Способ определения предела текучести материала

Изобретение относится к области испытания физико-механических свойств материалов. Сущность: осуществляют подготовку гладкой поверхности образца и ступенчатое нагружение образца внешней растягивающей силой. Перед нагружением на поверхности образца размечают не менее трех областей измерения микротвердости, которую измеряют на каждой ступени нагружения. Вычисляют дисперсию результатов измерений в каждой области и определяют предел текучести материала образца по увеличению дисперсии на величину не менее 20% от значения, полученного на предыдущем этапе нагружения. Технический результат: оценка стабильности механических свойств материала по пределу текучести в ходе испытаний одного образца. 1 ил.

 

Изобретение относится к области испытания физико-механических свойств материалов, в частности к способам определения предела текучести металлов.

Известен способ определения предела текучести материала по твердости на пределе текучести, заключающийся в получении на образцах определенного материала зависимости между твердостью, измеренной с созданием в лунке деформации, равной 0,2%, и пределом текучести образцов, измерении твердости на пределе текучести и определении предела текучести с помощью полученной зависимости (см. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. - М.: Машиностроение, 1979. - С.61-64).

Недостатком известного способа является сложность определения точной величины степени деформации в лунке вследствие неравномерности распределения напряжений и деформаций на ее поверхности.

Известен способ определения предела текучести в процессе статических испытаний на растяжение, заключающийся в отборе фрагментов материала из изделия, изготовлении из них образцов, нагружении образцов в разрывной испытательной машине, измерении деформации образца в процессе нагружения и определении напряжения, считающегося пределом текучести, при достижении площадки текучести, характеризуемой ростом деформации без заметного увеличения нагрузки (см. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. - С.53).

Недостатками известного способа являются:

1. Низкая точность определения предела текучести при отсутствии площадки текучести у материала (например, при испытании малоуглеродистых конструкционных сталей). При этом определяют условный предел текучести при относительной деформации образца 0,2% с применением тензометров или по диаграмме растяжения графическим способом.

2. Невозможность оценки стабильности свойств материала изделия, для чего требуется проведение испытаний серии образцов, так как в ходе однократного испытания определяется среднее значение предела текучести в наименее прочном сечении данного образца.

Известен способ определения предела текучести материала, взятый нами за прототип, заключающийся в подготовке гладкой поверхности образца материала, ступенчатом нагружении образца внешней растягивающей силой, выявлении полос скольжения, регистрации того значения силы, при котором наблюдается появление полос скольжения [см. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. - С.57].

Недостатками прототипа являются:

1. Необходимость наличия сложного оптического оборудования.

2. Невозможность наблюдения за процессом в динамике его развития, так как для выявления полос скольжения требуется химическое травление поверхности.

В качестве разъяснения сути предлагаемого способа приводим следующее.

Известно, что начало пластического течения, характеризуемое пределом текучести, связано со сложными процессами изменения дислокационной структуры материала при увеличивающихся напряжениях.

В силу того, что структура конструкционных сталей разнородна (гетерогенна), разные участки образца имеют различные характеристики механических свойств, разную сопротивляемость деформациям, то есть различные величины предела текучести. Поэтому, в ходе нагружения образец деформируется неоднородно. Это приводит к тому, что при поэтапном приращении нагрузки в каком-то наиболее слабом месте образца появляются первичные системы (линии) скольжения, соответствующие начальным пластическим деформациям. В других местах образца при данной нагрузке линий скольжения пока нет. С увеличением нагрузки первичные линии скольжения появляются и в других местах образца, а в месте первого появления линии скольжения прогрессируют, число дислокаций увеличивается, появляются развитые нарушения, дефекты сплошности, соответствующие развитым пластическим деформациям.

Таким образом, величина нагрузки (или механические напряжения), при которой появляются линии скольжения в конкретном месте образца, характеризует предел текучести материала определенного конкретного места на образце.

При этом в месте с наибольшей концентрацией дислокации материал разупрочняется, что приводит к уменьшению микротвердости. В другом месте материал может несколько упрочняться за счет блокирования дислокации примесными атомами, что приводит к увеличению микротвердости. Происходит увеличение вариации микротвердости относительно первоначального (исходного - до нагружения) среднего значения, что можно выявить по увеличению дисперсии выборки измеренных значений.

Технической задачей изобретения является установление предела текучести материала путем измерения твердости взамен выявления линий скольжения оптическим способом.

Цель изобретения - оценка стабильности механических свойств материала по пределу текучести в ходе испытаний одного образца.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения предела текучести материала, включающем подготовку гладкой поверхности образца, ступенчатое нагружение образца внешней растягивающей силой, согласно изобретению, перед нагружением на поверхности образца размечают не менее трех областей измерения микротвердости, которую измеряют на каждой ступени нагружения, вычисляют дисперсию результатов измерений в каждой области и определяют предел текучести материала образца по увеличению дисперсии на величину не менее 20% от значения, полученного на предыдущем этапе нагружения.

Способ поясняется чертежом. На чертеже представлен эскиз образца 1, на котором изображены участки зажима 2 в захватах разрывной машины (на чертеже не показана), области измерения твердости 3 (№1, №2, №3, №4) и место разрушения образца 4.

Способ реализуется следующим образом.

Из фрагмента материала вырезают образец 1. Шлифованием готовят поверхность образца до гладкого состояния. На подготовленной поверхности в пределах рабочей части образца длиной 2/3 от длины всего образца, размещенной по центру образца, отмечают не менее трех областей для измерения твердости. Зажимают участки зажима 2 образца 1 в захватах разрывной машины. Ступенчато нагружают образец. При этом на каждом шаге нагружения в каждой из областей измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз. Замеры твердости делают произвольно по всей поверхности области, преимущественно в разных точках. Считают дисперсию результатов измерения на каждом шаге нагружения в каждой области. При увеличении дисперсии на величину более чем 20% от значения, полученного на предыдущем шаге нагружения, считают, что в данной области металла достигнут предел текучести.

Пример

Необходимо определить предел текучести материала труб газопроводов, изготовленных из стали марки 17Г1С, не имеющей выраженной площадки текучести. Из трубы вырезают фрагмент металла и фрезерованием доводят его до формы параллелепипеда длиной 280 мм, шириной 50 мм, толщиной 5 мм. Среднюю часть одной из сторон образца на длину около 200 мм шлифуют мелкозернистой наждачной бумагой до шероховатости поверхности не более Rz=10. С помощью маркера отмечают на шлифованной поверхности образца четыре области измерения твердости размерами 45×45 мм. Зажимают участки зажима 2 образца в захватах разрывной машины МР-100. Ступенчато нагружают образец растягивающей нагрузкой с шагом 1,25 кН, при этом напряжения в образце ступенчато увеличиваются на 5,0 МПа. На каждом шаге нагружения измеряют микротвердость шлифованной поверхности в каждой из областей не менее 50 раз. С помощью программы Microsoft Excel определяют дисперсию результатов измерения твердости на каждом шаге нагружения в каждой области (см. таблицу). Устанавливают, что при увеличении напряжения в образце с 330 до 335 МПа в области №2 дисперсия показаний микротвердости увеличивается с 59,236 до 75,822, т.е. изменение составляет более 28%. При этом считают, что в области №2 образца при напряжении 335 МПа достигнут предел текучести. Далее по полученным данным (см. таблицу) определяют, что предел текучести металла в области №3 - 340 МПа, области №1 - 345 МПа, области №4 - 350 МПа. Таким образом, установлено, что предел текучести для данного материала может изменяться в пределах 335-350 МПа.

Дальнейшее увеличение нагрузки привело к разрушению образца. Место разрушения 4 проходит через область №2, в которой и зафиксирован минимальный предел текучести для данного образца материала. Графическим способом по величине относительной деформации 0,2% определили условный предел текучести всего образца, равный 370 МПа.

Результаты вычислений дисперсии чисел твердости, измеренных на различных ступенях нагружения в четырех областях образца.
Напряжения в образце, МПа	Дисперсия измеренных значений твердости
Область №1	Область №2	Область №3	Область №4
300	46,751	46,458	44,528	43,574
305	48,589	49,568	44,489	45,442
310	49,569	50,104	47,552	44,648
315	52,630	53,189	51,307	46,081
320	52,126	54,468	54,421	48,266
325	57,454	58,744	55,454	54,639
330	60,256	59,236	58,260	55,790
335	62,542	75,822	59,867	64,111
340	63,145	77,569	59,236	78,024
345	79,832	79,124	63,781	81,903
350	82,541	84,589	77,308	86,667

Эффект изобретения проявляется в том, что в ходе испытания одного образца с помощью статической растягивающей нагрузки возможно определить предел текучести для конструкционных материалов, к которым относятся трубные стали, не имеющие площадки текучести, оценить стабильность свойств испытываемого материала по расхождению установленных пределов текучести в пределах одного образца, упростить реализацию способа за счет применения не сложного измерительного оборудования.

Способ определения предела текучести материала, включающий подготовку гладкой поверхности образца и ступенчатое нагружение образца внешней растягивающей силой, отличающийся тем, что перед нагруженнием на поверхности образца размечают не менее трех областей измерения микротвердости, которую измеряют на каждой ступени нагружения, вычисляют дисперсию результатов измерений в каждой области и определяют предел текучести материала образца по увеличению дисперсии на величину не менее 20% от значения, полученного на предыдущем этапе нагружения.