Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние технологий производства шлифовальных материалов и перспективы повышения их качества по физико-механическим характеристикам в процессах абразивной обработки 9
1.1. Влияние физико-механических характеристик пшифматериалов на показатели процесса абразивной обработки 9
1.2. Исследование физико-механических характеристик пшифматериалов 22
1.2.1. Прочностные и режущие свойства зерен шлифматериалов 22
1.2.2. Применение методов микроиндентирования при исследовании упругих, хрупких, прочностных свойств абразивных материалов и прогнозирования их износостойкости 36
1.3.Задачи исследований 46
2. Разработка модели контактного взаимодействия шлифовальных материалов с обрабатываемой поверхностью с учетом прочностных характеристик абразивного зерна 49
2.1. Прочность абразивного зерна при шлифовании 49
2.2. Методы контроля прочностных характеристик абразивных зерен 56
2.3. Зависимость прочности от изометричности абразивного зерна.. 68
2.4. Влияние физико-механических свойств абразивного зерна на призводительность и качество доводки 71
2.5. Выводы 75
3. Разработка методов и оборудования для контроля технологии шли фовальных материалов по структурным, физико-механическим и эксплуатационным характеристикам 77
3.1. Разрушаемость (хрупкость) совокупности зерен , 77
3.2. Прочность единичных зерен 90
3.3. Режущая способность 101
3.4. Износостойкость 110
3.5. Полирующая способность 123
3.6. Взаимосвязь агрегатности карбидокремниевых шлифматериалов с их прочностными характеристиками 129
3.7. Выводы 138
4. Разработка микромеханических методов оценки физико-механических и эксплуатационных характеристик материала абразивных зерен 139
4.1. Прибор для исследования поверхностной прочности материалов по глубине отпечатка индентора 139
4.2. Установка для микромеханических исследований с автоматической записью диаграмм вдавливания и царапания 143
4.3. Закономерности упругопластического деформирования при микровдавливании : 149
4.4. Определение поверхностной хрупкости (энергоемкости) по диаграмме вдавливания индентора 156
4.5. Исследование упругих деформаций поверхностных слоев материалов 167
4.6. Исследование поверхностной прочности и трещиностойкости.. 175
4.7. Микромеханические и эксплуатационные характеристики 184
4.8. Исследование влияния термообработки на физико-механические характеристики легированных корундов 195
4.9. Исследование уровня качества отечественных абразивных материалов в сравнении с зарубежными аналогами по физико-механическим характеристикам 207
5. Разработка композицирнных абразивных материалов 210
5.1. Получение композиционного шлифовального материала карбид кремния - корунд 210
5.2. Получение износостойкой конструкционной керамики с использованием абразивных материалов 226
5.2.1. Керамика на основе карбида кремния 226
5.2.2. Керамика на основе диборида титана 231
5.2.3. Тонкая техническая корундовая керамика 242
5.2.4. Взаимосвязь абразивной износостойкости с микромеханическими характеристиками 256
5.3. Выводы 261
6. Практическая реализация результатов исследований 263
Заключение 265
Список литературы 268
Приложения 296
- Исследование физико-механических характеристик пшифматериалов
- Влияние физико-механических свойств абразивного зерна на призводительность и качество доводки
- Взаимосвязь агрегатности карбидокремниевых шлифматериалов с их прочностными характеристиками
- Установка для микромеханических исследований с автоматической записью диаграмм вдавливания и царапания
Введение к работе
При абразивной обработке главным участником процесса является твердая частица - шлифовальное зерно, имеющее очень сложные и разнообразные форму, размеры (от миллиметров до долей микрометров), специфический комплекс свойств (высокие твердость, хрупкость, химическую стойкость и др.), и подвергающееся в процессах производства и эксплуатации различным видам механических и физико-технических воздействий.
Это зерно является продуктом двух основных технологических процессов: плавки и дробления, предопределяющих на конечном этапе у потребителей пшифматериалов и изготавливаемых на их основе инструментов качество абразивной обработки. В общем виде задачи, стоящие перед плавкой, - получение материала нужной прочности, а перед дроблением, - получение зерна нужного размера, формы и физико-механических характеристик, в зависимости от условий шлифования.
Исследованиям физико-механических свойств пшифматериалов, изысканию достаточно чувствительных критериев оценки и попыткам установить однозначные корреляционные связи этих показателей, которые позволяли бы надежно прогнозировать эксплуатационные характеристики абразивов по результатам их механических испытаний, посвящено большое число опубликованных работ российских и зарубежных исследователей, однако их результаты не только недостаточно полно отвечают на поставленные вопросы, но и часто противоречивы. Это объясняется недостаточной, применительно к абразивным материалам, чувствительностью и надежностью существующего лабораторного оборудования, методик испытаний и критериев оценки. Поэтому в настоящее время нет достаточно корректной системы мониторинга физико-механических характеристик пшифматериалов и об их связи с технологией производства и эксплуатационными характеристиками в
5 процессах абразивной обработки; проведение такого исследования является актуальной задачей.
Цель работы состоит в разработке системы мониторинга технологий шлифовальных материалов с целью повышения их качества по физико-механическим характеристикам и эффективности абразивной обработки.
Научная новизна. На основе комплексного исследования связи эксплуатационных характеристик и физико-механических характеристик шлиф-материалов обоснованы технологические условия их рационального сочетания, разработана система мониторинга качества шлифматериалов на стадии производства, созданы методы и технологические основы получения перспективных композиционных материалов, позволяющие повысить эффективность абразивной обработки.
Разработаны модели контактного взаимодействия абразивного зерна с обрабатываемым материалом при шлифовании с учетом поверхностной и конструкционной прочности зерна, контролируемым по предложенным методикам.
Получены экспериментальные зависимости упругопластического деформирования, хрупкого разрушения силовых и энергетических условий зарождения и роста трещин в поверхностных слоях зерен абразива и установлены корреляционная связь их макро- и микропрочностных характеристик с износостойкостью при микрорезании, шлифовании и природой абразива.
Разработаны:
композиционный износостойкий материал на основе оксидов алюминия, полученный методом горячего прессования порошковой смеси алюминия с оксидом циркония с последующим микродуговым оксидированием рабочей поверхности заготовки;
композиционный материал в системе SiC - А120з, что позволило сочетать высокую химическую стойкость, износостойкость и низкий коэффициент трения, присущие оксиду алюминия, с высокой теплопроводностью и прочностью карбида кремния.
- износостойкая керамика на основе диборида титана с использованием технологии горячего шликерного литья. Установлены оптимальные параметры структуры поверхности трения керамики, обеспечивающие высокие показатели износостойкости.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований предложено новое конструкторско-технологическое направление совершенствования технологий механической и физико-технической обработки шлифовальных материалов на разных стадиях их производства и эксплуатации.
Разработана и внедрена комплексная технологическая система мониторинга качества шлифовальных материалов, обеспечивающая требуемый уровень их физико-механических характеристик при постановке задачи исследований, проведении экспериментов и промышленном производстве.
Результаты исследований включены в Государственный стандарт ГОСТ 28924-91 «Материалы шлифовальные. Методы определения физических и физико-механических свойств.
4. На опытном производстве Волжского научно-исследовательского
института абразивов и шлифования и Волжского института строительства и
технологий (филиала) Волгоградского государственного архитектурно-
строительного университета организовано производство разработанных при
боров и оборудования для обеспечения ими заводских и научных лаборато
рий, с соответствующими методиками испытаний, которые внедрены в ин
ститутах Академии наук Российской Федерации (Уральский научный центр,
Институт структурной макрокинетики) и Украины (Институт сверхтвердых
материалов и проблем материаловедения), в высших учебных заведениях
(Санкт-Петербургский институт водного транспорта, Московский институт
нефти и газа, Липецкий политехнический институт), на восьми заводах абра
зивной промышленности, Красногорском механическом заводе, Орджони-
7 кидзевском приборостроительном заводе (г. Нальчик), Рыбинском и Пермском моторостроительных заводах.
Технологические рекомендации по совершенствованию качества абразивной обработки и повышению износостойкости новых ферритовых материалов и хромовых покрытий внедрены соответственно в НИИ «Домен» (г. Санкт-Петербург) и Одесском технологическом институте поршневых колец.
5. Материалы исследований используются в учебном процессе при чтении лекций по курсам: «Технология производства абразивных и сверхтвердых композиционных материалов», «Методы и средства контроля качества абразивных и сверхтвердых композиционных материалов», «Теория и технология покрытий»; при подготовке аспирантами кандидатских диссертаций.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований представлялись, докладывались и обсуждались на всесоюзных, республиканских и международных конференциях, в том числе: «Современные технические и технологические методы повышения качества, надежности и долговечности деталей машин» (г. Кишинев, 1976 г.); «Физико-химические основы смазочного действия» (г. Кишинев, 1979 г.); «Механика сыпучих материалов» (г. Одесса, 1980 г.); «Нитриды: методы получения, свойства и применение» (г. Рига, 1984 г.; «Физика разрушения» (г. Киев, 1985 г.); «Дефекты структуры и свойства керамики» (г. Свердловск, 1985 г.); «Оптимизация процессов алмазно-абразивной обработки» (г. Волгоград, 1986 г.); «Прогрессивные процессы шлифования, инструмент и его рациональная эксплуатация» (г. Москва, 1986 г.); «Высокие давления в науке и технике» (г. Киев, 1987 г.); «Повышение долговечности деталей машин прогрессивными методами обработки» (г. Волгоград, 1987 г.); «Физика прочности и пластичности» (г. Кишинев, 1989 г.); «Методы и средства определения твердости материалов и изделий» (г. Иваново, 1990 г.); «Конструктивная прочность, долговечность, упрочнение материалов и деталей машин» (г. Волгоград, 1990 г.); «Интернациональная конференция о заводе будущего» (г. Будапешт, 1990 г.);
8 «Методы и средства определения твердости материалов и изделий» (г. Иваново, 1991 г.); «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2001 г.); «Динамика технологических систем» (г. Саратов, 2004 г.), «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (г. Волжский, 1998 - 2005 гг.); «Новые материалы и технологии на рубеже веков» (г. Пенза, 2001-2005 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 1 монография, 96 работ, в том числе 15 из них в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ; получено 15 авторских свидетельств на изобретения. '
В соответствии с вышеизложенным сформированы основные положения, выносимые на защиту:
систему мониторинга технологий шлифовальных материалов по физико-механическим и эксплуатационным характеристикам зерен абразива;
технологические основы создания композиционных шлифовальных материалов из карбида кремния и оксида алюминия, а также легированных электрокорундов;
параметры технологических воздействий при механической и физико-технической обработки шлифовальных материалов и изделий на их основе;
технологические методы совершенствования качества шлифовальных материалов по микромеханической и конструкционной прочности зерен абразива в процессах абразивной обработки;
конструктивные решения, реализованные при создании специальных приборов и оборудования, обеспечивающих получение высокоэффективных шлифовальных материалов и повышение интегральных характеристик абразивной обработки.
Исследование физико-механических характеристик пшифматериалов
Специфические свойства абразивных материалов (высокие твердость и хрупкость) и малые размеры их зерен или кристаллов делают практически невозможным применение классических методов механики материалов для изучения их физико-механических свойств. Поэтому для этой цели приме няют множество косвенных методов и способов оценки. К сожалению, ни один из них не является общепризнанным и достаточно научно обоснованным.
За последние годы неоднократно предпринимались попытки проанализировать и классифицировать существующие методы испытания абразивных материалов. Так, еще О. Граф в 1957 году дал общий обзор таких методов. Им описаны методы испытаний, в основе которых лежит разрушение ударом и давлением, маятниковым способом, в шаровой мельнице и в пескоструйном аппарате [56].
В России анализ и классификация методов механических испытаний абразивов тщательно проведены С.К. Розиным в 1971 году. Все методы испытаний разделены им на два вида: статические и динамические. Способы каждого вида подразделены на два класса: испытания образцов правильной геометрической формы и испытания реального зерна. Второй класс разделен на два подкласса: испытания единичного зерна и испытания совокупности абразивных зерен. Способы обоих классов обоих видов разделены по виду прилагаемой нагрузки на группы: испытание изгибом, испытание сжатием, испытание смешанной нагрузкой (сжатие, изгиб, растирание и т.д.). В зависимости от избираемых критериев оценки методы делятся на варианты и подварианты [58].
Такая классификация, более подходящая для испытания металлов и охватывающая практически все методы испытаний, тем не менее, не учитывает главного признака, по которому следовало бы сделать эту классификацию: методы определения механических свойств вещества абразивного зерна и методы определения механических свойств абразивного зерна в целом как конструкции, состоящей из абразивного материала, пор, включений и т.п. К первой группе следует отнести микромеханические методы испытания, позволяющий определить микротвердость, микропрочность, модуль Юнга, способность к упругой деформации и износостойкость как сопротивление механическому изнашиванию; ко второй группе - методы определения прочности абразивного зерна независимо от того, в каких условиях эта характеристика была получена. Дальнейшая детализация методов может быть проведена только по полученной в данном методе механической характеристике. Уточнение классификации по виду испытаний (статические или динамические), на наш взгляд, нецелесообразно, так как любую механическую характеристику абразивного материала можно получить, в принципе, при любом виде на-гружения. Следовательно, этот признак не является определяющим [166 -169].
Как указывал В.Н. Кащеев в 1971 году, «до настоящего времени общепринятого и достаточно научно разработанного способа исследования свойств абразивных материалов не существует». На отсутствие таких способов указывал и еще и Л.А. Прайнер: «потребность в методах механических испытаний, отвечающих запросам горной промышленности, также ощущается давно, но особенно остро стоит вопрос в настоящее время. Этим вопросом занимаются и за рубежом, но ничего существенно нового в работах последних лет не имеется» [77]. В своей работе [108 - 103] В.Ф. Мгеладзе пришел к выводу, что «только твердость определяется надежно методом микровдавливания на приборе ПМТ-3. Что касается метода исследования и контроля важнейшего свойства абразивных материалов - прочности, то он позволяет прогнозировать поведение зерна при формовании инструмента, но не дает однозначной характеристики прочности материалов... Одно из важнейших свойств - хрупкость исследована недостаточно из-за отсутствия методики, которая бы позволила получить объективную численную характеристику хрупкости... Метод определения абразивной способности, разработанный более двух десятков лет назад, также не отвечает современным требованиям».
Автор другой такой работы В.В. Стасовская отмечает, что в проанализированных ею различных литературных источниках «число микротвердости для одного и того же соединения нередко отличается». Это объяснено ... применением различных и не обоснованных нагрузок на индентор прибора ПМТ-3. Отмечена немногочисленность и разрозненность имеющихся сведений по исследованию микрохрупкости тугоплавких соединений [173-175].
И.Д. Катрич в своей работе, также отмечает: «Из всех механических характеристик карбида кремния (микрокристаллов и зерен) больше всего изучалась его микротвердость ... при одной - двух нагрузках на индентор. Результаты этих работ свидетельствуют, что метод микровдавливания в его стандартном применении недостаточно чувствителен...».
На основе анализа многочисленных литературных источников В.Ф. Мгеладзе в своей диссертационной работе заключает: «Степень влияния различных, в частности, механических свойств абразивных материалов на процесс шлифования не является достаточно ясной, имеющиеся данные противоречивы. Такое положение вызвано, в первую очередь, отсутствием достоверных данных о сопротивлении абразивных материалов разрушению» [25].
По его мнению, несовершенство «известных способов явилось основной причиной противоречивости полученных по ним данных о сопротивлении абразивных материалов разрушению и противоречивости сведений о влиянии этого свойства зерна на процесс шлифования».
Попытки изучить хрупкие и прочностные свойства гексагонального карбида кремния (зерен и монокристаллов), которые предпринимались В.А. Алферовым, В.В. Стасовской, В.Ф. Мгеладзе, С.К. Розиным, Н.И. Богомоловым, показали, что существующие методы оценки микрохрупкости субъективны и недостаточно чувствительны для карбида кремния, а общепринятые методы испытаний на прочность вообще неприменимы к нему из-за малого размера образцов и их высокой твердости и хрупкости.
Влияние физико-механических свойств абразивного зерна на призводительность и качество доводки
В соответствии с представлениями П.Н. Орлова [129] производительность и качество доводки свободным абразивом зависит от следующих факторов: технологических, кинематических, динамических. В свою очередь, технологические факторы определяются видом абразива, составом рабочей жидкости абразивной суспензии, материалом притира и обрабатываемой заготовки, состоянием их рабочих слоев, зернистости абразивным зерен, давления притира, соотношения жидкой и твердой фазы абразивной суспензии. Кинематический фактор - соотношение угловых скоростей и линейных размеров звеньев исполнительного механизма. Динамический фактор - значения и закон применения силы взаимодействия заготовки через абразивную прослойку [137,160].
Образование микростружки при доводке происходит по двум механизмам: при непрерывном контакте зерен и обрабатываемого металла за счет упруго-пластического деформирования или микрорезания, либо при прерывистом контакте зерен с поверхностью притира и детали за счет микровыкалывания.
Многочисленными исследованиями установлено, что при взаимодействии абразивных зерен и обрабатываемого металла реализуется три процесса: 1) трение, вызывающее пластическую деформацию контактной поверхности; 2) вдавливание и пластическое оттеснение металла из под вершины царапающего зерна на поверхность с образованием наплывов; 3) микрорезание [111].
Интенсивность диспергирования металла свободным абразивом находится в прямой зависимости от толщины прослойки суспензии в контакте «притир - заготовка». По данным П.И. Орлова максимальный съем металла достигается при соотношении толщины абразивной прослойки к диаметру абразивного зерна, равным 1,5 [154,157].
Основными факторами, влияющими на интенсивность процесса доводки являются: давление PQ В контакте «притир - деталь», скорость перемещения притира, время обработки. В работе [202] было показано, что при доводке в зазоре между заготовкой и притиром образуется дополнительная фаза, состоящая из микростружек металла, которая изменяет реологические характеристики абразивной суспензии. Рост предельного напряжения сдвига суспензии является причиной расширения слоя суспензии. Однако вне поля зрения автора осталось влияние физико-механических свойств абразивных зерен в суспензии. Очевидно, что с точки зрения повышения производительности доводки при условии обеспечения требуемого качества обработанной поверхности необходимо выполнить следующее: увеличить давление прижима притира, использовать абразивное зерно узкой фракции, имеющее минимальный разброс по прочности, повысить скорость движения пары «притир -деталь», применить в качестве дисперсионной среды жидкость оптимального состава.
Режущая способность суспензии при доводке определяется из уравнения: где Kcm- интенсивность диспергирования металла; К т- коэффициент динамичности нагружения системы «заготовка -абразивная суспензия - притир». Коэффициенты Кст и К" определяются из уравнений: где Е5 - модуль упругости адсорбционно-сольватного слоя вокруг частицы абразива; Р8 - действующее в контакте абразивных зерен напряжение.
Как следует из (2.23) при прочих равных условий интенсивность диспергирования металла пропорциональна среднему диаметру абразивного зерна и критическому давлению раздавливания абразивного зерна. Следовательно, обеспечение стабильной режущей способности абразивной суспензии при доводке сводится к поддержанию на постоянном уровне размера абразивного зерна.
Результатом взаимодействия абразивных зерен обрабатываемой поверхности и притира является постоянное уменьшение зернистости абразив ного материала. Очевидно, что рост режущей способности абразивной суспензии может быть достигнут при использовании зерна узкой фракции с малым диапазоном прочности.
Рассмотрим поведение абразивного зерна в слое суспензии в контакте «притир - деталь». При фиксировании абразивных зерен в поверхности притира исключается вероятность их перекатывания. На абразивное зерно действует сила прижима и сила сопротивления перемещению по поверхности металла.
В отсутствии фиксации абразивного зерна притиром оно перекатывается с некоторой скоростью. В данном случае на абразивное зерно действуют знакопеременные нагрузки «сжатия - растяжения». Как отмечалось в работе [160], снижение производительности доводки происходит пропорционально количеству перекатывающихся под притиром абразивных зерен.
Как показывает анализ абразивной суспензии, после доводки металлических заготовок происходит измельчение основной фракции с изменением габитуса зерна. Представляет- научный интерес определение физико-механических показателей абразивного зерна в связи с их износостойкостью при доводке. Отсутствие научно-обоснованной методологии определения физико-механических характеристик абразивных материалов в связи с прогнозированием эксплуатационных показателей режущей способности износостойкости осложняет как разработку оптимального техпроцесса адсорбции, так и создание новых абразивов.
Ранее проведенными нами исследованиями были определены свойства абразивных материалов в связи с условиями их эксплуатации. Важным показателем абразивного материала является разрушаемость (хрупкость) совокупности зерен абразива заданной фракции. Методика исследований и оборудования для ее реализации описана в главе 3. Уравнение кинетики измельчения абразивного зерна имеет вид
Взаимосвязь агрегатности карбидокремниевых шлифматериалов с их прочностными характеристиками
Известно, что зерна абразивного материала могут представлять собой монокристаллы с той или иной степенью нарушений, образующихся при измельчении, поликристаллические агрегаты, размеры кристаллов в которых значительно меньше размеров зерен, и зерна - сростки небольшого количества монокристаллов. Установлено, что прочность зерен зеленого карбида кремния различного строения отличается весьма существенно. Сопротивление раздавливанию рыхлых агрегатов (зерен - сростков) в среднем в 2 раза ниже, чем монокристаллических зерен.
Можно предположить, что механическая прочность зерен в виде сростков определяется, в основном, силой сцепления между отдельными монокристаллическими составляющими, которая, по-видимому, меньше предела прочности материала зерна, что приводит к более легкому разрушению зерен по границам составляющих их монокристаллов. Согласно этим представлениям прочность зерен - сростков должна зависеть как от силы сцепления между составляющими монокристаллами, так и от их числа. При исследованиях связей между прочностью и строением единичных абразивных зерен в основном применяют качественный микроскопический анализ, который, без сомнения, способен дать информацию о числе монокристаллов в зернах -сростках, но не позволяет установить количественную зависимость между исследуемыми характеристиками.
В настоящей работе,предложено ввести в качестве критерия количественной оценки строения абразивных зерен понятие агрегатности R - среднего числа монокристаллов, приходящихся на одно зерно пробы материала исследуемой зернистости.
Для определения агрегатности применен рентгеноструктурный анализ как наиболее экспрессный и надежный из известных методов определения количества монокристаллических объектов в пробе. Он основан на том, что монокристалл в монохроматическом излучении дает на сфере отражений строго определенное количество рефлексов, зависящее от симметрии кристаллов и выбранного кристаллографического направления. Поскольку симметрия всех кристаллов пробы едина, для выбранного кристаллографического направления имеет место линейная зависимость числа рефлексов на рентгенограмме от числа монокристаллов в исследуемой пробе данного материала.
В работе был применен дифрактометрический метод, который, благодаря возможности вращения образца вокруг трех осей (вместо одной при использовании фотометода) - оси гониаметра на угол ± а относительно 2v, оси образца на угол 360 и вокруг оси приставки ГП-2 на угол ± 8 - позволяет вводить каждый монокристалл в положение оптимального отражения и получать значительно большее число рефлексов.
Обычно в рентгеновской дифрактометрии применяются образцы, толщина которых значительно превышает глубину проникновения рентгеновских лучей. Для спрессованных порошковых материалов различной зернистости плотность подобных образцов различна и экспериментально трудно определяется, что делает невозможным анализ полученных результатов.
В связи с этим приготовляли объекты с монослойным распределением абразивных зерен с легко контролируемой поверхностной плотностью.
Образцы с распределением зерен от 0,6 до 4,8 зерен на мм зернистостью 12 и выше приготовляли следующим образом. На дно кюветы, с предварительно нанесенной пленкой лака толщиной 0,1 ... 0,3 мм, через сетку с ячейкой 315 мкм под микроскопом МБС-1 острой иглой наносились уколы через определенное число ячеек. Затем сетку убирали и специальным пинцетом по обозначенным уколам распределяли зерна исследуемого материала. Для закрепления зерен и удаления лишнего лака кювету помещали в ацетон. Произвольным выбором системы ячеек можно получить при указанных условиях объекты с монослойным однородным распределением зерен с по-верхностной плотностью от 0,6 до 4,8 зерен на мм .
При этом увеличение числа регистрируемых рефлексов можно получить вращением образца вокруг указанных выше осей. Для чего счетчик с приемной щелью 4 х 5 мм фиксировался на угле 2v исследуемой линии, образец поворачивался вокруг оси приставки ГП-2 на угол 8 = 12 ... 14 и при каждом значении угла поворота вокруг гониометра образец медленно вручную вращали вокруг своей оси на 360. При обнаружении рефлекса по интен-симетру производилась фокусировка кристалла на максимальную интенсивность, которая регистрировалась затем набором импульсов в течение 10 с. Таким образом, при полном анализе образца с поворотом на угол а = ± 10 через каждый градус для двух значений угла 8 проводились исследования по сорока сечениям сферы нормалей, что обеспечивало достаточное количество рефлексов. Для проверки правильности выбранной схемы можно провести сравнение теоретических и экспериментальных значений числа рефлексов произвольной анализируемой пробы, например, карбида кремния зернистости 63.
Теоретическое значение числа рефлексов можно определить, зная полное число нормалей на полусфере для выбранного образца и значение площади поверхности шарового пояса сферы отражений, все точки которого проходят через приемную щель при вращении вокруг оси образца.
Установка для микромеханических исследований с автоматической записью диаграмм вдавливания и царапания
Установка состоит из блока управления, четырехкапальной тепэомет-рической станции, двух лвухкоординатных самописцев и микротвердомера, к которому с гюмошыо кронштейна прикреплено нагружающее устройство динамометр (рис. 4.5). Динамометр выполнен в виде двух упругих колец, соединенных жесткой перемычкой, и включает также два пьезоэлектрических блока микроперемещений 1, 2, датчики - кремниевые тензорезисторы 3 - 6 и индентор 7. Новизна конструкции установки защищена авторским свидетельством на изобретение № 684281.
С помощью блока управления осуществляется формирование и подача электрического напряжения на пьезоблок 1 перемещения индентора при микровдавливании и пьезоблок 2 перемещения индентора при царапании. Пьезоблоки жестко крепятся к нагружающему устройству. Эти блоки состоят из пьезоэлектрических дисков ЦТС-19, собранных таким образом, что при подаче на них электрического напряжения они удлиняются. Величина микроперемещения зависит от количества пьезоэлектрических дисков в блоке и прямо пропорциональна величине приложенного напряжения. Разработанная установка имеет следующие технические характеристики:
Работа установки осуществляется следующим образом. При подаче электрического напряжения на пьезоблок / он удлиняется и через шток 8 давит на жесткую перемычку, индентор при этом перемещается вниз, и происходит деформация элементов в динамометре с тензодатчиками 3, собранными в электрически сбалансированный мостик Уитсона. Разбаланс по напряжению этого мостика усиливается тензостанцией и подается на самописец -записывается вертикальное перемещение индентора. В момент касания ин-дентором поверхности образца 9 начинается деформация упругих элементов динамометра с тензодатчиками 4, и на самописец подается сигнал нормальной составляющей усилия вдавливания индентора - начинается запись диаграммы вдавливания - графика зависимости глубины вдавливания от нагрузки на индентор.
При склерометрических испытаниях, после вдавливания индентора на определенную глубину, подается электрическое напряжение на пьезоблок 2, он удлиняется и через шток 10 давит на жесткую перемычку - индентор начинает перемещаться в горизонтальном направлении. С помощью тензодат-чиков 3 и 5 регистрируется глубина царапины и горизонтальное перемещение индентора (длина царапины), а с помощью тензодатчиков 4 и 6 - нормальная и тангенциальная составляющие усилия царапания соответственно. Пьезоэлектрический привод механизма нагружения в описанном приборе позволяет избавиться от участка ползучести на диаграмме вдавливания, наличие которого неизбежно при механическом приводе механизма нагружения, ввиду общеизвестных недостатков такого привода (большая инерционность, наличие люфтов и др.).
Участок ползучести на диаграмме можно получить при необходимости и на описанном приборе, причем величиной этого участка легко управлять, изменяя продолжительность выдержки индентора под нагрузкой перед реверсированием пьезопривода на разгрузку.
При склерометрических испытаниях можно одновременно в любой комбинации регистрировать нормальную Р и тангенциальную F составляющие усилия царапания, глубину h и длину / царапины. На рис. 4.6 представлены типичные диаграммы царапания отожженной стали. С помощью этих диаграмм можно регистрировать величины Р, F, h, I при переходе от вдавливания к царапанию и при установившемся процессе царапания. Это позволяет качественно и количественно изучать силовую, деформационную и энергетическую динамику этих процессов.
Особый интерес представляет исследование перехода от вдавливания к царапанию. Этот процесс четко разделяется на две стадии. После вдавливания индентора на определенную глубину нагрузка равномерно распределена по по поверхности контакта с образцом. В момент начала царапания (участок I-II) происходит перераспределение нагрузки: на передней грани (по отношению к направлению царапания) напряжение возрастает, на задней уменьшается, материал под индентором в направлении его движения подвергается интенсивному деформированию, Р убывает, F и h возрастают. Затем (участок П-Ш) начинается переход от вдавливания к царапанию.
