лаб.р. 1

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФХ

Отчёт

по лабораторной работе №1

по дисциплине «Материаловедение»

Тема: Измерение микротвердости материалов

Студент
Преподаватель		Карпов О. Н.

Санкт-Петербург

2021

Цель работы:

Ознакомиться с методикой определения микротвёрдости материалов по Виккерсу; определить микротвёрдость образцов прибором «ПМТ-3М»; провести математическую обработку результатов измерений.

Основные теоретические положения:

Твёрдостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое.

Твердость материалов определяют при помощи воздействия на их поверхность наконечника, называющегося индентором. Индентор изготавливается из высокопрочного малодеформирующегося материала (закаленная сталь, алмаз, сапфир и т. п.) и имеет форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.

Способы измерения твёрдости:

1. Метод вдавливания - вдавливание индентора в материал, его поверхностные слои, находящиеся под наконечником индентора и вблизи него, в результате чего они пластически деформируются. После снятия нагрузки на поверхности материала остается отпечаток. Характеризует сопротивление пластической деформации.

2. Царапание. Характеризует сопротивление разрушению.

3. По отскоку. Характеризует упругие свойства.

Микротвёрдость – твёрдость отдельных участков микроструктуры материала.

Метод определения микротвердости позволяет оценить твердость очень малых (микроскопических) объемов материала. Его применяют для измерения твердости мелких деталей, тонкой проволоки или ленты, тонких поверхностных слоев, покрытий и т. д.

Индентор: чаще всего используют правильную четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136° (индентор Виккерса).

Индентор вдавливает при нагрузке: 0.09807-1.961 Н

Стандартное время при нагрузке: 10 секунд

Формула расчёта твёрдости: ,

где F – нагрузка на индентор (статическая сила), выраженная в Н; d – диагональ отпечатка, выраженная в мм, g – ускорение свободного падения 9.80665 м/ .

Запись твёрдости по ГОСТУ:

100 HV 0.01/20, где 100 – твердость, выраженная в числах твердости, 0.01 нагрузка, выраженная в кг, 20 время приложения нагрузки, выраженное в секундах.

Области применения микротвёрдости:

№	Область применения	Схема измерений	Краткая методика
1	Оценка микротвердости отдельных структурных составляющих материала (например, сталь с феррито-перлитной структурой)		Используется аншлиф с выявленной травлением структурой. Отпечатки наносятся в отдельные структурные составляющие материала с последующим их измерением и определением микротвердости
2	Оценка градиента микротвердости по толщине поверхностного слоя (в частности, после поверхностного упрочнения)		Используется поперечный или косой аншлиф. Отпечатки наносятся от поверхности вглубь че-рез определенные интервалы с последующим их измерением и определением микротвердости по толщине поверхностного слоя
3	Оценка разброса значений микро-твердости в материале (служит косвенной оценкой прочностной микронеоднородности материала)		На исследуемой поверхности аншлифа наносятся произвольно не менее 20 отпечатков с последующим их измерением и определением микротвердости и статистической обработкой полученных результатов
4	Оценка анизотропии прочностных свойств монокристаллов		При нанесении каждого отпечатка индентор поворачивается на определенный угол. Анизотропия оценивается по отношению диагоналей полученных отпечатков
5	Оценка микронеоднородности пластической деформации по локальным объемам материала		Вдоль образующей цилиндрического образца для испытания на растяжение, через равные интервалы l наносится не менее 100 отпечатков микротвердости (реперных точек) при малой нагрузке (0.0196-0.049 Н). Измеряются расстояния между ними после деформации образца с последующей статистической обработкой полученных данных

Порядок выполнения работы

1. Используемое оборудование:

• Прибор ПМТ-3М для измерения микротвердости

• Программа ImageJ

2. Исследуемые материалы, их вид и особенности пробоподготовки:

металл (ключ) и керамика. При пробоподготовке нужно протереть исследуемую поверхность спиртом.

3. Схема нагружения:

Переводим столик в положение нанесения отпечатка с помощью рукоятки (22). На механизм нагружения устанавливаем груз (10 г для ключа и 75 г для керамики). Плавно поворачиваем рукоятку (26) механизма нагружения против часовой стрелки до упора, последующей выдержкой отпечатка под нагрузкой в течение 10 секунд и возвращаем рукоятку (26) в исходное положение. Затем поворачиваем столик 6 в положение измерения отпечатка микротвердости (по часовой стрелке до упора). Схема нагружения представлена на рисунке 1 «Схема нагружения».

Рисунок 1 «Схема нагружения»

4. Фотографии отпечатка нагружения с интегрированной шкалой и результатами проведенных измерений:

№	Изображение отпечатка	(горизонтальная диагональ)	(вертикальная диагональ)
Керамика
1		14,568 мкм	14,700 мкм
2		14,196 мкм	14,279 мкм
Ключ
3		12,450 мкм	12,632 мкм
4		14,633 мкм	13,922 мкм
Интегрированная шкала
		Нормирование: 14,6502 pixels/мкм

5. Методика оценки среднеквадратичного отклонения:

Среднеквадратичное отклонение значения микротвердости для исследованных материалов равно:

По формуле:

Исходя из проведённого исследования, мы установили, что керамика (неметалл) обладает большей сопротивляемостью к внедрению индентора, чем ключ (металл), что говорит о большей прочности ключа и меньшей его подверженности к деформации.

Протокол

10 грамм = 0.098067 Н

75 грамм = 0.735499 Н

Выводы.

Микротвердость – это важная характеристика материала, определяющая твёрдость очень малых его объёмов. Метод стандартизирован и широко применяется, аналогичен методу Виккерса.

Среднее значение микротвёрдости с его погрешностью для керамики 604±105, а для ключа 116±17.

В данной лабораторной работе я изучила понятия микротвёрдости и твёрдости материала, метод Виккерса, метод определения микротвёрдости. Я освоила программу ImageJ, изучила принцип работы микротвердомера ПМТ-3М и измерила твердость керамики и ключа.

В разных местах у материалов были выявлены разные значения микротвёрдости, поэтому можно сделать вывод, что прочностные характеристики исследованных материалов неоднородны. Оказалось, что значения микротвёрдости для металла меньше, чем для керамики, поэтому металл более склонен к пластической деформации.

Источники погрешностей при применении метода микротвёрдости - вибрации, инструментальные ошибки в измерении длины диагонали отпечатка, не идентичность условий ручного нагружения, искажения структуры поверхностного слоя и др. Главная ценность метода микротвердости – это возможность оценки твердости отдельных фаз и структурных составляющих.