Способ неразрушающего контроля прочности металлов в конструкциях



Способ неразрушающего контроля прочности металлов в конструкциях
Способ неразрушающего контроля прочности металлов в конструкциях

 


Владельцы патента RU 2433383:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) (RU)

Настоящее изобретение относится к области неразрушающего контроля на прочность металлов в конструкциях. Сущность: с помощью наконечника с алмазом от твердомера Роквелла формируют царапину на поверхности металла, измеряют при этом примененную силу на перемещение наконечника, с учетом тангенциальной составляющей силы трения при образовании царапины. Формируют царапину постоянной глубины 0,2 мм с постоянной скоростью 4 мм/сек, длиной 10-20 мм вдоль силового поля на трех участках для статистики результатов. Измеряют усилия на формирование царапин, находят среднее значение усилия на перемещение резца по всем участкам. На каждом участке резец возвращают в исходное положение и перемещают по этой же царапине вторично, с измерением силы трения и находят среднее значение этой силы, по этим усилиям находят среднее значение предела прочности металла на срез, по значению которого определяют предел прочности металла. Технический результат: повышение точности и расширение области применения способа определения твердости металла методом царапания непосредственно на конструкции, автоматизированный контроль усилия на образование царапины на поверхности металла и непрерывная регистрация результатов испытаний в виде усилия резания металла при образовании царапины индентором. 2 ил.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля на прочность металлов в конструкциях.

Изобретение предназначено. для строительных конструкций и машиностроительных деталей машин из различных металлов, находящихся в стадии изготовления и эксплуатации.

Известен способ неразрушающего контроля предела прочности металла [1], заключающийся в том, что на поверхность металла воздействуют шариком, конусом или призмой и по размерам формы отпечатка определяют с помощью таблиц или графиков твердость металла, а по твердости металла с помощью специальных тарировочных графиков, таблиц или эмпирических формул определяют значение предела прочности металла σb.

Недостатками этого способа являются приложение большого усилия на поверхность металла, проведение испытаний на образцах, изготовленных из заготовок, вырезанных из элементов конструкций, отсутствие возможности автоматизированного контроля процесса непосредственно в конструкции.

Известен способ определения прочности металла, определяемого методом царапания [2], заключающийся в том, что на поверхности металла элемента наносится царапина при постоянной силе давления от индентора, автономно измеряется ширина царапины b микроскопом и твердость находится по формуле Hц=k·P/b2, а по твердости Нц определяется предел прочности материала, например σb=k·Нц-b, где k и b - эмпирические коэффициенты.

Недостатком этого способа является низкая точность результатов измерений ширины царапины из-за влияния навалов на границах царапания, необходимость непосредственного контакта микроскопа с металлом в конструкции, что не всегда возможно, например, в углах конструкций; отсутствие автоматического регистрирования всей ширины царапины, а лишь точечное (дискретное) ее измерение на длине царапины; влияние на значение ширины царапины в местах измерения возможного наличия более твердых частиц металла.

Наиболее близким является способ определения твердости и других механических свойств поверхностных слоев металла методом царапания [3], заключающийся в том, что с помощью наконечника с алмазом от твердомера Роквелла формируется царапина на поверхности образца с приложением постоянного или постоянно нарастающего давления на наконечник (индентор) тестера (устройства) царапания. Измеряют примененную силу давления на наконечник для образования царапины, тангенциальную силу трения и глубину проникновения. Эти данные фиксируются датчиками силы и глубины, связанными с пьезоэлектрическим датчиком, изображение фиксируется интегрированным видеомикроскопом. Информация выводится на дисплей персонального компьютера, определяются механические свойства поверхностного слоя образца, в том числе твердость.

Недостатками этого способа является работа только с образцами, максимальный размер которых 300 мм, низкая точность измерения глубины царапины из-за влияния навалов на границах царапин и, как следствие, низкая точность значений механических характеристик поверхностного слоя металла.

Целью изобретения является повышение точности и расширение области применения способа определения твердости металла методом царапания непосредственно на конструкции, автоматизированный контроль усилия на образование царапины на поверхности металла и непрерывная регистрация результатов испытаний в виде усилия резания металла при образовании царапины индентором.

Это достигается тем, что с помощью наконечника (резца) с алмазом от твердомера Роквелла формируют царапину на поверхности металла постоянной глубины 0,2 мм погружения наконечника (индентора), измеряют примененную силу на перемещение наконечника и тангенциальную составляющую силу трения при образовании царапины.

На фиг.1 показано измерение ширины b и глубины h царапины.

На фиг.2 изображен профиль царапины.

Способ заключается в следующем.

В элементе строительной конструкции или машины выявляют места с наибольшим напряжением, где происходит наибольшее старение (разупрочнение) металла, и на которые можно нанести царапину, не вызывая ею концентрации напряжений, например, направляя резец (наконечник) для царапания вдоль силового поля, и измеряют прочность металла по сопротивлению его образованию царапины постоянной глубины. Предварительно в этом месте высверливается углубление сверлом диаметром не более 3 мм на глубину 0,5-1 мм в зависимости от толщины металлического элемента и прочности металла. При толщине элемента менее 2 мм углубление равно 0,5 мм, при толщине элемента более 10 мм - углубление 1 мм. В интервале 2-10 мм углубление определяется интерполяцией. В углубление вводится резец (конусный алмазный индентор) с углом в вершине 120° от твердомера Роквелла на глубину 0,2 мм для стали. При глубине царапины менее 0,2 мм в результатах измерения силы на перемещение резца проявляют большую относительную изменчивость и возможен выход резца из царапины при обратном его движении для последующего измерения силы трения. При глубине более 0,2 мм резко возрастают сила на перемещение резца и составляющая силы трения, что вносит снижение точности в определение усилия только образования царапины. Для других металлов глубина царапины пропорциональна их твердости. Резец протягивается на 10-20 мм с сохранением постоянной глубины царапины 0,2 мм для стали по всей длине с постоянной скоростью перемещения наконечника, равной 4 мм/сек (получена по результатам испытаний в реальных условиях), при большей скорости перемещения уменьшается точность фиксации усилия на регистрирующих усилия приборах при перемещении резца, при меньшей возрастает время испытаний с фиксацией примененной силы на перемещение наконечника и выводом ее значений на дисплей осциллографа с памятью или на другое записывающее устройство. Повторяют эту операцию на трех участках элемента конструкции или машины для статистики результатов и находят среднее значения усилия на перемещение резца (индентора) для нанесения царапины на поверхности металла. Из среднего усилия на образование царапины вычитают среднее усилие на преодоление сил трения. Для этого после образования царапины с теми же параметрами h и силой, прижимающей устройство к элементу конструкции, резец возвращают в исходное положение и перемещают по этой же царапине вторично с целью выявления значения силы трения. По среднему значению усилия нa перемещение резца за вычетом среднего усилия на трение находят среднее значение предела прочности металла на срез по формуле

,

где Аср=Р·1 в мм2, из фиг.2 видно, что Р - периметр профиля царапины Р=2·2h=4h.

По с помощью эмпирической формулы находят предел прочности при растяжении металла , где k - постоянный коэффициент, определяемый по результатам испытаний на срез металла при образовании царапины и зависящий от прочности металла.

По результатам испытаний образца стали С 285 получили следующие значения:

среднее значение напряжения среза по образованию царапины МПа;

среднее значение предела прочности стали полученного на образцах по результатам испытаний их на разрывной машине Р-5 УХЛ 4.2. МПа.

Установлено эмпирическое значение коэффициента

Технический результат - повышение точности определения прочности металла в самой конструкции неразрушающим методом.

Список литературы

1. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. В 2-х ч. Часть 2. Механические испытания. Конструкционная прочность / Я.Б. Фридман. - М.: Машиностроение, 1974. - 368 с.

2. Патент RU 2373515, МПК G01N 3/46.

3. http://www.csm-mstmments.com/.

Способ неразрушающего контроля прочности металла, по которому с помощью наконечника (резца) с алмазом от твердомера Роквелла формируют царапину на поверхности металла, измеряют при этом примененную силу на перемещение наконечника с учетом тангенциальной составляющей силы трения при образовании царапины, отличающийся тем, что формируют царапину постоянной глубины 0,2 мм, с постоянной скоростью 4 мм/с, длиной 10-20 мм вдоль силового поля на трех участках для статистики результатов, измеряют усилия на формирование царапин, находят среднее значение усилия на перемещение резца по всем участкам, на каждом участке резец возвращают в исходное положение и перемещают по этой же царапине вторично с измерением силы трения и находят среднее значение этой силы , по этим усилиям находят среднее значение предела прочности металла на срез по формуле

где Acp - площадь среза, определяемая произведением периметра конуса царапины на единицу длины царапины, мм (1 мм), по значению определяют предел прочности металла по формуле , где k - эмпирический коэффициент.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к испытательной технике. .

Изобретение относится к области исследований структурных изменений материалов, в частности полимеров, и может быть использовано для определения структурной анизотропии и анизотропии механических свойств таких полимеров, как полиэтилентерефталат, для послойного изучения напряженно-деформированного состояния изделий из этого полимера, для прогнозирования поведения материала полимера в изделии в зависимости от условий эксплуатации.

Изобретение относится к механике разрушения материалов. .

Изобретение относится к испытательной технике. .

Изобретение относится к области измерительных приборов для определения износа, а именно к устройствам для определения характеристик работы царапания. .

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для исследований прокаливаемости сталей и сплавов методом торцевой закалки. .

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться при определении механических свойств деталей с электролитическим гальванопокрытием, преимущественно с твердым хромовым.

Изобретение относится к области определения физико-механических характеристик материалов, в частности к микромеханическим испытаниям материалов с покрытиями и инструментальных материалов.

Изобретение относится к определению физико-механических характеристик материалов, в частности поверхностных слоев объектов методом склерометрии для оценки трещиностойкости, прочности сцепления покрытия с основой и т.д.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении трибологических характеристик материалов методом царапания. .

Изобретение относится к области механических испытаний материалов и может быть предназначено для выявления неоднородности распределения механических свойств металла в сварном соединении

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения твердости материалов непосредственно в конструкциях

Изобретение относится к области безобразцового контроля фактического состояния материалов при эксплуатации

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где применяются гальванические покрытия деталей

Изобретение относится к машиностроению. Устройство содержит корпус с электродвигателем и редуктором внутри его; укрепленные на корпусе две параллельные колонны с установленной на них с возможностью перемещения по ним траверсой вместе с механизмами фиксации ее на колоннах и закрепленной на ней инструментом; инструментальной головкой, механизмом установки инструмента, механизмом подвода и отвода инструмента от поверхности образца, измерителем нормальных перемещений инструмента, датчиком нормальной силы, механизм и стол для установки и термостабилизации образца; механизм нормального нагружения инструмента; автоматизированную систему задания программы нагружения и разгружения, считывания, записи и обработки информации результатов испытаний совместно с персональным компьютером. Устройство дополнительно снабжено механизмом тангенциального перемещения образца; механизмом поворота образца в вертикальной плоскости; механизмом тонкого перемещения образца в вертикальной плоскости; механизмом ускоренного перемещения и фиксации инструмента; датчиком измерения тангенциальной силы; механизмом вертикального перемещения траверсы. Сущность: используют программу выбора вида исследования и его проведения из возможных нескольких автоматически реализуемых на одном и том же устройстве, как профилографирование-профилометрирование шероховатости образца; оценку микротвердости поверхности образца; оценку энергии активации пластической деформации; трибометрирование; прогнозирование остаточного ресурса; профилографирование-профилометрирование волнистости поверхности образца и осуществляют с помощью устройства выбранное исследование. Технический результат: расширение технических возможностей, упрощение и ускорение операций. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к методам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Сущность: осуществляют однократное нагружение материала индентированием методом маятникового скрайбирования, измеряют результаты скрайбирования, устанавливают взаимосвязь измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов и прогнозируют эксплуатационные свойства сравниваемых материалов. Реализуют режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку отскока. Измеряют общую длину следа скрайбирования и длину лунки. Определяют отношение общей длины следа к длине лунки и по величине отношения судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах материала. Технический результат: упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании, а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемого при контроле параметра. 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к методам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Сущность: осуществляют однократное нагружение материала индентированием методом маятникового скрайбирования. Измеряют результаты скрайбирования. Устанавливают взаимосвязь измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов и прогнозируют эксплуатационные свойства сравниваемых материалов. Реализуют режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку отскока. Измеряют в следе, оставляемом индентором, расстояние между лункой и основной частью следа индентирования и по нему судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов. Технический результат: упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании; прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемых при контроле параметров следа индентирования. 3 табл., 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к способам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Сущность: осуществляют однократное нагружение материала индентированием методом маятникового скрайбирования, измеряют результаты скрайбирования, устанавливают взаимосвязь измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов и прогнозируют эксплуатационные свойства сравниваемых материалов. Реализуют режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку отскока. Измеряют параметры лунки и по ним судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов. Технический результат: упрощение способа оценки физико - механических свойств материала при маятниковом индентировании, а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемого при контроле параметра. 5 ил., 2 табл.

Изобретение относится к способам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Сущность: осуществляют однократное нагружение материала индентированием методом маятникового скрайбирования, измеряют результаты скрайбирования, устанавливают взаимосвязь измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов и прогнозируют эксплуатационные свойства сравниваемых материалов. Реализуют режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку отскока. Измеряют длину и ширину лунки, определяют отношение длины к ширине и по величине отношения судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах материалов. Технический результат: упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании, а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемого при контроле параметра. 5 ил.

Изобретение относится к способам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки свойств нескольких разных сравниваемых материалов. Решение является способом для обеспечения возможности ранжирования (выстраивания в ряд) нескольких сравниваемых материалов по способности сопротивляться деформированию и разрушению при индентировании методом маятникового скрайбирования. Сущность: осуществляют индентирование методом маятникового скрайбирования, измерение результатов скрайбирования по параметрам деформации и разрушения поверхностных слоев исследуемого материала, установление взаимосвязи измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов, прогнозирование эксплуатационных свойств сравниваемых материалов по измеренным результатам скрайбирования. В следе, оставляемом индентором, измеряют длину и максимальную ширину следа скрайбирования, определяют величину отношения длины к максимальной ширине и по величине этого отношения судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов. Технический результат: упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании; а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации. 1 табл., 3 ил.
Наверх