Вивчення зміни властивостей алюмінієвих сплавів у процесі природного старіння

      За значеннями твердості можна визначати також і деякі пластичні властивості металів. Твердість, певного вдавлення, характеризує також границю витривалості деяких металів, зокрема міді, дюралюміна й сталей у відпаленому стані.

      2. Вимір твердості по техніці виконання значно простіший, ніж визначення міцності, пластичності й в'язкості. Випробування твердості не вимагають виготовлення спеціальних зразків і виконуються безпосередньо на перевіряють деталях, що, після зачищення на поверхні рівної горизонтальної площадки, а іноді навіть і без такої підготовки.

Виміру твердості виконуються швидко.

    3. Вимір твердості звичайно не спричинює руйнування перевіряїмої деталі, що, і після виміру її можна використати по своєму призначенню, у той час як для визначення міцності, пластичності й в'язкості необхідне виготовлення спеціальних зразків.

    4. Твердість можна вимірювати на деталях невеликої товщини, а також у дуже тонких шарах, що не перевищують (для деяких способів виміру твердості) десятих часток міліметра, або в мікрооб'ємах металу; в останньому випадку виміру проводять способом мікротвердості. Тому багато способів виміру твердості придатні для оцінки різних за структурою й властивостями шарів металу, наприклад поверхневого шару цементованої, азотированної або загартованої сталі, що має різну твердість по перетині деталі. Методом визначення мікротвердості можна також вимірювати твердість окремих складових у сплавах.

Варто розрізняти два способи визначення твердості вдавленням: вимір  макротвердості  й вимір мікротвердості.

Вимір макротвердості відрізняється тим, що у випробуваний матеріал вдавлюється тіло, що проникає на порівняно більшу глибину, на висячу від величини прикладеного навантаження й властивостей металу. Крім того, у багатьох випробуваннях вдавлюється тіло значних розмірів, наприклад сталева кулька діаметром 10 мм, у результаті чого в деформуємому об'ємі виявляються представленими всі фази й структурні складові сплаву. Обмірювана твердість у цьому випадку характеризує твердість усього випробуваного матеріалу.

Вибір форми, розмірів наконечника й величини навантаження залежить від цілей випробування, структури, очікуваних властивостей, стану поверхні й розмірів випробуваного зразка. Якщо метал має гетерогенну структуру з великими виділеннями окремих структурних складових, різних по властивостях (наприклад, сірий чавун, кольорові підшипникові сплави), то для випробування твердості варто вибирати кулька великого діаметра. Якщо ж метал має порівняно дрібну й однорідну структуру, то малі по об'єму ділянки випробуваного металу можуть бути досить характерними для оцінки його твердості. У цих випадках випробування можна проводити вдавленням тіла меншого розміру, наприклад алмазного конуса або піраміди, і на меншу глибину, і, отже, при невеликому навантаженні.

При випробуванні металів з високою твердістю, наприклад загартованої або низькоотпущенної стали, наведене умова є навіть обов'язковим, оскільки вдавлення сталевої кульки або алмаза з великим навантаженням може викликати деформацію кульки або сколювання алмаза.

Однак значне зниження навантаження небажано, тому що це приведе до різкого зменшення деформуючого об'єму й може дати значення, не характерні для основної маси металу. Тому величини навантажень і розміри одержуваних у матеріалах відбитків не повинні бути менше деяких певних меж.

Вимір мікротвердості має на меті визначити твердість окремих зерен, фаз і структурних складових сплаву (а не «усереднену» твердість, як при вимірі макротвердості). У цьому випадку об'єм, який деформують вдавленням, повинен бути менше об'єму (площі) вимірюваного зерна.

Тому прикладене навантаження вибирається невеликим. Крім того, мікротвердість вимірюють для характеристики властивостей дуже малих по розмірах деталей.

Значний вплив на результати випробувань твердості робить стан поверхні вимірюваного матеріалу. Якщо поверхня нерівна — криволінійна або з виступами, то окремі ділянки в різному ступені беруть участь в опорі вдавленню й деформації, що приводить до помилок у вимірі. Чим менше навантаження для вдавлення, тим більше ретельно повинна бути підготовлена поверхня. Вона повинна представляти шліфовану горизонтальну площадку, а для виміру мікротвердості - поліровану. 

Вимірювана поверхня повинна бути встановлена горизонтально, тобто перпендикулярно дії тіла, що вдавлює. Протилежна сторона зразка також повинна бути зачищена, і не мати окалини, тому що остання при нагружені зразка мне, що спотворює результати виміру [20].

Для приблизності зручно користуватися шкалою Мооса - набором з 10 мінералів, розташованих по зростанню твердості:

Тальк -1                      Полевої шпат  -6

Гіпс -2                        Кварц -7

Кальцит -3                  Топаз -8

Флюорит - 4              Корунд -9

    Апатит     -5               Алмаз -10

       4.1. Метод виміру твердості вдавленням алмазної піраміди   (твердість по Віккерсу)

       По цьому способі в метал вдавлюється чотиригранна алмазна піраміда з кутом у вершині 136° і твердість характеризує площа  одержуваного відбитка. При вдавленні піраміди співвідношення між діагоналями відбитка, що виходить, при зміні навантаження залишається постійним, що дозволяє в широких межах залежно від цілей дослідження збільшувати або зменшувати навантаження.

Випробування проводять на приладі (Рис.4.1), що має нерухому станину, у нижній частині якої встановлений столик 1, що переміщається по вертикалі обертанням маховика 2. Зразок установлюють на столику випробуваною поверхнею (перпендикулярній діючій силі) догори й потім піднімають столик майже до зіткнення зразка з алмазною пірамідою, закріпленої в шпинделі 3. Натисканням педалі пускового важеля 4 пускають у хід механізм, що навантажує, що через важіль передає тиск вантажів 5, попередньо піднятих на алмазну піраміду. Після  цього опускають столик приладу й підводять мікроскоп, установлений на штанзі, прикріпленої до станини. За допомогою мікроскопа визначають довжину діагоналі отриманого відбитка.   

Рис. 4.1.   Схема   приладу   для   виміру  твердості   вдавленням  алмазної піраміди (вимір по Віккерсу): 1- столик для установки зразка; 2- маховик; 3 - шток з алмазною пірамідою; 4 - педаль пускового важеля; 5 - підвіска із призмою; 6 - мікроскоп.

Рис. 4.2. Схема виміру відбитка, отриманого вдавленням алмазної піраміди  (вимір по Віккерсу)

У якості індентора використається алмазна чотиригранна піраміда с кутом при вершині 136o.

Поверхня зразків для визначення твердості пірамідою повинна бути ретельно відшліфована папером із дрібним зерном або навіть відполірована. Товщина випробуваного зразка повинна бути не менше ніж 1,5 діагоналі відбитка.

Твердість по Віккерсу HV, так само як і по Брінеллю, визначається як зусилля, що доводиться на одиницю поверхні відбитка:

де Р — навантаження на піраміду, кгс;  — кут між протилежними гранями піраміди (136°); d — середнє арифметичне довжини обох діагоналей відбитка після зняття навантаження, мм.

Числа твердості по Віккерсу й по Брінеллю мають однакову розмірність і для матеріалів твердістю до НВ 450 практично збігаються. Разом з тим виміру пірамідою дають більше точні значення для металів з високою твердістю, чим виміру кулькою або конусом. Алмазна піраміда має великий кут у вершині (136°) і діагональ її відбитка приблизно в сім разів більше глибини відбитка, що підвищує точність виміру відбитка навіть при проникненні піраміди на невелику глибину й робить цей спосіб особливо придатним для визначення твердості тонких або твердих сплавів.

При випробуванні твердих і тендітних шарів (азотированного, ціанованого) біля кутів відбитка іноді утворяться тріщини (відколи), по виду яких можна судити про крихкість вимірюваного шару [26].

       4.2. Метод виміру мікротвердості

       Для вивчення властивостей і перетворень у сплавах необхідно не тільки знати «усереднену» твердість, що представляє твердість у результаті сумарного впливу присутніх у сплаві фаз і структурних складових, але й визначати твердість окремих фаз і структур сплаву. Мікротвердість визначають вдавленням алмазної пірамідки [15]. 

Прилад типу ПМТ-3 (Рис. 4.3) має штатив 1 вертикального мікроскопа з тубусом, що переміщається нагору й униз за допомогою макрометричного  й мікрометричного гвинтів.   

Прилад постачений двома об'єктивами для перегляду мікрошліфа при збільшеннях в 478 й 135 разів. Окуляр збільшує в 15 разів.

Рис. 4.3.  Схема приладу ПМТ-3 для  виміру мікротвердості: 1 - мікроскоп; 2 - макрометричний гвинт; 3 - мікрометричний гвинт; 4 - окулярний мікрометр; 5 - шток з алмазною пірамідою; 6 - опакіллюмінатор; 7 - об'єктив; 8 - стіл для установки мікрошліфа; 9 - ручка стола; 10 - гвинт стола; 11 - регулювальні гвинти; 12 - вантажі; 13 - ручка навантаження.

Окулярний мікрометр має нерухому сітку, залишковий мікрометричний барабанчик і каретку з рухливою сіткою. На нерухомій сітці довжиною 5 мм нанесені штрихи із цифрами й косинець із прямим кутом,

вершина якого збігається із цифрою 0. На рухливій сітці нанесений косинець із прямим кутом і два ризики.

Алмазна пірамідка має кут між гранями при вершині 136°, тобто такий же, як й у піраміді для виміру по Віккерсу (що полегшує перерахування на числа Віккерса). Навантаження для вдавлення піраміди створюється вантажами 12, установлюваними на шток 5. У приладі застосовують вантажі від 1 до 200 г залежно від особливостей досліджуваної структури й завдань дослідження.   Установлений мікрошліф переглядають через окуляр.

З допомогою двох гвинтів столик переміщується у двох перпендикулярних напрямках, що дозволяє переміщати мікрошліф і вибрати на ньому ділянку, у якому необхідно виміряти твердість. Цю ділянку варто розмістити в середині поля зору мікроскопа — точно у вершині кута нерухомої сітки. Потім установлюють вантажі, повертають за допомогою ручки столик 9 на 180° (від одного упору до іншого) для підведення обраної ділянки зразка під алмазну піраміду. Після цього повільним (протягом 10—15 с) поворотом ручки 13 приблизно на 180° опускають шток з алмазною пірамідою так, щоб алмаз торкнувся зразка. У цьому положенні витримують зразок під навантаженням 5 - 10 с., після чого, повертаючи ручку 13 у вихідне положення, піднімають шток з алмазом. Потім повертають столик 8 на 180° і повертають зразок у вихідне положення під об'єктив мікроскопа для виміру діагоналі відбитка. Якщо прилад правильно центрований, то зображення відбитка виявиться в полі зору мікроскопа або буде близько до вершини кута нерухомої сітки. Точність сполучення місця, наміченого для випробування, з місцем фактичного вдавлення піраміди становить у цьому приладі 0,3 мкм. Потім обертанням гвинтів 11 підводять відбиток до косинця нерухомої сітки таким чином, щоб вершина косинця збіглася з лівим кутом відбитка, а пунктирні лінії косинця збіглися із гранями лівої частини відбитка. Після цього обертанням мікрометричного барабана окуляра підводять вершину  косинця рухливої сітки до протилежного кута відбитка; тоді пунктирні лінії косинця рухливої сітки сполучаться із гранями правої частини відбитка. При такому положенні сіток розподілу мікрометричного барабанчика вказують довжину діагоналі відбитка. Повертаючи окуляр на 90°, визначають також довжину другої діагоналі й обчислюють середню довжину діагоналі. Отриману середню довжину переводять по таблиці на число твердості. Зазначені виміри отриманого відбитка роблять не менш двох-трьох разів. Числа твердості в таблиці обчислені по формулі:

HV = 1,854Р/d2   кг·с/мм2

і представляють числа твердості по Віккерсу.

Для одержання більш точного результату вимірюють твердість досліджуваної ділянки мікрошліфа, наприклад одного зерна, два-три разу. Для цього необхідно, щоб на площі того самого зерна   розмістилися, принаймні, два відбитки. Виходячи із цієї умови, експериментально підбирають величину навантаження для дослідження. Необхідно, однак,  врахувати, що при дуже малих навантаженнях (менше 20 кгс) можуть вийти недостатньо точні результати. Прилад дозволяє фотографувати мікроструктуру сплаву з отриманими відбитками.

Рис. 4.4. Відбитки отримані вдавленням алмазної піраміди на дюралюмінії в  період природного  старіння (вимір по Віккерсу).

  4.3. Метод виміру твердості вдавленням кульки (твердість по     Брінеллю)

Цей спосіб універсальний і використається для визначення твердості практично всіх матеріалів.

У матеріал вдавлюється сталева кулька, і значення твердості визначають по величині поверхні відбитка, що залишає кулька. Кульку вдавлюють за допомогою преса. 

Рис. 4.5. Схема приладу для одержання твердості вдавленням  кульки (вимір по Брінеллю): 1 - столик для   центрування   зразка; 2 - маховик; 3 - вантажі;  4 - кулька; 5 - електродвигун.

Випробуваний  зразок  встановлюють на столику 1 у нижній частині нерухомої станини преса (Рис. 4.5), зашліфованою поверхнею догори. Поворотом вручну маховика 2 по годинній стрілці столик  піднімають так, щоб кулька могла вдавитися у випробувану поверхню. У пресах з електродвигуном обертають маховик 2 до упору й натисканням кнопки увімкнуть двигун 5. Останній переміщає коромисло й поступово вдавлює кульку під дією навантаження, повідомлюваної підвішеним до коромисла вантажем. Це навантаження діє протягом певного часу, звичайно 10-60 с., залежно від твердості вимірюваного матеріалу,   після чого вал двигуна, обертаючись у зворотну сторону, відповідно переміщає коромисло й знімають навантаження. Після автоматичного вимикання двигуна, повертаючи маховик 2 проти вартової стрілки, опускають столик приладу й потім знімають зразок.