance/Laps).
5. Информация о подложке (Sample):
– материал покрытия;
– материал подложки;
– способ очистки образца перед испытанием.
6. Информация о контртеле (шарике) (Static friction partner):
– материал контртела;
– материал покрытия;
– геометрическая форма и размер контртела, мм;
– способ очистки контртела перед испытанием.
7. Частота опроса датчиков
(Acquisition rate) Гц.
8. Тип жидкости (при трении со смазкой).
После трибологических испытаний с помощью профилометра измеряют сечение канавки износа (рис. 7.6). Проводят ультразвуковую
чистку образца в изопропиловом спирте для удаления продуктов износа из канавки износа.
Для определения износа шарика измеряют диаметр пятна износа
при наблюдении в оптическоий микроскоп МБС-10 (ОАО «ЛЗОС
»)
при увеличениях ×10…×58.
Рис. 7.6. Типичный профиль канавки износа
49
7.5. Обработка результатов эксперимента
2
[(/2)]
Количественно потерю объема при изнашивании рассчитывают
по следующим формулам [6]:
– потеря объема образца, мм
Δ
где
S – площадь сечения бороздки износа; l – длина бороздки
– потеря объема контртела, мм
Δ
V
шар
3
V
= S·l, (7.2)
обр
3
= π·h2(r – 1/3h), (7.3)
где
h – высота стесанного сегмента:
hr r d=− −
2
,
d – диаметр пятна износа; r – радиус шарика.
Приведенный износ
считывают, используя нормировку потери объема при испытании Δ
на величину пробега
I (величину, обратную износостойкости) рас-
V
N м, и приложенную нагрузку P, Н:
I = ΔV/(N·P). (7.4)
Приведенный износ покрытия и контртела не зависит от пути
пробега и нагрузки и позволяет сравнивать трибологические испытания, проведенные при разных условиях.
7.6. Требования к отчету о работе
Отчет о работе должен содержать аккуратный конспект, включающий основные теоретические положения, экспериментальные
результаты и выполненные студентом расчеты. Проверка готовности
к проведению работы проводится по наличию конспекта.
После выполнения работы каждый студент получает для обработки таблицу результатов испытаний в электронном виде (табл. 7.2) и
данные для расчета износа, самостоятельно проводит построение
графика «коэффициент трения–пробег» или «коэффициент трения–
число оборотов» и рассчитывает износ образца по микрофотографии
пятна износа на контртеле и износ образца по профилограмме бороздки износа.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]