Способ определения механических характеристик материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к средствам испытания материалов, в частности листового анизотропного материала. Согласно предлагаемому способу в исследуемый материал внедряют неравноосный индентор при различной ориентации его большой оси относительно оси анизотропии материала, например, относительно направления проката. Регистрируются такие характеристики ударного вдавливания, как ускорение индентора, время до смены знака ускорения, максимимальная скорость внедрения и энергия пластического деформирования материала. Устройство для реализации способа содержит индентор с рабочей частью в форме эллипса, прямоугольника, ромба и т.п., нагружающее приспособление и электронно-датчиковую аппаратуру. При этом имеется механизм ориентации индентора относительно оси анизотропии материала и прижим. Изобретение направлено на повышение точности оценки физико-механических характеристик анизотропных материалов. 2 c.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам и устройствам для испытания материалов, в частности листового анизотропного материала, к определению их физико-механических характеристик.

Известен способ, при котором определяют предел текучести металла по параметрам упругопластического внедрения сферического индентора (см. статью Ю. И. Славского, Матлина М. М. ж. "Заводская лаборатория", N 4 - 1995 г., с. 53-57), предусматривающий однократное внедрение сферического индентора в испытуемую поверхность при режимах нагружения, характерных для измерения твердости по Бринеллю. Недостатком данного способа является ограниченное число измеряемых механических параметров. Недостаток обусловлен отсутствием информации о динамической части внедрения индентора.

В части устройства известен прибор для измерения твердости (см. а.с. N 1057808, МКИ G 01 N 3/42, 1983 г.). Недостатками прибора являются большой вес, габариты и невозможность проведения испытаний крупных изделий.

Наиболее близким решением по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения механических характеристик (см. патент РФ N 2079831, МКИ G 01 N 3/42, 1997 г.), который заключается в том, что в испытуемый материал внедряют индентор ударным способом, при этом датчик регистрирует кинематические характеристики ударного вдавливания и механические свойства материала. Недостатком известного решения является низкая точность определения механических свойств в анизотропных листовых материалах.

В рассматриваемом изобретении (см. патент РФ N 2079831, МКИ G 01 N 3/42, 1997 г.), известно устройство для осуществления данного способа, содержащее нагружающее устройство, индентор, выполненный в виде конуса, и электронно-счетную систему. Недостаток устройства обусловлен использованием равноосного индентора (конической формы), внедрение которого производит отпечаток равноосной формы в плане листа (круг) и который не дает возможности определять механические параметры в различных направлениях плоскости листа.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности оценки механических параметров анизотропных материалов.

Средство достижения технического результата состоит в том, что в исследуемый материал внедряют неравноосный индентор с различной ориентацией большой оси индентора под углом ϕ, относительно оси анизотропии материала, например относительно направления проката. Как правило, ϕ = 0; π/4; π/2 Регистрируются кинематические характеристики ударного вдавливания: x₁ - максимальное ускорение, x₂ - время процесса до смены знака ускорения внедрения индентора, x₃ - максимальная скорость проникновения, x₄ - энергия пластического деформирования материала. Регистрируется также угол ϕ(x₅ = ϕ). Механические свойства материалов: предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость определяются по зависимости, представленной в виде полинома n-степени с переменными x₁, x₂, x₃, x₄, x₅.

где a₀^(j), a_ik^(j), k = 1...n, j = 1...5 - коэффициенты полинома, определяемые для каждого j-го механического свойства на стадии предварительных исследований.

Устройство для осуществления данного способа, состоящее из электронно-счетной системы, нагружающего устройства и индентора, дополнительно содержит механизм ориентации индентора относительно листового анизотропного материала и прижима, включающее скобу, гайку и винт, при этом форма индентора выполнена неравноосной (в плоскости, перпендикулярной оси, имеет форму эллипса, прямоугольника, ромба и т.д.).

На чертеже показано устройство для определения механических характеристик материалов.

Устройство состоит из электронно-счетной системы, включающей аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП), персональный компьютер 2, датчик 3; нагружающего устройства, содержащее корпус 4, боек 5, пружину 6 и держатель 7 индентора, индентора 8; механизма ориентации индентора относительно листового анизотропного материала, включающий шток 9 и лимб 10, с нанесенными на него угловыми градусами; прижима, включающий скобу 11, гайку 12 и винт 13, а также стопора 14.

Способ осуществляется следующим образом.

На начальном этапе (этапе обучения системы) на материалах с заранее известными механическими свойствами (пределы прочности, текучести, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость) рассчитываются переменные - кинематические характеристики ударного вдавливания: x_1p - максимальное ускорение, x_2p - время процесса до смены знака ускорения внедрения индентора, x_3p - максимальная скорость проникновения, x_4p - энергия пластического деформирования материала, задается параметр x_5p (угол ϕ ). Определяются коэффициенты полинома a₀^(j), a_ik^(j). Коэффициенты вносятся в память компьютера 2.

На этапе измерения, после внедрения в исследуемый материал 14 неравноосного индентора 8 под углом ϕ, относительно оси анизотропии материала, например относительно направления проката, регистрируются кинематические характеристики ударного вдавливания: x₁, x₂, x₃, x₄. Регистрируется также угол ϕ = x₅. Механические свойства материалов: предел прочности предел текучести, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость определяются по зависимости, представленной в виде полинома n - степени с переменными x₁ - x₅.

где a₀^(j), a_ik^(j); k = 1...n; j = 1...5 - коэффициенты полинома, полученные на стадии обучения системы.

Устройство работает следующим образом. Соединяют электрическую цепь: механическую часть электропроводами соединяют с компьютером 2 и электросетью. Взводят боек 5, который фиксируется стопором 14. Далее стопор 14 снимают и под боек 5 под воздействием силы сжатой пружины 6 перемещается в корпусе 4 до столкновения с держателем 7 индентора 8. Движение бойка 5 передается держателю 7 индентора 8, датчику 3 и самому неравноосному индентору 8, который внедряется в исследуемый материал 15, поджимаемый к корпусу для обеспечения жесткости удара сначала гайкой 12, а затем винтом 13 прижима. Угол между большой осью индентора 8 и направлением проката устанавливается с помощью механизма ориентации индентора относительно листового анизотропного материала. Датчик 3 регистрирует параметры процесса внедрения индентора 8 и передает сигналы в компьютер 2, где они обрабатываются, и на дисплее высвечивается значение механического свойства, соответствующее нажатой клавише. Если необходимо знать другое или все механические свойства исследуемого материала 14, не нужно делать новый замер, достаточно нажать клавишу требуемого механического свойства.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволит повысить точность определения механических свойств в анизотропных листовых материалах, а также приведет к снижению трудозатрат при контроле механических свойств материалов.

Формула изобретения

1. Способ определения механических характеристик материалов, включающий внедрение индентора в исследуемый материал, регистрацию кинематических характеристик ударного вдавливания и определение механических характеристик материала, отличающийся тем, что измерение проводится неравноосным индентором с различной ориентацией большой оси индентора относительно оси анизотропии материала и расчет механических характеристик производится с учетом ориентации материала относительно индентора и энергии пластического деформирования.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее нагружающее устройство, электронно-счетную систему, датчик и индентор, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит механизм ориентации индентора относительно оси анизотропии материала и прижим. при этом форма индентора выполнена неравноосной.

РИСУНКИ

Рисунок 1