СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ НОРМАЛЬНОЙ УПРУГОСТИ МАТЕРИАЛА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N3/40 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области неразрушающего контроля. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в машиностроении при оценке модуля нормальной упругости металлического изделия в промышленных условиях.

Известен способ определения модуля нормальной упругости материала изделия, согласно которому модуль нормальной упругости определяют на основании замеров глубины внедрения индентора в материал при сцеплении и без сцепления индентора с материалом при одной и той же нагрузке на индентор (авторское свидетельство СССР №957054, МПК G01N 3/42, 07.09.1982). Преимуществом известного способа является возможность более точной оценки величины модуля нормальной упругости. Недостатком известного способа является то, что на измеряемой поверхности остаются отпечатки индентора, поэтому этот способ не применим для проведения измерений на многих изделиях, где требуется гладкая поверхность, например посередине бочки прокатного валка, в галтелях станин кузнечно-прессовых машин или на рабочей поверхности зуба зубчатого колеса.

Известен способ определения физико-механических характеристик материала, в том числе и модуля нормальной упругости материала изделия, заключающийся в том, что модуль нормальной упругости определяют на основании замеров комплекса параметров, включающего, в частности, и коэффициенты восстановления: отношения скоростей индентора до и после первого соударения и после бесчисленного количества повторных ударов (авторское свидетельство СССР №344329, МПК G01N 3/40, 07.07.1972). Преимуществом известного способа является возможность оценки величины модуля нормальной упругости с учетом кинематических параметров - коэффициентов восстановления. Недостатком известного способа является необходимость проведения большого количества замеров для установления связи между физико-механическими характеристиками материала и комплексом измеряемых параметров. Это приводит к большой сложности реализации известного способа как в лабораторных, так и в промышленных условиях. Другим недостатком известного способа является неопределенность комплекса измеряемых параметров и, в частности, неопределенность числа повторных соударений индентора с контртелом.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ определения физико-механических свойств материала, в том числе и модуля нормальной упругости материала изделия, включающий приведение сферического индентора во взаимодействие с изделием, измерение твердости изделия и кинематических параметров индентора до и после взаимодействия с изделием (авторское свидетельство СССР №1147951, МПК G01N 3/42, 1985). Преимуществом данного способа является возможность оценки величины модуля нормальной упругости с учетом как кинематических параметров начальной скорости индентора при динамическом внедрении), так и физико-механических характеристик измеряемого материала и материала индентора. Это повышает точность измерения. Недостатком известного способа является сложность применения его в промышленных условиях. Так, в частности, определение динамического коэффициента твердости, предусматривающее внедрение индентора в материал статическим и динамическим способом при одновременном контроле скорости индентора, может оказаться не реализуемым из-за невозможности разместить необходимые приспособления. Другим недостатком известного способа является то, что на измеряемой поверхности остаются отпечатки индентора при его глубоком внедрении в изделие.

Технической задачей настоящего изобретения является снижение трудоемкости определения модуля нормальной упругости материала металлического изделия и обеспечение возможности использования способа как в промышленных, так и в лабораторных условиях без повреждения поверхности изделия.

Поставленная задача решается в способе определения модуля нормальной упругости материала металлического изделия, включающем приведение сферического индентора во взаимодействие с изделием, измерение твердости изделия и кинематических параметров индентора до и после взаимодействия с изделием, где согласно изобретению берут металлический образец, измеряют твердость и отношение скоростей индентора до и после соударения с образцом и с изделием и на основании результатов замеров образца и изделия определяют величину модуля нормальной упругости изделия.

Величину модуля нормальной упругости материала металлического изделия Е_из определяют по формуле:

где Е_ин - модуль нормальной упругости материала индентора;

Е_об - модуль нормальной упругости материала образца;

Hb_об - твердость образца;

Hb_из - твердость изделия;

Kν_из - отношение скоростей индентора до и после соударения его с поверхностью изделия;

Kν_об - отношение скоростей индентора до и после его соударения с поверхностью образца.

Сущность изобретения заключается в следующем. На основании математической обработки результатов многочисленных экспериментов установлено, что для металлических изделий справедливо следующее выражение:

где А_ин - коэффициент, характеризующий индентор и зависящий от материала и конструкции индентора, скорости удара индентора по изделию;

Es_из - коэффициент, зависящий от механических характеристик материалов индентера и изделия, определяемый по формуле:

где μ_ин - коэффициент Пуассона материала индентора;

μ_из - коэффициент Пуассона материала изделия.

Основываясь на зависимостях (3) и (4), для условий, когда измерения на металлическом изделии и образце проводят посредством одного и того же индентора при одной и той же начальной скорости соударения индентора с изделием и образцом, можно записать следующие выражения:

где Е_об - коэффициент, зависящий от механических характеристик материалов индентера и образца;

μ_об - коэффициент Пуассона материала образца.

Для устранения необходимости определения коэффициента А_ин разделили (5) на (3) и получили следующую зависимость:

где

Решив (7) относительно Е_из с учетом (6) получили:

Использование зависимости (8) для определения Е_из может вызвать трудности, так как входящие в нее величины коэффициентов Пуассона в справочной литературе для многих материалов отсутствуют. В связи с этим учли, что коэффициент Пуассона находится в пределах 0,2-0,4. Это позволяет существенно упростить задачу, приняв:

(1-μ² _ин)≈(1-μ² _из)≈(1-μ² _об).

Тогда из (6) и (8) получили, что с погрешностью, не превышающей 2%-3%, величину Е_из можно определить по формуле:

Пример

Способом согласно настоящему изобретению определили модуль нормальной упругости Е_из изделия - рабочего валка прокатного стана. Для этого изготовили образец кубической формы с длиной ребра 0,03 м, из стали 35 (ГОСТ 1050-74), модуль нормальной упругости Е_об=206 ГПа (см. Сорокин В.Г., Волосникова А.В., Вяткин С.А. и др. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1989, с.640). Методом Бринелля (ГОСТ 22761-77) определили твердость валка (изделия) Hb_из и твердость образца Hb_об. Для замеров отношения Kν_из, скоростей индентора до и после соударения его с поверхностью изделия (валка), а также отношения скоростей индентора Kν_об до и после соударения его с поверхностями грани образца использовали твердомер электронный малогабаритный переносной ТЭМП-3 N118. Было установлено, что величина Н/1000, где Н-показания соответствующей шкалы указанного прибора, численно равна отношению скоростей индентора до и после соударения с измеряемой поверхностью.

Получили, что Hb_из=1640 МПа, Hb_об=1570 МПа, Кν_из=0,510, Kν_об=0,464.

На основании ГОСТ 9377-81 и справочника под редакцией Григорьева И.С. и Мелехова Е.З. Физические величины. М.: Энергоиздат, 1991, получили, что модуль нормальной упругости материала индентора Е_ин=1000 ГПа.

Подставив Е_об=206 ГПа, Hb_из=1640 МПа, Hb_об=1570 МПа, Кν_из=0,510, Кν_об=0,464 и Е_ин=1000 ГПа в формулу (3), получили, что Е_из=145 ГПа.

Из приведенного примера видно, что при использовании заявляемого способа не требуется проведение трудоемкой работы, связанной с определением динамической твердости изделия, что особенно важно при проведении измерений в промышленных условиях.

Использование: для определения модуля нормальной упругости материала металлического изделия. Сущность: заключается в том, что берут металлический образец, измеряют твердость образца и изделия, определяют отношение скоростей сферического индентора до и после соударения с образцом и с изделием и на основании результатов измерений образца и изделия определяют величину модуля нормальной упругости материала изделия по соответствующей математической формуле. Технический результат: снижение трудоемкости определения модуля нормальной упругости материала металлического изделия и обеспечение возможности использования способа как в промышленных, так и в лабораторных условиях без повреждения поверхности изделия.

Способ определения модуля нормальной упругости материала металлического изделия, включающий приведение сферического индентора во взаимодействие с изделием, измерение твердости изделия и кинематических параметров индентора до и после взаимодействия с изделием, отличающийся тем, что берут металлический образец, измеряют твердость образца и изделия, определяют отношение скоростей индентора до и после соударения с образцом и с изделием и на основании результатов измерений образца и изделия определяют величину модуля нормальной упругости материала изделия по формуле

где Е_ин - модуль нормальной упругости материала индентора,

Е_об - модуль нормальной упругости материала образца,

Hb_об - твердость образца,

Hb_из - твердость изделия,

Kν_из - отношение скоростей индентора до и после соударения его с поверхностью изделия,

Kν_об - отношение скоростей индентора до и после его соударения с поверхностью образца.