СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛА Российский патент 1996 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к области механики твердого деформированного тела, а именно: к исследованию предела прочности материала на разрушение при одноосном сжатии. Предел прочности материала на разрушение при одноосном сжатий считается основной характеристикой механических свойств твердых тел. В противоположность твердости этот показатель является физической величиной. Известный способ определения этого показателя сводится к разрушению плоскопараллельного образца правильной геометрической формы (1),
Предел прочности при сжатии (σc) определяется как отношение осевой нагрузки Р в момент разрушения образца к площади его сечения F:
(1),
F=πD²/4 (2),
где D диаметр образца (обычно принимается D 40 мм, а высота образца H 40 мм).

Торцы образца подшлифовываются образивным микропорошком в специальной оправе, изготовленной по второму классу точности, Контроль параллельности и выпуклости производится на поверочной плите с помощью индикатора часового типа, перпендикулярность торцев и образующей цилиндра контролируются шаблоном. Испытание на одноосное сжатие проводятся на прессе с шаровой опорой с применением специальной приставки на сжатие. Приставка обеспечивает строгое центрирование образца относительно приложенной нагрузки, при этом нагрузка должна изменяться плавно от ноля до своего максимального значения, соответствующего разрушению образца.

Недостатком такого способа определения предела прочности материала на разрушение при одноосном сжатии является низкая точность определения этого показателя механического свойства материала. Это объясняется тем, что на его величину существенное влияние оказывают линейные размеры испытываемых образцов (масштабный фактор), чистота обработки боковых поверхностей и плоскопараллельных торцов, величина коэффициента трения между плитами пресса и образцом, соотношение диаметра к высоте образца, скорость приложения нагрузки, явление упругого гистерезиса, упругого последействия, релаксации, ползучести и вязкости, которые зависят от большого числа факторов: температуры тела, вида напряженного состояния, характера приложения нагрузки и др.

Изменение скорости деформирования образца в процессе испытания исключает возможность правильно определить его сопротивление деформированию. Следовательно, нельзя сохранить в процессе нагружения равновесие между внешними силами и сопротивлением образца деформированию и иметь истинную картину зависимости на диаграмме "нагрузка деформация". Кроме того, недостатком способа непосредственного нагружения являются затруднения, связанные с необходимостью приложения к образцу значительных нагрузок.

Деформирование материала сопровождается его уплотнением, что нарушает естественную структуру образца, имеет скачкообразный характер, что не позволяет четно выделить границы перехода от упругого деформирования к пластическому и далее к разрушению и вычислить истинное значение площади контакта между индентором и испытываемым образцом.

Задачей является повышение точности определения предела прочности материала. Поставленная задача достигается тем, что предложенный способ определения предела прочности материала на разрушение при одноосном сжатии отличается тем, что с целью повышения точности определения этого показателя испытываемый материал произвольной формы и находящийся в произвольном пространственном положении нагружают локально заданной силой (Р), приложенной по оси к специальному индентору, имеющему на конце режущее лезвие, затем его вращают и вытачивают в материале глухое отверстие, при этом осевая сила во время вытачивания поддерживается постоянной, а площадь контакта инжектора и материала выражают по формуле:
F=lh/tgαN (3),
где: l длина режущей кромки индентора;
α заданный угол режущей грани индентора;
N общее количество оборотов индентора
h глубина глухого отверстия.

Повышение точности определения предела прочности материала при сжатии предложенным способом достигается за счет локального характера разрушения материала и возможности использования в процессе определения минимального значения площади контакта индентора и материала, что устраняет перечисленные выше недостатки.

Рассмотрим условие динамического равновесия индентора и материала в процессе определения предела его прочности при одноосном сжатии по чертежу где режущая кромка длиной l индентора 1 с режущей гранью, имеющей заданный угол a, нагружена осевой силой Р, вращается вокруг оси Z и внедрена в материал 2 на глубину s за один оборот. Тогда площадь контакта (abcg)
(3).

Для повышения точности измерения длины контакта l поверхность испытуемого материала должна быть плоской и иметь предварительно просверленное малое глухое отверстие диаметром d<D, где D диаметр глухого отверстия, высверливаемого режущей крoмкой индентора. Тогда l (D d)•0,5 (4).

Для повышения точности измерения параметра d выразим его отношением:
(5),
где: h углубление индентора в материал;
N общее количество оборотов индентора.

Параметр δ является главным, так как он при неизменном значении всех остальных параметров, входящих в формулу (3),UP полностью характеризует прочность материала при сжатии (σc).

С учетом усовершенствований, выраженных формулами (4) и (5), формула (3) имеет вид:
(6).

Подставив (6) в (1), получим формулу для вычисления предела прочности материала при одноосном сжатии предложенным способом:
(7).

Индентор может иметь две режущие кромки и угол при вершине, например, l=(D-d)/cosβ, где β=30^°; различное число оборотов и нагрузку (Р 5 100 кг), однако результат определения (σc) по формуле (7) останется неизменным.

Рассмотрим наиболее характерные примеры определения предела прочности материала при сжатии предложенным способом, при этом был использован специально изготовленный прибор, выполненный на базе ручной электрической дрели. В патрон прибора зажимается индентор с известными значениями диаметра и заднего угла его тщательно заточенного режущего лезвия, выполненного из победитового сплава. Для измерения общего числа оборотов индентора предусмотрен счетчик с приемной малой шестерней, жестко закрепленный к корпусу прибора на специальном кронштейне, там же закреплен конечный выключатель (тумблер). Непосредственно на шейке индентора закрепляется ведущая большая шестерня. Верхняя часть прибора оборудована измерительной пружиной сжатия, используемой для задания и измерения осевой нагрузки на индентор. Предварительно пружина тарируется на специальных весах. Учитывается вес прибора. Пружина посредством центрального натяжного винта с гайками, верхней платы, суппорта с четырьмя отверстиями и направляющими шпильками соединена с возможностью перемещения в пределах 1,5-2 мм с корпусом прибора. Нагрузка создается вручную через рукоятки, одна из которых оборудована начальным тумблером. Тумблер автоматически включает дрель при достижении заданного значения осевой нагрузки.

Испытуемый материал (латунь) располагался жестко в призме в нижнем положении (на фото не показан). Результаты опытов следующие.

Предварительно засверленные глухие отверстия d 3,7 мм обработаны индентором D=7,9 мм (7,9-3,7)•0,5=2,1=l•α=18^°, tgα=0,325.. Общее передаточное отношение счетчика: К К₁ К₂ 2•10 20. Осевая нагрузка в обоих опытах составляла Р 22,5 кг. Тогда:
Опыт N 1: N1 115 oб. h1 11 мм:
Опыт N 2: N2 72,5 об. h2 6,8 мм.

По формуле (5): F1 0,614 мм²; F2 0,606 мм².

По формуле (7); (σc₁) 36,6 кг/мм²; (σc₂) 37 кг/мм².

Испытание предложенного способа проводились также по другим материалам (10 наименований), при этом использовался стационарный прибор, оборудованный вместо пружины тарированными грузами.

Использование: в исследовании предела прочности материала на разрушение при одноосном сжатии, для повышения точности определения. Сущность изобретения: образец материала произвольной формы и произвольно ориентированный в пространстве нагружают постоянной осевой силой на заданной площади контакта до разрушения. Постоянную осевую силу прикладывают через индентор посредством выполненного на его торце режущего лезвия. Определяют глубину глухого отверстия, число оборотов индентора и площадь контакта образца материала и индентора, по которым определяют предел прочности. 1 ил.

Способ определения предела прочности материала, по которому нагружают образец испытуемого материала осевой силой Р на заданной площади контакта F до его разрушения и определяют предел прочности σ_c по формуле σ_c=P/F, отличающийся тем, что используют образец материала произвольной формы и произвольно ориентированный в пространстве, нагружают его постоянной осевой силой, которую прикладывают к образцу через индентор с режущим лезвием на рабочем торце, при приложении осевой силы индентор вращают, вытачивая при этом глухое отверстие, определяют глубину h отверстия и число N оборотов индентора, а площадь F контакта образца с индентором определяют из соотношения
F=lh/tgα•N,
где α заданный угол режущей грани лезвия индентора;
l длина режущей кромки лезвия индентора.