Способ определения предельного равномерного сужения

Изобретение относится к области определения пластичных свойств металлов и может быть использовано для определения предельного равномерного сужения без разрушения материала деталей. Сущность: испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора нагрузкой, находящейся в диапазоне, соответствующем измерению твердости, измеряют глубину отпечатка на поверхности испытуемого материала и рассчитывают предельное равномерное сужение по зависимости, учитывающей нагрузку на сферический индентор, диаметр сферического индентора, глубину отпечатка на поверхности испытуемого материала, число π и универсальную постоянную для металлов. Технический результат: упрощение способа определения предельного равномерного сужения и повышение его точности. 1 табл.

 

Изобретение относится к области определения пластичных свойств металлов и может быть использовано для определения предельного равномерного сужения без разрушения материала деталей.

Известен способ определения предельного равномерного сужения (ГОСТ 1497-84, ИСО 6892-84 «Металлы. Методы испытания на растяжение"), который предусматривает вырезку из детали заготовок для образцов и последующее изготовление образцов для испытания на растяжение. Для определения предельного равномерного сужения образец подвергают растяжению под действием плавно приложенной нагрузки. Предельное равномерное сужение ψ_В определяют как отношение разности начальной площади F₀ и площади F_В поперечного сечения образца (в момент завершения стадии его равномерной деформации) к начальной площади поперечного сечения образца:

$${\psi }_B=\frac{F_0-F_B}{F_0}.$$ (1)

Недостатком этого способа является то, что он требует изготовления специальных образцов, вырезанных из готовой детали, что очевидно, приводит к частичному или полному разрушению испытуемой детали. Недостаток этого способа заключается и в больших трудозатратах и расходах материала. Таким образом, этот способ не позволяет оперативно и без разрушения производить определение предельного равномерного сужения материала.

Следует подчеркнуть (см., например, книгу В.М. Матюнина «Индентирование в диагностике механических свойств материалов» - М.: Издательский дом МЭИ, 2015. – 288 с. на стр. 179-180), что значение предельной равномерной деформации имеет большое практическое значение, поскольку от него зависит упрочняемость, пластичность и работоспособность материала; в связи с этим предельная равномерная деформация является важным диагностическим параметром материалов и изделий, характеризующим надежность их эксплуатации.

Известен способ измерения предельной равномерной пластической деформации материала деталей (а.с. 557295, МПК G01N3/08, G01B5/30, опубл. 30.06.1977, бюл. №17), заключающийся в том, что из материала, идущего на изготовление детали, изготавливают контрольный образец, подвергают одноосному растяжению и определяют предельную равномерную пластическую деформацию, пределы прочности и текучести, при этом определяют числа твердости на детали и контрольном образце при пределах прочности и текучести коническими инденторами, углы раскрытия которых соответствуют деформациям прочности и текучести, а искомую величину определяют как отношение произведения предельной равномерной пластической деформации образца на разность чисел твердости при пределах прочности и текучести образца к соответствующей разности чисел твердости, найденных для детали.

Недостатком этого способа является то, что он также требует дополнительного изготовления специальных образцов, вырезанных из детали, что очевидно, приводит к частичному или полному разрушению испытуемой детали. Таким образом, и этот способ не позволяет оперативно и без разрушения производить определение предельного равномерного сужения материала. Кроме того, и этот способ имеет большую трудоемкость из-за необходимости изготовления и последующего испытания образца; его невозможно использовать при необходимости стопроцентного контроля деталей, а также при малых размерах деталей.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения предельного равномерного сужения (описанный в книге В.М. Матюнина "Индентирование в диагностике механических свойств материалов". - М.: Издательский дом МЭИ, 2015. - 288с., на стр. 180), который предусматривает построение диаграммы внедрения сферического индентора, по которой определяют величину отношения (h/R)_В, соответствующего пределу прочности материала, то есть максимуму на диаграмме внедрения (h – глубина отпечатка, соответствующая максимуму на диаграмме внедрения; R- радиус индентора). В соответствии со способом, значение предельного равномерного сужения ψ_В определяют посредством эмпирически полученной для широкого круга испытанных сталей формуле

$${\psi }_B\approx \mathrm{0,4}{(h/R)}_B.$$ (2)

Недостатком этого способа является то, что он предусматривает построение диаграммы внедрения индентора. Как указывает и сам автор этого способа (см. указанную выше книгу В.М. Матюнина на стр. 177-178) построение диаграммы внедрения является довольно трудоемким процессом, кроме того максимум на диаграмме внедрения определяется не точкой, а горизонтальным участком, протяженность которого зависит от механических свойств материала. Поэтому найти значение (h/R)_B, соответствующее максимуму диаграммы довольно трудно. Погрешность этого способа составляет порядка ±10% (см. указанную выше книгу В.М. Матюнина на стр. 180).

Таким образом, известные способы имеют низкий технический уровень, поскольку не позволяют оперативно и без разрушения образца определять предельное равномерное сужение.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового способа определения предельного равномерного сужения, который позволял бы оперативно и без разрушения производить определение предельного равномерного сужения.

Техническим результатом является упрощение способа определения предельного равномерного сужения и повышение его точности.

Указанный технический достигается в способе определения предельного равномерного сужения, заключающемся в том, что испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора нагрузкой, находящейся в диапазоне, соответствующем измерению твердости, измеряют глубину отпечатка на поверхности испытуемого материала и рассчитывают предельное равномерное сужение, при этом на сферический индентор осуществляют однократную заданную нагрузку, а предельное равномерное сужение рассчитывают по зависимости

где ψ_B – предельное равномерное сужение испытуемого материала (%);

F – нагрузка на сферический индентор (Н);

D – диаметр сферического индентора (мм);

h– глубина отпечатка на поверхности испытуемого материала (мм);

π = 3,14;

0,0041 – универсальная постоянная для металлов, имеющая размерность МПа^-1.

Сущностью изобретения является то, что однократная нагрузка на испытуемый материал посредством сферического индентора нагрузкой, величина которой находится в диапазоне, соответствующем измерению твердости обеспечивает возможность точного определения предельного равномерного сужения испытуемого материала. Предлагаемый способ реализуется в широком диапазоне значений нагрузок. Каждой однократной нагрузке на сферический индентор соответствует глубина отпечатка индентора на поверхности испытуемого материала, которая используется при расчете предельного равномерного сужения.

Заявленная новая зависимость (3) для определения предельного равномерного сужения испытуемого материала устанавливает взаимосвязи между всеми существенными параметрами, определяющими величину предельного равномерного сужения: пластические свойства материала при контактной деформации (от них зависит глубина отпечатка), прочностные свойства материала (они зависят от значения однократной нагрузки, которая задается в диапазоне, соответствующем измерению твердости). Это позволяет оперативно и с высокой точностью определять предельное равномерное сужение испытуемого материала. При этом не происходит разрушения детали.

Способ определения предельного равномерного сужения испытуемого материала реализуется следующим образом.

Испытуемый материал однократно нагружают посредством сферического индентора нагрузкой, находящейся в диапазоне, соответствующем измерению твердости. Значение нагрузки может быть выбрано согласно стандартам, предусматривающим контроль твердости с помощью сферического индентора, например, ГОСТ 9012-59. ИСО 410-82, ИСО 6506-81 «Металлы. Методы испытаний. Измерение твердости по Бринеллю» (введ. 01.01.60; последнее изменение 12.09.18) или ГОСТ 18835-73. «Металлы. Метод измерения пластической твердости» (введ. 01.07.75; ограничение срока действия снято Межгосударственным Советом стандартизации, метрологии и сертификации, протокол №3-93, ИУС №5/6, 1993 г.). До значений твердости испытуемого материала 4500 МПа в качестве индентора используют стальной закаленный шарик (с твердостью по Виккерсу не менее HV 850 кгс/мм²); при большей твердости испытуемого материала используют сферический индентор из твердого сплава. В качестве нагружающего устройства можно использовать пресс Бринелля.

Величину нагрузки F на сферический индентор с диаметром D задают с помощью пресса Бринелля. Измеряют глубину h отпечатка на поверхности испытуемого материала. Измерение глубины остаточного отпечатка можно выполнить с помощью индикатора часового типа (с ценой деления 1 мкм), установленного на индикаторной стойке. Известные значения параметров подставляют в зависимость для определения предельного равномерного сужения. Постоянная 0,0041 МПа^-1 – является универсальной для металлов, π = 3,14, D – диаметр используемого сферического индентора (мм).

Пример реализации предложенного способа.

Определение предельного равномерного сужения проводили на образцах, изготовленных из углеродистых и легированных конструкционных сталей различного уровня прочности и пластичности.

В качестве индентора использовали стальной закаленный шарик диаметром 5 мм, а для сталей с пластической твердостью большей, чем 4500 МПа - сферический индентор из твердого сплава.

В таблице представлены механические свойства испытанных материалов. За эталонные (стандарт сравнения) приняты значения предельного равномерного сужения материала ψ_И,Э (%), определенные по ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) «Металлы. Методы испытания на растяжение». Предельное равномерное сужение ψ_B (%), определяли по зависимости (3).

Таблица

Номер образца	Марка стали	Нагрузка F, Н	Глубина отпечатка h, мм	Предельное равномерное сужение ψB,%	Предельное равномерное сужение ψВ,Э, %	Погрешность
1	Сталь 20	4905	0,200	13,505	13.9	2,88
2	Сталь 35	4905	0,138	9,725	10,1	3,71
3	Сталь 20Х	4905	0,053	3,973	3,8	-4,55
4	Сталь 45Х	4905	0,063	4,687	5,0	6,26
5	Сталь 38Х	4905	0,071	5,251	4,9	-7,16
6	Сталь 40ХН	2453	0,031	4,627	4,8	3,60
		4905	0,064	4,476		6,75
7358	0,098	4,627	3,6

Испытания на растяжение проводили с помощью программно-технического комплекса для испытания металлов (оснащенного персональным IBM совместимым компьютером) ИР 5143-200.

При этом предельное равномерное сужение материала определяли по ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) «Металлы. Методы испытания на растяжение», принятому в качестве эталонного способа.

Как видно из таблицы, при использовании предлагаемого способа погрешность определения предельного равномерного сужения по сравнению с эталонным способом по ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) не превышает (3…7)% и имеет характер двухстороннего разброса. Отметим, что как указано выше погрешность определения предельного равномерного сужения по способу-прототипу составляет ±10%.

В отличие от способа-прототипа глубина h отпечатка не требует многократного измерения при жестко фиксированных нагрузках на индентор, то есть достаточно однократной нагрузки и ее величина может быть любой. Как видно из таблицы, на примере стали 40ХН (образец №6), изменение нагрузки на индентор в достаточно широком диапазоне (в 3 раза) практически не влияет на определяемые предлагаемым способом значения предельного равномерного сужения.

Таким образом, предлагаемый способ является простым в использовании и обеспечивает следующие преимущества:

- обладает более высокой точностью в сравнении с известным способом: погрешность определения предельного равномерного сужения не превышает (3…7)% в широком диапазоне изменения пластических и прочностных свойств материала;

- не требует разрушения материала и может быть использован для контроля пластических свойств материала различных деталей машин.

Таким образом, способ определения предельного равномерного сужения, заключающийся в том, что осуществляют однократную заданную нагрузку F испытуемого материала посредством сферического индентора нагрузкой, находящейся в диапазоне, соответствующем измерению твердости, измеряют глубину отпечатка на поверхности испытуемого материала h и рассчитывают предельное равномерное сужение по зависимости является простым, не требует разрушения испытуемой детали и обеспечивает повышение точности определения предельного равномерного сужения.

Способ определения предельного равномерного сужения, заключающийся в том, что испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора нагрузкой, находящейся в диапазоне, соответствующем измерению твердости, измеряют глубину отпечатка на поверхности испытуемого материала и рассчитывают предельное равномерное сужение, отличающийся тем, что на сферический индентор осуществляют однократную заданную нагрузку, а предельное равномерное сужение рассчитывают по зависимости

где ψ_B – предельное равномерное сужение испытуемого материала (%);

F – нагрузка на сферический индентор (Н);

D – диаметр сферического индентора (мм);

H – глубина отпечатка на поверхности испытуемого материала (мм);

π=3,14;

0,0041 – универсальная постоянная для металлов, имеющая размерность МПа^-1.