СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ Российский патент 1999 года по МПК G01N3/48 

Изобретение относится к методам испытания материалов, в частности, к способам определения твердости материалов.

Известен способ определения твердости (см. книгу М.С. Дрозда, М.М. Матлина, Ю. И. Сидякина. "Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации". - М.: Машиностроение, 1986. -221 с., на с. 24), заключающийся в том, что испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора с использованием заданной нагрузки, после снятия нагрузки с индентора измеряют глубину остаточного отпечатка, а статическую твердость испытуемого материала определяют по формуле
HД = P/π•Dh, (1)
где НД - статическая твердость испытуемого материала; P - нагрузка на индентор; h - глубина остаточного отпечатка; π = 3,14.

Недостатком данного способа является использование статического внедрения индентора, тем самым ограничивается его применение для определения твердости непосредственно на готовых деталях и металлоконструкциях, в том числе крупногабаритных.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения твердости материалов (по а.с. 932371, М.кл. G 01 N 3/48, заявл. 05.11.80 г., Опубл. 30.05.82 г., Б.И. N 20), заключающийся в том, что под действием удара внедряют индентор в испытуемый материал, предварительно определяют зависимость динамического коэффициента твердости материала от его статической твердости и скорости удара, измеряют диаметр отпечатков на поверхности испытуемого материала и определяют статическую твердость последнего, при этом производят удар с известной скоростью ударником с известной массой и определяют статическую твердость по формуле

где НД - статическая твердость; η - динамический коэффициент твердости; D - диаметр индентора; h - глубина остаточного отпечатка, измеренная от уровня исходной поверхности испытуемого материала; m и v_o - масса ударника и его скорость в точке соударения с индентором; "n" и "b" - параметры, зависящие от твердости испытуемого материала и диаметра индентора.

Недостатком данного способа является наличие действия удара при внедрении индентора в испытуемый материал с известной скоростью ударником известной массы, таким образом данный способ ориентирован на использование постоянной силы удара; при этом не учитываются непосредственно упругие свойства, а именно, модули нормальной упругости и коэффициенты Пуассона испытуемого материала и материала индентора, что не позволяет определить действительную максимальную нагрузку в силовом контакте испытуемого материала с индентором, тем самым снижается точность определения твердости.

Известные способы имеют низкий технический уровень, так как при реализации статического или динамического внедрения индентора используют заданную нагрузку, однако в случае динамического внедрения индентора нагрузка задается косвенно путем внедрения индентора в испытуемый материал с известной скоростью и ударником с известной массой, что не позволяет использовать способ для контроля деталей различной или переменной жесткости; в связи с тем, что не учитываются модули нормальной упругости и коэффициенты Пуассона испытуемого материала и материала индентора, ограничен контроль испытуемых материалов с различными упругими свойствами и тем самым известный способ не позволяет повысить точность определения твердости.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового универсального способа определения твердости с использованием сферического индентора с заданными упругими свойствами материала и испытуемого материала с известными модулем нормальной упругости и коэффициентом Пуассона, что обеспечивает применение как статического, так и ударного внедрения индентора с измерением перемещения индентора в процессе снятия нагрузки по упругому восстановлению испытуемого материала и индентора в центре контакта, что позволяет определить новые взаимосвязи параметров модуля нормальной упругости, коэффициента Пуассона испытуемого материала и материала индентора, диаметра остаточного отпечатка и суммарного упругого восстановления испытуемого материала и индентора в центре контакта, с получением максимальной нагрузки в силовом контакте испытуемого материала с индентором, что позволяет повысить точность определения статической твердости.

Указанный технический результат достигается тем, что испытуемый материал нагружают с заданной скоростью посредством сферического индентора, предварительно определяют зависимость динамического коэффициента твердости материала от его статической твердости и скорости нагружения, измеряют диаметр и глубину остаточного отпечатка на поверхности испытуемого материала и определяют статическую твердость последнего, при этом в качестве испытуемого материала используют материалы с известными модулями нормальной упругости и коэффициентами Пуассона, измеряют перемещение индентора в процессе снятия нагрузки по упругому восстановлению испытуемого материала и индентора в центре контакта, определяют максимальную нагрузку в силовом контакте испытуемого материала с индентором по формуле

с последующим определением статической твердости испытуемого материала по известной зависимости
HД = P/η•π•D•h, (4)
где НД - статическая пластическая твердость испытуемого материала;
P - максимальная нагрузка в силовом контакте испытуемого материала с индентором;
α_у - упругое восстановление испытуемого материала и индентора в центре контакта;
d - диаметр остаточного отпечатка;
E₁ - модуль нормальной упругости материала индентора;
E₂ - модуль нормальной упругости испытуемого материала;
μ₁ - коэффициент Пуассона материала индентора;
μ₂ - коэффициент Пуассона испытуемого материала;
η - динамический коэффициент твердости;
D - диаметр индентора;
h - глубина остаточного отпечатка.

Существенным отличием предлагаемого способа является то, что в качестве испытуемого материала и материала индентора используют материалы с известными модулями нормальной упругости и коэффициентами Пуассона, что позволяет определить действительную максимальную нагрузку в силовом контакте испытуемого материала с индентором, что особенно существенно при ударном внедрении индентора и позволяет повысить точность определения твердости при испытании материалов с различными упругими свойствами.

Существенным отличием предлагаемого способа является и то, что измеряют перемещение индентора в процессе снятия нагрузки по упругому восстановлению испытуемого материала и индентора в центре контакта, что позволяет определять максимальную нагрузку в силовом контакте независимо от жесткости детали, изготовленной из испытуемого материала, что также существенно повышает точность определения твердости.

Существенно отличается от известных и предложенная автором зависимость для определения максимальной нагрузки в силовом контакте испытуемого материала с индентором, что позволяет устанавливать новые взаимосвязи между существенными параметрами, определяющими максимальную нагрузку, а следовательно, и твердость, в силовом контакте испытуемого материала с индентором во взаимосвязи с модулями нормальной упругости и коэффициентами Пуассона испытуемого материала и материала индентора, упругого восстановления испытуемого материла и индентора в центре контакта, диаметром остаточного отпечатка. Эта зависимость в отличие от известных справедлива как при статическом, так и при ударном внедрении индентора, что делает предлагаемый способ универсальным.

Проведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Способ определения твердости реализуется следующим образом.

Испытуемый материал нагружают с заданной начальной скоростью V_o посредством сферического индентора. При этом для случая статического нагружения скорость V_o=0, а динамический коэффициент твердости равен единице. Для случая ударного внедрения индентора, когда V_o>0, предварительно определяют зависимость динамического коэффициента твердости испытуемого материала от его статической твердости и скорости нагружения. Динамический коэффициент твердости η является количественной мерой возрастания твердости, обусловленного динамичностью нагрузки, и определяется экспериментально как отношение значения твердости при ударном (динамическом) нагружении индентора в испытуемый материал к значению твердости при статическом нагружении индентора в этот же материал.

Операция нагружения индентора статическим способом проводится с помощью известных твердомеров (прессов), например, пресса Бринелля, а нагружение индентора ударным способом проводится с помощью твердомеров ударного действия, например, типа ВПИ.

Измеряют диаметр d и глубину h остаточного отпечатка на поверхности испытуемого материала. Диаметр измеряют с помощью микроскопа (например, инструментального микроскопа МИМ-2). Измерение глубины h при статическом нагружении индентора выполняют с помощью приспособления к прессу Бринелля, показанного в приложении к ГОСТ 18835-73 "Металлы. Метод измерения пластической твердости". При ударном нагружении индентора используют твердомеры ударного действия типа ВПИ, снабженные индуктивным датчиком для измерения h.

Измеряют упругие константы испытуемого материала и материала индентора: модули нормальной упругости E₂ и E₁, а также коэффициенты Пуассона μ₂ и μ₁. Если материалы известны заранее, то модуль нормальной упругости можно определить по "Справочнику по машиностроительным материалам" в 4-х т. /Под ред. Г. И. Погодина-Алексеева. - М.: Машиностроение, 1959, а коэффициент Пуассона - по справочной таблице, приведенной, например, в книге М.П.Марковца "Определение механических свойств металла по твердости". - М.: Машиностроение, 1979. -191 с., на стр. 38, табл. 6.

Измеряют перемещение α_у индентора в процессе снятия нагрузки по упругому восстановлению испытуемого материала и индентора в центре контакта, таким образом измеряют максимальное перемещение индентора. Эта операция, также как и операция измерения глубины h остаточного отпечатка, может быть проведена на стационарном прессе Бринелля (при статическом нагружении индентора) или при помощи переносных твердомеров ударного действия, например, типа ВПИ, оборудованных индуктивным датчиком для измерения перемещения индентора. При этом измеряют перемещение индентора в процессе снятия нагрузки от момента достижения индентором максимальной глубины внедрения (отвечающей максимальной нагрузке в силовом контакте испытуемого материала с индентором) до момента полного снятия нагрузки с индентора.

По величине максимального перемещения индентора, а также с учетом упругих свойств материалов и диаметра отпечатка определяют максимальную нагрузку в силовом контакте испытуемого материала с индентором по формуле (3)

с последующим определением статической твердости испытуемого материала по известной зависимости (4)
HД = P/η•π•Dh.
Для обоснования способа использовали различные испытуемые материалы с модулем нормальной упругости в диапазоне от 0,7•10⁵ МПа до 2,06•10⁵ МПа и коэффициентами Пуассона от 0,30 до 0,33, нагружение индентора проводили как статически, так и динамически, в качестве индентора использовали стальной закаленный шарик (HRC_Э63, E₁=2,06•10⁵ МПа, μ₁=0,30) диаметром 5 и 10 мм. В результате полученного измерения перемещения индентора в процессе снятия нагрузки по упругому восстановлению испытуемого материала и индентора в центре контакта, получают максимальную нагрузку в силовом контакте испытуемого материала с индентором.

Проведена экспериментальная проверка предложенного способа.

Пример 1. Определение твердости проводили путем динамического нагружения стального индентора с диаметром 10 мм в образцы, изготовленные из различных испытуемых материалов: армко-железа, стали У8, стали 35 (опыты 1-4 в таблице).

Упругие свойства испытуемых материалов, а именно модули нормальной упругости E₂ и коэффициенты Пуассона μ₂, определяли по указанным выше "Справочнику по машиностроительным материалам" и книге М.П.Марковца (на с. 38, табл. 6); для указанных испытуемых материалов приняты характерные значения модуля нормальной упругости E₂=2,06•10⁵ МПа и коэффициента Пуассона μ₂ = 0,30.

Динамический коэффициент твердости каждого из испытуемых материалов предварительно определяли при данной начальной скорости V_o нагружения индентора как отношение твердости при ударном нагружении, которую определяли с помощью вертикального копра со свободно падающим грузом (скорость регулируется высотой, с которой начинается свободное падение груза), к значению твердости при статическом нагружении индентора, которую определяли по ГОСТ 18835-73 "Металлы, Метод измерения пластической твердости". Величины начальных скоростей V_o нагружения индентора были выбраны равными 1,54 и 2,21 м/с, которые соответствуют скоростям нагружения в портативных твердомерах ударного действия типа ВПИ. Так, например, для стали 35 (см. опыты 3 и 4 в таблице) со статической твердостью, равной 2099 МПа, динамическая твердость при скорости V_o = 1,54 м/с была равна 3296 МПа, а при V_o = 2,21 м/с - 3757 МПа; в результате получили, что при V_o = 1,54 м/с динамический коэффициент твердости η = 1,570, а при V_o = 2,21 м/с η = 1,790. Аналогично определили динамический коэффициент твердости и для других испытуемых материалов, показанных в таблице (опыты 1 и 2).

Внедрение сферического индентора при динамическом нагружении проводили с помощью ударного переносного твердомера типа ВПИ, снабженного индуктивным датчиком для измерения перемещения индентора, что позволяет измерять как глубину остаточного отпечатка h, так и упругое восстановление α_у испытуемого материала и индентора в центре контакта. Для получения различных скоростей V_o нагружения индентора в твердомере устанавливали рабочие пружины различной жесткости. Диаметр остаточного отпечатка d измеряли с помощью инструментального микроскопа МИМ-2. Определение максимальной нагрузки в силовом контакте испытуемого материала с индентором проводили по формуле (3), а статической твердости испытуемого материала - по формуле (4). Результаты представлены в таблице (опыты 1, 2, 3, 4). Там же приведены значения твердости НД_Э, определенные по ГОСТ 18835-73 "Металлы. Метод измерения пластической твердости", принятому в качестве эталонного способа.

Как видно из таблицы (опыты 1, 2, 3, 4), погрешность определения твердости предлагаемым способом при динамическом нагружении индентора не превышает 4,6% относительно эталонного способа.

Пример 2. Определение твердости проводили путем статического нагружения стального индентора с диаметром 10 или 5 мм (опыты 5, 6, 7, 8 в таблице).

Упругие свойства испытуемых материалов определяли по указанным выше справочным таблицам:
Сталь 35 - E₂ = 2,06•10⁵ МПа, μ₂ = 0,30;
Медь M2 - E₂ = 1,13•10⁵ МПа, μ₂ = 0,33;
Титан ВТ6 - E₂ = 1,11•10⁵ МПа, μ₂ = 0,30;
Дюралюмин Д16 - E₂ = 0,7•10⁵ МПа, μ₂ = 0,33.

Поскольку нагружение индентора в испытуемый материал проводили статическим путем (при V_o=0), то динамический коэффициент твердости испытуемых материалов был равен единице (η = 1).
Статическое нагружение индентора проводили с помощью пресса Бринелля, оборудованного приспособлением, приведенным в ГОСТ 18835-73 "Металлы. Метод измерения пластической твердости", позволяющим измерять перемещение индентора. Измерение глубины h остаточного отпечатка и перемещения α_у индентора в процессе снятия нагрузки проводили с помощью этого приспособления, а измерение диаметра остаточного отпечатка - с помощью микроскопа МИМ-2. Максимальную нагрузку определяли по формуле (3), а статическую твердость испытуемого материла по формуле (4). Результаты определения твердости предлагаемым способом сопоставлены с данными, найденными с помощью эталонного способа по ГОСТ 18835-73, и представлены в таблице (опыты 5, 6, 7, 8); как видно из таблицы, погрешность предлагаемого способа относительно эталонного не превышает 3,5%.

Таким образом, как видно из таблицы, погрешность определения твердости предлагаемым способом не превышает 4,6% при динамическом нагружении индентора и 3,5% при статическом нагружении индентора, что является вполне приемлемым.

Использование предлагаемого способа по сравнению с известными обеспечивает следующие преимущества.

Способ обладает достаточно высокой точностью: погрешность определения твердости при статическом или динамическом нагружении индентора составляет около ±(3 - 4)%. Получаемые предлагаемым способом значения твердости не зависят от условий испытания, что делает способ достаточно универсальным и позволяет:
- не контролировать в ходе определения твердости максимальную нагрузку на индентор, что существенно упрощает конструкцию твердомера;
- определять твердость путем ударного внедрения индентора;
- исключить влияние жесткости контролируемой поверхности детали на получаемые значения чисел твердости, что особенно существенно при ударном нагружении индентора.

Предлагаемый способ может быть непосредственно использован в промышленности с применением существующих стационарных и переносных (в том числе ударных) твердомеров, дополнительно снабженных устройством для измерения перемещения индентора.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения совокупности условий:
- способ, воплощающий заявленное изобретение, предусматривающий использование испытуемого материала с известным модулем нормальной упругости и коэффициентом Пуассона, измерение перемещения индентора в процессе снятия нагрузки по упругому восстановлению испытуемого материала и индентора в центре контакта, определение максимальной нагрузки в силовом контакте испытуемого материала с индентором, по которым судят о статической твердости испытуемого материала, предназначен для использования в промышленности для оперативного контроля одной из важнейших механических характеристик материала - твердости, которая используется для контроля деталей в процессе их производства, эксплуатации и ремонта;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- способ, воплощающий заявленное изобретение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к методам испытания материалов и, в частности к способам определения их твердости. Согласно изобретению материал с известными модулем нормальной упругости и коэффициентом Пуассона нагружают с заданной скоростью посредством сферического индентора. Зависимость динамического коэффициента твердости материала от его статической твердости и скорости нагружения предварительно определена. Измеряют диаметр и глубину остаточного отпечатка на поверхности материала. Кроме того, измеряют перемещение индентора в процессе снятия нагрузки и упругое восстановление испытуемого материала и индентора в центре контакта. По этим параметрам определяют, по предлагаемой математической формуле, максимальную нагрузку в силовом контакте испытуемого материала с индентором. Далее по известной зависимости определяют статическую твердость материала. Изобретение позволяет оперативно определять с повышенной точностью твердость материалов как при статическом, так и динамическом нагружении индентора. 1 табл.

Способ определения твердости материала, заключающийся в том, что испытуемый материал нагружают с заданной скоростью посредством сферического индентора, предварительно определяют зависимость динамического коэффициента твердости материала от его статической твердости и скорости нагружения, измеряют диаметр и глубину остаточного отпечатка на поверхности испытуемого материала и определяют статическую твердость последнего, отличающийся тем, что в качестве испытуемого материала используют материал с известным модулем нормальной упругости и коэффициентом Пуассона, измеряют перемещение индентора в процессе снятия нагрузки по упругому восстановлению испытуемого материала и индентора в центре контакта, определяют максимальную нагрузку в силовом контакте испытуемого материала с индентором по формуле

с последующим определением статической твердости испытуемого материала по известной зависимости
HД = P/η•π•D•h,
где НД - статическая пластическая твердость испытуемого материала;
Р - максимальная нагрузка в силовом контакте испытуемого материала с индентором;
α_у - упругое восстановление испытуемого материала и индентора в центре контакта;
d - диаметр остаточного отпечатка;
E₁ - модуль нормальной упругости материала индентора;
E₂ - модуль нормальной упругости испытуемого материала;
μ₁ - коэффициент Пуассона материала индентора;
μ₂ - коэффициент Пуассона испытуемого материала;
η - динамический коэффициент твердости;
D - диаметр индентора;
h - глубина остаточного отпечатка.