Устройство для определения твердости материалов методом царапания

Авторы патента:

Уткин Владимир Сергеевич (RU)

Меньшиков Владимир Федорович (RU)

G01N3/46 - когда инденторы осуществляют царапающее движение

Владельцы патента RU 2373515:

ГОУ ВПО "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) (RU)

Изобретение относится к испытательной технике. Устройство устанавливают непосредственно на конструкции. Устройство содержит рабочий орган, состоящий из упругого элемента, штока с индентором, в качестве индентора использована квадратная алмазная пирамида с углами между гранями при вершине 136 градусов, измерителя нагрузки, прибора для автономного измерения ширины царапины. Устройство также содержит полый цилиндр, упругий элемент в виде винтовой цилиндрической пружины, степень сжатия которой является мерой нагружения, пару винт-гайка для нагружения пружины, плиту на нижней части устройства с винтами для фиксации устройства на криволинейной поверхности детали, упорный стержень с закаленным острым концом для неподвижного закрепления на детали с помощью кернения, соединенный с цилиндром механизмом винт-гайка для перемещения цилиндра с индентором по поверхности детали и шарнирами, измеритель нагрузки в виде тарированной шкалы. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 4 ил.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения твердости материалов непосредственно в машинах и механизмах.

В качестве аналога выбраны микротвердомеры, которые [Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. В 2-х ч. Часть 2. Механические испытания. Конструкционная прочность /Я.Б.Фридман. - М.: Машиностроение, 1974. 368 с., с.84] принципиально не отличаются от приборов, предназначенных для определения макротвердости.

Известно [Тененбаум М.М. Склерометры для изучения сопротивления. // Склерометрия, с.118 - с.134] устройство - склерометр СТ различных модификаций для определения сопротивления материалов царапанию.

Основными элементами данного устройства являются: опорный столик с микроскопом, шарнирно закрепленный рычаг с индентором в виде алмазной трехгранной пирамиды на конце, набор дискретных грузов, устанавливаемых непосредственно на рычаге, приводное устройство с электродвигателем типа РД-09 с встроенным редуктором.

Основным недостатком данного устройства является функциональная ограниченность, заключающаяся в измерении твердости материалов только на образцах ограниченных размеров, а также дискретность силы нагружения, малая длина царапины (2 мм), на длине которой число измерений ширины царапины крайне мало (1÷2), необходимость обработки поверхности образцов (∇11), по которой измеряется твердость материалов.

В качестве прототипа выбрано устройство (патент RU 2308018 G01N 3/46) для определения твердости материалов методом царапания, содержащее два жестких рычага, упругий элемент, опорный столик, индентор в виде квадратной алмазной пирамиды с углом между гранями при вершине 136°, фиксаторы, нагружающее устройство в виде винта, измеритель нагрузки в виде индикатора часового типа, устройство крепится непосредственно на конструкцию, твердость материала которой определяется. Прибор для измерения ширины царапины является автономным.

Недостатками этого устройства являются: ограниченность по функциональному применению, заключающаяся в том, что с его помощью нельзя определить твердость материала конструкций, не обладающих постоянной толщиной и плоскими поверхностями, например круглых валов, зубьев с эвольвентной поверхностью, а также невозможность использования при доступе к одной из двух поверхностей, например замкнутый резервуар, шарик подшипника.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для определения твердости материалов методом царапания непосредственно в элементах конструкции и в деталях машин с криволинейными, ломаными и другими геометрическими поверхностями при затрудненном доступе к ним, для замкнутых, шаровых и других объектов.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения твердости материалов методом царапания крепится непосредственно на конструкции, содержит рабочий орган, состоящий из штока с индентором, в качестве индентора использована квадратная алмазная пирамида с углами между гранями при вершине 136 градусов, прибора для автономного измерения ширины царапины, также полый цилиндр, упругий элемент в виде винтовой цилиндрической пружины, степень сжатия которой будет являться мерой нагружения, пару винт-гайка для нагружения пружины, плиту на нижней части устройства с винтами для фиксации устройства на криволинейной поверхности детали, упорный стержень, соединенный шарнирно с цилиндром с помощью механизма винт-гайка для перемещения цилиндра с индентором по поверхности детали, измеритель нагрузки в виде тарированной шкалы.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, где 1 - винтовая пара, 2 - полый цилиндр, 3 - шток с индентором, 4 - пружина, 5 - упорный подшипник для избежания скручивания пружины, 6 - стрелка, 7 - линейка с тарированной шкалой, 8 - плита, 9 - опорные винты, фиксирующие положение устройства на поверхности детали, 10 - упорный стержень с закаленным заостренным концом, соединенный с цилиндром шарниром 11 и винтовой парой 12 для поступательного движения цилиндра с индентором.

На фиг.2 - вид сверху.

На фиг.3 изображена схема тарировки устройства, где 13 - накладка динамометра, 14 - упругий элемент, 15 - индикатор.

На фиг.4 - тарировочный график.

Устройство работает следующим образом. Прибор устанавливают на поверхности испытываемой детали машины или элементе конструкции. Если деталь расположена внутри корпуса и доступ к ней затруднен, то в ней делают с помощью кернения конусное углубление (на 1-2 мм) и в углубление устанавливают закаленный заостренный конец упорного стержня 10. Затем устройство фиксируют на поверхности детали с помощью опорных винтов 9, расположенных в плите 8. Винтовой парой 1 производят установку штока 3 на определенную нагрузку, определяемую по величине перемещения стрелки 6 с помощью тарированной шкалы 7. Давление руки на верхнюю часть корпуса устройства сжимает пружину 4. Степень сжатия пружины будет определять величину нагрузки на шток с индентером (для стали к усилие составляет 80 Н [Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. В 2-х ч. Часть 2. Механические испытания. Конструкционная прочность /Я.Б. Фридман. - М.: Машиностроение, 1974. 368 с., с.84]). Вращают гайку винтовой пары 12, соединяющей упорный стержень 10 с цилиндром 2, перемещают индентор по поверхности детали с образованием царапины длиной 4-6 мм. Если поверхность детали легкодоступна, то устройство перемещают вручную без использования упорного стержня 10. Таким образом делают 3-4 царапины. Ширину царапины в 2-х разных местах измеряют автономным прибором - микроскопом МПБ с ценой деления 0.02 мм для стальной детали с подсветкой.

Твердость материала определяют по формуле:

где

F - давление от индентора на материал, - среднее значение ширины царапины,

n - число измеренных значений b_i,

с - коэффициент, определяемый пробным нагружением материала, при котором ширина царапины b должна быть такой, чтобы относительная погрешность измерения была не более 10%. Так, при измерении микроскопом с ценой деления шкалы 0,02 мм ширина царапины должна быть не менее 0,2 мм.

В зависимости от твердости материала, толщины элемента конструкции и соответственно силы давления индентора используют различную величину сжатия пружины 4.

Устройство тарируют с помощью динамометра ДОСМ-100 следующим образом (фиг.3): его устанавливают на динамометр на накладку 13 индентором, винтовой парой 1 нагружают пружину 4, через шток 3 нагрузка передается на упругий элемент 14 динамометра, отмечают перемещение флажка 6 относительно шкалы 7 согласно значениям на индикаторе динамометра 15. По результатам измерений строят Δ-F график (фиг.4) зависимости перемещения флажка (штока) 6 от значения усилий F на индикаторе динамометра 15.

Разрабатываемое устройство позволяет определить твердость деталей машин и конструкций в малодоступных и стесненных местах, деталей, имеющих сложную геометрическую форму различных размеров.

Устройство для определения твердости материалов методом царапания, установленное непосредственно на конструкции, содержащее рабочий орган, состоящий из упругого элемента, штока с индентором, в качестве индентора использована квадратная алмазная пирамида с углами между гранями при вершине 136°, измерителя нагрузки, прибора для автономного измерения ширины царапины, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит полый цилиндр, упругий элемент в виде винтовой цилиндрической пружины, степень сжатия которой является мерой нагружения, пару винт-гайка для нагружения пружины, плиту на нижней части устройства с винтами для фиксации устройства на криволинейной поверхности детали, упорный стержень с закаленным острым концом для неподвижного закрепления на детали с помощью кернения, соединенный с цилиндром механизмом винт-гайка для перемещения цилиндра с индентором по поверхности детали и снабженный шарнирами, измеритель нагрузки в виде тарированной шкалы.

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.

Способ оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя // 2327137

Изобретение относится к механике разрушения материалов. .

Устройство для определения твердости материалов методом царапания // 2308018

Изобретение относится к испытательной технике. .

Устройство для определения работы царапания абразивным инструментом поверхности испытуемого образца // 2305826

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

Приспособление к твердомерам типа тк для измерения твердости стандартных образцов после торцевой закалки // 2301984

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

Способ определения сопротивления скалыванию гальванопокрытия // 2200310

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

Устройство для испытания материалов // 2147737

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

Прибор для склерометрических исследований // 2147735

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.

Склерометр // 2141106

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

Способ акустического контроля трещиностойкости изделий // 2140076

Изобретение относится к контролю эксплуатационных параметров и физико-механических характеристик изделий. .

Способ неразрушающего контроля прочности металлов в конструкциях // 2433383

Изобретение относится к области неразрушающего контроля на прочность металлов в конструкциях

Способ выявления неоднородности распределения механических свойств металла // 2451283

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

Устройство для определения твердости материалов методом царапания // 2473881

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

Способ оценки энергии активации пластической деформации поверхностного слоя и переносной склерометр для его осуществления // 2475720

Изобретение относится к области безобразцового контроля фактического состояния материалов при эксплуатации

Определение твердости гальванических покрытий на деталях машиностроения // 2476856

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

Способ определения прочностных характеристик материала и устройство для его осуществления // 2499246

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.

Способ сравнительной оценки свойств материалов по отношению общей длины следа маятникового скрайбирования к длине лунки отскока // 2539116

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.

Способ сравнительной оценки свойств материалов по длине между лункой и основной частью следа индентора при маятниковом скрайбировании // 2539725

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.

Способ сравнительной оценки свойств материалов по параметрам лунки отскока в следе индентора при маятниковом скрайбировании // 2543682

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.

Способ сравнительной оценки свойств материалов по отношению длины лунки отскока к ее ширине в следе индентора при маятниковом скрайбировании // 2543683

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.