СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/48 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для оперативного, безобразцового контроля качества металла на металлургических заводах, для послеоперационного контроля в цехах предприятий, контроля прочности металлических конструкций зданий и сооружений.

Наиболее близким является способ определения, заключающийся в том, что в испытуемый материал вдавливают индентор и определяют размер отпечатка, при вдавливании индентора непрерывно увеличивают нагрузку до значения, соответствующего максимальному напряжению в зоне контакта, и регистрируют глубину отпечатка, а по значениям нагрузки и глубины, соответствующих максимальному напряжению, определяют предел прочности [1]
Как правило, определяется твердость и предел прочности.

Однако существующий способ имеет низкую точность и сложность применения из-за трудностей при выборе коэффициентов перехода, так как последнее не является константой.

В качестве исходных данных для расчета прочностных характеристик применяются, как правило, геометрические размеры отпечатка и усилие вдавливания индентора. В то же время сложные процессы, происходящие в материале в результате деформаций и разрушений в зоне отпечатка, не могут быть достаточно точно отражены в модели, в основу которой положены только геометрические размеры и сила вдавливания индентора.

Технический результат изобретения повышение точности измерения и расширение области использования.

Указанный результат достигается тем, что в способе, включающем внедрение индентора, измерение глубины его внедрения и определение прочностных характеристик, дополнительно измеряют максимальное значение скорости внедрения индентора, время достижения им максимальной глубины, а определение прочностных характеристик осуществляют по формулам:
HV 3247,95 + 18,68•l + 3,56•V_max 506,8 t;
HPC 123,06 6,31•l;
S_v 512,96 + 5,54•l 10,25•V_max 103,28• t;
S_t 712,31 + 5,98•l 12,28•V_max 104,16•t;
F 503,47 + 16,64•l 103,18•V_max 104,87 •t;
A 143,25 + 9,82•l 47,04•t;
где l глубина внедрения индентора;
V_max максимальная скорость процесса;
t время процесса;
MV твердость по Виккерсу;
HPC твердость по Роквеллу;
S_t предел текучести;
S_v предел прочности;
F относительное сужение;
A удельная вязкость.

Количественная оценка физических величин процесса внедрения является входом системы, а результирующими факторами прочностные характеристики металла и сплава.

Предпосылкой создания способа явились следующие положения.

Рассматривая процесс внедрения индикатора в исследуемый материал, отмечаются и фиксируются величины отдельных элементов, которые в определенной мере отражают характеристики прочности и пластичности (фиг. 1).

где: l₁ глубина проникновения индектора;
l₂ упругая деформация дна отпечатка;
V_max максимальное значение скорости;
ΔV максимальное ускорение;
t₁ время достижения максимальной глубины;
t₂ время достижения максимальной скорости;
t₃ время достижения максимального ускорения.

Можно предложить, что глубина проникновения индентора и скорость отражают величину твердости и прочности, упругая деформация дна отпечатка предел текучести, относительное удлинение и максимальное ускорение сопротивление усилию вдавливания, значения t₁, t₂, t₃ свойства вязкости образца.

Перечисленные элементы процесса проникновения индентора в образец могут быть использованы в качестве факторов для построения математической модели прочностных характеристик, например в виде уравнений регрессии
V = f(l₁,l₂,V_max,ΔV,t₁,t₂,t₃).
Здесь в качестве выхода V могут быть получены перечисленные выше характеристики прочности: H, S_v, S_t, A, F.

Способ осуществления на разработанной лабораторией установке, которая представляет собой прибор с динамическим приложением нагрузки.

Нанесение отпечатка производилось с помощью ударного узла, который сообщает индентору строго определенное количество энергии. Форма сигнала соответствует кривым, показанным на чертеже. Для регистрации полученного сигнала был использован двухлучевой осциллограф марки C8-17 с запоминающим экраном. В ударный узел был вмонтирован индукционный датчик скорости. Во время внедрения индентора в датчике возникла ЭДС, величина которой была пропорциональна скорости. Кривая, полученная на экране осциллографа в соответствии с масштабной сеткой, фиксировалась точками, которые затем аппроксимировались кривой.

Для проведения испытаний были выбраны конструкционные стали, которые прошли проверку по химическому составу и прочностным характеристикам. По каждой марке стали из одного прута были вырезаны по три образца испытания на разрыв и упругую вязкость. Форма и размеры образцов гостированы. На первом этапе испытаний в качестве образцов испытывались стандартные плитки твердости, имеющие отклонения ± 2,5% В интервале твердости от 200 до 800 HV было взято пять плиток HV 195, HV 260, HV 452, HV 750, HV 800.

Процедура испытаний заключалась в том, что каждой плитке наносилось три удара, и на экране высвечивались и запоминались три кривые. Отклонение кривых использовались для оценки рассеивания.

Обработка полученных данных являлась основой для расчетов уравнения регистрации.

Аналогичные испытания были приведены на образцах. Полученные результаты представлены в табл. 1 и 2.

Область использования: в машиностроении для оперативного безобразцового контроля качества металла, для послеоперационного контроля, контроля прочности металлоконструкций и сооружений. Сущность изобретения: для оценки прочностных характеристик металла (предел прочности, предел текучести, ударная вязкость, относительное сужение и относительное удлинение) используются физические характеристики процесса внедрения индентора - максимальная скорость внедрения, время всего процесса, глубина проникновения индентора, определяемые по формулам:
H_v = 3246,95 + 18,68 l + 3,56 V_max - 506,8 t
HRC = 123,06 - 6,31 l
S_v = 512,96 + 5,54 l - 10,25 V_max - 103,28 t
S_t = 712,31 + 5,98 l - 12,28 V_max - 104,16 t
F = 503,47 + 16,64 l - 103,18 V_max - 104,87 t
A = 143,25 + 9,82 l - 47,04 t,
где l - глубина проникновения индентора,
V_мах - максимальная скорость процесса,
t - время процесса,
H_v - твердость по Виккерсу,
HRC - твердость по Роквеллу,
S_t - предел текучести,
S_v - предел прочности,
F - относительное сужение,
A - удельная вязкость. 1 ил., 2 табл.

Способ определения прочностных характеристик металлов и их сплавов, заключающийся в том, что внедряют индентор в испытуемый материал, измеряют глубину внедрения и определяют его прочностные характеристики, отличающийся тем, что дополнительно измеряют максимальное значение скорости внедрения индентора, время достижения им максимальной глубины, а определение прочностных характеристик осуществляют по формулам
Н_v 3247,95 + 18,68l + 3,56v_max 506,8t;
НRC 123,06 6,31l;
S_v= 512,96 + 5,54l 10,25v_max 103,28t;
S_t 712,31 + 5,98l -12,28v_max 104,16t;
F 503,47 + 16,64l -103,18v_max 104,87t;
A 143,25 + 9,82l 47,04t,
где l глубина внедрения индентора;
v_max максимальная скорость процесса;
t время процесса;
H_v твердость по Виккерсу;
НRС твердость по Роквеллу;
S_t предел текучести;
S_v предел прочности;
F относительное сужение;
A удельная вязкость.