Влияние некоторых факторов на результаты определения микротвердости
Воспроизводимость значений микротвердости, характеризующих свойства исследуемых материалов, зависит от ряда факторов.
На величине микротвердости заметно сказывается состояние поверхности испытуемого образца. Поверхностные слои металла и сплава заметно упрочняются при механической подготовке микрошлифа.
Глубина проникновения индентора, связанная с величиной действующей нагрузки, также заметно влияет на результаты микротвердости. При небольшой глубине проникновения индентора микротвердость оказывается заниженной. По мере углубления индентора (при увеличении нагрузки) микротвердость возрастает, достигает максимального значения и затем снова несколько снижается.
Низкие значения микротвердости поверхностных слоев металла объясняются особым состоянием этих слоев и частично их разрыхлением (разрыхление поверхностных слоев может наблюдаться при кристаллизации, поверхностном окислении, деформировании и рекристаллизации).
Для получения сравнимых результатов испытания микротвердости необходимо придерживаться единой методики подготовки микрошлифов и применять оптимальную нагрузку, заранее выбранную для данного состояния исследуемых образцов.
Состояние поверхности образца более значительно сказывается на величине микротвердости при малых нагрузках. При нагрузках 50‑100 гмикротвердость меньше зависит от способа изготовления образца.
Необходимо в каждом отдельном случае выбирать нагрузку при испытании микротвердости: с предварительным построением кривой нагрузка ‑ микротвердость, чтобы выявить условия воспроизводимости результатов; не допускать заметного разогрева образцов при изготовлении микрошлифов, а также глубокого травления, так как это приводит к сильному разрыхлению поверхностных слоев испытуемых металлов, и производить испытания на свежеприготовленных образцах.
Микротвердость возрастает при шлифовке и полировке. В табл. 8.2 приведены результаты примерной глубины упрочнения различных металлов и сплавов в зависимости от способа обработки поверхности.
Электрополирование и механическое полирование приводит к удалению деформированного слоя и снижению микротвердости тем в большей степени, чем больше снятый слой.
Значительное влияние на величину микротвердости оказывают размер зерна и местоположение отпечатка в пределах зерна (центр, полурадиус, у границы), толщина и некоторые другие факторы.
Следует отметить, что при установлении микротвердости тонких структурных составляющих небольшого размера в значительной степени уменьшается точность определения.
Таблица 8.2 - Глубина упрочнения различных металлов и сплавов в зависимости от способа обработки поверхности
| Метод обработки поверхности | Глубина упрочненного слоя, мкм | |||
| медь | алюминий | латунь | закаленная инструментальная сталь | |
| Шлифовка: | ||||
| грубая | ||||
| чистовая | 12,5 | 12,5 | 2,5 | |
| металлографическая с помощью наждачной бумаги | 1,2 | |||
| Полировка восковым шлифовальным кругом | 2,5 | 2,5 | нет |
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с методами определения микротвердости по Виккерсу и Кнупу.
2. Изучить устройство и работу на приборе ПМТ-3М для измерения микротвердости.
3. Ознакомиться с различиями в работе на современных приборах для измерения микротвердости и на ПМТ-3М.
4. Рассмотреть влияние структурных и механических факторов на результаты измерений.
5. Выяснить, как тарируется прибор. Понять, какие погрешности могут возникать при определении микротвердости, как они могут быть устранены или сведены к минимуму.
6. Выяснить необходимость и области применения различных эталонов.
7. Произвести пробное нагружение и измерение отпечатка на одном из образцов.
8. Измерить микротвердость предложенных образцов из различных материалов:
а) Образец ферритно-перлитной стали с крупными структурными составляющими;
б) Образец термообработанной антикоррозионной наплавки (Рис.8.10) с участками обезуглероживания внутри образца или стали с упрочненными слоями (Рис.8.11).
9. Произвести нужные расчеты, изобразить график зависимости микротвердости от толщины обезуглероженного слоя.
10. Составить отчет по работе.
Содержание отчета
При составлении отчета необходимо четко указать задачи метода определения микротвердости, привести рисунок устройства и описать принцип действия прибора для измерения микротвердости.
Кроме того, необходимо детально изучить методику измерения микротвердости на микрошлифе, записать изображение микрошлифа с отпечатками, распечатать записанное изображение, привести таблицу замеров с указанием нагрузки. Описать полученные результаты определения микротвердости.
Контрольные вопросы
1. Что такое микротвердость? Каковы области применения таких испытаний?
2. Как устроен микротвердомер ПМТ-3М и как проводят на нем измерения?
3. Можно ли сравнить микротвердость с макротвердостью (HB, HV, HRС)?
4. Каковы инденторы, нагрузки, пределы измерения при определении чисел
микротвердости?
5. Каковы правила подготовки образцов к замеру микротвердости?
6. Какие факторы влияют на результаты определения микротвердости?
7. В чем заключаются особенности измерения микротвердости тонких слоев и
покрытий?
8. Какие погрешности могут возникать при определении микротвердости и как они
могут быть устранены или сведены к минимуму?
9. Как возникает деформированный поверхностный слой на поверхности микрошлифа?
Можно ли и нужно ли его устранять?
10. Как образуется деформированный слой вокруг отпечатка микротвердости? Как
устранить влияние этого слоя на результаты измерения?
11. В чем различие в результатах измерении микротвердости по Виккерсу и Кнупу?
12. Зачем измеряют микротвердость различных фаз и структурных составляющих?
13. В чем заключаются основные преимущества измерений микротвердости на
современных приборах?
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 8.3 - Микротвердость некоторых фаз и структурных составляющих сплавов Fe ‑ C
| Наименование фазы или структурной составляющей | Марка стали | Микротвердость | |
| МПа/м2 | кг/мм2 | ||
| Феррит | 1 226 | ||
| 2 354‑2 698 | 240‑275 | ||
| 2 698‑3 089 | 275‑315 | ||
| 2 501 | |||
| Сорбит | 20ХН | 2 698‑3 197 | 275‑325 |
| (феррит с зернистыми | ШХ15 | 2 108‑2 795 | 215‑285 |
| карбидами) | Х12 | 2 893‑3 334 | 295‑340 |
| Х12М | 2 698‑3 040 | 275‑310 | |
| ЭИ229 | 2 942‑3 060 | 300‑312 | |
| Пластинчатый перлит | 2 698‑3 138 | 275‑320 | |
| 3 197‑3 383 | 325‑345 | ||
| У7 | 2 698‑3 236 | 275‑330 | |
| Чугун | 2 942‑3 579 | 300‑365 | |
| Карбидная фаза | Чугун | 10 738‑11 278 | 1 095‑1 150 |
| Х12М | 11 336‑12 258 | 1 156‑1 250 | |
| Х12 | 11 336‑13 435 | 1 156‑1 370 | |
| РК18 | 12 759 | 1 300 | |
| Аустенит | Типа 18-8 | 1 716 | |
| Х12М | 5 099 | ||
| Чугун | 4 168‑4 854 | 425‑495 | |
| Ледебуритная эвтектика | Х12 | 7 355‑8 336 | 750‑850 |
| Чугун | 9 807‑11 032 | 1 000‑1 125 | |
| Троостит | ‑ | 5 590 | |
| Бейнит | ‑ | 4 707 | |
| Стедит | ‑ | 2 942‑7 600 | 300‑775 |
| Графит | ‑ | 20‑107 | 2‑11 |
Таблица 8.4 - Микротвердость мартенсита
| Сплав | Максимальная микротвердость мартенсита | Mикротвердость мартенсита (закалка с температуры Ac1) | Микротвердость мартенсита (закалка с температуры оплавления) | |||
| МПа/мм2 | кг/мм2 | МПа/мм2 | кг/мм2 | МПа/мм2 | кг/мм2 | |
| 10 297,0 | 1 050 | 7 109, 8 | 4 167,8 | |||
| 9 169,2 | 7 109.8 | 5 982,0 | ||||
| У7 | 9 904,7 | 1 010 | 6 962,7 | 8 924,0 | ||
| 20ХН | 6 227,2 | 5 050,4 | 4 413,0 | |||
| ШХ15 | 10 198,9 | 1 040 | 5 785,9 | 7 845,3 | ||
| Х12М | 8 727,9 | 3 922,7 | 5 001,4 | |||
| ЭИ229 | 8 070,5‑9 463,4 | 825‑965 | 4 363,9 | 3 432,3 | ||
| Чугун | 10 444,0 | 1 065 | 6 619,5‑7 845,3 | 675‑800 | 6 276,2 |
Таблица 8.5 - Микротвердость некоторых карбидов, боридов, силицидов.
| Фаза | Состав | Нагрузка, г | Микротвердость | |
| МПа/мм2 | кг/мм2 | |||
| Карбид бора | ВС | 36 285 | 3 700 | |
| Карбид ванадия | VC | 23 536‑27 490 | 2 400‑2 800 | |
| 20 437‑24 615 | 2 084‑2 510 | |||
| Карбид гафния | ‑ | 28 567 | 2 913 | |
| Карбид кремния | SiC | 17 652‑34 323 | 1 800‑3 500 | |
| Карбид молибдена | Мо2С | ‑ | 14 416‑19 613 | 1 470‑2 000 |
| Мо3С | 14 710 | 1 500 | ||
| Карбид ниобия | NbС | 20 153‑23 536 | 2 055‑2 400 | |
| Карбид тантала | ТаС | 15 171‑17 652 | 1 547‑1 800 | |
| Карбид титана | TiС | 27 949‑33 245 | 2 850‑3 390 | |
| Карбид хрома | Сr3С2 | 9 807‑13 729 | 1 000‑1 400 | |
| 12 749 | 1 300 | |||
| Карбид циркония | ZrC | 27 812‑34 127 | 2 836‑3 480 | |
| 25 497 | 2 600 | |||
| Карбид вольфрама | WC | 15 544‑16 956 | 1 585‑1 730 | |
| 23 536 | 2 400 | |||
| W2C | 29 420‑33 343 | 3 000‑3 400 | ||
| Карбид молибдена ‑ вольфрама | ‑ | 20 202‑20 918 | 2 060‑2 133 | |
| Карбид тантала – вольфрама | ‑ | 18 005‑18 103 | 1 836‑1 846 | |
| Карбид титана ‑ вольфрама | ‑ | ‑ | 12 209‑28 493 | 1 245‑2 900 |
| Карбид хрома ‑ вольфрама | ‑ | ‑ | 14 710‑23 536 | 1 500‑2 400 |
| Карбид вольфрама ‑ циркония | ‑ | 26 478‑26 802 | 2 700‑2 733 | |
| Карбид железа ‑ ванадия | ‑ | 17 770 | 1 812 | |
| Борид молибдена | МоВ2 | 13 533 | 1 380 | |
| Мо2В | 16 279 | 1 660 | ||
| МоВ | 15 396 | 1 570 | ||
| Борид титана | TiB2 | 33 343 | 3 400 | |
| Борид хрома | СrВ2 | 17 652 | 1 800 | |
| Борид циркония | ZnB2 | 21 575 | 2 200 | |
| Силицид вольфрама | WSi2 | 10 689‑16 004 | 1 090‑1 632 | |
| WSi0.7 | 7 551 | |||
| Силицид молибдена | MoSi2 | 12 651‑13 827 | 1 290‑1 410 | |
| MoSi0,65 | 11 474 | 1 170 | ||
| Mo3Si | 8 728‑12 847 | 890‑1 310 | ||
| Силицид ниобия | NbSi2 | 10 297 | 1 050 | |
| Силицид тантала | TaSi2 | 15 298 | 1 560 | |
| Силицид титана | Ti5Si3 | 9 669 | ||
| Силицид хрома | CrSi2 | 11 278 | 1 150 |
Список использованной литературы
1. Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные
работы и задачи. М. Металлургия. 1989. 456с.
2. К.Г. Шмитт-Томас. Материаловедение для машиностроения. Справочник. М.
Металлургия. 1995. 512с.
3. В.С. Золотаревский. Механические свойства металлов. М. МИСИС. 1998. 400с.
4. Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей.
Справочник под. ред. В.Д. Кальнера. М. Машиностроение. 1984. 384с.
5. А.И. Самохоцкий, М.Н. Кунявский. Лабораторные работы по металловедению и
термической обработке металлов. М. Машиностроение. 1981. 174с.
6. А.Г. Колмаков и др. Методы измерения твердости. М. Интермет Инжиниринг. 2000.
128с.
7. РД ЭО 0027-2005. Инструкция по определению механических свойств металла
оборудования атомных станций безобразцовыми методами по характеристикам
твердости. М. Росэнергоатом. 2005. 52с.
8. ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу.
Часть 1. Метод измерения. М. Стандартинформ. 2008. 19с.
9. ГОСТ Р ИСО 6507-2-2009. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу.
Часть 2. Поверка и калибровка твердомеров. М. Стандартинформ. 2010. 24с.
Лабораторная работа №9