1158

формы уменьшается, и с определенного момента предмет воспринимается как силуэт, лишенный объема и деталей.

Основополагающим эстетическим качеством поверхности является фактура, а гармоничное восприятие художественное рельефа напрямую зависит от того, насколько его геометрически параметры соответствуют характеру фактуры. Следовательно, необходимо установить оптимальные соотношения размеров рельефа и размеров микроискажений, формирующих фактуру поверхности. Для этого необходимо рассмотреть подробнее микроискажения, возникающие на поверхности отливок. Основной причиной их возникновения является адсорбция (повышение концентрации) на границе раздела фаз (стенка формы – жидкий расплав) зародышей кристаллизации при заливке расплава симиналов в форму.

Размер микроискажений и их форма зависит от материала литейной формы. Встречается две разновидности микроискажений: сферические и пластинчатые, первые образуются, когда микропоры на поверхности формы образованы сферическими микрочастицами (рис. 4, а), а вторые – когда пластинчатыми (рис. 4, б).

Рис. 4. Схематическое изображение пор на поверхностях литейных форм:

а – поры образованы сферическими частицами (например, разовая песчаная форма); б – поры образованы пластинчатыми частицами (неметаллический кокиль, например графитовый)

Как правило, микроискажения распределяются по поверхности неравномерно и без определенного порядка, однако геометрические размеры одного искажающего элемента обычно находятся в одном диапазоне. Для того чтобы определить оптимальное соотношение размеров рельефа и размеров микроискажений, определим, какие микроискажения по величине могут формироваться на поверхности симиналов. Воспользуемся следующей формулой [2]:

121

где Н – высота микроискажения; R – наибольший радиус поры, формирующей микроискажение; d – средний диаметр поры, формирующей микроискажение.

В расчетах за геометрические размеры пор были взяты средние размеры частиц материалов, из которых обычно изготавливаются литейные формы для производства отливок из симиналов. В результате получены следующие значения:

−для разовых песчаных форм: 1,1; 1,2; 1,52; 1,9 мм;

−для графитовых кокилей: 0,6; 0,9; 1,1 мм;

−для металлических кокилей: 0,3; 0,5 мм.

Из предшествующих работ [3] мы определили, что наиболее четко рельеф воспринимается тогда, когда средний геометрический размер детали рельефа относится к высоте микроискажения как 20:1. Руководствуясь простыми арифметическими расчетами, мы определили наиболее подходящий параметр фактуры для наиболее четкой передачи рельефа в соответствии с его геометрическими размерами:

Для подтверждения достоверности полученных результатов нами были спроектированы и изготовлены образцы с выпуклым и впалым рельефом различного размера и формы (криволинейный и с прямыми углами). Чертежи, по которым были выполнены деревянные модели, а также сами модели и образцы представлены на рис. 5. При изготовлении образцов использовали песча- но-глинистые формы. Материал для их изготовления был подобран таким образом, чтобы добиться определенной степени шероховатости с целью получить параметры фактуры, максимально близкие к расчетным [3]. Полученные образцы оценивались визуально, также был произведен расчет степени отклонения размеров элементов рельефа различной формы от размеров соответствующих элементов модели. Схема определения отклонения размеров представлена на рис. 6.

В результате установлено, что расчетное соотношение полностью соответствует визуальному восприятию, однако, что касается расчетных отклонений, было получено, что даже в тех случаях, когда рельеф визуально воспринимается как качественный, его отклонение от запланированных размеров превышает в среднем на 8–12 %. Это означает, что при использовании установленных соотношений между величиной рельефа и размером микроискажения фактуры можно добиться хорошего визуального эффекта даже в том случае, когда величина элементов, формирующих фактуру, достаточно большая.

122

Таким образом, в результате проделанной работы установлено следующее:

−внешнее восприятие художественного рельефа на поверхности отливок из симиналов зависит от соотношения между высотой элемента рельефа

ивысотой микроискажений формирующих фактуру поверхности отливки, оптимальное соотношение составляет 20:1;

−минимальные и максимальные размеры микроискажений формирующих фактуру, которые могут быть получены при литье симиналов различными способами, составляют для разовых песчаных форм: 1,1; 1,2; 1,52; 1,9 мм; для графитовых кокилей: 0,6; 0,9; 1,1 мм; для металлических кокилей: 0,3; 0,5 мм;

Были разработаны формы образцов для оценки восприятия рельефа на поверхностях с различной фактурой. Рассчитаны и подтверждены на практике оптимальные соотношения между геометрическими параметрами рельефа

ивеличиной микроискажений, формирующих фактуру.

Список литературы

1.Джонс Дж. К. Инженерное и художественное конструирование. Современные методы проектного анализа. – М.: Мир, 1976. – 250 с.

2.Умняшкин В.А., Коротаева Н.Ф., Ившин К.С. Разработка методики дизайна художественного рельефа изделия с применением аппликационных штампов // Вестник Ижевск. гос. техн. ун-та. – 2008. – № 1. – С. 47–52.

3.Игнатова А.М. Разработка эталонов шероховатостей поверхностей каменного литья и условий их обеспечения // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. – Пермь, 2010. – №1. – Т. 12. – С. 50–63.

Получено 15.07.2010

УДК 538.971

А.М. Игнатова, А.П. Скачков

Пермский государственный технический университет

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ АНИЗОТРОПНЫХ ЛИТЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ МИНЕРАЛЬНЫХ СПЛАВОВ МЕТОДОМ НАНОСКЛЕРОМЕТРИИ

Впервые опробован метод наносклерометрии для оценки твердости наноструктурных составляющих анизотропных литых синтетических минеральных сплавов. Установлены оптимальные параметры испытаний для определения топологии поверхности и твердости наноструктурных составляющих этих материалов. Показана целесообразность использования метода наносклерометрии для определения твердости наноструктурных составляющих анизотропных литых синтетических минеральных сплавов.

Существует восемь основных методов определения твердости материалов (метод Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора, Аскер, Кузнецова – Герберта – Ребиндера, Польди, Мооса) [1].

Известные методы определения твердости основаны на сравнительной оценке реакции материала на воздействие на него острием заведомо более твердого материала, при этом воздействие может быть двух видов: надавливание и царапание.

Надавливание заключается во внедрении индентора из высокотвердого материала в одну конкретную точку на поверхности исследуемого материала. Используют разные по форме и размеру инденторы, величину твердости оценивают в зависимости от глубины проникновения индентора в материал или по площади отпечатка на его поверхности. Надавливание – нетрудоемкий и быстрый метод определения твердости, однако его нецелесообразно использовать для оценки хрупких материалов, поскольку при испытании они разрушаются.

Царапание (склерометрия) заключается в сравнительной оценке твердости исследуемого материала с другим, более твердым, по форме и глубине царапины, оставленной эталонным материалом на поверхности исследуемого. Царапание – значительно более трудоемкий метод, однако он позволяет оценивать свойства хрупких и анизотропных материалов.

Интерес к проблеме определения твердости и интерпретации получаемых данных не угасает с начала ХХ в., так как по величине твердости можно оценивать важные технологические характеристики материала, например износостойкость. Однако для материалов с наноразмерными и наномасштабными структурными составляющими использование вышепере-

125

численных методов с применением традиционного оборудования невозможно, поскольку размеры объектов исследования не соотносятся с размерами инденторов научного оборудования [1]. В связи с этим актуальным становится изыскание наиболее приемлемых методик, основанных на царапании, при оценке твердости, в частности, анизотропных литых синтетических минеральных сплавов.

Целью настоящей работы является опробование метода наносклерометрии для оценки твердости наноструктурных составляющих анизотропных литых синтетических минеральных сплавов (симиналов), а также использование этого метода для идентификации наноструктурных составляющих этих сплавов.

Метод наносклерометрии подразумевает царапание поверхности материала при постоянной нагрузке на индентор. В настоящей работе наносклерометрические испытания проводились измерительным комплексом NanoTest 600 (Micro Materials Ltd., Англия), общий вид представлен на рис. 1 [2].

Рис. 1. Общий вид установки NanoTest 600

В качестве исследуемых образцов материала использовались петрографические шлифы литых синтетических минеральных сплавов, полученных по технологии каменного литья на основе горнблендита (пустая порода, образованная при обогащении железной руды).

Эксперимент на приборе NanoTest 600 проводили по следующей схеме. Стандартный петрографический шлиф закрепляли на подложке клеем. Оптическим микроскопом, входящим в состав измерительного комплекса, выби-

126

рали площадку размером 100×100 мкм на поверхности образца, на ее площади визуально выделяли несколько структурных составляющих (рис. 2), одну из которых, опираясь на косвенные признаки, идентифицировали как частицу пироксена (светлое пятно на фото) [2]. На этом участке было проведено два типа испытаний.

Рис. 2. Участок исследования на поверхности литого синтетического минерального сплава, ×1000

В задачи первого испытания входило снятие топологии поверхности образца, для этого на нем было проведено 20 сканирований с шагом по второй координате 5 мкм с минимальной нагрузкой на конический алмазный индентор 0,1 мН. При этом с высокой точностью (1 нм) регистрировалось перемещение индентора по нормали к поверхности. После каждого сканирования индентор смещался относительно начальной точки сканирования вдоль второй координатной линии. Полученные результаты обрабатывались с помощью программного обеспечения комплекса и математического пакета, в результате чего было получено изображение топологии исследуемой поверхности (рис. 3, размеры участка приведены в мкм, а высоты – в нм).

Второй тип испытаний заключался в нанесении индентором царапин на поверхность исследуемого участка при постоянной нагрузке 200 мН. Первоначально нагрузка была возрастающей, она изменялась по линейному закону,

127

от 0 до достижения рабочего значения (200 мН), поэтому при оценке результатов часть участка длиной 10 мкм, где испытание стартовало, не учитывали.

Рис. 3. Топографическое изображение поверхности исследуемого участка на поверхности образца литого синтетического минерального сплава

На рис. 4 представлено графическое выражение результатов первого и второго испытания, полученное при автоматической обработке результатов экспериментов с помощью программного обеспечения, поставляемого с измерительным комплексом. Черная линия на графике характеризует первое испытание, заключавшееся в определение топологии поверхности образца, она показывает изменение высоты рельефа. Красная линия характеризует второе испытание (царапание) и показывает изменение глубины царапины. На графике отрицательные значения глубины соответствуют возвышениям на поверхности исследуемого участка поверхности материала.

Данные, полученные в ходе второго испытания, также были обработаны с помощью математического пакета (рис. 5). Указанные на изображении величины высоты определялись как разность между начальной геометрией вдоль линии эксперимента и перемещением индентора с учетом приложенной нагрузки. Эту величину интерпретировали как глубину царапины.

В ходе второго испытания, в частности, установлено, что переходная зона от пироксена к основной массе материала литого синтетического минерального сплава является крайне «мягкой», причем настолько, что в сечении царапины на этом участке явно присутствуют наплывы, характерные для пластичных материалов.

128

оценке глубины царапины или нет, могут быть получены разные данные. При изучении твердых материалов, каковыми являются литые синтетические минеральные сплавы, наплывы практически не образуются, что позволяет однозначно толковать результаты испытания.

При совместной оценке результатов двух испытаний, например, установлено, что литой синтетический минеральный сплав на основе горнблендита в высокой степени анизотропный, но при этом, в силу разупорядоченности структурных составляющих, которая в нашем случае объясняется с точки зрения технологии изготовления, разница свойств не имеет конкретного направления. Другими словами, отсутствует четко выраженная разница между механическими характеристиками материала в зависимости от направления приложения нагрузки, тем не менее структурные составляющие совершенно по-разному ей сопротивляются.

Наличие резкого перепада характеристик твердости и пластичности в переходной зоне от одного структурного составляющего к другому говорит, о проявлении анизотропии [3].

Таким образом, в настоящей работе:

−впервые опробован метод наносклерометрии для оценки твердости наноразмерных структурных составляющих анизотропных литых синтетических минеральных сплавов (симиналов) с применением измерительного ком-

плекса NanoТest 600;

−установлены оптимальные параметры испытаний для оценки топологии поверхности симиналов: шаг сканирования 5 мкм, нагрузка на индентор 0,1 мН;

−установлены оптимальные параметры испытаний царапанием для оценки твердости наноразмерных структурных составляющих симиналов: шаг сканирования 5 мкм, нагрузка на индентор 200 мН;

−метод наносклерометрии на базе NanoТest 600 можно рекомендовать для оценкитвердостианизотропныхлитыхсинтетическихминеральныхсплавов.

Список литературы

1.Склерометрия/ Под ред. М.М. Хрущева. – М.: Наука, 1968. – 345 с.

2.Игнатова А.М., Ханов А.М., Скачков А.П. Исследование структуры

исвойств камнелитых материалов методом наноиндентирования // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. – Пермь, 2010. – Т. 12. – № 1. –

С. 139–150.

3.Головин Ю.И., Тюрин А.И. Микро- и наноконтактное взаимодействие твердых тел: сб. работ обладателей грантов РФФИ. – М., 2006. – URL: http://www.rfbr.ru/pics/28422ref/file.pdf

Получено 6.07.2010