Способ определения механических характеристик материалов

Изобретение относится к области измерений и, в частности, предназначено для использования при исследовании механических характеристик материалов. Сущность: осуществляют внедрение в испытуемый материал сферического индентора при непрерывно возрастающей нагрузке, регистрацию диаграммы вдавливания с ветвями нагружения и разгрузки и измерение остаточной глубины отпечатка после полной разгрузки. Регистрацию диаграммы вдавливания проводят в координатах «нагрузка - упругопластическое сближение индентора и материала», измеряют нагрузку, упругое сближение материала и индентора и остаточную глубину отпечатка, соответствующие началу уменьшения производной функции нагрузки от упругопластического сближения, вычитают из общего упругого сближения упругую деформацию материала. Технический результат: снижение трудоемкости, повышение точности, производительности и расширение функциональных возможностей способа. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к области измерений и, в частности, предназначено для использования при исследовании механических характеристик материалов.

Известен способ определения механических характеристик материалов (см. патент США №5.133.210, МПК G01 N3/42, опуб. 28.07.1992 г.), согласно которому при вдавливании сферического индентора непрерывно регистрируют диаграмму вдавливания в координатах «нагрузка - глубина», которую преобразуют в некоторый участок диаграммы растяжения образца в координатах «напряжение - деформация».

Недостатком такого способа является низкая точность определения напряжений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения механических характеристик материалов (см. авторское свидетельство СССР №1145273, Кл. G01N 3/42, опубл. 15.03.1985 г.), заключающийся в том, что в материал внедряют сферический индентор под непрерывно возрастающей нагрузкой, измеряют нагрузку и глубину отпечатка под нагрузкой, затем уменьшают нагрузку до нуля в момент начала прямо пропорциональной зависимости приращения нагрузки от приращения глубины отпечатка, а при повторном испытании - в момент окончания этой зависимости, измеряют остаточную глубину отпечатка, с учетом которой определяют временное сопротивление при первом испытании или равномерную деформацию при втором испытании.

Недостатками этого способа являются: трудоемкость, низкие точность, производительность и информативность.

Технической задачей изобретения является снижение трудоемкости, повышение точности, производительности и расширение функциональных возможностей способа.

Эта техническая задача достигается тем, что в известном способе определения механических характеристик материалов, включающем внедрение в испытуемый материал сферического индентора при непрерывно возрастающей нагрузке, регистрацию диаграммы вдавливания с ветвями нагружения и разгрузки и измерение остаточной глубины отпечатка после полной разгрузки, согласно изобретению регистрацию диаграммы вдавливания проводят в координатах «нагрузка - упругопластическое сближение индентора и материала», измеряют нагрузку, упругое сближение материала и индентора и остаточную глубину отпечатка, соответствующие началу уменьшения производной функции нагрузки от упругопластического сближения, вычитают из общего упругого сближения упругую деформацию материала.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид диаграммы «нагрузка Р - упругопластическое сближение α», на фиг.2 показан общий вид диаграммы «dP/dα - Р», на фиг.3 представлена функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа.

На фиг.1-2 приняты следующие обозначения: Р - нагрузка вдавливания;

PK - нагрузка вдавливания, соответствующая окончанию нагружения (в точке К);

РВ - нагрузка вдавливания, соответствующая началу уменьшения производной функции Р=f(α) (в точке В);

hВ - остаточная глубина отпечатка, соответствующая нагрузке РВ;

hк - остаточная глубина отпечатка после полной разгрузки;

αк - упругопластическое сближение, соответствующее нагрузке РК;

αВ - упругопластическое сближение, соответствующее нагрузке РВ;

y)к - совместное упругое сближение материала и индентора при нагрузке РК;

y)B - совместное упругое сближение материала и индентора при нагрузке РВ.

dP/dα - производная функции нагрузки от упругопластического сближения.

Устройство для реализации предлагаемого способа определения механических характеристик материалов содержит механизм нагружения 1, передающий усилие на испытуемый материал, который прижимается к индентору, закрепленному на силовом штоке 2, который соединен с датчиком измерения нагрузки 3 и датчиком измерения упругопластического сближения 4. Датчики соединены с преобразователем формы информации 5, выход которого связан непосредственно с персональным компьютером 6.

Устройство, реализующее способ определения механических характеристик материалов, работает следующим образом.

Механизм нагружения 1 внедряет сферический индентор в испытуемый материал. При этом электрические сигналы от датчика нагружения 3 и датчика упругопластического сближения 4 непрерывно поступают на вход преобразователя формы информации 5, который преобразует информацию и передает ее в цифровой форме в персональный компьютер 6. В процессе преобразования на экране компьютера в режиме реального времени отображается диаграмма вдавливания в координатах «Р - α» с ветвями нагружения и разгрузки, а также производится дифференцирование ветви нагружения диаграммы. По полученным диаграммам персональный компьютер определяет нагрузку, упругое сближение материала и индентора и остаточную глубину отпечатка, соответствующие началу уменьшения производной функции нагрузки от упругопластического сближения, и вычитает упругую деформацию материала. Затем определяются следующие механические характеристики материала:

- Модуль нормальной упругости Ем=f(РВ, (αy)В, R, µм µш, Еш),

где R - радиус индентора; µм и µш - коэффициенты Пуассона испытуемого материала и материала индентора; Еш - модуль упругости материала индентора;

Коэффициент, учитывающий соотношение упругой деформации индентора и упругой деформации испытуемого материала, k=Еш/(Ешм);

- Модуль упрочнения материала при вдавливании в пластической области Q=f(Pв,hв,R);

- Невосстановленную твердость по Бринеллю на уровне временного сопротивления (НВt)В=f(Рв, hв, (αу)В, R, k);

- Коэффициент, учитывающий соотношение упругой деформации индентора и упругой деформации испытуемого материала, k;

- Временное сопротивление при растяжении σВ=f((НВt)в);

- Условный предел текучести при растяжении σ0.2=f(q);

- Относительное остаточное равномерное удлинение при растяжении

δp=f(hв,R).

Весь процесс испытания с изображением диаграммы вдавливания и выдачей таблицы значений механических характеристик автоматизирован и занимает не более 3 мин.

В монографии (см. Матюнин В.М. оперативная диагностика механических свойств конструкционных материалов. Пособие для научных и инженерно-технических работников. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006, 214 с.) подробно изложены методики и технические средства определения перечисленных механических характеристик. Кроме того, перед проведением испытания выбирают и вдавливают индентор такого радиуса, при котором образуется отпечаток с площадью поверхности, равной изменению начальной площади поперечного сечения растягиваемого образца при достижении одинаковой относительной деформации при вдавливании и растяжении.

В таблице приведены результаты испытаний и определения механических характеристик стали 20Х13 и титанового сплава ВТ-4 предлагаемым способом вдавливания индентора и известным способом растяжения образца. Испытанные материалы сильно различаются модулем нормальной упругости и, как следствие, имеют различный коэффициент k, учитывающий соотношение упругой деформации испытуемого материала и упругой деформации индентора. В этом эксперименте R=0,5 мм, Еш=216000 Н/мм2, µм = µш = 0,28.

Из таблицы следует, что максимальное относительное отклонение значений механических характеристик, определенных предлагаемым способом, от значений тех же механических характеристик, определенных способом растяжения образцов, не превышает ±5%.

Использование изобретения обеспечивает снижение трудоемкости, повышение точности, производительности и расширение функциональных возможностей способа.

Способ определения механических характеристик материалов, включающий внедрение в испытуемый материал сферического индентора при непрерывно возрастающей нагрузке, регистрацию диаграммы вдавливания с ветвями нагружения и разгрузки и измерение остаточной глубины отпечатка после полной разгрузки, отличающийся тем, что регистрацию диаграммы вдавливания проводят в координатах «нагрузка - упругопластическое сближение индентора и материала», измеряют нагрузку, упругое сближение материала и индентора и остаточную глубину отпечатка, соответствующие началу уменьшения производной функции нагрузки от упругопластического сближения, вычитают из общего упругого сближения упругую деформацию материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и устройству для определения степени твердости полутвердых материалов, в частности дорожных покрытий, таких как асфальт, или смазочных веществ.

Изобретение относится к области измерительной техники и способам оценки микротвердости прозрачных материалов. .

Изобретение относится к области общего машиностроения, в частности к способам определения остаточных напряжений в изделиях при их изготовлении и последующей эксплуатации.

Изобретение относится к области механических испытаний материалов. .

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения физико-механических характеристик грунтов. .

Изобретение относится к земледельческим и почвоведческим исследованиям, в частности к регистрации сезонной (годовой) динамики почвенных деформаций в корнеобитаемом слое почвы.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Твердомер // 2350923
Изобретение относится к области строительства и эксплуатации грунтовых аэродромов, подготавливаемых методом уплотнения снега. .

Изобретение относится к области металловедения, в частности к способам определения соотношения фаз в феррито-перлитных сталях

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для экспресс-определения физико-механических свойств твердых материалов, в частности для оценки степени упрочнения поверхностного слоя деталей после защитно-упрочняющей обработки

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано, в частности, для определения пластической твердости материалов

Изобретение относится к измерительной технике для определения модуля упругости материала тонких покрытий на изделии

Изобретение относится к области исследования физических свойств металлов и сплавов, а именно к анализу пластических свойств тонких пленок аморфно-нанокристаллических многокомпонентных металлических сплавов (АНКМС) после их перехода из одного состояния в другое в результате термической обработки. Сущность: осуществляют термическую обработку образцов в заданном температурном интервале и их последующее охлаждение, крепление их на металлической подложке, покрытой со стороны образца полимерным композитным материалом, микроиндентирование образцов четырехгранной пирамидкой с нагрузкой, скоростью и временем воздействия на образец до появления трещин в виде фигур, близких к вложенным квадратам, и расчет коэффициента пластичности исследуемого образца пленки. Дополнительно определяют среднее расстояние и минимальное среднее расстояние между соседними трещинами соответствующих сторон квадратов, а коэффициент пластичности находят из выражения ε=(d-h)/h. Технический результат: повышение точности расчетов коэффициента пластичности. 3 ил.

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля, в частности к способу обнаружения в металле критических изменений его технического состояния, связанных с протеканием процесса старения. Сущность: осуществляют подготовку поверхности, воздействие на подготовленную поверхность индентором и определение микротвердости металла. Сначала на подготовленную поверхность образца из металла, аналогичного металлу исследуемой конструкции, но находящегося в исходном состоянии, в различных зонах воздействуют индентором, осуществляя в каждой зоне серию замеров. Определяют распределения значений микротвердости в каждой из зон, из которых определяют минимальное значение микротвердости, которое принимается как базовое минимальное значение для данного металла. Затем аналогично выполняют замеры микротвердости на рассматриваемом участке исследуемой конструкции из того же металла, по результатам измерений определяют распределение значений микротвердости, которое сравнивают с полученным базовым минимальным значением микротвердости. Более низкие значения микротвердости в металле исследуемой конструкции по сравнению с базовым минимальным значением микротвердости свидетельствуют о наличии критических изменений в металле исследуемой зоны конструкции, связанных с протеканием в металле процесса старения. Технический результат: повышение эффективности оценки и прогнозирования эксплуатационной надежности конструкций. 2 ил.

Твердомер // 2550375
Изобретение относится к области строительства и эксплуатации грунтовых аэродромов, подготавливаемых методом уплотнения снега. Твердомер содержит корпус, снабженный шаровым элементом, имеющим сквозное отверстие, направляющую трубу, стержень с указателем со стрелкой, коническим наконечником и сменным грузом, зафиксированным гайкой. Корпус выполнен в виде хомута, внутри которого заключена разрезная обойма, охватывающая шаровой элемент. Натяг в соединении шаровой элемент - разрезная обойма обеспечивается болтом и гайкой, стягивающими концы хомута. Направляющая труба выполнена с возможностью осевого перемещения вверх и вниз относительно шарового элемента и корпуса посредством реечной передачи. Фиксация переведенного в крайнее верхнее положение стержня с коническим наконечником, сменным грузом и гайкой, а также обеспечение их падения при измерении осуществляется при помощи указателя со стрелкой и затвора, связанного приводным тросом со спусковым крючком, установленным на одной из двух рукоятей, размещенных в нижней части направляющей трубы, где также установлена стойка, несущая упорное кольцо и уровнемеры. Фиксация направляющей трубы в шаровом элементе по окончании настройки прибора осуществляется стопорным болтом. Твердомер опирается на исследуемое покрытие тремя телескопическими стойками. Технический результат: повышение точности определения прочности (несущей способности) снежного покрова, снижение трудоемкости работ по измерению данного параметра и обеспечение удобства эксплуатации прибора оператором. 4 ил.

Изобретение относится к области древесиноведения и деревообрабатывающей промышленности и касается оценки механических свойств натуральной и модифицированной древесины. Сущность: осуществляют вдавливание пуансона в массив образца древесины и формирование углубления. Углубление формируют в виде шарового сегмента, при глубине вдавливания 0.0007 м<h<0.0029 м, а определение твердости осуществляется по формуле. Технический результат: обеспечение возможности получения обобщенного показателя твердости, представляющего собой интегрированное значение твердости с учетом анизотропии древесины, способов и режимов ее модификации, повышение точности измерений. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области исследования физических свойств металлов и сплавов, а именно к анализу вязкости разрушения тонких пленок многокомпонентных аморфно-нанокристаллических металлических сплавов (АНКМС) после их перехода из одного состояния в другое, в результате термической обработки, то есть определению условий, при которых данные сплавы приобретают требуемые свойства. Сущность: изготавливают образцы тонких пленок из многокомпонентных аморфно-нанокристаллических металлических сплавов, предварительно подвергнутых печному отжигу и охлажденных до комнатной температуры, закрепляют их на подложке из полимерного композитного материала, который в свою очередь нанесен на металлическую пластину. Исследуют механических свойств образцов путем вдавливания в образец индентора, представляющего собой стальной шарик, с такими значениями нагрузки, скорости и времени воздействия на образец, которые позволяют спровоцировать появление группы трещин. Коэффициент вязкости микроразрушения рассчитывают с учетом либо только тех кольцевых трещин, которые образуют замкнутые окружности или дуги окружности, которые составляют не менее 270°, и образуют фигуру в виде вложенных окружностей или дуг окружностей, либо трещины, имеющей форму спирали. Технический результат: повышение точности измерений, их достоверности, а также возможность исследовать даже самые хрупкие материалы. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Наверх