Способ определения предела текучести материалов

 

Сущность изобретения: испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора диаметром D, после снятия нагрузки P измеряют параметры отпечатка, при этом используют материал с коэффициентом Пуассона μ₂ , величину нагрузки используют в диапазоне, соответствующем измерению твердости, перед определением предела текучести определяют контактный модуль упрочнения испытуемого материала и интенсивность деформации ε_i,o в центре отпечатка из соотношения , а предел текучести σ_0,2 определяют с учетом интенсивности деформации в центре отпечатка из соотношения где σ_0,2 - предел текучести испытуемого материала; ε_i,o - интенсивность деформации в центре отпечатка; P - нагрузка на индентор; d - диаметр остаточного отпечатка; D - диаметр сферического индентора; μ₂ - коэффициент Пуассона испытуемого материала; H - контактный модуль упрочнения испытуемого материала; b - коэффициент, зависящий от химического состава испытуемого материала. 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля предела текучести материалов.

Известен способ определения предела стальных материалов (1), заключающийся в том, что в поверхность стального образца вдавливается сферический индентор нагрузкой, при которой диаметр d_H невосстановленного отпечатка составляет 0,09 диаметра D индентора, что соответствует общей деформации в отпечатке 0,2 определяют твердость на передаче текучести испытуемого материала и определяют условный предел текучести по формуле σ_0,2= 0,5·H^1,3_0,2⁷, (1) где H_0,2 твердость испытуемого материала на пределе текучести.

Недостатком данного способа является то, что перед каждым определением значения предела текучести необходимо вначале экспериментально подобрать (путем пробного многократного вдавливания индентора) такую нагрузку на индентор, при которой d_H=0,09 D; при этом очевидно, что точно подобрать такую величину нагрузки весьма затруднительно, что существенно снижает точность способа. Кроме того, недостатком этого способа является то, что он пригоден лишь для одной группы материалов, а именно сталей.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения условного предела текучести материалов (2), заключающийся в том, что в поверхность стального образца вдавливают сферический индентор под нагрузкой при заранее заданной остаточной относительно деформации 0,4.0,7% в образующейся лунке, близкой к деформации (0,2%), соответствующей условному пределу текучести стали, замеряют диаметр отпечатка после снятия нагрузки и рассчитывают величину условного предела текучести по формуле Р нагрузка; D диаметр индентора; t глубина невосстановленного отпечатка; равная d диаметр отпечатка; E -модуль упругости; c и d - коэффициенты, определяемые экспериментально.

Недостатком данного способа является то, что здесь также необходимо предварительно подобрать нагрузку, при которой деформация в лунке составит 0,4.0,7% Недостатком способа является и то, что он пригоден лишь для материалов из стали.

Сущность изобретения заключается в том, что испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора диаметром D, после снятия нагрузки P измеряют параметры отпечатка и определяют предел текучести испытуемого материала, при этом используют материал с заданным коэффициентом Пуассона μ₂ величину нагрузки используют в диапазоне, соответствующем измерению твердости, перед определением предела текучести определяют контактный модуль упрочнения испытуемого материала и интенсивность деформации ε_i,o в центре отпечатка из соотношения а предел текучести σ_0,2 определяют с учетом интенсивности деформации в центре отпечатка из соотношения где σ_0,2 предел текучести испытуемого материала;
ε_i,o интенсивность деформации в центре отпечатка;
P нагрузка на индентор;
d диаметр остаточного отпечатка;
D диаметр сферического индентора;
μ₂ коэффициент Пуассона испытуемого материала;
H контактный модуль упрочнения испытуемого материала;
b коэффициент, зависящий от химического состава испытуемого материала.

Способ определения предела текучести испытуемого материала реализуется следующим образом.

В испытуемый материал с заданным коэффициентом Пуассона μ₂ вдавливают сферический индентор нагрузкой в диапазоне, соответствующем измерению твердости. Диапазон нагрузки может быть выбран, например, согласно ГОСТ 9012-59 "Металлы. Методы испытаний. Измерение твердости по Бринеллю": нагрузка может достичь 29430 H, при этом диаметры отпечатков должны находится в пределах 0,2. 0,6 от диаметра индентора. Широкий диапазон нагрузок на индентор позволяет применять различные нагружающие устройства: пресс Бринелля, разрывные машины, ручные винтовые прессы и т. п.

Измеряют диаметр d остаточного отпечатка. Эту операцию можно выполнить с помощью инструментального микроскопа (например, типа МИМ-2), переносного микроскопа Бринелля типа МПБ-3 и т. п.

По зависимости (3) определяют интенсивность деформации в центре отпечатка ε_i,o
Измеряют контактный модуль H упрочнения испытуемого материала. При этом имеют в виду, что в диапазоне используемых в предлагаемом способе нагрузок и диаметров остаточных отпечатков значение модуля H численно равно значению пластической твердости HD испытуемого материала, которую определяют согласно ГОСТ 18835-73 "Металлы. Метод измерения пластической твердости".

С учетом величин интенсивности деформации ε_i,o в центре отпечатка, нагрузки P, диаметра остаточного отпечатка d, контактного модуля H упрочнения испытуемого материала и коэффициента Пуассона μ₂ определяют предел текучести σ_0,2 испытуемого материала по формуле (4)

где дополнительно
b коэффициент, зависящий от химического состава испытуемого материала; как показали исследования, для конструкционных сталей, титана, дюралюминия b=245 МПа.

Пример. Проведена экспериментальная проверка предложенного способа.

Определение предела текучести проводили на образцах, изготовленных из сталей различного уровня прочности и твердости, а также из титана ОТ4 и дюралюминия DI6. Индентор был изготовлен из стали ШХ-15 (с твердостью HV > 8500 МПа) и имел диаметры 5, 10, 20 мм. Коэффициенты Пуассона испытуемых материалов: сталей 0,28; титана 0,32; дюралюминия 0,33.

Внедрение индентора осуществляли с помощью пресса Бринелля. Нагрузку на индентор варьировали в пределах 1839-29430 H, что соответствует полному диапазону нагрузок пресса Бринелля.

Диаметр остаточного отпечатка измеряли с помощью инструментального микроскопа МИМ-2 с ценой деления 0,005 мм.

Учитывая, что в диапазоне диаметров d остаточного отпечатка (0,2.0,6) D величины контактного модуля H упрочнения материала численно равны пластической твердости HD, измерение контактного модуля H упрочнения материала выполняли согласно ГОСТ 18835-73 "Металлы. Метод измерения пластической твердости".

Интенсивность деформации в центре отпечатка для каждого испытания определяли и выражения (3).

Предел текучести испытуемых материалов определяли по формуле (4).

Результаты определения диаметров d остаточных отпечатков, контактного модуля H упрочнения, интенсивности деформации ε_i,o в центре отпечатка и предела текучести σ_0,2 представлены в таблице. В таблице приведены и значения предела текучести σ_0,2,э определенные по ГОСТ 1497-84 "Металлы. Методы испытания на растяжение", принятому в качестве эталонного способа. Как видно из таблицы, в подавляющем большинстве испытаний погрешность определения предела текучести предлагаемым способом не превышает ± 5 и имеет характер случайного двустороннего разброса.

Результаты экспериментальной проверки свидетельствуют о пригодности способа для практического использования. Способ можно использовать в широком диапазоне нагрузок и диаметров индентора. Способ реализуется с помощью широко распространенных прессов типа Бринелля, разрывных машин и т. п. и может быть осуществлен в условиях заводских лабораторий.

Формула изобретения

Способ определения предела текучести материала, заключающийся в том, что испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора диаметром D, после снятия нагрузки Р измеряют параметры отпечатка и определяют предел текучести испытуемого материала, отличающийся тем, что величину нагрузки используют в диапазоне, соответствующем измерению твердости, перед определением предела текучести определяют контактный модуль упрочнения H испытуемого материала и интенсивность деформации ε_i,o в центре отпечатка из соотношения

а предел текучести σ_0,2 определяют с учетом интенсивности деформации в центре отпечатка из соотношения

где d диаметр остаточного отпечатка;
b коэффициент, зависящий от химического состава испытуемого материала;
μ₂- коэффициент Пуассона исследуемого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1