Способ определения твердости композиционных гетерогенных материалов
METHOD OF DETERMINING HARDNESS OF COMPOSITE HETEROGENEOUS MATERIALS

Изобретение относится к способу определения твердости композиционных гетерогенных материалов, обеспечивающему возможность повышения точности определения усредненного оценочного значения микротвердости функциональных поверхностей материалов, выполняемых на основе модифицированной древесины.
Известен способ определения статической твердости модифицированной древесины, согласно которому определяют глубину отпечатка шарика при внедрении его в образец, измеренною после снятия нагрузки, и глубины частично восстановленного отпечатка шарика. При этом твердость определяют раздельно на поверхностях тангенциального, радиального и торцового разрезов образца древесины (ГОСТ 13338-86 «Древесина модифицированная. Метод определения твердости, временных упругой и остаточной деформаций»).
Недостатком способа является сложность получения сопоставимых данных вследствие отсутствия методологии получения обобщенного интегрированного показателя твердости, который мог бы характеризовать эффективность способов и режимов модификации древесины в части получения показателей твердости в различных направлениях внедрения индентора по отношению к годичным слоям, и в связи с этим снижение точности оценки свойств модифицированной древесины. Кроме того, процесс интегрирования оценки твердости является достаточно трудоемким.
Известен также способ определения статической твердости древесины, согласно которому исследуемый образец изготавливают в форме тетраэдра, основание которого образуют диагонали трех смежных граней трапецеидальной призмы, боковые поверхности которой соответствуют радиальному, торцовому и тангенциальному срезам древесины. Определяют глубину отпечатка индентора при внедрении его в образец, в плоскости замера под приложенной в заданном режиме нагрузкой и вычисляют обобщенный показатель твердости. В качестве плоскости измерения глубины отпечатка используют основание полученного тетраэдра (RU 2323428 C1 (Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянская государственная инженерно-технологическая академия") 27.04.2008).
Недостатком способа является сложность получения сопоставимых данных вследствие отсутствия методологии получения обобщенного интегрированного показателя твердости модифицированной древесины, который мог бы характеризовать эффективность способа и режима модификации, а также осуществлять учет показателей твердости отдельных модифицирующих фаз материала.
Задачей изобретения является обеспечение возможности получения усредненного показателя твердости отдельных фаз гетерогенных композиционных материалов, с учетом занимаемых ими доли поверхности структурных функциональных составляющих композита и матрицы материала.
В результате обеспечивается следующий технический результат - возможность определения твердости гетерогенных композиционных материалов, а также коэффициента обобщенной структурной составляющей. При этом обеспечивается более точное определение обобщенной твердости композиционных гетерогенных материалов, выполненных на основе модифицированной древесины.
S
, S
, S
Н
, Н
H
i
Sоц
1
2
i
1
2,
i
2
Указанная задача достигается тем, что способ определения твердости композиционных гетерогенных материалов, выполненных на основе модифицированной древесины, включающий изготовление исследуемых образцов в форме тетраэдра, основание которого образуют диагонали трех смежных граней трапецеидальной призмы, боковые поверхности которой соответствуют радиальному, торцовому и тангенциальному срезам базовой древесной основы, в которую включаются оптимизирующие структурные составляющие, например антифрикционные наполнители, твердые смазки, элементы повышенной упругости и др., отличающийся тем, что рабочая поверхность исследуемого образца выполняется в форме шлифа, на котором в процессе его подготовки обеспечивается получение четко различаемых границ раздела между отдельными структурными составляющими композиционного материала, после чего методами планиметрирования определяются площади шлифа структурных составляющих и рассчитываются их доли, занимаемые в пределах общей оценочной площади (), а также замеряются показатели их микротвердости (). Затем по формуле: , устанавливается усредненное оценочное значение микротвердости  функциональной поверхности материала исследуемого образца, где - количество структурных составляющих. Площадь зоны оценки микротвердости () задается равной 80-100 мм.
н
max
min
H
H
При этом определяется закономерность распределения микроствердости по глубине поверхностного слоя и коэффициент обобщенной структурной неоднородности (Kн) исследуемого материала по формуле K=, где  - максимальное значение микротвердости;  - минимальное значение микротвердости.
Предлагаемый способ включает изготовление исследуемых образцов в форме тетраэдра (рисунок), основание (1) которого образуют диагонали трех смежных граней трапецеидальной призмы, боковые поверхности которой соответствуют радиальному 2, торцовому 3 и тангенциальному 4 срезам базовой древесной основы, в которую включаются оптимизирующие структурные составляющие 5, например, антифрикционные наполнители, твердые смазки, элементы повышенной упругости и др.
Основание 1 является рабочей поверхностью исследуемого образца и выполняется в форме шлифа, на котором в процессе его подготовки обеспечивается получение достаточно четко различаемых границ раздела, при увеличении 50-100 кратном значении между отдельными структурными составляющими композиционного материала.
S
, S
, S
1
2
i
Для определения твердости испытуемого образца методами планиметрирования, выполняющегося в процессе предварительного исследования шлифа, определяются площади шлифа структурных составляющих и рассчитываются их доли, занимаемые в пределах общей оценочной площади ().
H
, H
, H
1
2
i
2
После осуществляется измерение показателей микротвердости структурных составляющих () известными методами внедрения инденторов. В испытуемый образец вдавливается индентор 6 под приложенной в заданном режиме нагрузкой (Р), после чего нагрузка снимается и определяют глубину отпечатка индентора в плоскости замера. В случае, когда размеры структурных композиционных материалов недостаточны для оценки микротвердости, возможно использование их образцов - свидетелей, обладающих достаточными для измерения микротвердости размерами. В качестве плоскости измерения глубины отпечатка используют основание полученного тетраэдра. При этом зону измерения ограничивают окружностью площадью равной 80-100 мм, центр которой находится в точке пересечения биссектрис основания тетраэдра, а обобщенный показатель твердости вычисляют по глубине отпечатка только в плоскости замера.
i
Sоц
Затем по формуле: , вычисляют усредненное оценочное значение микротвердости функциональной поверхности материала исследуемого образца, где - количество структурных составляющих;  - площадь зоны оценки микротвердости.
н
н
ma
x
min
H
H
Кроме того для определения закономерностей распределения микроствердости по глубине поверхностного слоя после оценки микротвердости поверхности производится последовательное снятие слоев толщиной до 50 мкм лезвийным инструментом путем шабрения или наружного протягивания на величину предполагаемого предельного износа и определяется коэффициент обобщенной структурной неоднородности (K) исследуемого материала по формуле K=, где  - максимальное значение микротвердости;  - минимальное значение микротвердости.
Получаемые значения твердости используются для определения характеристик механических свойств композиционных гетерогенных материалов.