СПОСОБ ОЦЕНКИ ПЛАСТИЧНОСТИ УПРОЧНЕННОГО МЕТАЛЛА Российский патент 1997 года по МПК G01N3/42 

Изобретение относится к исследованию свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий.

Известен способ оценки сопротивления хрупких материалов разрушению с помощью методов, использующих принципы разрушения при статических нагрузках.

Ситуация, когда в материале наступает момент катастрофического распространения трещины, т.е. происходит разрушение от напряжений критического значения, у вершины трещины, оценивается по величине коэффициента интенсивности напряжения K_1C. При этом используют соотношение Гриффитца:

где
l_кр критическая длина трещины;
Y геометрический коэффициент важный параметр разрушения.

Одновременность определения K_1C в условиях макроскопического силового нагружения и микроиндентирования дополняет и увеличивает информативность о свойствах материала.

Для микроиндентирования характерна меньшая подверженность влиянию структурной неоднородности материала, т.к. длина трещины, образующаяся от укола индентором, существенно меньше длины трещины, которая приводит к разрушению образца.

При всей достоверности и отработанности способа определения K_1C при силовом нагружении и способе микроиндентирования указанные способы имеют недостатки:
длительный цикл изготовления образцов и их испытаний и последующая обработка результатов;
большая трудоемкость обусловлена необходимостью выращивания усталостной трещины, многократных измерений размеров ее, определения усилия разрыва и диаметра перешейка в месте разрыва;
о величине K_1С испытуемого материала судят косвенно после проверки неравенств (2) и (3) и по виду излома

При невыполнении условия Q_f уменьшают до требуемой величины

где
σ_т предел текучести.

При выполнении этих условий K_1C считается достоверным.

Усталостная трещина, выращиваемая в образце перед испытанием для определения K_1C, создает в своей вершине концентратор напряжений, но расположена выращенная трещина на периферийной части образца. В этой части образца в зоне концентратора (устья трещины) при нагружении на образец создается близкое к линейному напряженное состояние.

Наиболее же опасное объемное напряженное состояние у испытываемого образца создается на его оси. В способе оценка пластичности материала в терминах деформации отсутствует.

Известен способ определения модуля упругости материала путем вдавливания в поверхность испытуемого материала двух цилиндрических инденторов, регистрации нагрузки на второй индентор и с ее учетом определяют модуль упругости материала.

Однако этот способ непригоден для оценки определения пластичности материала, так как оценивает модуль упругости, т.е. показатель сил связи, а не способность к пластической деформации.

В качестве прототипа принят способ оценки пластичности, согласно которому в поверхность испытуемого материала вдавливают шаровой индентор, определяют общую деформацию (упругую + пластическую) в невосстановленной лунке по формуле:

где d₀ диаметр шара;
d диаметр лунки.

По этому способу расчет деформации основан на предположении, что тончайший круг, равный диаметру лунки d под действием шара, вдавливаемого в центр этого круга, деформируется, огибая шар. Поэтому круг превращается в сегмент с радиусом кривизны равным радиусу шара (r_кр r_ш). По разнице в площадях шарового сегмента и круга оценивают деформацию в лунке.

Однако следует отметить, что при этих условиях определяется накопленная деформация в невосстановленной лунке, пропорциональная усилию.

Неудобство использования этого способа состоит в том, что для определения пластичности необходимо, кроме диаметра лунки d, измерить еще и глубину восстановленной лунки h.

Предлагают приемы определения величины h следующие:
использование формулы Герца для определения упругого восстановления в центре лунки;
математический расчет зависимостей между соотношениями d/d₀ и h/t.

Несмотря на то, что этого затруднения можно избежать, используя указанные методы определения h, высокая трудоемкость данного метода очевидна. В нем отсутствует учет момента образования трещин.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Задача изобретения совершенствование известного способа оценки пластичности материала, а именно, повышение его точности и снижение трудоемкости.

Технический результат заключается в том, что определяется не просто пластическая деформация, а предельная пластическая деформация, т.е. момент разрушения металла, т. е. точки, соответствующей предельной пластической деформации.

Этот результат достигается тем, что в способе оценки пластичности материала, заключающемся в том, что в поверхность испытуемого материала вдавливают индентор, на поверхность испытуемого материала наносят дополнительные отпечатки индентора, постепенно сближая их до появления трещины между ними, причем в качестве индентора используют пирамиду, а пластичность материала оценивают по отношению диагонали отпечатка и длины трещины в момент ее появления.

При вдавливании пирамиды образуются углы места концентрации напряжений, которые и вызывают разрывы трещины, тем самым ускоряют момент наступления разрушения. Таким образом присутствуют два процесса: пластическая деформация (диагональ отпечатка) и разрушение материала (длина трещины). Их соотношение и служит показателем предельной пластичности материала.

Предлагаемый способ осуществляют следующим путем.

Берут металлы с высокой твердостью. Готовят образцы. Делают уколы на приборе Виккерса или ПМТ-3 пирамидальным индентором вблизи друг от друга. Сближают их до тех пор, пока не проскочит трещина между отпечатками. Измеряют длину трещины расстояние между ее концами и диагональ отпечатка индентора в момент появления трещины.

Находят предельную деформацию

где
ε_пред предельная деформация;
d_отп диагональ отпечатка, мм;
l_тр длина трещины, мм.

Если трещина не возникает, то это означает, как бы близко не располагались отпечатки, предельная деформация такого материала считается не достигнутой. При деформациях выше предельной (запредельной) всегда имеет место трещина. Чем ниже ε_пред, тем более хрупок материал.

Пример осуществления способа. Для экспериментов использовали стали ХВГ, 9ХС, У10А, обработанные на наивысшую твердость по следующим режимам, приведенным в табл. 1. Делали уколы пирамидальным индентором на приборе Виккерса, сближая их между собой.

В табл. 2-4 приложения приведены примеры обнаружения момента образования трещин при различных расстояниях между отпечатками на сталях ХВГ, 9ХС и У10А.

Достоверность результата подтверждается тем, что после достижения предельной деформации (момента появления трещины), все другие деформации являются запредельными, т. е. при них обязательно появляется трещина, независимо от того, как смещены один от другого отпечатки (табл. 5).

Из табл. 2 видно, что минимальная предельная деформация стали ХВГ составляет 1,85. При деформациях запредельных всегда имеет место трещина, при допредельных трещин нет.

Из табл.3 видно, что минимальная предельная деформация стали 9ХС составляет 2,31.

Из табл. 4 видно, что минимальная предельная деформация стали У10А составляет 7,4.

Из анализа табл. 2 4 следует, что наименее хрупкой является сталь У10А, более хрупкой 9ХС, еще более хрупкой ХВГ.

Из табл. 5 видно, что как бы ни поворачивали отпечатки, при запредельных деформациях всегда появляются трещины.

Полученные результаты могут быть использованы для оценки предельной пластичности закаленных и вообще упрочненных материалов:
по разнице предельных деформаций и длин трещин можно судить о пластичности разных материалов с одинаковой твердостью;
тот материал, у которого величина предельной деформации меньше, менее пластичен (при одинаковой твердости и диагонали отпечатка);
можно определить размер зоны пластической деформации.

Проведенные испытания показали, что:
сталь ХВГ другой плавки более пластична, чем первой (табл. 1), сталь У10А более пластичная против 9ХС и ХВГ, сталь 9ХС более пластичная чем ХВГ (первой плавки),
метод достаточно эффективен в оценке предельной пластичности упрочненных сталей.

Предлагаемый способ соответствует критерию промышленной применимости.

Область использования: в способах исследования свойств материалов при приложении механических усилий. Сущность изобретения: оценка пластичности упрочненного материала осуществляется путем вдавливания в испытуемую поверхность материала пирамидального индентора на приборе Виккерса при постепенном сближении отпечатков до появления трещины между ними. Затем определяют предельную пластичность материала по отношению длины трещины и диаметра отпечатка в момент появления трещины. Способ прост в осуществлении и позволяет определить не просто пластичность в момент разрушения материала. 5 табл.

Способ оценки пластичности упрочненного металла, заключающийся в том, что в поверхность испытуемого материала вдавливают индентор, отличающийся тем, что на поверхность испытуемого материала наносят дополнительные отпечатки индентором, постепенно сближая их до появления трещины между ними, причем в качестве индентора используют пирамиду и определяют предельную пластичность материала в момент появления трещины по отношению диагонали отпечатка индентора к длине трещины.