Высокотемпературный твердомер Советский патент 1992 года по МПК G01N3/54 

1

(21)4499404/28 (22)31.10.88 (46)30.08.92. Бюл. Г 32

(71)Институт проблем прочности АН УССР

(72)В. П. Кращенко и О. Б. Оксаметная

(56)Авторское свидетельство СССР NJ S3254, кл. G 01 W 3/54, 1950.

(54) ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТВЕРДОМЕР

(57)Изобретение относится к испытательной технике. Цель изобретения - расширение технологических возможностей. Установка содержит герметичную камеру, включающую плиту, узел нагружения образца с поворотной державкой и мндэнтором, механизм перемещения индемтора, поводок которого соединен с державкой, и его привод, печь, установленную на плите, включающую муфель с гнездом для установ и образца, нагревательный зпемент раз мещенный внутри муфеля, кожух и корпус. Новым в устройстве является выполнение- державки Г-образной формы, поводок соединен с державкой таким образом, что вер- шина индентора лежит на его оси, а центр масс узла нагружечия совмещен с вершиной индентора. Установка снабжена приводом поворота печи, установленным на плите, кожух печи узлом взаимо- дейстеующим с упсмя 1утым приводом по- воротз. муфель жестко соединен с верхней частно кожуха, между хожухом и муфелем, я зкже вокруг кожуха установлены трубчэтые экраны. Привод механизма перемещения по отношению к поводку сориентирован под прямым углом, а привод поворота установлен аксиально оси печи, 8 °л.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для определения твердости материалов при РЫ- соких температурах в вакууме или среде защитных газов,и может быть использовано в лабораториях по исследованию механических характеристик материалов.

Известен прибор для определения твердости материалов, содержащий поворотный стол, предназначенный для установки на нем образца в форме диска, и приспособление для нанесения радиальных царапин на поверхности образца, выполненное в виде подпружиненного и нагружаемого сменным грузом стержня с индентором, установленного над образцом. В данном устройстве индентор перемещается по образцу в радиальном направлении. Кинематическая схема силонагружения прибора показывает,

что при внедрении индентора и последующем его перемещении по поверхности образца определенное влияние на величину твердости будет оказывать сипа F сопротивления материала перемещению индентора при царапании.

Известен также микротвердомер, позволяющий проводить испытания методом царапания. Он снабжен механизмом координатного перемещения, обеспечивающим движение держателя с индентором в взаимно перпендикулярных направлениях. Кинематическая схема гипонзгружения прибора показана на Фиг. б Приложение Нагружающая спстега выполнена таким образом, что царапину можно наносить на образце в направлении оси рыи зга, ча котором укреплен индечтор. и в перпендикутярном оси рычага направлении. Образец при этом

р -яа

остается неподвижным Преимуа4еством такого прибора является то, что сила F сопро- ивления материала перемещению индентора не создает дополнительный момент относительно оси рычага

Tax как жесткость подвижной части нагружающего устройства в двух взаимно перпендикулярных направлениях различна, то это не позволяет создать одинаковые условия при царапании поверхности образца в этих двух направлениях, чго влияет на точность определения вердости

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является высокотемпературный твердомер, содержащим вакуумную камеру, размещенные в ней предметный с гол для крепления образца, нафеватель, установленную с возможностью вращения державку с индентором и сменными грузами и механизм перемещения индентора вдоль поверхности образца, выполненный в виде корпуса, установленного в нем привода возвратно поступательного перемещения с поводком, связанным с осью вращения державки индентора и упор, установленный с возможностью взаимодействия с державкой. Исследуемый образец со шлифом помещают в гнезде печи и подвергают царапанию по шпифу наконечником индентора с грузом, перерешаемого посредством равномерною вращечия винт.

Преимуществом прибора по сравнению с известными является возможность проведения испытаний на микротзердость по способу царапания как при комнатной температуре, гак и пои нагреве.

Однако прибор обладает рядом недостатков, основным оз которых является то, что он не позволяет определять статическую твердость исследуемых материалов.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей путем определения и статическоЛ т вердости.

Поставленная цель достигается тем, что в установке для определения твердости материалов при высоких температурах, содержащей вакуумную камеру, размещенные в ней предметный стол для крепления образца, нагреватель, установленную с возможностью вращения державку с индеыирг л сменными грузами и механизм n rvieuie ния индентора вдоль поверхности оооазмз, выполненный в виде корпуса, устаьсвоем- ного в нем привода возвратно поступатель ного перемещения с поводком, связанным с осью вращения державки индентора У-, упор, установленный с возможностью взаимодействия с державкой, согласно изобре тению, она снабжена установлении в

поводке и подпружиненными относительно корпуса механизма перемещения индентора штоком с цапфами, связанчым с ним и шарнирно с державкой рычагом с пазом

При этом цапфы размещены в пазу рычага, а упор расположен на рычаге

Такое выполнение прибора позволяет определить твёрдость как методом царапа- чия, так и методом вдавливания, чтс расыи0 ряст его технологические возможности

На фиг. 1 изображена установка для определения твердости материалов при высоких температура к, продольный разрез, на фиг. 2-то же, вид справа, поодольн и раз5 рез: фиг. 3 - механизм перемещения индентора (в разрезе, вид сверху, на 4 - кинематическая схема механизма перемещения державки с индентором в исходном положении и при нанесении царапины; в

0 приложении приведены - кинематическая схема пагружения аналога 1 (фиг 5), аналога 2 (фиг 6), прототипа (фиг. 7) и заявляемой установки (фиг 8)

Установка для определения твердости

5 материалов при высоких температурах содержит герметичную камеру 1, состоящую из плиты 2 и кожуха 3, внутри КОТОРОЙ озс- псложен мбланизм 4 продольного перег/.е- щения с индечгором 5 Механизм 4

0 продольного перемещения содержит чорР ь 5, & OiOpGM БЫ ПОЛ неНЫ ПВ-j Л О, ЭЩИл Р

Cf. чей cuior tooTi/i взаимно перпендикулярные от верст/ю, в сдчом /о которых устачоп- тяга 7, взаимодействующая с 5 пплвояом перечеи ни (на чертьк не показан), а в друом отверстие г зсполо ен новодо с 8, с одьой стороны стиос г уко°п- с возможнее,ьга гг jcora чсржеЕча и,

а С - ШГОК 10, VOCi JO СВЯЗгн| ч1И С

0 кареткои 1 снабженн-о/- 12 (см фиг 3), Каретка 11 подпружинена относительно „орп;са 6 пружи,ми 1о I а чарет И установлен также vлором 15 таким образом что один t rn конец имеет

5 воомсхность поворота на 9 осч 1Ь, а другой имеет БОЗмсж оС|Ь ьокгуг цапф 12 и от оапф 12 зверх При этом ось цап г ерпендигу- лярна оси ПОРОДКЗ 8. Упор 5 /;тачоплен с

0 возможностью вэаимодеис ви/ с гай 9, Рычаг связан с IP-ОЙ писредстьом 10 и гиГжого упо/гого элемента 17 который поддерживается 18 Ось повсдка 8 и ось поворота державки 19 рэс5 положены з плоскости кослад е ic гюгрр ности гбрэзца 20

Система на ру,ния индеь t ит из Дйух плоских фузол 2 {. с,,-г Л годи с диух сторон г,г w v подооранных га«.им oOD5зo .

масс всей нагрухсающей системы совпадает с острием индентора 5.

На плите 2 расположена поворотная электрическая ночь, когооэя включает в себя неподвижно установленный на плите 2 охлаждаемы1 корпус 23 с нагревательным элементом 14 и токовводом 5 и набор внутренних 25 vi наружных 27 экранов, вращающихся вокруг саоей оси, кожух 28 с укрепленным на нем муфелем 30, в гнезде которого установлен образец 20.

Установка снабжена приводом поворота, включающим зубчатое колесо 3 i, расположенное сооспо оси печи на корпусе 23 с возможностью поворота вокруг своей оси, и вал-шестерню 32, взаимодействующую г. ним. На валу-шестерне 32 (на проть оспо- ложной стороне плиты 2)установлена также шестерня 33, взаимодействующая с зубчатым колесом 29.

Подачу защитного газа в камеру 1 или создание вакуума в ней осуществляют через патрубок 34.

При необходимости нанесения царапины только в одном направлении (от центра к периферии) предусмотрен упор 15, при необходимости нанесения царапин в двух направлениях (от центра и к центру) предусмотрен фикса юр 35, а при необходимости испытания методом вдавливания предусмотрен фиксатор 36.

Испытания на предлагаемой установке осуществляют следующим образом. Образец 20 с термопарой (на чертеже не показано) устанавливают в гнезде муфеля 30. Пружины 13 при этом удерживают каретку 11 в крайнем правом положении. Камеру 1 закрывают кожухом 3 и через патрубок 34 осуществляют откачку воздуха из нее. После достижения необходимого вакуума ( 10 Па), на нагреватель 24 посредством токовводов 25, расположенных на фланце 23, подают электропитание и производят нагрев образца до заданной температуры. Затем включают привод перемещения (на чертеже не показан), который приводит в движение тягу 7, которая, а свою очередь, при помощи гибкого упругого элемента 17 перемещает шток 10 с кареткой 11 и установленным на ней рычагом 14. При движении каретки 11 влезо рычаг 14 отклоняется, упор 15 смещается от державки 9, индентор 5, нагруженный грузами 21, расположенными на поперечине 22, опускается и внедряется в образец 20 (см. фиг. 4). Далее каретка 11 соприкасается с поводком 8 и совместно перемещаются шток 10 с кареткой 11, поводок 8, державка 9 с размещенными на ней грузами 21 и индентором 5, в результате чего на поверхность образца 20 наносится

царапина. При достижении крайнего леього положения поводка 8 привод перемещения (мключают. Затем включают привод вращения (на чертеже не показам), коюрыГ пр води Б движение вал-шестерню 32 и .(Спплнительную шестерне 33, I.OKT П ру- ющую с зубчатым коленом 29 кс--,улп 28 По этом кожух 28 и устан пленный о -эм - - фель 30 с образцом 20 гюворзчивс /ч, ч с i

заданный yon, который коитролиоуют с -к кошьо указатель угла поворота . Пес с зтсго скова включают перемещс ,- ия, ПГО;;У пер мещзет чгу Пру - кины 13 сттал мва 1 -. - етку I о . сг,

(право1- ) положение, ычгг , лгь,,.,. и«эа- ясь сскруг оси 16, зз и -;ет се положение, упор 15 пои этом коснеть. -t- ржавки 9, г саь-з державка 9 -тьепкет-; - л индентор 5 поднимется. Зате систем:, пи

водок-держав а перемещает инде тор Ь в свое первоначальное крайнее правое положение. Установка готова к очередному нанесению царапины.При исследовании зависимости твердости материалов от температуры царапины наносятся на образец при разных температурах под определенным углом друг относительно друга в радиальном направ сним. В случае необходимости нанесения L.apf Т|.чь1 в обоих направлен лх (на и обратном ходе) достаточно fipi помощи винта 35 соединить шгок 10 с поводком 5 в положение, когда между 1-х торцами нет зазора. После нанесения серии царапин электропитание подаваемое на токовводы 25, отключают. Камеру 1 охлаждэют, снимают кожух 3 и извлекают образец 20 Нз микроскопе измеряют ширину царапины м по ней вычисляют значения твердости, используя

известную формулу, например, для индентора с наконечником в виде четырех р&нной пирамиды с квадратным основанием при царапании ребром

Нор -

0.3782 F.

о

Ь

где F- нормальная нагрузка, Н, приложенная к наконечнику,-в- ширина канавки в м,ч, В приложение показаны схемы распределения усилий, воздействующих чз индеч- тор при его внедрении - л ре ещенми ,-о образцу для двух аналогов (фмг. 5 и 6). прототипа (фиг, 7} и пред/taraeMoro устройота (фиг 8), где: Р - нггрузка на индечтор; R - сила сопротивления материала образца внедрению индентора; F - сила сопротивления материала образца енедэекию индентора; F - сила сопротивления материала образца перемещению индентора по его

поверхности; I - плечо, которое принято равным 1. На рисункчх фиг. 5...8 также показаны для каждой из схем наггужения уравнения равновесия этих сил относительно точки А (фиг. 1, ось 16), из которых видно, что наиболее рациональной является схема нагружения предлагаемой установки, т.е. взаимное расположение груза, поводка, державки и индентора исключает появление момента, создаваемого силой А сопротивления материала перемещению индентора, что значительно уменьшает вибрацию во время нанесения царапины.

В установке предусмотрена возможность исследования твердости материалов также методом вдавливания. Для этого необходимо поводок 8 укрепить в корпусе 6 с помощью винта 36. При этом после внедрения иидентора 5 в образец 20 и некоторой выдержки индентора 5 под нагрузкой снова включают привод перемещения. Пружины 13 отталкивают каретку 11 в исходное (правое) положение. Рычаг 14, поворачиваясь вокруг оси 16, занимает вертикальное положение, упор 15 коснется державки 9, а сама державка 9 повернется и индентор 5 подни- мется4 Затем включают привод вращения, который приводит в движение вал-шестерню 32 м дополнительную шестерню 33, контактирующую с зубчатым колесом 29 кожуха 28. При этом кожух 28 и установленный в нем муфель 30 с образцом 20 поворачиваются на заданный угол, который контролируют с помошью указателя угла поворота 31. Установка готова к очередному нанесению отпечатка.

и

15

Число твердости по методу статического вдавливания пирамидального индентора определяют как среднее давление на площадь отпечатка из формулы

Fb2b2

где Р - нагрузка на образец, передаваемая через пирамидальный индентор, Н ; F-пло- щадь поверхности пирамидального отпечатка, мм; 2у -угол между противоположными гранями пирамиды (136°); в - среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, мм. Формула изобретения Высокотемпературный твердомер, содержащий вакуумную камеру, размещенные в ней предметный стол для крепления образца, нагреватель, установленную с возможностью вращения державку с инденто- ром и сменными грузами и механизм перемещений индентора вдоль поверхности образца, выполненный в виде корпуса, установленного в нем привода возвратно- поступательного перемещения с поводком, связанным с осью вращения державки ин- деьторэ, и упор, установленный с возможностью взаимодействия с державкой, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем определения и статической твердости, он снабжен установленным в поводке и подпружиненным в поводке и подпружиненным относительно корпуса механизма перемещения индентора током с цапфами, связгнными с ним и шарнирно с державкой рычагом с пазом, при этом цапфы размещены в пазу рычага, а упор расположи на рычаге.

20

25

30

35

«3 t-v - «5D

v ем «NS CM

CO

о in

00 LO Г-8 /J

Лч-, -.„„„.у„....„,

(pus 5

ЕМЛ Р i-fiSt-Fl-O

//д -

Јыл.7Ь

фиг 7

LHA a P-3t- Я М-Р

И

# //

щн

р

п

4