Способ определения динамической твердости материалов
Владельцы патента RU 2258211:
Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство Российской Федерации по атомной энергии - Минатом РФ (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к области определения характеристик материалов при ударном нагружении, в частности к способам определения динамической твердости материалов при ударном контактном нагружении. Способ заключается в нанесении удара индентором с наконечником по исследуемому материалу, измерении ускорения торможения индентора в момент полного погружения наконечника в исследуемый материал и аналитическом определении твердости с учетом известных параметров и измеренного параметра. В качестве выбранного параметра принимают ускорение торможения индентора в момент полного погружения наконечника при внедрении его в исследуемый материал. При этом указанный момент определяют по точке перегиба регистрируемой зависимости от времени или аналитически, а динамическую твердость определяют по формуле. Технический результат - высокая достоверность определения величины динамической твердости твердых материалов. 2 ил.
Изобретение относится к области определения характеристик материалов при ударном нагружении, в частности к способам определения динамической твердости материалов при ударном контактном нагружении.
Известен способ определения динамической твердости материалов /1/, заключающийся в том, что производят удар индентором по изделию, измеряют максимальную глубину внедрения индентора и, с учетом скорости индентора в момент его контакта с изделием, определяют твердость материала НД по следующей зависимости:
где М и R - масса и радиус кривизны индентора,
v - скорость индентора в момент его контакта с материалом,
h - максимальная остаточная глубина внедрения индентора.
Применение этого способа обусловлено допущением, что сила сопротивления материала прямо пропорциональна глубине внедрения. Это справедливо для многих металлов, но только на начальном участке внедрения, т.е. при малой глубине внедрения. Измерение малой глубины отпечатка неизбежно связано с большой погрешностью. Квадратичная зависимость твердости от глубины внедрения индентора существенно увеличивает величину погрешности. Кроме того, при малых глубинах внедрения размеры восстановленного отпечатка могут заметно отличаться от размеров максимального отпечатка.
Таким образом, недостатками описанного выше способа, аналога изобретения, являются большая погрешность определения динамической твердости и применимость его только для металлов, и то не для всех.
Известен также другой способ определения динамической твердости материалов /2/, принятый за прототип изобретения.
Падающий груз ударяет по бойку-индентору, который внедряется в исследуемое тело. Динамическая твердость НД определяется по максимальной силе удара Р и по остаточной глубине внедрения индентора в исследуемый материал h:
где R - радиус кривизны сферического индентора.
Силу удара регистрируют с помощью тензорезистора и осциллографа. Глубину вмятины измеряют индикаторным глубиномером часового типа. Так как используется остаточная глубина, то твердость НД называют пластической.
Недостатками данного способа являются:
- необходимость измерения глубины отпечатка;
- отсутствие непосредственного измерения силы удара.
Описанный выше способ определения динамической твердости предназначен, в основном, для металлов. У них глубину восстановленного отпечатка можно измерить достаточно точно. У других же материалов эта величина может быть весьма приближенной. Кроме этого, размеры восстанавливаемого отпечатка могут заметно отличаться от размеров максимального отпечатка.
Сила удара в описанном выше способе определяется путем пересчета измеряемой в опыте деформации через напряжение в силу, т.е. используется характеристика материала бойка - модуль упругости.
Все это увеличивает погрешность определения твердости, а для ряда неметаллов из-за нечетких отпечатков этот способ является неприемлемым.
Решаемая техническая задача состоит в повышении точности определения динамической твердости любых твердых материалов при ударном динамическом нагружении.
Техническим результатом реализации способа является высокая достоверность определения динамической твердости материалов.
Указанная техническая задача решена способом, заключающимся в нанесении удара индентором с наконечником по исследуемому материалу, измерении выбранного параметра нагружения и аналитическом определении твердости, с учетом измеренного и известных параметров, в котором предложено, согласно изобретению, в качестве измеряемого параметра принять ускорение торможения индентора в момент полного погружения наконечника при внедрении его в исследуемый материал. Указанный момент определяют по точке перегиба регистрируемой зависимости ускорения от времени или аналитически, а динамическую твердость - по формуле
где М - масса индентора,
D - диаметр индентора,
U - ускорение торможения.
В отличие от аналога и прототипа, где нагрузка отнесена к площади отпечатка, в зависимости (3) нагрузка отнесена к проекции отпечатка, что, очевидно, является более правильным /3/. Такая же зависимость (3) получается, когда динамическую твердость определяют как частное от деления работы вдавливания индентора на объем отпечатка.
В предлагаемом способе не используются механические характеристики материала бойка и, самое главное, не требуются геометрические размеры отпечатка, как в аналогичных способах. Использование для определения динамической твердости ускорения торможения, измеряемого непосредственно в процессе нагружения в фиксированный момент времени пока еще не произошло "восстановление" материала, обеспечивает высокую точность определения этой характеристики материала. Эти отличительные признаки позволяют решить поставленную выше техническую задачу.
Схема предлагаемого способа определения твердости материалов приведена на фиг.1, а зависимость ускорения от времени при внедрении стержня - на фиг.2. На фиг.1 обозначено: 1 - стержень-индентор, 2 - наконечник, 3 - исследуемый материал, 4 - пьезоакселерометр.
Стержень 1 с выбранной высоты Н падает и внедряется в исследуемый материал 3. Наконечник 2 стержня скруглен радиусом R. На стержне жестко закреплен датчик для измерения ускорения, например пьезоакселерометр 4.
Твердость наконечника выбирается из условия обеспечения его упругого деформирования при внедрении в исследуемый материал. Высота сброса стержня выбирается из условия обеспечения заданной скорости v0 удара. Общий вид зависимости измеряемого ускорения (U) от времени (t) при внедрении стержня в исследуемый материал приведен на фиг.2.
Как отмечено выше, динамическая твердость исследуемого материала определяется по значению ускорения на стержне в момент полного погружения сферической части наконечника. Этот момент времени (t1) соответствует точке перегиба (изменению угла наклона) на кривой U(t), приведенной на фиг.2. Более точно момент полного погружения t1 определяется по кривой второго интеграла от ускорения U(t):
из условия
где S - величина внедрения стержня,
xс - высота сферического наконечника стержня, см. (фиг.1).
По величине измеренного ускорения (Uэ), массе (m) и диаметру (d) стержня по зависимости (3) определяется динамическая твердость материала.
Список использованных источников
1 Авторское свидетельство на изобретение SU 1707506 от 10.07.85 г., МПК7 G 01 N 3/48. "Бюллетень..." №3, 1992 г.
2 Дрозд М.С., Матлик М.М., Сидякин Ю.Н. "Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации", М.: Машиностроение, 1986 г., стр.166.
3 Фридман Я.Б. "Механические свойства металлов", том 2, Машиностроение, 1974 г., (стр.59).
Способ определения динамической твердости материала, заключающийся в нанесении удара индентором с наконечником по исследуемому материалу, измерении выбранного параметра нагружения и аналитическом определении твердости с учетом известных и измеренного параметров, отличающийся тем, что в качестве выбранного параметра принимают ускорение торможения индентора в момент полного погружения наконечника при внедрении его в исследуемый материал, при этом указанный момент определяют по точке перегиба регистрируемой зависимости от времени или аналитически, а динамическую твердость определяют по формуле
где М - масса индентора,
D - диаметр индентора,
U - ускорение торможения в момент полного погружения наконечника,
π=3,14159....
