WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 21 | 22 || 24 | 25 |   ...   | 42 |

Последние 50 лет происходило непрерывное развитие и техническое совершенствование склерометров и методов испытаний царапанием, но в подавляющем большинстве случаев испытания сводились к оценке стандартных силовых и деформационных свойств материалов [166, 167]. Подобная ограниченная ориентация склерометрии на получение известных характеристик, которые можно было проще и корректнее оценить при испытаниях на растяжение или вдавливание, не могла способствовать всестороннему раскрытию огромных внутренних резервов метода царапания, а также широкому внедрению и стандартизации склерометрических приборов и методик испытаний. По прошествии почти полувека ситуация в этом плане существенно не изменилась. Так, в работе П.В. Волкова [52] (2000 г.) отмечается, что метод царапания обладает уникальными возможностями, позволяющими испытывать тонкие слои материала с доведением их до разрушения, но пока он не получил широкого распространения по причине отсутствия автоматизированных методик испытаний, а также недостатка соответствующих приборов и нормативных документов.

В 90-х годах прошлого века сотрудникам НТЦ «Надежность» удалось разработать и обосновать новые методики (патенты РФ № 21667454, № 2119165, № 2277232), позволяющие наиболее легко, быстро и непосредственно получать оценку активационных параметров пластической деформации и разрушения материалов, а также величины запасенной энергии деформации при использовании метода склерометрии. Разработанные методики не только открыли принципиально новые возможности в исследовании кинетики повреждаемости и разрушения материалов, прогнозировании их ресурсных характеристик, разработке научно обоснованных методик ускоренных испытаний элементов машин и конструкций, но и позволили склерометрии вновь обрести важное самостоятельное прикладное значение в ряду механических методов исследования материалов.

Маркетинговый анализ показывает, что современный рынок склерометрических устройств в нашей стране не заполнен (в реестре средств измерения, сертифицированных органами государственного надзора, нет склерометрических устройств), и в настоящее время отсутствуют отечественные стандартные, переносные, удобные в практическом использовании склерометры. В то же время интерес к таким устройствам со стороны производственных предприятий машиностроения, энергетики и транспорта весьма велик.

Одними из первых склерометров в нашей стране стали установки, разработанные в 1952-1953 гг. в СФТИ под руководством Г.Д. Полосаткина [151] (рис. 3.6, а-г) для изучения законов царапания и сравнения процесса царапания с процессом шлифования. В данных склерометрах, созданных на базе горизонтально фрезерных станков, использовался конический индентор из закаленной стали ШХ-15 с углом при вершине 60°. При царапании определяли глубину царапины и силу царапания [151], после склерометрирования оценивали весовой износ образцов.

В ИМШ РАН была разработана конструкция склерометра для исследования влияния скорости царапания на твердость, базирующаяся на стандартном микротвердомере Виккерса ПМТ-3 (рис. 3.7). Образцы закреплялись на столике пластилином. Царапание осуществлялось стандартной алмазной пирамидой Виккерса в диапазоне скоростей 2,6·10-5 …2·10-2 см/сек.

Серия моделей маятниковых склерометрических устройств СТ-3, СТ-4, СТ-6, СТ-7 и др. для изучения износостойкости материалов при статическом, динамическом и циклическом царапании была разработана под руководством М.М. Тененбаума [218] в период 1955-1965 гг.

во ВНИИПТУЛЕМАШе и в ВИСХОМе.

Маятниковый склерометр СТ-4 [234] (рис. 3.8) содержит основание, маятник с закрепленным в его головке индентором, выполненным в виде алмазной пирамиды, клиновое устройство для регулирования высоты подъема индентора по отношению к поверхности столика, пусковое и стопорное устройства, предметный столик с прижимным болтом. При рабочем ходе маятника алмазный индентор, перемещаясь гранью вперед, прорезает в образце царапину в виде лунки со стандартной длиной 1,6 мм. Глубина лунки определяется высотой подъема вершины индентора над поверхностью стола.

Рис. 3.6. Конструкции склерометров СФТИ:

а – для изучения весового износа при царапании (1 – стол, 2 – дуга, 3 – пластина, 4 – конический индентор, 5 – рычаг, 6 – подшипник);

б – для исследования образования нароста при царапании с записывающим устройством (1 – стол, 2 – дуга, 3 – пластина, 4 – конический индентор, 5 – рычаг, 6 – подшипник);

в – для исследования резания меди индентором с наростами (р – рычаг, с – столик, к – конический индентор, м – мембрана, к – цилиндрическая коробка с медным купоросом);

г – для исследования влияния вибраций на образование наростов (1 – стол горизонтально-фрезерного станка, 4 – конический индентор, 5 – рычаг, 7 – груз, 8 – электромагнитный молоток для создания вибраций) Рис. 3.7. Прибор ИМАШ для изучения процесса царапания материалов Рис. 3.8. Схема маятникового склерометра СТ-для динамического царапания:

1 – пружинное спусковое устройство; 2 – маятник;

3 – механизм свободного хода; 4 – головка маятника; 5 – столик; 6 – образец;

7 – винт; 8 – груз; 9 – трехгранная алмазная пирамида Развитие электронной базы позволило перейти от создания отдельных приборов к разработке автоматизированных склерометрических программно-аппаратурных комплексов. Работы по созданию и совершенствованию склерометрических устройств в настоящее время ведутся в Московском энергетическом институте, Московском институте нефти и газа им. Губкина, в Киевском институте гражданской авиации и др. научных организациях.



В МЭИ разработана серия приборов для испытаний царапанием:

МЭИ-С1 – для безобразцового определения твердости, истинного сопротивления разрыву и относительного сужения (рис. 3.9); МЭИ-С2 – для регистрации диаграммы «усилие царапания – длина царапины» (рис.

3.10).

На кафедре технологии металлов МЭИ-ТУ совместно с РНПО «Росучприбор» разработана автоматизированная установка для оценки прочности поверхностных слоев методом склерометрии МВ-(http://www.granat-edu.spb.ru/06/09.htm), которая отличается от предыдущей модели более удобной для эксплуатации конструкцией [166] (рис.

3.11, табл. 3.2). Прибор позволяет производить оценку качества поверхностных слоев металла, обработанного различными способами (механическим, термомеханическим, химико-термическим, концентрированными потоками энергии, нанесением покрытий); испытывать и регистрировать в автоматизированном режиме диаграмму деформирования поверхностного слоя обработанного металла путем горизонтального перемещения алмазного индентора, внедренного на заданную глубину. Предусмотрена возможность сопряжения склерометра с ПЭВМ типа IBM PC для обработки информации и регистрации диаграммы «нагрузка – перемещение индентора», по которой определяются твердость и характеристики разрушения упрочненного поверхностного слоя.

Рис. 3.9. Схема и общий вид склерометра МЭИ-С1:

1 – ходовой винт; 2 – рычаг; 3 – установочный винт; 4 – гайка; 5 – колонна; 6 – лампочка; 7 – уровень; 8 – ось груза; 9 – стол; 10 – стопорный винт; 11 – винт бокового крена; 13 – ползун;

14 – верхний блок; 15 – втулочно-роликовая цепь; 16 – крюк; 17 – натяжное устройство; 19 – окулярный микрометр; 20 – держатель тубуса; 21 – микрометрический механизм; 22 – маховичок; 23 – кронштейн; 25 – проектирующий микроскоп Рис. 3.10. Схема склерометра МЭИ-С2:

1 – образец; 2 – столик; 3 – винт; 4 – индентор; 5 – балка; 6 – гайка;

7 – индикатор часового типа; 8 – балка для измерения горизонтального перемещения; 9 – электродвигатель Рис. 3.11. Склерометр МВ-Таблица 3.Технические характеристики склерометра МВ-Характер приложения нагрузки Плавный Диапазон изменения нагрузки, Н от 0 до Диапазон перемещения индентора, мм от 0 до Электропитание от сети переменного тока:

- напряжением, В - частотой, Гц Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг Маятниковый склерометр, разработанный в 1999 году в Государственной академии нефти и газа им. И.М. Губкина (Патент РФ № 2141106), предназначен для определения трибологических характеристик материалов методом царапания (рис. 3.12).

Корпус установлен на основании. В верхней части корпуса размещен предметный столик для образца.

Маятник установлен в корпусе на оси.

На верхнем конце штока маятника закреплен индентор. Имеются фиксатор положения образца, пусковой и стопорный узлы. Склерометр снабжен узлом перемещения образца к индентору и измерителем перемещения образца. Для крепления узла и образца в предметном столике выполнен осевой канал. Измеритель выполнен в виде установленной с возможностью перемещения на нижней торцевой поверхРис. 3.12. Схема склерометра по патенту № 2141106:

ности предметного столика подпру1 – основание; 2 – корпус; 3 – шток мажиненной пластины, связанной с инятника; 4 – твердосплавный индентор; – упругий элемент;

дикатором перемещения. В радиаль6 – тензорезистор; 7 – груз; 8 – ось; 9 – образец; 10 – предметный столик; 11 – ном канале в нижней части столика пружина; 12 – пластина;

размещен фиксатор положения образ13 – узел перемещения образца;

14 – маховик; 15 – втулка;

ца в виде упорной пластины. Участок 16 – индикатор перемещения;

штока под осью маятника выполнен в 17 – упорная пластина;

18 – прижимной винт; 19 – втулка; 20 – виде упругого элемента, на котором пусковое устройство;

21 – стопорное устройство;

установлены тензорезисторы. Обеспе22 – тензоусилитель;

чивается повышение точности моде23 – осциллограф лирования трибологических испытаний и достоверность определения износостойкости материалов за счет исключения погрешности, обусловленной непостоянной величиной нормальной составляющей усилия царапания на контакте «индентор – образец».

Широкое применение метод склерометрии находит и за рубежом.

Наиболее известные производители приборов для макро- (revetesters), микро- (micro scratch testers) и наносклерометрии (nano scratch testers) – фирмы CSM Instruments, Micro Photonics (см. сайт www.micriphotonics.com/mst.html), Elcometer (см. сайт www.elcometer.com).

Склерометры фирмы CSM Instruments (рис. 3.13) позволяют проводить визуальные исследования поверхностей и при высокой точности и воспроизводимости результатов оценивать: прочность сцепления покрытий, акустическую эмиссию, силу царапания, глубину внедрения индентора, твердость по Виккерсу и Кнупу. Имеется возможность исследования образцов размерами до 300 мм в режиме однократного и многократных проходов индентора.

Характеристики склерометров фирмы CSM Instruments приведены в табл. 3.3.





Таблица 3.Технические характеристики склерометров фирмы CSM-Instruments Рис. 3.13. Микросклерометр фирмы CSM Instruments Микросклерометр Nanovea Micro Scratch Tester фирмы Micro Photonics для оценки адгезии и толщины покрытий представлен на рис. 3.14.

Прибор имеет автоматизированный привод, встроенный оптический микроскоп и позволяет оценивать силу сопротивления царапанию, глубину пропаханной борозды, твердость, модуль упругости, уровень акустической эмиссии. Деформирование поверхности осуществляют алмазным индентором при однократном и многократных проходах. Характеристики прибора приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.Характеристики склерометра Nanovea Micro Scratch Tester ДИАПАЗОН НОРМАЛЬНЫХ НАГРУЗОК, Н 0,04…Точность приложения нормальной нагрузки, Н 0,Диапазон измерения силы царапания, Н 0,04…Погрешность оценки силы царапания, Н 0,Скорость царапания, мм/мин 0…Максимальная длина царапины, мм Увеличение микроскопа, 250… а б Рис. 3.14. Микросклерометр Nanovea Micro Scratch Tester (а) и вид пропаханной борозды (б) Многофункциональный склерометр 1535 Multi Function Scratch Tester фирмы Elcometer (рис. 3.15) предназначен для исследования качества покрытий. Основная особенность склерометра – магнитный стол для фиксации образцов.

Рис. 3.15. Склерометр 1535 Multi Function Scratch Tester 3.6. СКЛЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ При использовании метода склерометрии в качестве механического способа активации материала поверхностного слоя энергия активации может оцениваться из отношения W V кДж цар м u =, (3.16) V моль деф где W – механическая энергия, затраченная на царапание (кДж), цар V – объем активированного материала (мм3), V – молярный объем деф м (мм3/моль). Данное предположение может считаться справедливым при малых скоростях царапания <0.01м/с, при которых можно пренебречь саморазогревом поверхности образца в зоне контакта с индентором, а также влиянием скорости царапания на количество деформируемого вещества. Выражение для расчета работы, затраченной на пропахивание борозды, может быть записано как 3 W = N f L cos 10 = F L cos, [кДж], (3.17) цар где N – нормальная нагрузка на индентор, [H]; f – коэффициент соF противления царапанию; L – путь трения (длина борозды), [мкм]; – сила сопротивления пластической деформации; – угол между векторами силы и скорости при царапании поверхностного слоя.

Параметр необходимо учитывать, поскольку материал поверхностного слоя является анизотропным. При этом деформация материала, осуществляемая за счет механизма скольжения дислокаций, происходит в направлении, обусловленном ориентацией кристаллографических плоскостей [178, 251, 257] металлических зерен. Оси главных напряжений в деформируемом материале поверхностного слоя вытягиваются вдоль направления внешнего трения, поэтому cos = можно принять, что при царапании исследуемой поверхности вдоль образовавшейся текстуры ( = 0°), а также при ее поперечной деформации ( = 90°).

Вытесненное при пропахивании количество вещества поверхностного слоя равно V = SL, (3.18) деф S где – площадь поперечного сечения борозды.

Подставив (3.17) и (3.18) в (3.16), можно видеть, что энергия активации пластической деформации при склерометрировании зависит только от тангенциальной силы царапания и площади поперечного сечения борозды и не зависит от длины царапины. Таким образом, экспериментальную оценку u можно реализовать тремя методами: 1) путем контроля меняющихся значений работы деформации и количества деформированного материала; 2) путем контроля меняющегося количества деформированного материала при фиксированном значении работы деформирования; 3) путем контроля работы деформирования при фиксированном значении деформируемого количества материала поверхностного слоя. Отмеченные методы, теоретически являясь равноценными, далеко не равнозначны с точки зрения практической реализации. Первый метод приводит к значительному усложнению склерометра; для его осуществления требуется наличие средств для измерения тангенциальной силы при царапании и размеров получаемых отпечатков, причем вследствие неоднородности приработанного материала поверхностного слоя измерение обеих величин должно быть синхронизировано во времени.

Во втором методе сила трения устанавливается постоянной, например, за счет стабилизации силы нормального нагружения индентора (если считать коэффициент сопротивления царапанию между алмазным индентором и поверхностью образца постоянным), и определяется вытесняемый объем материала. Данный метод также сложен в реализации, поскольку весьма трудно соблюсти условие постоянства работы деформации при царапании различных материалов в различных условиях, кроме того, остается необходимость в измерении объема деформированного материала, требующая точных дорогостоящих датчиков или сложных оптических устройств ввиду малости размеров деформированного микрообъема. Третий метод, в котором задается величина заглубления индентора в поверхностный слой и контролируется действующая на него касательная сила, по-видимому, является самым простым в реализации.

Для него требуются лишь датчик касательной силы, например, тензометрического, емкостного или индуктивного типа, и механизм, обеспечивающий стабильность величины заглубления индентора.

Pages:     | 1 |   ...   | 21 | 22 || 24 | 25 |   ...   | 42 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.