Лабораторная работа. Лабораторная работа 1 по курсу Методы и средства контроля состояния рабочих поверхностей

• Название: Лабораторная работа 1 по курсу Методы и средства контроля состояния рабочих поверхностей
• Анкор: Лабораторная работа
• Дата: 03.02.2022
• Размер: 398.83 Kb.
• Имя файла: Lab-rab_Malyshev2.pdf
• Тип: Лабораторная работа; #351022

Лабораторная работа № 1
по курсу «Методы и средства контроля состояния рабочих поверхностей»
Наименование работы: «Измерение механических параметров
поверхностного слоя, характеризующих его эксплуатационные свойства.
Определения твердости по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу»
Основные положения теории.
Под твердостью материала понимают его способность сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).
Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов.
Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.
Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис.1).
Рис. 1. Схема определения твердости: а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по
Виккерсу

При динамическом испытании контролируется величина отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят следующие: твердость по Шору, по
Польди.
ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ
Сущность метода заключается в том, что шарик (стальной или из твердого сплава) определенного диаметра под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рис. 1а).
Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка после снятия усилия.
При измерении твердости по Бринеллю применяются шарики
(стальные или из твердого сплава) диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм.
При твердости металлов менее 450 единиц для измерения твердости применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. При твердости металлов более 450 единиц - шарики из твердого сплава.
Величину твердости по Бринеллю рассчитывают как отношение усилия F, действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка А:
HB (HBW) = F/A = 2F/
πD(D - √D
2
- d
2
)
(1) где НВ – твердость по Бринеллю при применении стального шарика; (HBW твердость но Бринеллю при применении шарика из твердого сплава), МПа (кгс);
F – усилие, действующее на шарик, Н (кгс);
А – площадь поверхности сферического отпечатка, мм
2
;
D –
диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.
Одинаковые результаты измерения твердости при различных размерах шариков получаются только в том случае, если отношения усилия к квадратам диаметров шариков остаются постоянными. Исходя из этого, усилие на шарик необходимо подбирать по следующей формуле:
F = K
·D
2
(2)

Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:
0,24
·D≤ d ≤ 0,6·D
(3)
Если отпечаток на образце получается меньше или больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова.
Коэффициент К имеет различное значение для металлов разных групп по твердости. Численное, же значение его должно быть таким, чтобы обеспечивалось выполнение требования, предъявляемого к размеру отпечатка (3).
Толщина образца должна не менее, чем в 8 раз превышать глубину отпечатка.
Цель работы освоение навыков определения и расчета твердости поверхностных слоев материалов различными методами.
Экспериментальная установка, приборы, материалы
Приборы Бринелля и Роквелла, образцы из горячекатаной и термически упрочненной углеродистой стали и цветных сплавов, эталонные бруски известной твердости.
Порядок выполнения работы
Измерение твердости по методу Бринелля
Подготовка образца, выбор условий испытания, получение отпечатка, измерение отпечатка и определение числа твердости производится в строгом соответствии ГОСТ 9012-59 (в редакции 1990 г.). Необходимые для замера твердости значения выбираются из таблиц этого ГОСТа.
Значение К выбирают в зависимости от металла и его твердости в соответствии с табл. 1.
Таблица 1
Испытание твердости по Бринеллю
Диаметр шарика
D,
мм
Прикладываемое усилие F, Н
K=F/D
2 30 10 5
2,5 1,0

10 29420 9807 4903 2452 980,7 5
7355 2452 1226 612,9 245,2 2,5 1839 612,9 306,5 153,2 61,3 1
294,2 98,1 49,0 24,5 9,81
Диапазон твердости
HB
55 – 650 35 – 200
<55 8 – 55 3 – 20
Измеряются
Сталь, чугун, медь и ее сплавы, легкие сплавы
Чугун, спла- вы меди, легкие спла- вы
Медь и ее сплавы, легкие сплавы
Легкие сплавы
Свинец, олово
Усилие, F в зависимости от значения К и диаметра шарика D устанавливают в соответствии с табл. 1. Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей составляет 10 с, для цветных сплавов 30 с
(при K=10 и 30) или 60 с (при K=2.5).
Измерение твердости по методу Роквелла
Шкалу испытания (А, В или С) и соответствующие ей условия испытания
(вид наконечника, общее усилие) выбирают в зависимости от предполагаемого интервала твердости испытуемого материала по табл. 2.
Таблица 2
Выбор нагрузки и наконечника для испытания твердости по Роквеллу
Примерная твердость по
Виккерсу
Обозна- чение шкалы
Вид наконечника Общее усилие,
кгс
Обозначение твердости по
Роквеллу
Допус- каемые пределы шкалы
60 – 240 240 – 900 390 – 900
В
С
А
Стальной шарик
Алмазный конус
То же
100 150 60
HRB
HRC
HRA
25 – 100 20 – 67 70 – 85
Измерение твердости по Роквеллу осуществляется в строгом соответствии
ГОСТ 9013-59.
Обработка результатов работы
Данные замеров занести в протокол.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ ПО МЕТОДУ БРИНЕЛЛЯ
Марка металла
D шарика,
мм
F,
H (кгс)
Продол. выдержки,
с
Диаметр отпечатка ,
мм
Среднее арифм., d
ср
мм
HB
(HBW)
d
1
d
2
Данные замеров занести в протокол.
ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ ПО МЕТОДУ РОКВЕЛЛА
Марка металла
Обозначение шкалы
Вид наконечника
Общее усилие,
кгс
Результаты измерения
Примечание
Содержание отчета:
1. Название работы.
2. Цель работы.
3. Протокол испытаний твердости по методу Бринелля.
4. Протокол испытаний твердости по методу Роквелла.
5. Выводы.
Контрольные вопросы
1. Что такое твердость?
2. Классификация методов измерения твердости.
3. Сущность измерения твердости по Бринеллю.
4. До какого значения твердости при испытании по Бринеллю ис- пользуются стальные шарики?
5. Какого диаметра шарики используются при испытании на твердость по
Бринеллю?
6. Из каких условии выбирается диаметр шарика при испытании на твердость по Бринеллю?
7. Пример записи твердости по Бринеллю?
8. Сущность измерения твердости по Роквеллу?
9. При замере какой твердости снимается отсчет показании по шкалам A, С, В?
10. Пример формы записи твердости по Роквеллу?

ЛИТЕРАТУРА:
1.
Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука,
1976.
2.
Дрозд Д.Г. Определение механических свойств металлов без разрушения. М.: Металлургия, 1965.
3.
Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. М.: Машиностроение, 1979.

Лабораторная работа № 2
по курсу «Методы и средства контроля состояния рабочих поверхностей»
Наименование работы: «Изучение поверхностных слоев материалов и
покрытий методом кинетической микротвердости»
Основные положения теории.
Метод кинетической микротвердости относится к методам микромеханических испытаний материалов и основан на непрерывной регистрации параметров процесса вдавливания жесткого индентора: нагрузки
Р- глубины погружения h - времени t.
Термин "кинетическая микротвердость" означает, что величина микротвердости в этом методе является одним из нескольких показателей такого испытания. Главное же содержание термина заключается в том, что методом кинетической микротвердости исследуется зависимость микротвердости от скорости активной деформации и времени выдержки отпечатка под нагрузкой. В более широком понимании метод кинетической микротвердости включает изучение характера проявления масштабного эффекта при вдавливании, а также обратимости микропластической деформации при повторном нагружении отпечатка и связь этих двух показателей с неоднородностями строения и структуры материала.
Такой подход к изучению приповерхностных свойств материалов позволяет:
- проводить испытания на твердость и микротвердость при малых и сверхмалых нагрузках для исследования свойств тонких поверхностных слоев, пленок, покрытий;
- измерять микротвердость в процессе нагружения, при выдержке под нагрузкой и после ее снятия;
- выявлять структурные и кинетические закономерности микропластической деформации на участках активного нагружения;
- регистрировать скорость внедрения индентора в материал путем графического дифференцирования диаграммы "h-t" на стадиях активной деформации и релаксации микротвердости;

- оценивать упругие свойства по относительному упругому восстановлению глубины отпечатка;
- испытывать материалы с плохой отражающей способностью поверхности (полимеры), а также материалы, у которых отпечаток сильно изменяет свои размеры после снятия нагрузки (резины, полупроводники, карбиды, нитриды т.д.).
Испытание на кинетическую микротвердость является естественным развитием испытания на твердость. Многочисленные исследования [1] показывают, что между твердостью по Майеру H
m
, равной среднему контактному давлению в отпечатке, и одноосным деформирующим напряжением с достаточной точностью выполняется для пластичных материалов соотношение H
m
≈3σ
, если H
m и σ сравнивать при одних и тех же деформациях в отпечатке и в растягиваемомобразце. В этом отношении заключается главный смысл испытания на твердость, когда оно рассматривается не только как метод контроля механических свойств при контактных способах нагружения, но и как метод неразрушающего контроля физико-механических свойств материалов (пределов текучести и прочности, модуля Юнга, степени пористости и рыхлости структуры, величины гистерезисных потерь и др.). Кроме того, этот метод является одним из немногих, которые позволяют проводить оценку физико-механических свойств в локальных микрообъемах материала, в результате чего представляется возможность определения кинетических закономерностей изменения свойств по слоям материалов и покрытий.
На рис.1. представлена типичная диаграмма вдавливания. Она имеет три характерных участка, соответствующих трем этапам испытания: 1 - нагружению; 2 - выдержке под нагрузкой; 3 - разгружению; 4 - повторному нагружению.

h
h
W
W
P
P
h
P,
H
h, мкм
1
у
h
в
0
h
0
Наг
ру
ж
ен
ие
Ра
зг
руж
ен
ие
Наг
руз
ка
Глубина вдавливания
Рис.1. Диаграмма вдавливания пирамидального индентора Виккерса.
Теоретические исследования этого метода позволили определить следующие физико-механические характеристики материалов в локальных объемах:
1)
Модуль упругости (Модуль Юнга) Е, в том числе для микротел и тонких покрытий и пленок;
2)
Ползучесть и релаксацию напряжений;
3)
Гистерезисные потери и обратимость микропластической деформации при повторном нагружении-разгружении;
4)
Эффективную поверхностную энергию или вязкость разрушения (для хрупких материалов);
Все эти характеристики определяются при неразрушающем воздействии на объекты, например слоистые материалы или изделия с покрытиями, локальные механические свойства, которых проблематично определить другими, даже разрушающими способами испытаний.
Метод кинетической микротвердости позволяет определить следующие показатели механических свойств:

1.
Микротвердость по глубине отпечатка
HV
h
= c
0
P/h
2
= 0,03784 P/h
2
(1)
Где Р - нагрузка на индентор; с
0
- коэффициент формы индентора (для пирамиды Виккерса с
0
= 0,03784)
2.
Модуль Юнга, Е
E = (1-
µ
2
)/{2
√
F/
√π
[dW/dP - dW
∑
/dP] - (1-
µ
i
2
)/E
i
}
(2) где µ, µ
i
, E, E
i - коэффициенты Пуассона и модули Юнга материала образца и индентора соответственно; dW/dP - производная начальной ветви разгружения; dW
∑
/dP - поправка на жесткость прибора; √F - поперечный размер отпечатка, равный для пирамиды Виккерса d√2/2.
3.
Величина гистерезисных потерь
ϕ
=
δ
/W
1
(3) где δ - ширина петли гистерезиса в самой широкой части; W
1
- удиничная упругая деформация { W
1
= P(dW/dP
)}, где dW/dP - котангенс угла наклона начального участка ветви разгружения.
4.
Соотношение микротвердости HV
h
/HV оценивает степень пористости, рыхлости материала.
5.
Отношение HV
h
/E - параметр, характеризующий упруго-пластические свойства материала.
6.
Коэффициент вариации
χ
(h) микротвердости HV
h
в функции глубины отпечатка
χ
(h) = S
HV
/HV =
√
{
∑
(HV
h
- HV
hi
)
2
/n-1}/HV
h
(4)
7.
Обратимая микропластическая деформация
ε
d
=
εδ
/h = 8%
δ
/h
(для пирамиды Виккерса) (5)
8.
Микропрочностные показатели:
Микропрочность
σ
= 10
+3
P/D
2
(6)
Микрохрупкость
γ
= (D
2
- d
2
)/d
2
(7)
Где d - диагональ отпечатка; Р - нагрузка на индентор; D - размер зоны хрупкой повреждаемости.
9.
Коэффициент вязкости разрушения (коэффициент трещиностойкости):
K
1c
= 7,52 10
-2
P/D
3/2
(8)

Цель работы состоит в ознакомлении с новым методом исследования поверхностных слоев материалов – методом кинетической микротвердости и определении некоторых механических характеристик материалов (HV, HV
h
,
E
и др.) этим методом по диаграммам вдавливания.
Экспериментальная установка
Приборы для реализации этого метода микромеханических испытаний работают по принципу измерения глубины отпечатка и снабжены датчиками измерения нагрузки и глубины отпечатка.
На рис.2. представлена схема прибора конструкции ИМЕТ им.
А.А.Байкова РАН (Булычев С.И.). Комплект прибра включает следующие основные части: 1- блок питания механотронных датчиков; 2- самопишущий двухкоординатный потенциометр; 3- привод нагружения; 4 - отсчетно- нагружающее устройство и оптическая система прицельного нанесения отпечатков, смонтированные в замкнутой симметрично нагруженной станине.
Рис.2. Схема прибора ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН для оценки физико- механических свойств покрытий и материалов методом кинетической микротвердости.
Прибор имеет повышенную точность, по сравнению с другими аналогичными приборами, благодаря конструкции отсчетно-нагружающего устройства, в котором предусмотрено размещение щупов механотронных датчиков вблизи оси вдавливания, совмещение осей вдавливания и направляющих механизма поступательного перемещения индентора,

симметричное нагружение элементов конструкции, повышающее жесткость измерительной схемы.
Испытания на приборе проводятся следующим образом: испытуемый образец жестко закрепляют на опорном столе, подводят поверхность образца к вершине индентора. Поворотом двухкоординатного стола образец помещается под объектив микроскопа для выбора места нанесения отпечатка, а затем возвращается под индентор. Осуществляют тонкий подвод индентора к поверхности образца, усилие поджатия задается предварительным прогибом четырех нагружающих пружин. Индентор соединен со стержнем через две симметрично нагруженные плоскопараллельные измерительные пружины, причем в нижней пружине закреплена подвеска индентора, оканчивающаяся сверху гладкой плоской поверхностью для размещения щупов датчиков.
Как только индентор достигнет поверхности образца, измерительные пружины начинают прогибаться пропорционально нагрузке на индентор.
При этом датчик нагрузки подает на вход ПДС сигнал, пропорциональный по величине прогибу пружин. Датчик глубины подает на другой канал ПДС сигнал, величина которого пропорциональна перемещению индентора относительно поверхности стола и не зависит от прогибы пружин.
Порядок выполнения работы
Образец материала или покрытия, выданные преподавателем, устанавливается на предметном столике прибора. Выбирается место укола индентора. Проводится измерение нагружением образца с усилием 200 Гс, при этом одновременно на 2х-координатном самописце записывается диаграмма внедрения индентора. Полученная диаграмма обрабатывается с получением значений показателей механических свойств, в соответствии с формулами (1-8).
Обработка результатов работы
Для обработки диаграммы вдавливания индентора выполняются следующие действия:

1.
Отмечается на диаграмме по оси абсцисс точка наибольшего внедрения индентора в исследуемый материал, измеряются в масштабе величины
Р и h.
2.
По ветви разгружения диаграммы проводится линия, касательная к ней, или через точки 1 и 2, находящиеся на расстоянии 1/3 длины ветви разгружения сверху и снизу (см.рис 3), определяется угол Θ = dW/dP.
h
h
W
W
P
P
h
P,
H
h, мкм
1
у
h
в
0
h
0
Наг
ру
ж
ен
ие
Ра
зг
руж
ен
ие
Наг
руз
ка
Глубина вдавливания
1
2 Θ
Рис.3 Обработка диаграммы вдавливания пирамидального индентора
3.
По формулам (1-8) проводится расчет показателей механических свойств материала.
4.
Значения необходимых данных для расчета выдаются преподавателем.
Контрольные вопросы
1.
В чем отличие испытания на микротвердость от испытаний по методу кинетической микротвердости?
2.
Какой индентор используется в этом виде испытания?
3.
Какие параметры механических свойств материалов можно определить, используя этот метод испытаний?
4.
Как проводятся испытания по методу кинетической микротвердости?

5.
Какие виды материалов можно испытывать этим методом?
6.
Относится ли этот метод к методам неразрушающего контроля?
7.
По какой ветви нагружения или разгружения определяется модуль упругости материала?
ЛИТЕРАТУРА:
1.
Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. М.: Машиностроение, 1979. - 192 с.
2.
Булычев С.И., Алехин В.П., Шоршоров М.Х. Исследование физико- механических свойств материалов в приповерхностных слоях и микрообъемах методом непрерывного вдавливания индентора. (Обзор).//
Физика и химия обраб.матер., 1979. № 5, С.69-81 3.
Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

Лабораторная работа № 3 по курсу «Методы и средства контроля состояния рабочих поверхностей»
Наименование работы: «Топографический анализ поверхностного слоя
методом профилографирования»
Основные положения теории.
Надежность и долговечность машин является сложной функцией многочисленных факторов, к которым в первую очередь относятся физико- механические и геометрические характеристики поверхностного слоя. К последним относятся: макрогеометрия - отклонения формы (при соотношении расстояния между соседними вершинами S к высоте R -
S/R
>1000, микрогеометрия - волнистость (50(S/R
<50) и субмикрогеометрия - субмикрошероховатость. Для реальных поверхностей, с точки зрения их эксплуатационных свойств, преимущественно ограничиваются измерением шероховатости.
Термины и определения:
Шероховатостью поверхности является совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, отмеченная на базовой длине.
Базовая длина l (рис.1) - длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности.
Базовая линия - линия заданной геометрической формы, определенным образом проведенная относительно профиля поверхности и служащая для оценки геометрических параметров поверхности.
Профиль поверхности - линия пересечения поверхности с плоскостью, перпендикулярной этой поверхности. Различают поперечный и продольный профили, в зависимости от расположения секущей плоскости к направлению неровностей.
Средняя линия профиля m - базовая линия профиля, проведенная таким образом, что в переделах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля от этой линии минимально.
Выступ профиля - часть профиля, соединяющая две соседние точки пересечения его со средней линией профиля, направленная из твердого тела.

Впадина профиля - часть профиля, соединяющая две соседние точки пересечения его со средней линией профиля, направленная в твердое тело.
Высота выступа профиля R
p
- расстояние от средней линии профиля до высшей точки выступа профиля.
Глубина впадины профиля - расстояние от средней линии профиля до низшей точки впадины профиля.
Линия выступов профиля - линия эквидистантаная средней линии, проходящая через высшую точку профиля в пределах базовой длины.
Линия впадин профиля - линия эквидистантаная средней линии, проходящая через низшую точку профиля в пределах базовой длины.
Наибольшая высота неровностей профиля R
max
- расстояние между линией выступов и линией впадин профиля в пределах базовой длины.
Среднее арифметическое отклонение профиля R
a
- средее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины:
∑
∫
=
≈
=
n i
i a
y n
dx x
y l
R
1 1
)
(
1
, где: l - базовая длина; n - число выбранных точек профиля; y
i
- отклонение профиля.
Отклонение профиля y
i
- расстояние между точкой профиля и средней линией.
Рис.1 Вид профилограммы участка исследуемой поверхности
Выступ
Впадина
Средняя линия
R
m a
x
R
m a
x
!
R
p
!
R
p
R
v m
Линия выступов
Линия впадин
Базовая длина l
Неровность
Si

Шаг неровностей S
i
- отрезок средней линии профиля, содержащий неровность профиля.
Средний шаг неровностей
S
- среднее значение шага неровностей профиля по средней линии ( m) в пределах базовой длины.
Опорная длина профиля
η
р
- сумма длин отрезков, отсекаемых на заданном уровне в материале профиля линией, эквидистантной средней линии в пределах базовой длины.
Относительная опорная длина профиля - отношение опорной длины профиля к базовой длине ( на заданном уровне сечения).
Высота неровностей профиля по десяти точкам R
z
- сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины:
5 5
1 5
1
∑
∑
=
=
+
=
i vmi i
pmi z
y y
R
, где: y
pmi
- высота i -го наибольшего выступа профиля, y
vmi
- глубина i- ой наибольшей впадины профиля.
Цель работы состоит в овладении навыком снятия профилограмм и определения основных параметров шероховатости поверхности на приборе профилографе-профилометре.
Экспериментальная установка
Определение параметров шероховатости осуществляют после обработки профилограмм, снятых с поверхности твердого тела специальным прибором - профилографом. Принцип работы данного прибора (рис. 2) основан на методе ощупывания поверхности иглой И, которая приводится в поступательное движение по определенной трассе поверхности твердого тела
Т. При этом острозаточенная алмазная игла опускается во впадины и поднимается на гребни неровностей относительно движущейся с ней вместе опорой О. Игла связана с датчиком Д, преобразующим ее перемещения в электрический сигнал, который обрабатывается в электронном блоке ЭБ и подается на показывающий прибор ПП или записывается на специальной диаграммной ленте в устройстве ЗП электротермическим способом. В

качестве профилографа в работе используется профилограф- профилометр"Калибр - 201". Прибор состоит из электромеханического, электронного и записывающего блоков. Электронный блок позволяет производить отсчет параметра R
a по его шкале.
Рис.2 Схематическое представление профилографа-профилометра
Технические данные профилографа-профилометра:
Профилограф-профилометр модели "Калибр-201" предназначен для измерения параметра R
a шероховатости в пределах 0,04 - 8,0 мкм и записи неровностей высотой в пределах 0,05 - 20,0 мкм. Кроме того, данный прибор позволяет оценивать волнистость совметсно с шероховатостью при шаге более 2,5⋅10 3
мкм или только волнистость.
При измерениях шероховатости внутренних поверхностей минимальный диаметр отверстия равен 8 мм при глубине 10 мм; 20 мм при глубине 100 мм; 40 мм при глубине 125 мм; с дополнительным приспособлением, несущим заднюю опору - 4 мм при глубине 100 мм.
Прибор имеет 8 ступеней вертикального увеличения (
х
1; х
2; х
4; х
10; х
20; х
40; х
100; х
200 тысяч). Горизонтальное увеличение (сжатие) обеспечивается от 2 до 4000 (18 ступеней). Радиус закругления алмазной иглы - от 2,0 до 10÷2 мкм. Измерительное усилие иглы - не превышает 1⋅10
-3
Н, а градиент усилия
- не более 5⋅10
-6
Н/мкм. Скорость трассирования профилографа - 0,2; 1,0; и 10 мм/мин. Наибольшая длина трассы при записи составляет 40 мм.
ПП
ЭБ
Д
О
И
ЗП
Т

Непосредственно перед снятием профилограммы с опытного образца необходимо произвести предварительную оценку шероховатости поверхности с помощью профилометра на предмет определения R
a
. Это необходимо для выбора базовой длины l. Выбор базовой длины в зависимости от высоты неровностей указан в ГОСТ 2789-73 (табл.1). При этом надо иметь в виду, что с увеличением базовой длины увеличивается точность определения параметров шероховатости, однако возрастает влияние волнистости на результаты измерений.
Таблица 1
Значение базовой длины в зависимости параметров R
a
и R
z
Значение параметра, оценивающего высоту неровностей, мкм
Базовая длина, мм
R
a
= 0,025 - 0,1 0,08
R
a
= 0,02 - 0,32 0,25
R
a
= 0,32 - 2,5 0,8
R
z
= 10 - 40 2,5
R
z
= 40 - 320 8,0
Порядок выполнения работы
Для записи профилограммы необходимо прежде включить прибор и прогреть его не менее 20 мин. Затем, установить образец на столик прибора и при необходимости зафиксировать. Испытуемая поверхность должна быть параллельна трассе движения датчика.
Опустить датчик на испытуемую поверхность и, наблюдая за стрелкой показывающего прибора, вращать маховик до установления стрелки в зеленый сектор. При этом необходимо, чтобы при вращении маховика по часовой стрелке (от себя) показывающая стрелка прибора двигалась слева направо. Зафиксировать в таком положении каретку. Далее, вращая маховик против часовой стрелки установить стрелку показывающего прибора в центре красного сектора (при таком условии материал будет находиться справа от линии профиля).

Установить необходимое горизонтальное и вертикальное увеличение.
Установить скорость перемещения диаграммной бумаги в соответствии с выбранным горизонтальным увеличением. Установить ручку "П.П; Загруб;
З.П" в положение "З.П". Включить лентопротяжный механизм записывающего прибора. Включить движение датчика при помощи рукоятки.
После окончания записи ручку "П.П; Загруб; З.П" установить в положение "Загруб".
Обработка результатов работы
Профилограммы снимаются с нескольких (не менее пяти) участков поверхности, при этом выбираются наиболее характерные для данной поверхности участки. Длина профилограммы, снятой с каждого участка, должна быть не менее базовой длины, соответствующей шероховатости исследуемой поверхности.
На полученных профилограммах выбираются участки, на которых проводятся средние линии. Существует несколько способов определения средней линии, однако наиболее просто положение средней линии определяется использованием метода средних. Для этого от горизонтальной линии, проведенной ниже самой глубокой впадины профиля, замеряются ординаты профиля y
i
(i = 1,2,3,…n
) через каждые 2 мм. Все полученные значения y
i
разбиваются на две равные группы, соответствующие первой (i
=1,2,…n
/2) и второй (i = n/2, n/2+1,….n) половинам профилограммы. Средняя линия проводится через две точки с координатами, равными x
'
, y
'
и x
"
, y
"
:
2 2
/
1
'
n x
x x
+
=
,
2
/
2
/
1
'
n y
y n
i i
∑
=
=
;
2 2
/
"
n n
x x
x
+
=
,
2
/
2
/
"
n y
y n
n i
i
∑
=
=
(1)
Поскольку профиль реальной поверхности, как правило является случайным, то и все характеристики, определяемые по профилограммам конечной длины, также подвержены случайным вариациям. Поэтому для получения максимально достоверных значений этих характеристик следует использовать их математические ожидания, оцениваемое как среднее некоторого числа измерений. Число участков измерений, длина каждого из

которых равна базовой, при определении всех характеристик должно быть не менее пяти.
1.
Параметр
R
p
- математическое ожидание высоты максимального выступа, определяется как среднее арифметическое для всех исследуемых участков. С этой целью на каждом участке профилограммы, равном базовой длине, замеряется расстояние от средней линии до линии выступов R
pi
, а затем подсчитывается
R
p.
Линия выступов проводится параллельно средней линии через вершину максимального выступа: k
R
R
k i
pi p
∑
=
=
1
,
(2) где:
∑
=
k i
pi
R
1
- сумма отдельных замеров; k - число участков.
2.
Параметр R
max
- математическое ожидание максимальной высоты профиля, определяется аналогично
R
p
, т.е. на каждом участке замеряется
R
maxi
- расстояние между линией выступов и линией впадин, и находится среднее арифметическое: k
R
R
k i
i
∑
=
=
1
max max
,
(3)
3.
Параметр R
a
-
среднее арифметическое отклонения профиля, определяется в соответствии с ГОСТ 2789-73:
∑
=
=
n i
i ai y
n
R
1 1
, мкм
(4) где: y
i
- отклонение профиля от средней линии; n - число замеров.
5 5
1
∑
=
=
ai a
a
R
R
R
(5)
4.
Параметр R
z
- сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины:
5 5
1 5
1
∑
∑
=
=
+
=
i vmi i
pmi z
y y
R
,
(6)

где: y
pmi
- высота i -го наибольшего выступа профиля, y
vmi
- глубина i-ой наибольшей впадины профиля.
5.
Параметр m - число максимумов на единицу длины. Подсчитываются все максимумы профиля на всех участках. За максимум считаются неровности профиля, высота которых от ближайшей впадины не менее max
05
,
0
R
(Рис.3):
L
m m
′
=
,
(7) где: m' - число максимумов на всех участках; L - суммарная длина всех участков, мкм.
6.
Параметр r - радиус кривизны вершин неровностей определяется по профилограммам, снятым в двух взаимноперпендикулярных направлениях, в частности в продольном и поперечном. На всех выбранных участках профилограммы обмеряются вершины неровностей, лежащие выше уровня max
3
,
0
R
. Для этого на расстоянии max
05
,
0
R
от вершины каждой неровности замеряется длина хорды d i
в мм (рис.3).
Дробное число последней округляется до ближайшего целого. Радиус кривизны каждой замеряемой неровности подсчитывается по формуле:
3 2
2 10 8
⋅
⋅
=
г в
i h
d r
γ
γ
, мкм
(8) где: i - номер неровности; d
i
- длина хорды, мм; h - расстояние от вершины неровности до сечения, где измеряется d
i
,
мм; округленное до ближайшего целого; в
γ
- вертикальное увеличение; г
γ
- горизонтальное увеличение. Средний радиус кривизны вершин неровностей профиля данного направления определится: k
r r
k i
i
∑
=
=
1
,
(9) где k - общее число измеренных неровностей.

Приведенный радиус кривизны вершин неровностей профиля определится как среднее геометрическое радиусов двух взимноперпендикулярных направлений - поперечного и продольного: поп прод прив r
r r
⋅
=
(10)
Рис.3 Участок профилограммы с обозначением углов наклона
7.
Параметр
θ
- угол наклона элементов профиля к средней линии, определяется через его тангенс. Все углы i
θ
, образованные пересечением профиля со средней линией (рис.3), подсчитываются по формуле: в
г i
i i
x y
tg
γ
γ
θ
⋅
=
,
(11) где: x
i
и y
i
- катеты треугольника, образованного средней линией, линией перпендикулярной средней из точки, лежащей на профиле и удаленной от вершины на расстояние max
05
,
0
R
, и отрезком прямой, полученной при соединении двух точек профиля: одной на расстоянии max
05
,
0
R
от вершины неровности, другой - на расстоянии max
05
,
0
R
от соответствующей впадины.
Средний тангенс угла наклона элементов профиля определяется как среднее арифметическое:
Средняя линия
R
m a
x
R
m a
x
!
R
p
!
R
p
R
v m
Линия выступов
Линия впадин
Базовая длина l
h=0,3Rmax
0
,0 5
R
m a
x di di
0
,0 5
R
m a
x

∑
=
=
k i
i tg k
tg
1 1
θ
θ
(12)
Контрольные вопросы
1.
Что называется шероховатостью поверхности?
2.
Как определяется шероховатость?
3.
Какими основными параметрами шероховатость характеризуется?
4.
Что такое профиль поверхности?
5.
Дайте понятие базовой длины профиля.
6.
Что Вы понимаете под средним арифметическим отклонением профиля?
7.
Чем отличается параметр R
a от R
z
?
8.
Каким прибором производят запись профилограммы?
9.
Из каких основных блоков состоит профилограф-профилометр?
10.
Как обрабатывается профилограмма?
ЛИТЕРАТУРА
1.
Дунин-Барковский И.В., Карташова А.Н. Измерение и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. - М.:
Машиностроение, 1978.
2.
Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. - М.: Машиностроение, 1981.

Лабораторная работа №4
по курсу «Методы и средства контроля состояния рабочих поверхностей»
Наименование работы: «Метод пенетрации. Определение дефектов
поверхности»
Основные положения теории.
Методы пенетрации, называемые также методами внедрения, диффузии или капиллярными, относятся к простейшим методам неразрушающего контроля материалов. Они основаны на том, что в дефекты, которые либо начинаются от поверхности изделия, либо непосредственно связаны с поверхностью, проникают специальные жидкости, благодаря чему эти дефекты становятся видимыми. Различимость дефектов усиливается, если средства пенетрации отсасываются с помощью высококонтрастного проявителя и благодаря этому появляются следы, значительно более широкие, чем реальные дефекты (Рис. 1).
Метод высокопроизводителен, очень прост, удобен, не требует предварительной сложной обработки, применительно к любым материалам и деталям самой сложной и разнообразной конфигурации и размеров.
Рис. 1 Выявление поверхностных трещин с помощью метода внедрения краски
Это один из наиболее надежных методов анализа поверхностных дефектов в неферромагнитных материалах, твердых сплавах, изделиях на железной основе, полученных методами порошковой металлургии. Капиллярной дефектоскопии можно подвергать как отдельные детали, так и узлы, и агрегаты в целом.
Важными физическими основами метода являются капиллярность поверхностных трещин, а также капиллярное взаимодействие между средствами пенетрации и проявителем. Капиллярные явления вызываются влиянием сил межмолекулярного взаимодействия на равновесие и движение

свободной поверхности жидкости, поверхности раздела несмешиваемых жидкостей или границ между жидкостью и твердым телом.
Для трещины шириной δ при поверхностном натяжении проникающего вещества σ и равновесном угле сцепления раствора с поверхностью трещины υ капиллярное давление определяется как
P = 2
σcosυ/δ. (1)
Глубина проникновения смачивающей жидкости в полость клинообразной формы определяется уравнением Жюрена:
(2) где σ –поверхностное натяжение;
υ – угол раскрытия;
r
0
– радиус кривизны поверхности жидкости у стенки полости;
ρ
1
и ρ
2
– плотности жидкости и ее пара.
Для оценки таких индикаторных веществ можно использовать высоту подъема в капилляре, поверхностное натяжение, смачиваемость, а также их вязкость (текучесть).
В зависимости от средства контроля различают:
1) испытание кипячением в масле;
2) метод проникновения краски;
3) метод с применением флуоресцирующей индикаторной жидкости;
4) метод фильтрующего порошка.
Методы, основанные на проникновении химических веществ, могут быть использованы для контроля открытых трещин, пор, складок и надрывов шириной до 1 мкм. Эти методы контроля распространяются на очень большое число материалов, поскольку они не основаны на электрических или магнитных свойствах материалов. Контролю могут подлежать поковки, штамповки, сварные соединения и отливки из всех металлов и сплавов, а также изделия из пластмассы, стекла и керамики.

Цель работы состоит в овладении навыком определения дефектов поверхностного слоя рабочих поверхностей деталей методом пенетрации.
Оборудование, экспериментальная установка, материалы:
Работа выполняется с применением метода кипячения изделия в масле.
Для выполнения работы используется емкость объемом 5 л. с маслом индустриальным И-40А, нагревательная печь, сушильный шкаф, гашеная известь, кисть, набор ветоши.
Порядок выполнения работы
При всех методах контроля проникновением, за исключением контроля с помощью фильтрующего порошка, должны быть проведены следующие рабочие процессы:
• очистка испытуемых изделий,
• пенетрация,
• удаление излишков проникающего средства,
• проявление.
Собственно проникновение (пенетрация) происходит при погружении в индикаторную жидкость, при нанесении ее кистью или разбрызгивании. При этом индикаторная жидкость должна распространяться по поверхности в виде тонкой пленки. После нанесения жидкости должна быть установлена продолжительность выдержки для надежного проникновения жидкости в поверхностные дефекты. Это время составляет от 1 до 30 мин и зависит от характера индикаторной жидкости, испытуемого материала и вида поверхностных дефектов.
Схематически операции по методу пенетрации выглядят следующим образом (Рис. 2):
Рис.2 Операции пенетрации: а – очистка поверхности; б – пенетрация
(внедрение); в – удаление излишков; г – нанесение проявителя; д – проявление.
а б в г д

После окончания проникновения излишки индикаторной жидкости должны быть удалены с поверхности изделия. Это необходимо для обеспечения хорошего контраста между индикаторной жидкостью, выступающей в дальнейшем из поверхностного дефекта, и окружающей его поверхности материала. Важным для различимости дефектов этапом рабочего процесса является проявление дефектов с помощью белых контрастных средств или проявителей, которые распыляются в виде суспензий, состоящих из порошка и легко испаряющихся жидкостей. Можно наносить суспензии на поверхность также путем окунания образца в нее, нанесения с помощью кисти или разбрызгиванием. После высыхания проявитель адсорбирует индикаторное средство из дефектов, создавая при этом эффект усиления. Этот эффект состоит в том, что изображение дефекта, по сравнению с его реальными размерами, во много раз увеличивается. Время проявления обратно пропорционально объему дефекта и составляет от 2 до 60 мин.
При контроле с помощью горячего масла (проявитель — известковое молоко) исследуемую деталь без предварительного обезжиривания окунают в горячее масло. При этом воздух, находящийся в трещинах или порах, удаляется и они заполняются жидкотекучим маслом. После удаления излишков масла на изделие наносят проявитель в виде пенистой массы, состоящей из извести и воды. При вторичном нагреве изделия известковое покрытие высыхает и выступающее из поверхностных дефектов масло оставляет темные следы.
Обработка результатов работы
Изделие или деталь, выданная преподавателем, подвергается очистке, внешнему осмотру, подготовке к исследованию. Разогревается масло в емкости до температуры 100-120 0
С. Деталь захватывается щипцами и медленно опускается в емкость с маслом, где выдерживается 10-15 минут.
После чего деталь вынимается, слегка остужается на воздухе и обтирается ветошью насухо. В отдельной емкости готовится гашеная известь,

разведенная водой (известковое молоко), и с помощью кисти вся деталь обмазывается известковым молоком. После этого деталь помещается в сушильный шкаф, разогретый до температуры 80-100 0
С для просушки на 10-
15 минут. Как только известковое молоко просохнет, на поверхности детали выявятся пятна темного цвета от выступившего масла, если деталь имеет какие-либо дефекты (трещины, неоднородности). Студент фиксирует появившиеся пятна на поверхности детали, делает зарисовку эскиза детали, формулирует выводы по работе.
Контрольные вопросы
1.
Что такое пенетрация?
2.
Какие детали можно подвергать этому методу испытаний?
3.
Что можно определить этим методом?
4.
Какие разновидности метода пенетрации Вы знаете?
5.
Какие виды дефектов и на какой глубине можно определять этим методом?
6.
Напишите формулу Жюрена. От каких величин зависит глубина проникновения?
7.
Чем обусловлены капиллярные явления?
ЛИТЕРАТУРА:
1.
Испытания материалов. Справочник /Под ред. Блюменауэра Х. М.:
Металлургия, 1979, 448 с.
2.
Неразрушающий контроль. Практическое пособие в 5-ти книгах./Гурвин А.К., Ермолов И.Н., Сажин С.Г. Под ред. Сухорукова
В.В. М.: Высшая школа, 1992, 242 с.