Экспериментальные методы определения параметров наклепа

   Пластические деформации, возникающие в результате воздействия инструмента вызывают упрочнение обработанной поверхности – наклеп. Твердость металла при пластическом деформировании увеличивается. Поэтому измерение величины наклепа после механической обработки устанавливают по твердости поверхности. Наклеп характеризуется глубиной залегания, степенью и градиентом.

   Глубину наклепа можно определить путем измерения микротвердости на косых срезах образцов (рисунок). Косые срезы выполняют в специальном приспособлении, обеспечивающем получение угла a в пределах (1…3)° на плоско-шлифовальном станке при обильном охлаждении и минимальных подачах, исключающих внесение дополнительного наклепа на косой срез. Затем изготавливаются шлифы срезов. При этом для обеспечения четкой границы между исследуемой поверхностью и косым срезом (из точки А) образец заливают сплавом Вуда или эпоксидной смолой в приспособлении для полирования. Измерения микротвердости следует проводить по трем линиям. Микротвердость на некотором расстоянии х₀ определяется как среднее арифметическое из трех замеров. Глубина, на которой расположены точки измерения микротвердости, определяются по соотношению .

 

.

Рисунок 2 – Чертеж цилиндрического образца с косым срезом
 и схема измерения твердости поверхности

 

Для определения глубины наклёпа слоя h_н необходимо найти то значение х₀, которое соответствует неупрочнённому материалу с постоянной микротвердостью Н. Тогда .

Степень наклепа U_н определяется по наибольшей микротвердости исследуемой поверхности.

   Таким образом, степень наклепа

Градиент наклепа определяется соотношением

.

Микротвердость измеряется вдавливанием индентора – алмазной четырехгранной пирамиды Виккерса с квадратным основанием. Возможно использование и других инденторов, например трёхгранной пирамиды Берковича для измерения микротвердости твердых тел, четырехгранной пирамиды Кнуппа с ромбическим основанием для измерения микротвердости особо хрупких материалов.

 

а                   б                   в

Рисунок 3 – Пирамида Берковича (а) и пирамиды Виккерса (б и в)

 

Вдавливание осуществляется при нагружении пирамиды гирями массой 5; 10; 20; 50; 100; 200 или 500 граммов в течение определенного времени (обычно не менее 3 с). После снятия нагрузки измеряют диагональ отпечатка, по величине которого определяют микротвердость, используя соответствующие таблицы.

Применяют приборы – микротвердомеры: ПМТ-3; ПМТ-5; ПМТ-6. В приборах ПМТ-3, ПМТ-5 и ПМТ-6 отпечатки измеряют с помощью окулярного микрометра и с увеличением до 478 раз.

Прибор ПМТ-5 производит автоматическое нагружение, запрограммированную выдержку под нагрузкой и автоматическую разгрузку. По данным измерений строят график (рисунок), после обработки которого получают значения x, h_н, U_н, U_гр.

 

 

Рисунок 4 – Прибор ПМТ-3М и результаты измерения микротвёрдости

 

В технологии машиностроения ведутся измерения этих параметров, так как на их основе можно сделать выводы об эксплуатационных возможностях поверхности.

Одним из перспективных методов определения эксплуатационных характеристик материалов является метод непрерывного вдавливания индентора. Он основан на вдавливании индентора в испытуемый материал с непрерывной регистрацией усилия вдавливания-перемещения индентора в виде диаграммы.

Метод непрерывного вдавливания индентора реализован в комплексе МТИ-3М, созданном в РГАТА, и наноиндентометре ДНТ 20/200, разработанном в ТГУ г. Тамбова по техническому заданию кафедры ТАДОМиУК РГАТА. Оба прибора сходны по конфигурации и имеют в своём составе автоматизированный твердомер, контроллер и персональный компьютер.

Применение персонального компьютера значительно упрощает управление комплексом и обработку диаграмм вдавливания, позволяет не только автоматизировать процесс нагружения, но проводить более сложные виды испытаний, например, испытания на малоцикловую усталость материала поверхностного слоя образцов и малогабаритных деталей.

По кинематической диаграмме вдавливания, получаемой на экране ЭВМ, возможны:

- оценка особенностей микродеформации в условиях непрерывного вдавливания индентора в широком диапазоне прикладываемых усилий и глубин отпечатков;

- определение непосредственно из диаграммы вдавливания микротвердости;

- оценка реологических характеристик (микроползучесть, упругое восстановление) поверхностных слоев;

- изучение процесса разрушения и его связи с контактным взаимодействием при непрерывном вдавливании индентора;

- оценка толщины покрытия и его механических свойств, степени влияния подложки на микротвердость покрытия;

- определение упругих свойств поверхностных слоев материала и способность их к релаксации энергии, накопленной в процессе упругопластической деформации;

- испытание материалов с плохой отражательной способностью поверхности или материалов, у которых отпечаток сильно изменяет свои размеры после снятия нагрузки.