3774

Рис. 3.13. Лабораторная установка по определению электрической прочности:

Основные элементы установки: 1 – кнопка включения сети; 2 – индикатор включения сети (зеленый); 3 – измерительный прибор; 4 – индикатор готовности аппарата к включению высокого напряжения (желтый); 5 – включено высокое напряжение (красный); 6, 8, 9 в работе не используются; 7 – кнопка включения высокого напряжения; А – переключатель уровня подьема напряжения (различного при испытаниях воздуха и трансформаторного масла); Б – регулятор напряжения;

В – дополнительный цифровой прибор

стрелочного прибора – 2 кВ, крайняя правая отметка «10» соответствует 100 кВ). Цифровой прибор показывает непосредственно прилагаемое напряжение. Следует отметить, что оба прибора показывают действующие значения переменного напряжения. Пробой промежутка происходит при амплитудном значении.

Методические указания

Внимание! Подача высокого напряжения без установленной в аппарат ячейки строго запрещается во избежание пробоя изоляции аппарата.

Работа выполняется в три этапа.

41

На первых двух этапах работы проводится измерение электрической прочности промежутка, заполненного диэлектриком. В качестве диэлектрика используются:

а) воздух; б) трансформаторное масло.

Для каждого из этих случаев имеются отдельные ячейки. Переливание масла из одной ячейки в другую не производить.

Перед началом экспериментальных опытов следует с помощью расчетов, используя необходимые справочные данные [2] (см. также раздел 4 настоящих указаний), определить ожидаемое пробивное напряжение для воздуха и трансформаторного масла. После этого можно выполнить серию экспериментов по измерению пробивного напряжения сначала для воздуха, а затем для масла; при этом переключатель А (рис. 3.13) должен находиться в положениях «воздух» и «масло», соответственно.

Измерение пробивного напряжения производится в следующем порядке.

1.Открыть крышку и осторожно установить в аппарат необходи-

мую ячейку. При этом смену ячеек в процессе работы производить

только при отключенном питании аппарата – кнопка 1 (рис. 3.13) отжата !

2.Закрыть крышку (при неплотно закрытой крышке защита не позволит произвести подачу высокого напряжения).

3.Проверить нулевое положение регулятора напряжения и включить переключатель скорости подачи напряжения в соответствующее положение («воздух» или «масло»).

4.Включить кнопку питания аппарата (1, рис. 3.13), при этом должен загореться индикатор зеленого цвета (2, рис. 3.13). Если регулятор напряжения выведен на нуль и стрелка прибора стоит на нуле, должен гореть индикатор желтого цвета (4, рис. 3.13). Если индикатор желтого цвета не загорается, отключить аппарат и проверить нулевое положение регулятора напряжения. В процессе работы кнопка автовозврата стрелки (8, рис. 3.13) должна быть отжата.

5.Нажать кнопку подачи высокого напряжения (7, рис. 3.13), должен загореться индикатор красного цвета (5, рис. 3.13) и погаснуть индикатор желтого цвета.

6.Следя за показаниями прибора, медленно увеличивать напряжение с помощью регулятора напряжения до пробоя диэлектрика, сопровождающегося характерным треском и выключением индикатора

42

красного цвета. Зафиксировать значение подводимого высокого напряжения в момент пробоя диэлектрика, после чего регулятор напряжения установить в нулевое положение.

7.После пробоя диэлектрика (особенно масла) выждать не менее 3

мин.

8.Для каждого вида диэлектрика провести не менее 6 измерений пробивного напряжения (см. п. 4 и далее). Если для диэлектрика проведено 6 измерений, следует выключить питание аппарата и сменить ячейку (см. п. 1 и далее).

На третьем этапе работы изучается явление частичных разрядов

(ЧР). Для этого используется двухслойный диэлектрик – в отдельную ячейку между электродами помещена стеклянная пластина, касающаяся только одного из электродов (толщина пластины 1,3 мм). В опыте определяется напряжение появления частичных разрядов. В этом случае напряжение повышается до появления частичных разрядов (ЧР) в воздушном промежутке. Наличие частичных разрядов определяется по характерному треску. После появления характерного треска напряжение медленно уменьшается. При исчезновении характерного треска фиксируется напряжение, которое и принимается за оценку напряжения возникновения частичных разрядов.

На основе этой оценки можно найти примерное значение диэлектрической проницаемости стекла. Диэлектрическая проницаемость определяется решением системы двух уравнений, представленных в разделе 4.9. При этом предполагается, что при напряжении, приложенном к двухслойному диэлектрику и равном напряжению возникновения частичных разрядов, напряженность электрического поля в воздушном слое равна электрической прочности воздуха, определенной в первом опыте.

В отчете должны быть представлены все экспериментальные данные в порядке их получения. Данные рекомендуется занести в таблицу. На основании полученного среднего пробивного напряжения диэлектриков рассчитывается их электрическая прочность. Приводятся справочные данные электрической прочности диэлектриков и сравниваются с экспериментальными. Имеющиеся расхождения следует объяснить. При сравнении электрической прочности воздуха со справочными данными надо учитывать:

зависимость электрической прочности от расстояния между электродами (см. раздел 4.9);

43

тот факт, что пробой проходит на амплитуде переменного напряжения, а прибор показывает его действующее значение.

Привести расчет и полученное значение диэлектрической проницаемости стекла сравнить со справочным.

Контрольные вопросы

1.Что такое электрический пробой?

2.Что такое электрическая прочность?

3.Каково значение электрической прочности у воздуха (при нормальных условиях, в промежутке 10 мм)?

4.Каково значение пробивного напряжения качественного трансформаторного масла в стандартной ячейке?

5.Каково значение электрической прочности качественного трансформаторного масла?

6.Как распределяются напряженности поля в двухслойном диэлектрике?

7.Если в твердом диэлектрике имеется воздушное включение, как отличается напряженность поля в этом включении от напряженности поля в твердом диэлектрике?

8.Каково расстояние между полусферическими электродами в стандартной ячейке для испытания жидких диэлектриков?

9.От чего может понижаться электрическая прочность трансформаторного масла?

10. Что такое частичный разряд?

11. При каких условиях возникают частичные разряды в твердом диэлектрике?

12. Каково значение электрической прочности электротехнического стекла?

13. Как развивается пробой в газе?

14. Как развивается пробой в жидкости? Роль пузырьков. 15. Что такое тепловой пробой?

16. Как зависит электрическая прочность материалов от длительности приложения напряжения?

17. Какое напряжение в вашем опыте было приложено к стеклу при наличии частичных разрядов в промежутке электрод–стекло?

44

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы. Ознакомиться с методами определения твердости материалов. Экспериментально определить значения твердости образцов металлов и пластмасс.

Методы измерения

В разных методах и при различных условиях испытания числа твердости могут характеризовать сопротивление малым и большим пластическим деформациям, сопротивление материала разрушению.

	Наибольшее распространение при определении
	твердости материалов получили статические
	методы. Статическим методом измерения твер-
	дости называется такой, при котором индентор
	(конус или шарик) медленно и непрерывно, с
	определенным усилием вдавливается в поверх-
	ность испытываемого материала. В результате
	возникает местная деформация материала,
	имеющая упругую и пластическую составляю-
	щие. Для определения твердости материала
	имеет значение лишь пластическая деформа-
	ция. К статическим методам относят измерение
	твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.	Рис. 3.14. Определе-
	Твердость по методу Бринелля [ГОСТ
		ние твердости по
	90123–59] измеряют вдавливанием в испыты-
		Бринеллю
	ваемый образец стального шарика определен-
	ного диаметра D под действием заданной на-
	грузки F в течение определенного времени (рис. 3.14). В результате

вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB (HBW), представляет собой отношение нагрузки F, измеряемой в килограмм-силах (кгс)5, к площади поверхности сферического отпечатка A, измеряемой в миллиметрах в квадрате (мм2):

HB FA .

5кгс – это килограмм-сила – внесистемная (которую использовали до введения системы СИ) единица измерения силы. Сила в 1 кгс – эта сила давления на образец массы в 1 кг в земных условиях. Единица силы, принятая в системе СИ, – Ньютон = 0,102 кгс.

45

Твердость в мегапаскалях (МПа) определится как

НВ 9,81	F (кгс)	.	(1)
	А (мм2 )

При этом площадь шарового сегмента составит, мм2:

А Dh ,

(2)

где D – диаметр шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм.

Так как гораздо проще измерить диаметр отпечатка d, чем его глубину, то h можно выразить следующим образом (мм):

	D	D2 d 2
h			.	(3)
		2

Для измерений твердости по Бринеллю применяют стальные шарики твердостью не менее 850 HV10 или шарики из твердого сплава твердостью не менее 1500 HV10, диаметром 1; 2; 2.5; 5; 10 мм. Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах

0,24D ≤ d ≤ 0,6D.

(4)

Если отпечаток на образце получается меньше или больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова. Следует также учитывать, что испытываемые образцы должны иметь толщину не менее десятикратной глубины отпечатка h, а расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатков и краем образца должно быть не менее 4d. Для исключения ошибок, связанных с возможной деформацией шарика, методом Бринелля испытывают материалы с твердостью, не превышающей 450 НВ. В общем случае диаметр шарика и нагрузку можно выбрать по табл. 2.

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс, t = 10…15 с), записывается так: 350 HB

– для стального шарика и 350 HBW – для шарика из твердого сплава. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: 200 HB 5/250/30, что означает: число твердости 200 получено при испытании стальным шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с. Для определения твердости в МПа (система СИ) следует умножить число, стоящее перед буквами НВ, на 9,81.

46

										Т а б л и ц а 2
	Условия испытания металлов на твердость по Бринеллю
		Твердость				Толщина	Соотноше-	Диаметр	Нагрузка		Выдержка
Металлы			кгс				ние между	шарика			под
		HB,				образца			F, кгс
			мм	2			F и D2	D, мм			нагрузкой, с
						6 – 3		10	3000
							F = 30 D2
Черные		140 – 450				4 – 2		5	750		10
						< 2		2,5	187,5
						> 6		10	1000
							F = 10 D2
Черные		140				6 – 3		5	250		10
						> 3		2,5	62,5
						6 – 3		10	3000
							F = 30 D2
Цветные		130				4 – 2		5	750		30
						< 2		2,5	187,5
						9 – 3		10	1000
							F = 10 D2
Цветные		35 – 130				6 – 3		5	250		30
						2 – 3		2,5	62,5
						> 6		10	250
							F = 2,5 D2
Цветные		8 – 35				6 – 3		5	62,5		60
						> 3		2,5	15,6

Твердость по методу Роквелла [ГОСТ 9013-59] измеряют внедре-

нием в испытываемый образец алмазного конуса или стального закаленного шарика. Однако в отличие от метода Бринелля измеряется не площадь отпечатка, а его глубина. Нагрузка прикладывается к образцу в два этапа (рис. 3.15).

На первом этапе прикладывается предварительная нагрузка в F0 = 10 кгс, необходимая для двух целей:

достичь острием конуса основного материала, пройдя загрязненный и окисленный поверхностный слой;

определить качество образца (искривленность) и качество его поверхности в месте приложения индентора (микровпадины и микротрещины).

47

Рис. 3.15. К измерению твердости по Роквеллу

Затем на определенное время прикладывается основная нагрузка F1, при этом полная нагрузка внедрения индентора в испытуемый материал составляет F = F0 + F1. После снятия основной нагрузки F1 определяется глубина отпечатка h. Значением же твердости по Роквеллу является разность h0 – h, которая определяется инструментально в процессе измерения и считывается по шкале прибора. Это заметно упрощает процесс измерения в сравнении с методом Бринелля. Шкалу испытания (А, В или С) и соответствующие ей условия испытания (вид наконечника, общее усилие) выбирают в зависимости от предполагаемого интервала твердости испытываемого материала по табл. 3.

Т а б л и ц а 3

Выбор нагрузки и наконечника для испытания твердости по Роквеллу

	Примерная		Вид	Общее	Обозначение	Допуска-
		Обозначение				емые
	твердость по		наконеч-	усилие,	твердости по
		шкалы				пределы
	Виккерсу HV		ника	кгс	Роквеллу
						шкалы
	60…240	В	Стальной	100	HRB	25…100
			шарик
	240…900	С	Алмазный	150	HRC	20…67
			конус
	390…900	А	То же	60	HRA	70…85

При измерении твердости по методу Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Следует контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора.

48

Расстояние между отпечатками должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика.

Число твердости по Роквеллу не имеет единиц измерения. Запись числа твердости по Роквеллу выглядит следующим образом: 350 HRC и означает, что значение 350 было получено по шкале С при вдавливании в материал алмазного конуса с усилием 150 кгс.

Описание лабораторных установок

Испытания твердости материалов по методу Бринелля осущест-

вляют на специальном прессе (прибор типа ТШ, рис. 3.16), в определенной последовательности.

Рис. 3.16. Прибор для измерения твердости по методу Бринелля

В соответствии с табл. 2 выбирается и устанавливается нагрузка 3. Значения нагрузки в килограмм-силах (кгс) указаны на дисках 3. Испытываемый образец устанавливают на столике 4 шлифованной поверхностью кверху. Поворотом маховика 6 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик 2 мог вдавиться в испытываемую поверхность. Маховик 6 вращают до упора и нажатием кнопки 5

49

включают электродвигатель. Двигатель перемещает коромысло и постепенно нагружает шток с закрепленным в нем шариком. Шарик под действием нагрузки 3, сообщаемой приведенным к коромыслу грузом, вдавливается в испытываемый материал. Нагрузка действует в течение определенного времени (10…60 с), задаваемого реле времени 7, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно, перемещает коромысло и снимает нагрузку. Во время действия на испытываемый образец нагрузки загорается контрольная лампа 1, дли-

тельность свечения которой равна длительности приложения нагрузки. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховик 6 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец. Диаметр отпечатка измеряют при помощи специальной линейки.

Рис. 3.17. Прибор для измерения твердости по методу

Роквелла

Для измерения твердости по мето-

ду Роквелла используется прибор типа ТК-4 (рис. 3.17). Электродвигатель и механизм прибора позволяют плавно прикладывать нагрузку в течение 4 с. Для включения прибора служит тумблер 6, при этом загорается лампа 4. Затем образец для измерений кладут на измерительный стол и вращением барабана 3 совмещают нуль шкалы с большой стрелкой индикатора 1. После этого образец вместе со столиком, на котором он находится, посредством ручного вращения винта по часовой стрелке поджимают к индентору с силой 10 кгс.

Признаком указанной нагрузки является установление маленькой стрелки 2 шкалы индикатора на красной точке. При этом большая стрелка индикатора не должна отклоняться от нуля более чем на 5 делений. Если это отклонение больше, значит, образец пружинит или

50