ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ УСТАНОВКИ МИКРОСКРЕТЧ-ТЕСТЕР И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ ОБРАБОТАННЫХ ДЕТАЛЕЙ

Чемезов Денис Александрович

магистрант 2 курса, кафедра технологии машиностроения ВлГУ имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир

E-mail: den.chemezov2011@yandex.ru

Гусев Владимир Григорьевич

научный руководитель, д-р. тех. наук, профессор ВлГУ имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир

E-mail:  

В настоящее время применяют высокоточные измерительные приборы и установки отечественного и зарубежного производства для определения твердости, адгезионных и трибологических свойств различных материалов и анализа полученных результатов.

Установка для измерения физико-механических свойств материалов Микроскретч-тестер (МСТ) фирмы CSM Instruments (Швейцария) позволяет определять микротвердость, модуль упругости (измерительное индентирование), адгезионную прочность и стойкость к царапанию различных материалов.

Измерительная установка представляет собой корпус и микроскоп, установленные на неподвижную опору. Последняя жестко зафиксирована на двух вертикальных колоннах. В держатель образца, представляющий собой по конструкции обыкновенные слесарные тиски с двумя подвижными планками, можно устанавливать и закреплять измеряемые заготовки и детали различной формы. Два моторизованных столика с размерами 120×70 мм перемещают держатель образца по координатным осям Х и Y. Две колонны размещены на интегрированном антивибрационном столе с размерами 600×600 мм, который расположен на компактной платформе.

Вид измерения задается переключением рукоятки на корпусе установки. В качестве исполнительного элемента установки применяется алмазный индентор Виккерса и алмазный индентор Роквелла со следующими геометрическими параметрами: радиус сферы индентора R = 20, 100 и 800  мкм; конус 120º. Индентор вставлен в оправку и крепится в нижней части корпуса установки. Три оптических объектива микроскопа позволяют получить изображение, увеличенное в 200, 800 и 2000 раз с возможностью переноса полученных данных в персональный компьютер.

Основные технические характеристики Микроскретч-тестера (МСТ): диапазон нагрузки — 0,0130 Н; разрешение по нагрузке — 0,3 мН; максимальная сила трения — 30 Н; разрешение по силе трения — 0,3 мН; максимальная длина царапания — 120 мм; скорость царапания — 0,4600 мм/мин; максимальная глубина — 1 мм; разрешение по глубине — 0,3 Нам; время отклика обратной связи — 100 мс.

Возможности модуля микроиндентирования и скретч-тестирования: автоматическое вычисление твердости по Виккерсу, Мартенсу различными методами (Оливера — Фарра, тангенциальный, Мартенса и т. д.) и модуля упругости; измерение зависимости твердости от глубины внедрения индентора; автоматическое создание протоколов измерений (таблицы, графики); функции анализа (среднее и стандартное отклонение). Режимы нагружения индентора: стандартный; расширенный; несколько постоянных циклов; несколько прогрессивных циклов (с линейной нагрузкой, с квадратичной нагрузкой); непрерывный мульти-цикл; синусоидальный; режим износа (одно — и двухсторонний); режим случайного царапания.

Для определения твердости нержавеющей стали 12Х18Н10Т после точения образцов диаметром 5 мм и длиной 28 мм на следующем режиме резания: продольная подача режущего инструмента S  = 0,15 мм/об; глубина резания t = 0,5 мм; частота вращения заготовки n = 500 мин^-1. Обработанный образец устанавливали на один из торцев и закрепляли по наружной цилиндрической поверхности. Измерительное индентирование выполнялось за четыре цикла вдавливания алмазного индентора в свободную от закрепления торцевую поверхность образца.

Задаваемые параметры индентирования: коэффициент Пуассона — 0,3; нагрузка предварительного контакта — 0,01 Н; частота получения данных — 10,0 Гц; линейная максимальная нагрузка — 20,0 Н; скорость нагрузки — 40,0 Н/мин; скорость разгрузки — 40,0 Н/мин; выдержка времени — 10,0 с. Тип индентора — Виккерс.

Индентирование выполняли по методу Оливера — Фарра, результаты представлены в виде таблицы.

Таблица 1.

Результаты измерительного индентирования обточенных деталей из труднообрабатываемой стали 12Х18Н10Т

При одинаковой нагрузке вдавливания индентора в образец наблюдается небольшое отклонение результатов измерений, что объясняется неоднородной структурой обработанной стали 12Х18Н10Т. Графическое изображение зависимости глубины проникновения от величины нагрузки за заданное время более детально описывает процесс индентирования.

Рисунок 1. График зависимости глубины проникновения индентора от величины нагрузки за заданное время: 1 — глубина проникновения при нагрузочной силе 2; 3 — выдержка времени; 4 — разгрузочная сила; 5 — остаточная деформация после снятия нагрузки

График зависимости глубины проникновения индентора от величины нагрузки за заданное время (рис. 1) описывается линейными и нелинейными функциями. При постоянной скорости нагрузочной силы 40,0 Н/мин (кривая 1) за 30 секунд индентор вдавился в поверхность образца на глубину от 0 до 16 мкм (прямая 2). Индентор при максимальной нагрузке 20 Н останавливается и выполняется выдержка времени в течение 10 секунд (горизонтальный отрезок прямой 3). При обратном процессе — разгрузке со скоростью 40,0 Н/мин (прямая 4) наблюдается упругое восстановление образовавшегося отпечатка после индентирования (кривая 5) с глубины проникновения 16,5 мкм до 11 мкм. Таким образом, при внедрении индентора вблизи области контакта создается сложное напряженное состояние, близкое к объемному сжатию, а деформация, распространяющаяся вглубь материала, имеет как упругую (обратимую), так и пластическую (необратимую) составляющие. Благодаря этому при измерительном индентировании можно получить информацию о твердости, модуле Юнга, а также оценить долю упругой составляющей в общей деформации материала образца [1, с. 65].

Многофункциональность измерительной установки Микроскретч-тестер (МСТ) позволяет определять физико-механические свойства материалов, обрабатывать экспериментальные данные различными способами и оформлять протоколы измерений за короткий промежуток времени, что весьма важно для рационального использования времени исследователя.

Список литературы:

1.Колмаков А.Г. Методы измерения твердости / А.Г. Колмаков, В.Ф. Терентьев. — М.: Интермет Инжиниринг, 2005. — 150 с.