СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА Российский патент 1996 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к исследованию материалов путем определения их механических свойств и может быть использовано при определении модуля нормальной упругости материалов.

Известен способ определения механических свойств материалов, где в качестве таковых являются характеристики упругости и динамической твердости, состоящей в регистрации и анализе ультразвуковых колебаний образца, возбуждаемых при ударе по нему каким-либо телом [1] К недостаткам этого способа следует отнести его сложность и потребность для реализации специальной электронной аппаратуры.

Наиболее близким является способ определения механических свойств путем измерения твердости по "Роквеллу", заключающийся во вдавливании в испытуемый материал шарового индентора, к которому сперва прикладывают предварительно нагрузку, а затем окончательную большую нагрузку, снимают эту нагрузку и фиксируют результат [2] Недостатком способа является его малая информативность.

Технической задачей является расширение возможностей способа путем дополнительного определения модуля нормальной упругости. Задача решается тем, что дополнительно фиксируют результат при приложенной большей нагрузке, а также повторяют те же измерения с плоским индентором, а модуль нормальной упругости рассчитывают с помощью преобразованной известной формулы Герца [3]
Cпособ осуществляют при помощи прибора для измерения твердости по "Роквеллу". Производят вдавливание шарового индентора в исследуемый материал, прикладывая предварительную нагрузку, совмещают "Нуль" шкалы с концом стрелки, прикладывают основную нагрузку. В отличие от известного способа (определения твердости) показания прибора фиксируют не только в разгруженном состоянии, но и под нагрузкой. Кроме того, ту же самую процедуру проделывают, сменив шаровой индентор на плоский. Модуль рассчитывают по формуле, полученной из известной формулы Герца (3):

где W [(A-B)-(C-D)] K упругое сближение образца и индентора,
A и В показания стрелки в разгруженном и нагруженном состоянии соответственно с шаровым индентором,
С и D то же самое с плоским индентором,
K цена деления шкалы прибора,
μ,, μ_и коэффициенты Пуассона материалов образца и индентора,
E, E_и модули нормальной упругости материалов образца и индентора,
P нагрузка,
R радиус шарового индентора.

Прибор устроен так, что показывает величину деформации, возникающей при приложении основной нагрузки. Однако эта деформация включает в себя упругую (обратимую) и пластическую (необратимую или остаточную). Для определения твердости учитывают только величину пластической деформации при внедрении индентора в испытуемый материал и поэтому снимают показания прибора после снятия основной нагрузки. Для определения же модуля по формуле (1) необходимо знать упругое сближение, т.е. из показания прибора в разгруженном состоянии (A) вычитаем показание в нагруженном состоянии (B), для чего и предполагается фиксировать последнее. Однако в полученную таким образом величину упругой деформации, кроме искомого сближения, дает вклад упругая деформация элементов самого прибора. Поэтому предлагается для определения величины этого вклада провести ту же процедуру с плоским индентором и найденную величину (C D) вычесть из общего значения (A B).

Пример. Образец стальную пластинку с твердостью НРС 45 ед. приводили в соприкосновение с шаровым индентором стальным закаленным шаром диаметром 2,5 мм, прикладывали предварительную нагрузку в 10 кг, совмещали стрелку с "нулем" шкалы, затем производили нагружение нагрузкой Р 40 кг, снимали показания В 66, разгружали и снова снимали показания A 95, затем устанавливали плоский индентор и снимали те же показания в нагруженном состоянии D 79 и в разгруженном состоянии С 99. μ коэффициент Пуассона стали 0,3, Е_и 20000 кг/мм², радиус шарового индентора 1,25 мм. Расчет показал (формула 1), что искомый модуль упругости Е 20500 кг/мм², что согласуется с табличными данными [4] т.е. стало возможным при помощи прибора "Роквелла" определять кроме твердости модуль нормальной упругости.

Литература
1. Баранов В.М. Ультразвуковые измерения в атомной технике. М. Атомиздат, 1975, с.263.

2. Испытания металлов. М. Металлургия, 1967, с.45.

3. Дрозд М. С. Матлин М.М. Сидякин Ю.Н. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. М. Машиностроение, 1986, с.220.

4. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. Справочник. М.-Л. Энергия, 1967, с.240.

Сущность изобретения: испытуемый образец размещают в устройстве для измерения твердости по Роквеллу, вдавливают в него предварительно нагруженный шаровой индентор. Затем прикладывают основную - большую нагрузку. После ее снятия фиксируют показания стрелки измерительного прибора при разгруженном инденторе, используя их при определении параметра, характеризующего механические свойства материала. Фиксируют также показания стрелки измерительного прибора при нагруженном инденторе. Все операции повторяют при вдавливании плоского индентора из того же материала, что и шаровой, а в качестве параметра, характеризующего механические свойства материала, выбирают модуль упругости Е, который определяют по формуле
,
где: μ и m_и - коэффициенты Пуассона материала и индентора; E_и - модуль нормальной упругости материала индентора; Р - нагрузка; R - радиус шарового индентора; W - упругое сближение образца и индентора W = [(A-B)-(C-D)] K, где A, B - показания стрелки в нагруженном и разгруженном состоянии шарового индентора; С и D - показания стрелки прибора в нагруженном и разгруженном состоянии плоского индентора; K - цена деления шкалы прибора.

Способ определения механических свойств материала, по которому образец испытуемого материала размещают в устройстве для измерения твердости по Роквеллу, вдавливают в образец шаровой индентор, к которому прикладывают предварительную нагрузку, затем основную большую нагрузку, снимают эту нагрузку, фиксируют показания стрелки измерительного прибора устройства при разгруженном инденторе и используют эти показания при определении параметра, характеризующего механические свойства материала, отличающийся тем, что дополнительно фиксируют показания стрелки измерительного прибора при нагруженном инденторе, затем те же операции повторяют при вдавливании плоского индентора из того же материала, что и шаровой, а в качестве параметра, характеризующего механические свойства материала, выбирают модуль упругости E, который определяют по формуле

где μ и μ₄ коэффициенты Пуассона материала и индентора;
E₄ модуль нормальной упругости материала индентора;
P нагрузка;
R радиус шарового индентора;
W упругое сближение образца и индентора;
W [(A B) (C D)]K,
где A, B показания стрелки в нагруженном и разгруженном состоянии шарового индентора;
C, D показания стрелки прибора в нагруженном и разгруженном состоянии плоского индентора;
K цена деления шкалы прибора.