Лабораторна робота №3 Визначення мікромеханічних властивостей композиційних та монокристалічних матеріалів

Мета роботи: оволодіти методикою та здобути практичні навики визначення мікротвердості композиційних та монокристалічних матеріалів методом мікроіндентування.

Обладнання: мікротвердомір ПМТ-3, набір вантажів.

Теоретичні відомості

Твердість – це опір матеріалу, зумовлений проникненням в його поверхню стандартного тіла (індентора), що не деформується при випробуванні. Існує кілька методів, в яких про твердість матеріалів судять або по глибині проникнення індентора (метод Роквелла), або по величині відбитка від вдавлювання (методи Бринеля, Віккерса).

У всіх випадках випробувань відбувається пластична деформація матеріалу. Чим більше опір матеріалу пластичній деформації, тим вище його твердість. В результаті вдавлювання поверхневі шари матеріалу, які перебувають під індентором і поблизу нього, пластично деформуються. Після зняття навантаження залишається відбиток. Особливість такої деформації полягає в тому, що вона відбувається тільки в невеликому об'ємі, оточеному недеформованим матеріалом. У таких умовах виникають головним чином дотичні напруження, а частка розтягуючих напруг незначна в порівнянні з одержуваними при інших видах механічних випробувань (на розтяг, вигин, кручення, стиснення). Тому при вимірюванні твердості вдавлюванням, пластичній деформації піддаються не тільки пластичні матеріали, але й матеріали (наприклад, чавун), які при згаданих вище механічних випробуваннях руйнуються практично без пластичної деформації.

Основні схеми випробувань матеріалу на твердість представлені на рис.1.1. В методі вимірювання твердості за Бринелем (рис.1.1, а) у досліджуваний матеріал за допомогою пресу вдавлюється сталева кулька, і значення твердості визначають по величині поверхні відбитка. Число твердості за Бринелем обчислюють зі співвідношення:

(1.1)

де Р - навантаження на кульку; D — діаметр кульки, d — діаметр відбитка.

Рис.1.1. Визначення твердості за схемами: а) –Бринеля; б) – Роквелла; в) – Віккерса.

Вимірювання твердості вдавлюванням сталевої кульки не є універсальним способом, оскільки він не дозволяє: а) випробовувати матеріали із твердістю Н_В більше 450; б) вимірювати твердість тонкого поверхневого шару (товщиною менше 1-2 мм), оскільки сталева кулька продавлює цей шар і проникає на більшу глибину. Товщина вимірюваного шару (або зразка) повинна бути не менше десятикратної глибини відбитка.

Метод вимірювання твердості за Роквеллом (рис.1.1, б) відрізняється від методу вимірювання за Бринелем тим, що твердість визначають по глибині відбитка, одержаного при вдавлюванні алмазного конуса або сталевої кульки, а не по площі відбитка. Перевагою вказаного методу у порівнянні із методом Бринеля є можливість зміни навантаження в широких межах, без зміни значень твердості, оскільки при вдавлюванні конуса, умови деформації під його вершиною зі збільшенням тиску не змінюються. Крім того, вимірювання твердості за Роквеллом вимагає менше часу, ніж за Бринелем, а також залишає менший відбиток на поверхні зразка чи деталі.

Недоліком методу вимірювання твердості за Роквеллом є неможливість визначення твердості дуже тонких шарів матеріалу (товщиною менше 0.3 мм), бо алмазний конус проникає на глибину, що перевищує товщину цих шарів. Разом з тим при зростанні твердості досліджуваного матеріалу, глибина відбитка зменшується, що веде до зниження точності вимірювань.

В методі вимірювання твердості за Віккерсом в матеріал вдавлюється чотиригранна алмазна піраміда з кутом при вершині 136° і твердість характеризується площею одержаного відбитка (рис.1.1, в). При вдавлюванні піраміди співвідношення між діагоналями відбитка при зміні навантаження залишається постійним, що залежно від цілей дослідження дозволяє варіювати величину навантаження в широких межах. Твердість по Віккерсу визначається за співвідношенням:

, (1.2)

де Р – навантаження, d – діагональ відбитка.

Числа твердості по Віккерсу й по Бринелю мають однакову розмірність і для матеріалів твердістю до Н_В=450 практично збігаються. Разом з тим, вимірювання пірамідою дають більш точні значення для матеріалів з високою твердістю, ніж вимірювання кулькою або конусом. Алмазна піраміда має великий кут у вершині і діагональ її відбитка приблизно в сім разів більше глибини відбитка, що підвищує точність виміру відбитка навіть при проникненні піраміди на невелику глибину й робить цей спосіб особливо придатним для визначення твердості тонких або твердих матеріалів.

Слід розрізняти два способи визначення твердості вдавлюванням: вимірювання макротвердості і вимірювання мікротвердості.

Вимірювання макротвердості характеризується тим, що у випробуваний матеріал вдавлюється тіло, яке проникає на порівняно велику глибину, котра залежить від величини прикладеного навантаження і властивостей матеріалу. Крім того, у багатьох випробуваннях вдавлюється тіло значних розмірів, в результаті чого в деформованому об'ємі представлені всі фази і структурні складові зразка. Вимірювана твердість у цьому випадку характеризує твердість усього випробуваного матеріалу.

Для вивчення властивостей і перетворень в матеріалах, зокрема, металах і сплавах, даних про усереднену твердість, яка є результатом впливу наявних в матеріалі фаз і структурних складових недостатньо. Тому на практиці проводять вимірювання мікротвердості, метою яких є визначення твердості окремих зерен, фаз і структурних складових досліджуваного зразка. У цьому випадку об'єм, що деформується вдавлюванням, повинен бути менше об'єму (площі) досліджуваної структурної складової. Тому прикладене навантаження вибирається невеликим. Мікротвердість, як правило, визначають вдавлюванням алмазної пірамідки. На рис.1.2 для прикладу показано форму відбитка на поверхні кремнію, що використовується при вимірюванні мікротвердості та схему визначення діагоналі відбитка.

Рис.1.2. Форма відбитку на поверхні кремнію та принципова схема вимірювання діагоналей відбитків.

В даній роботі пропонується провести ознайомлення з будовою та принципом роботи приладу ПМТ-3 і з його допомогою виконати вимірювання мікротвердості композиційних та монокристалічних матеріалів при заданих навантаженнях P  на індентор. Для зразків кремнію вибирається P = 30 г, а для композиційних матеріалів P = 100 г. Вибір навантаження відповідає, з одного боку, найменшому з них, яке дає геометрично правильний відбиток, помітний на поверхні, а з іншого - найбільшому, яке не створює мікротріщини поблизу відбитка. Для підвищення точності і достовірності результатів необхідно нанести не менше 10 відбитків, по усередненим діагоналям яких розраховується мікротвердість.