СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/42 

Изобретение относится к области измерения физико-механических свойств материалов и может быть использовано для неразрушающего контроля материалов оборудования как при его изготовлении, так и при эксплуатации.

Испытание на твердость является достаточно чувствительным и надежным методом физико-механического анализа материалов. Получение своевременной информации об изменении физико-механических свойств материалов оборудования является одним из условий обеспечения безопасности АЭС, химического производства, турбогенераторов, летательных аппаратов и т.д. К способам определения твердости предъявляются определенные требования: во-первых, испытания должны быть неразрушающими, во-вторых, после испытаний должно быть минимальное повреждение в элементах конструкций, в-третьих, используемые для контроля приборы должны быть переносными и компактными.

Известны способы определения твердости, включающие воздействие на поверхность материала индентора путем приложения к индентору нагружающего усилия и определение твердости по характерному размеру полученного отпечатка. Это способы Бринеля, Роквелла, Виккерса, включающие воздействие на поверхность материала соответственно закаленного стального шарика, алмазного конуса с углом при вершине 120^o и алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом между противоположными гранями 136^o.

Например, способ определения твердости по Бринелю (см. Ильюшин А.А. Ленский В. С. Сопротивление материалов. М. Физматгиз, 1959, с. 323), включает воздействие на поверхность материала закаленного стального шарика путем приложения к нему определенного нагружающего усилия в течение определенного времени. После снятия нагрузки измеряют диаметр оставшегося на поверхности сферического отпечатка, а затем определяют твердость как величину, равную нагрузке, приходящейся на единицу площади поверхности отпечатка.

Недостатком известного способа является значительное повреждение поверхностного слоя (создание конценторов напряжений) в элементах конструкций после определения твердости, обусловленное значительной глубиной внедрения индентора в поверхность материала.

Это обусловлено тем, что одновременно с деформацией материала в месте контакта со сферическим индентором (образование отпечатка) происходит деформирование в околоконтактной зоне, т.е. возникновение упруго-пластической деформации в зоне, прилегающей к отпечатку. При этом возникают нормальные и касательные напряжения, которые монотонно убывают по мере углубления. Зона наибольших касательных напряжений возникает на поверхности материала, причем величина этих напряжений не прямо пропорциональна глубине внедрения, а определяется главным образом диаметром внедрения индентора на поверхности материала.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является способ определения твердости, описанный в книге Гогоберидзе Д.Б. Твердость и методы ее измерения, М.-Л. 1952, с. 177-181.

Известный способ определения твердости заключается в воздействии на поверхность материала торцом цилиндрического индентора путем приложения к индентору нагружающего усилия, оценивании характера околоконтактной зоны и определении твердости материала.

Характер околоконтактной зоны оценивают с помощью метода Теплера, который позволяет с большой четкостью зафиксировать детали строения поверхности изучаемого тела при возникновении в нем упругих и пластических деформаций.

В отличие от описанного выше способа определения твердости по Бринелю данный способ за счет использования для воздействия на поверхность материала торца цилиндрического индентора позволяет создавать максимальные касательные напряжения на поверхности испытуемого материала с начала нагружения, в результате чего происходит пластическое деформирование вне зоны контакта индентора и материала. Это дает возможность определить твердость по характеру околоконтактной зоны с минимально возможным повреждением поверхностного слоя материала за счет резкого снижения необходимой глубины внедрения индентора.

Недостатком такого способа определения твердости является невозможность получения значений твердости в единицах стандартизированных методов, т.к. оценка характера околоконтактной зоны осуществляется визуально по деталям строения поверхности изучаемого материала, по качественным характеристикам трещинообразования
Задачей данного изобретения является создание способа определения твердости, в котором значение твердости определялось бы в единицах стандартизированных методов (например, по Бринелю) с минимально возможным повреждением поверхностного слоя контролируемых материалов, что повышает достоверность контроля механических свойств материалов и конструкций.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения твердости, заключающемся в том, что воздействуют на поверхность материала торцом цилиндрического индентора путем приложения к индентору нагружающего усилия, оценивают характер околоконтактной зоны и определяют твердость материала, согласно изобретению, оценку характера околоконтактной зоны осуществляют путем измерения диаметра околоконтактной зоны, устанавливают зависимость этого параметра от твердости и определяют твердость с учетом этой зависимости.

Поставленная задача решается также тем, что диаметр околоконтактной зоны измеряют после снятия нагрузки. А также тем, что диаметр околоконтактной зоны измеряют во время воздействия индентора на поверхность материала. Кроме того, тем, что диаметр околоконтактной зоны измеряют методом голографической интерферометрии.

Использование для оценки характера околоконтактной зоны конкретного физического параметра ее диаметра и возможность определения твердости по этому параметру по построенным заранее тарированным кривым зависимости диаметра от твердости известных материалов, а также возможность проводить оценку околоконтактной зоны за счет использования цилиндрического индентора, при незначительном проникновении в поверхность материала создает максимальные касательные напряжения на его поверхности, позволяет определять твердость в единицах стандартизированных методов с минимально возможным повреждением поверхностного слоя. Это повышает достоверность контроля механических свойств материалов и конструкций.

Определение диаметра околоконтактной зоны после снятия нагрузки предполагает создание зоны остаточной деформации, что позволяет применять динамические способы нагружения индентора. Динамическое нагружение, например, осуществляемое с помощью пружинного устройства, позволяет обеспечить минимальное повреждение поверхности. Кроме того, пружинное устройство является компактным, переносным, конструктивно простым и легко монтируемым.

Определение диаметра околоконтактной зоны во время воздействия индентора предполагает создание упругой или упруго-пластической деформации, что позволяет снизить глубину внедрения индентора, т.е. на контролируемом материале практически не остается остаточной деформации.

Использование метода голографической интерферометрии, обладающего высокой чувствительностью, позволяет также повысить достоверность контроля.

На фиг. 1 представлено устройство, с помощью которого можно определить твердость предлагаемым методом; на фиг.2 схема деформирования образца торцом цилиндрического индентора (вид сверху).

Заявляемый способ определения твердости заключается в следующем.

На регистрирующую среду записывают, например, голограмму исходной поверхности исследуемого материала, затем воздействуют на поверхность материала торцом цилиндрического индентора, прикладывая к индентору нагружающее усилие фиксированной величины. Вторично записывают голограмму на ту же регистрирующую среду. По полученной голографической интерферограмме определяют диаметр околоконтактной деформированной зоны. Предварительно устанавливают зависимость твердости материала от диаметра околоконтактной зоны. Используя полученные зависимости, определяют твердость контролируемого материала.

По второму варианту диаметр околоконтактной зоны измеряют во время воздействия нагрузки, т.е. повторную голограмму записывают во время воздействия индентора на поверхность материала.

Пример реализации предлагаемого способа приведен для варианта измерения околоконтактной зоны после снятия нагрузки.

Для записи голографической интерферограммы использовалась схема во встречных лучах (схема по Денисюку), приведенная на фиг.1. Воздействие на поверхность материала осуществлялось торцом цилиндрического индентора, диаметр которого 1,5 мм, для приложения к индентору нагружающего усилия (низкоскоростной удар) использовалось пружинное устройство.

Луч лазера (модель ЛГН-215) расширялся микрообъективом 2, проходил сквозь фотопластину 3 (модель ПФГ-03), установленную в позиционном держателе 4 и освещал поверхность 5 контролируемого материала. После первой экспозиции длительностью 25с луч 1 лазера перекрывался и фотопластина 3 выводилась из позиционного держателя 4.

С помощью пружинного устройства осуществлялось фиксированное воздействие на поверхность материала торцом цилиндрического индентора. Глубина внедрения индентора составляла до 10 мкм. После снятия нагрузки фотопластина 3 возвращалась в позиционный держатель 4 и экспонировалась повторно лучом 1 лазера в течение 25с.

После фотохимической обработки и сушки на фотопластине 3 была записана голографическая интерферограмма в белом свете, на которой четко выражена околоконтактная зона диаметром D (фиг.2), при этом диаметр d контакта равен диаметру цилиндрического индентора.

В околоконтактной зоне происходит пластическое деформирование и интерференционные полосы резко отличаются по ширине и расположению (полосы узкие, густорасположенные) от полос вне околоконтактной зоны.

Измерение диаметра околоконтактной зоны производилось штангенциркулем по средней линии крайней интерференционной полосы, принадлежащей околоконтактной пластической зоне.

Для установления зависимости диаметра от твердости в единицах твердости стандартизированных методов использовались тарированные кривые графики зависимости величины, обратной диаметру околоконтактной зоны (размерность 1/мм) от единиц твердости по Бринелю. Тарированные кривые получают опытным путем, коррелируя результаты измерений на известных материалах стандартизированными методами и заявляемым способом.

Тарированные кривые строят при фиксированных нагружающих усилиях.

Используя тарированные кривые определяют твердость исследуемого материала.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает измерение твердости в единицах стандартизированных методов с минимально возможным повреждением поверхностного слоя.

Для снятия голографической интерферограммы в варианте измерения диаметра околоконтактной зоны во время воздействия индентора на поверхность материала можно использовать схему с наклонным опорным лучом (двухлучевая схема Лейта и Упатниекса), описанную в книге Островского Ю.И. и др. Голографические интерференционные методы измерения деформаций, М. Наука, 1988 г.

При использовании этого варианта на контролируемом материале практически не остается остаточной деформации.

Используя предлагаемый метод для контроля конструкции из сталей различных марок, были получены следующие значения твердости в зависимости от диаметра околоконтактной зоны (нагружающее усилие постоянное), см. таблицу.

На определение твердости по предлагаемому методу оказывает влияние погрешность измерения диаметра околоконтактной зоны, которая складывается из погрешности определения координат крайней интерференционной полосы околоконтактной пластической зоны и равна до 25% ее ширины, что составляет 0,3-0,5 мм для различных диаметров околоконтактной зоны. При этом относительная погрешность измерения диаметра не более 6%
Точность измерения повышается с увеличением чистоты обработки. При 7 классе обработки высота микронеровностей поверхности составляет менее 10% глубины внедрения индентора, при 10-14 классах обработки высота микронеровностей составляет менее 1% глубины внедрения индентора. Т.е. точность предлагаемого способа не ниже точности известных стандартизированных способов.

Способ определения твердости включает контактное воздействие индентором с плоской рабочей поверхностью с фиксированной силой на поверхность изделия или образца и оценке твердости по характерному размеру околоконтактной зоны. Характерный размер околоконтактной зоны определяется после снятия нагрузки или во время воздействия индентором. Индентор имеет цилиндрическую форму. Характерный размер околоконтактной деформированной зоны определяется методом голографической интерферометрии. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ определения твердости, заключающийся в том, что воздействуют на поверхность материала торцом цилиндрического индентора путем приложения к индентору нагружающего усилия, оценивают характер околоконтактной зоны и определяют твердость материала, отличающийся тем, что оценку характера околоконтактной зоны осуществляют путем измерения диаметра околоконтактной зоны, устанавливают зависимость этого параметра от твердости, и определяют твердость с учетом этой зависимости. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диаметр околоконтактной зоны измеряют после снятия нагрузки. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диаметр околоконтактной зоны измеряют во время воздействия индентора на поверхность материала. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что диаметр околоконтактной зоны измеряют методом голографической интерферометрии.