Способ определения предела текучести материала при смятии

Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и может быть использовано для определения предела текучести при смятии без разрушения материала деталей, работающих в условиях нагружения сминающими нагрузками. Сущность: осуществляют нагружение поверхности испытуемого материала посредством сферического индентора нагрузкой, величина которой соответствует диапазону измерения твердости, измеряют параметры отпечатка и рассчитывают предел текучести испытуемого материала. Нагружение поверхности испытуемого материала посредством сферического индентора осуществляют двумя различными нагрузками и измеряют глубины двух полученных остаточных отпечатков, а предел текучести испытуемого материала при смятии рассчитывают по зависимости, учитывающей нагрузки на сферический индентор, глубины остаточных отпечатков, диаметр сферического индентора и коэффициент пластичности при смятии, зависящий от химического состава испытуемого материала. Технический результат: упрощение способа определения предела текучести материала при смятии и повышение его точности. 1 табл.

 

Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и может быть использовано для определения предела текучести при смятии без разрушения материала деталей, работающих в условиях нагружения сминающими нагрузками (шпонки, шлицы, заклепки, болты, детали муфт и т.п.).

Известен способ определения предела текучести при смятии экспериментальным путем согласно ГОСТ 33498-2015 (Композиты полимерные. Метод испытания на смятие. Введ. 01.01.2017).

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 заметных затратах времени и расходе материала. Кроме того, этот способ не позволяет определять предел текучести при смятии металлов, из которых изготавливают большинство деталей. Таким образом, способ не позволяет оперативно и без разрушения производить определение предела текучести металлов при смятии.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения предела текучести материала (патент 2086947 РФ, МПК G01 N3/40, Опубл.10.08.97), который предусматривает, что испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора диаметром D, нагрузкой, лежащей в диапазоне, соответствующем измерению твердости, после снятия нагрузки F измеряют диаметр остаточного отпечатка d, определяют контактный модуль упрочнения Н испытуемого материала и интенсивность деформации ε_i,o в центре отпечатка из соотношения

а предел текучести σ_Т определяют с учетом интенсивности деформации в центре отпечатка из соотношения

где d – диаметр остаточного отпечатка; b - коэффициент, зависящий от химического состава испытуемого материала; μ₂ – коэффициент Пуассона испытуемого материала.

Недостатком этого способа является то, что он не может быть использован в тех случаях, когда необходимо определить предел текучести материала при смятии, поскольку он предназначен только для определения предела текучести материала при растяжении. Следует подчеркнуть, что числовые значения пределов текучести материала при смятии и при растяжении значительно отличаются друг от друга, поскольку это совершенно разные виды деформации материала.

Таким образом, известные способы имеют низкий технический уровень, поскольку не позволяют оперативно и без разрушения определять предел текучести материала при смятии.

В этой связи важнейшей задачей является разработка нового способа определения предела текучести материала при смятии, который позволял бы оперативно и без разрушения производить определение предела текучести материала при смятии.

Техническим результатом является упрощение способа определения предела текучести материала при смятии и повышение его точности.

Указанный технический результат достигается в способе определения предела текучести материала при смятии, заключающемся в нагружении поверхности испытуемого материала посредством сферического индентора нагрузкой, величина которой соответствует диапазону измерения твердости, измерении параметров отпечатка и расчете предела текучести испытуемого материала, при этом нагружение поверхности испытуемого материала посредством сферического индентора осуществляют двумя различными нагрузками и измеряют глубины двух полученных остаточных отпечатков, а предел текучести испытуемого материала при смятии рассчитывают по следующей зависимости:

где F₁ и F₂ – нагрузки на сферический индентор (Н);

h₁ и h₂ – глубины остаточных отпечатков (мм), отвечающие нагрузкам F₁ и F₂;

D – диаметр сферического индентора (мм);

σ_Тсм – предел текучести испытуемого материала при смятии (Н/мм²);

a - коэффициент пластичности при смятии, зависящий от химического состава испытуемого материала.

Сущностью способа является то, что процессы смятия определяются контактной податливостью деталей [(h₂-h₁)/(F₂-F₁)], которая в комплексе с силовыми (F) и геометрическими (D) параметрами позволяет выявить количественные взаимосвязи между закономерностями протекания пластической деформации при смятии и контактной упругопластической деформацией при внедрении индентора, что позволяет в полной мере учесть пластические свойства испытуемого материала и с их учетом определить предел текучести материала при смятии с большей точностью. Способ учитывает специфику процессов смятия, при которых размеры контактирующих деталей соизмеримы, тогда как при контактной деформации площадка контакта очень мала по сравнению с размерами контактирующих деталей (задачи Г.Герца).

Введенный в расчет предела текучести материала при смятии коэффициент «a» позволяет повысить точность определения предела текучести при смятии, благодаря учету химического состава испытуемого материала.

Предлагаемая новая зависимость расчета предела текучести материала при смятии устанавливает взаимосвязи между всеми существенными параметрами, определяющими величину предела текучести при смятии: упругопластические свойства материала при контактной деформации, пластические свойства и нагрузочная способность материала при смятии (от них зависит глубина остаточного отпечатка), а также химический состав испытуемого материала. Это позволяет оперативно с высокой точностью определять предел текучести испытуемого материала при смятии без разрушения детали.

Способ определения предела текучести испытуемого материала при смятии реализуется следующим образом.

В испытуемый материал внедряют сферический индентор, используя две различные нагрузки в диапазоне, соответствующим измерению твердости. Значения нагрузок 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, например, пресс Бринелля или другой прибор для контроля твердости или пресс.

Измеряют глубины остаточных отпечатков. Эту операцию можно выполнить с помощью индикатора часового типа (с ценой деления 0,001 мм) или индукционного датчика положения, установленного в индикаторной стойке.

Значения коэффициента пластичности материала при смятии «a» зависят от химического состава испытуемого материала и определяются по известным справочным данным или из предварительного эксперимента для соответствующих типов материалов исследуемых деталей – углеродистая или легированная сталь, чугун, цветной металл или сплав (выбирают в зависимости от того предел текучести какого материала при смятии предполагается определять). Коэффициент «a» одинаков для всех составов материала одного типа (например, для всех составов углеродистой стали или для всех составов легированной стали).

Пример. Проведена экспериментальная проверка предложенного способа.

Определение предела текучести материала при смятии по заявленному способу проводили на образцах, изготовленных из углеродистых и легированных конструкционных сталей различного уровня прочности и пластичности, показанных в таблице.

При реализации предлагаемого способа в качестве индентора использовали стальной закаленный шарик диаметром 5 мм, а для сталей с твердостью большей, чем 4500 МПа – сферический индентор с тем же диаметром из твердого сплава. Воздействие на сферический индентор осуществляли с помощью пресса Бринелля при нагрузках F₂=7558Н (750кгс) и F₁=4905Н (500кгс). Результаты определения предела текучести при смятии σ_Тсм предлагаемым способом приведены в таблице.

Для указанных материалов выполнили прямое экспериментальное определение предела текучести при смятии σ_Тсм,э. Испытания проводили с помощью программно-технического комплекса для испытания металлов (оснащенного персональным IBM совместимым компьютером) ИР5143-200. Эти результаты приняты в качестве эталонного способа.

Таблица

Номер образца	Марка стали	Глубины остаточных отпечатков, мм	Предел текучести при смятии по заявленному способу σТсм, МПа	Предел текучести по прототипу σТ, МПа	Погрешность по сравнению со способом по прототипу	Экспериментальные значения предела текучести при смятии - эталонный σТсм,э, МПа	Погрешность по сравнению с эталонным способом
h2	h1
1	Сталь 10	0,315	0,210	446	279	-59,86	466	4,29
2	Сталь 20	0,298	0,198	468	314	-49,04	492	6,09
3	Сталь 20Х	0,085	0,055	1721	1197	-43,78	1797	4,23
4	Сталь 40Х	0,108	0,072	1428	974	-46,61	1418	-0,71
5	Сталь 25ХГТ	0,083	0,054	1780	1214	-46,62	1844	3,47
6	Сталь 30ХГСА	0,116	0,077	1320	889	-49,04	1370	3,28
7	Сталь 45	0,208	0,138	670	-	-	637	-5,18
8	Сталь 50	0,132	0,088	1173	-	-	1135	-3,35

Результаты сравнения предлагаемого способа с прямым экспериментом (эталонный способ) показали, что погрешность определения, предела текучести при смятии не превышает (5…6)% и имеет характер двухстороннего разброса. Погрешность способа по прототипу (образцы 1-6) по сравнению с предлагаемым способом достигает 59%, что вполне закономерно, поскольку способ по прототипу предназначен для определения предела текучести при растяжении, а не при смятии.

Значения предела текучести при смятии, определенные по предлагаемому способу σ_Тсм, а также погрешности определения предела текучести при смятии предлагаемым способом (σ_Тсм) по сравнению со способом по прототипу (σ_Т) и найденным экспериментально – эталонным способом (σ_Тсм,э) приведены в таблице.

Результаты экспериментальной проверки свидетельствуют о пригодности предлагаемого способа для практического использования и подтверждают его высокую точность: погрешность определения предела текучести при смятии не превышает (5…6)% в широком диапазоне изменения прочностных свойств материала.

В связи с этим предлагаемый способ позволяет повысить точность определения предела текучести при смятии без разрушения материала и может быть использован для контроля различных деталей, работающих в условиях нагружения сминающими нагрузками (шпонки, шлицы, заклепки, болты, детали муфт и т.п.) без разрушения материала деталей.

Таким образом, способ определения предела текучести материала при смятии, заключающийся в нагружении поверхности испытуемого материала посредством сферического индентора двумя различными нагрузками, величина которых соответствует диапазону измерения твердости, измерении глубины двух полученных остаточных отпечатков и расчете предела текучести испытуемого материала при смятии по заявленной зависимости, является простым, не требует разрушения испытуемой детали и обеспечивает повышение точности определения предела текучести при смятии.

Способ определения предела текучести материала при смятии, заключающийся в нагружении поверхности испытуемого материала посредством сферического индентора нагрузкой, величина которой соответствует диапазону измерения твердости, измерении параметров отпечатка и расчете предела текучести испытуемого материала, отличающийся тем, что нагружение поверхности испытуемого материала посредством сферического индентора осуществляют двумя различными нагрузками и измеряют глубины двух полученных остаточных отпечатков, а предел текучести испытуемого материала при смятии рассчитывают по следующей зависимости:

,

где F₁ и F₂ – нагрузки на сферический индентор (Н);

h₁ и h₂ – глубины остаточных отпечатков (мм), отвечающие нагрузкам F₁ и F₂;

D – диаметр сферического индентора (мм);

_Тсм – предел текучести испытуемого материала при смятии (Н/мм²);

a - коэффициент пластичности при смятии, зависящий от химического состава испытуемого материала.