Микротвердость
Метод определения микротвердости предназначен для оценки твердости очень малых (микроскопических) объемов материалов. Его применяют для измерения твердости мелких деталей, тонкой проволоки или ленты, тонких поверхностных слоев, покрытий и т.д. Важное назначение – оценка твердости отдельных фаз или структурных составляющих сплавов, а также разницы в твердости отдельных участков этих составляющих.
Метод стандартизован (ГОСТ 9450 – 76). В качестве индентора при измерении микротвердости чаще всего как и в случае определения твердости по Викерсу, используют правильную четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. Эта пирамида плавно вдавливается в образец при нагрузках 0,05 – 5 H. Число микротвердости HV· определяется по формуле
HV = 1,854 P/d 2 ,
где P – нагрузка, кгс; d- диагональ отпечатка, обычно 7 – 50 мкм; d 2/1,854 – площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка, мм2.
Кроме четырехгранной пирамиды с квадратным отпечатком стандартом предусмотрено использование алмазных наконечников другой формы: 1) четырехгранной пирамиды с ромбическим основанием, 2) трехгранной пирамиды с треугольным основанием и 3) бицилиндрического наконечника.
По ГОСТу число микротвердости в кгс/мм2 записывают без единицы измерения с указанием нагрузки в кгс, например 120 HV0,01 (120 – число твердости; 0,01 – нагрузка).
Микротвердость массивных образцов измеряют на металлографических шлифах, приготовленных специальным образом. Глубина вдавливания индентора при определении микротвердости (d/7) составляет несколько микрометров и соизмерима с глубиной получаемого в результате механической шлифовки и полировки наклепанного поверхностного слоя. Поэтому методика удаления этого слоя имеет особенно важное значение.
Наклепанный слой удаляют обычно одним из трех методов: электрополировкой, отжигом готовых шлифов в вакууме или инертной атмосфере и глубоким химическим травлением.
Для определения микротвердости используют приборы типа ПМТ – 3 (рис. 2.78,а). На чугунном основании 1 закреплена колонна 3 с резьбой, а на ней – кронштейн с микроскопом и нагружающим устройством. Для установки кронштейна на требуемой высоте служат гайка 4 и стопорный винт. Микроскоп состоит из тубуса 8, окуляр – микрометра 7, сменного объектива 10 (40- или 8-кратного) и осветительного устройства 9. Для грубой наводки на резкость микроскоп можно перемещать по высоте относительно кронштейна винтом 6, связанным с реечным устройством. Прежде чем вращать винт 6, необходимо ослабить винт, расположенный на правой части кронштейна. Для тонкой наводки на резкость микроскоп перемещают в вертикальном направлении вращением микрометрического винта 5. К нижней части тубуса микроскопа прикреплен механизм нагружения 14.
На рис. 2.78,б показана его схема. Грузики в виде дисков с прорезями надевают на стержень 17, в нижнем конце которого крепится оправка с алмазным индентором 16. Стержень подвешен к кронштейну на двух плоских пружинах 20 и 21. При повороте рукоятки 18 на себя стержень 17 освобождается и перемещается под действием грузов вниз, вдавливая индентор в поверхность образца.
На основании прибора установлен предметный столик 11, который может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи микрометрических винтов 12 и 13. Кроме того, столик можно поворачивать рукояткой 2 вокруг своей оси на 180°. Для нанесения отпечатка испытуемый образец устанавливают под микроскопом и выбирают на нем место, в котором необходимо измерить микротвердость. Затем перемещают образец так, чтобы выбранное место оказалось под острием алмазной пирамиды (поворотом предметного столика на 180° до упора). После вдавливания индентора и снятия нагрузки с образца, последний вновь переводят под микроскоп и измеряют длину диагонали отпечатка. Для обеспечения точного замера микротвердости прибор должен быть тщательно юстирован. Задача юстировки – точное совмещение оптической оси с осью нагружения при повороте предметного столика на 180°. Иными словами, необходимо добиться, чтобы отпечаток наносился именно на том месте, которое было выбрано под микроскопом. Центрирующее устройство, позволяющее перемещать объектив в горизонтальной плоскости, приводится в действие винтами 15 (см.рис. 2.78,а).
При измерении микротвердости расстояние между центрами соседних отпечатков должно быть не менее двух длин диагонали большего отпечатка. Таким же должно быть расстояние от центра отпечатка до края образца, длина диагонали отпечатка – не более полуторной толщины образца.
Фактически при использовании четырехгранной пирамиды с квадратным отпечатком метод микротвердости – это разновидность метода Викерса и отличается от него только использованием меньших нагрузок и соответственно меньшим размером отпечатка. Поэтому физический смысл числа микротвердости аналогичен HV. Часто наблюдаемые отклонения от равенства чисел микротвердости и твердости по Викерсу, особенно в области P<0,05 – 0,1 H, объясняются в основном большими погрешностями измерения микротвердости. По мере уменьшения нагрузки все погрешности возрастают. Поэтому не рекомендуется работать с нагрузками, которые дают отпечатки с d<8 – 9 мкм. Использование приставок для автоматического нагружения, всемерное устранение вибраций, тщательная отработка методики приготовления шлифов позволяют свести ошибки в определении числа микротвердости к минимуму.
Как уже отмечалось, главная ценность метода микротвердости – это возможность оценки твердости сверхтонких слоев и отдельных фаз и структурных составляющих, что очень важно при решении многих металловедческих задач. В табл. 2. 9 представлены данные о микротвердости фаз и структурных составляющих некоторых сталей и чугунов.
Т а б л и ц а 2. 9. Микротвердость структурных составляющих сталей и чугунов (В.К.Григорович)
| Сплав | Феррит | Перлит* | Карбидная фаза | Аустенит |
| Сталь: У7 ШХ15 Х12* Х12М 12Х18Н9Т Чугун | 275 – 315 - - - - - | - -/325 – 345 -/275 – 330 215 – 285/- 295 – 340/- 275 – 310/- - -/300 - 365 | - - - - 1156 – 1370 1156 – 1250 - 900 - 1150 | - - - - - 425 – 495 |
| Примечание. Микротвердость ледебурита у стали Х12 равна 750 – 850, а у чугуна 1000 – 11250 МПа. |
Рисунок 2. 78 - Прибор ПМТ – 3 для измерения микротвердости: а – общий вид; б – схема механизма нагружен
Лекция разработана «___»________200__г.
_______________________Фигуровский Д.К.
1 По данным П.Г. Микляева, Г.С. Нешпора и В.Г. Кудряшова
* В числителе зернистый, а в знаменателе пластинчатый перлит.