СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ОПЕРТОЙ ПО КОНТУРУ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЫ Российский патент 2009 года по МПК G01N3/52 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области неразрушающего контроля. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано в машиностроении и в судостроении в производственных условиях при оценке твердости поверхности тонких металлических прямоугольных пластин.

Согласно книге «Справочник по строительной механике корабля». - Ленинград, 1958. - Т.2. - С.5 тонкой пластиной называют лист, толщина которого весьма мала по сравнению с его длиной и шириной. Тонкие прямоугольные металлические пластины широко применяются в технике. Для оценки ресурса тонких металлических пластин, являющихся элементами действующей конструкции, необходимо иметь информацию об их механических характеристиках, в частности об их твердости. При этом важное значение приобретает измерение твердости центральной части пластины, поскольку эта часть конструкции, как правило, является наиболее нагруженной.

Известен способ определения твердости материала методом упругого отскока бойка по Шору (см. ГОСТ 23273-78), согласно которому мерой твердости является высота отскока бойка (индентора), падающего на испытываемую поверхность изделия. Достоинством этого способа является простота реализации и отсутствие повреждения испытываемой поверхности изделия, а недостатком - недостаточная точность.

Известен способ определения твердости материала в точках рабочей поверхности металлического изделия, предусматривающий приведение индентора в соударение с испытываемой поверхностью, измерение скорости V_o индентора до и скорости V_к после соударения и определение твердости материала испытываемой поверхности по отношению K=V_к/V_о указанных скоростей (Авторское свидетельство СССР №224868, МПК G01N 3/52, 1968). Преимуществом данного способа по сравнению со способом измерения твердости по Шору является повышение точности измерения движения индентора, обусловленное заменой измерения высоты отскока индентора на измерение отношения скоростей индентора до и после соударения с поверхностью испытываемого изделия.

Недостатком данного способа является то, что при измерении твердости поверхности опертых по контуру металлических пластин, толщина которых значительно меньше, чем их габаритные размеры - ширина и длина, вносится значительная погрешность. Это обусловлено тем, что энергия индентора расходуется не только на создание местных деформаций в зоне контакта с пластиной, но и на изгибную деформацию пластины, возникающую от удара индентора.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ определения твердости материала поверхности изделия, предусматривающий измерение отношения скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения как с испытываемой поверхностью, так и с поверхностью образцовой меры, имеющей твердость, близкую к твердости контролируемой поверхности. (Паспорт твердомера электронного малогабаритного переносного типа ТЭМП-3.) Использование образцовой меры позволяет внести коррективы в калибровку твердомера, что повышает точность определения твердости контролируемой поверхности. Недостатком данного способа является то, что определение твердости поверхности испытываемой пластины и соответствующую калибровку твердомера производят без учета механических свойств материала испытываемых пластин, их толщины и изгибной деформации, так как образцовая мера представляет собой массивный образец в виде бруска, который в процессе измерений размещают на опорной плоскости. Это вносит погрешность в определение твердости поверхности испытываемой пластины, толщина которой значительно меньше ее габаритных размеров, если в рабочем состоянии она оперта по контуру.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение точности определения твердости поверхности опертой по контуру металлической пластины.

Поставленная задача решается в способе определения твердости поверхности опертой по контуру металлической пластины, предусматривающем измерение отношения скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью испытываемой металлической пластины, измерение отношения скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью образцовой меры и определение по результатам измерений твердости поверхности испытываемой металлической пластины, в котором согласно изобретению в качестве образцовой меры используют комплект, по меньшей мере, из трех образцовых пластин различной твердости, выполненных из материала, имеющего модуль Юнга и предел прочности, близкие к материалу испытываемой металлической пластины, и толщину, равную толщине испытываемой пластины, а перед измерением отношения скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью образцовой меры образцовую пластину опирают на жесткий контур.

Образцовые пластины выполняют круглыми, при этом диаметр D_о образцовой пластины выбирают из условия:

L_u>D_о>7h,

где L_и - минимальное расстояние между параллельными кромками прямоугольной испытываемой пластины,

D_о - диаметр образцовой пластины,

h - толщина испытываемой пластины.

Измерение отношения скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью каждой образцовой пластины осуществляют в центральной зоне пластины путем проведения серии измерений, состоящей, как минимум, из трех замеров, определяют среднее значение отношения скоростей для каждой пластины и на основании полученных результатов строят график зависимости отношения скоростей от твердости образцовых пластин, по которому определяют твердость испытываемой пластины.

Физическая сущность изобретения заключается в следующем. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что существует такая область центральной зоны прямоугольных или круглых тонких металлических опертых по контуру пластин, для которой связь между твердостью НВ центральной части поверхности пластины и отношением К скоростей отскока и падения индентора твердомера несущественно зависит от расстояния между центром пластины и ее опорным контуром. Приближенно эта область характеризуется неравенствами L>7h или D>7h, где L - минимальное расстояние между параллельными кромками прямоугольной металлической пластины, D - диаметр круглой пластины, h - толщина пластины. Исходя из вышесказанного, предлагается в качестве образцовой меры использовать комплект из трех или более опертых на жесткий контур образцовых пластин, толщину каждой образцовой пластины принять равной толщине испытываемой пластины, а твердость поверхности образцовых пластин принять различной. Тогда диаметр образцовых пластин может быть выбран из условия:

L_u>D_о>7h,

где L_и - минимальное расстояние между параллельными кромками прямоугольной испытываемой пластины,

D_о - диаметр образцовой пластины,

h - толщина испытываемой пластины.

Образцовые пластины целесообразно изготовить круглыми. Это облегчает процесс их изготовления и обеспечивает стабильность прилегания к опорному контуру, что повышает точность измерения. Однако это условие не является обязательным. Образцовые пластины могут иметь прямоугольную или другую форму, главным является то, чтобы они в процессе измерения отношения скоростей до и после соударения были оперты по контуру, отстоящему от зоны измерения (центральной зоны образцовой пластины) на определенное расстояние.

Изготовление образцовых пластин из материала, имеющего механические свойства, в первую очередь модуль Юнга и предел прочности, такие же, как и у испытываемой пластины или близкие к ним, позволяет максимально повысить точность измерения.

В случае выполнения указанных выше условий связь (K_о=f(HB_о)) между твердостью НВ₀ центральной части поверхности образцовой пластины и отношением К_о скоростей отскока и падения индентора твердомера при соударении с образцовой пластиной будет идентична связи (K_и=f(HB_и)) между твердостью НВ_и центральной поверхности испытываемой пластины и отношением К_и скоростей отскока и падения индентора при соударении с испытываемой пластиной. Таким образом, если известна величина К_и, то из условия К_и=К_о, зная функцию K_о=f(HB_о), можно определить твердость НВ_и. График функции K_о=f(HB_о) или обратной ей функции HB_о=f(K_о) можно построить на основании замеров твердости НВ_о и соответствующих коэффициентов (отношений скоростей отскока и падения индентора) К_о. Число используемых при испытаниях образцовых пластин определяется требуемой точностью и, как показали эксперименты, должно быть не менее трех единиц.

Пример

Требовалось определить твердость поверхности центральной зоны опертой по контуру квадратной пластины размером 1000×1000 мм, толщиной 8 мм, выполненной из стали 17ГС.

Согласно изобретению, определили отношение К_и скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с центральной зоной испытываемой пластины. Для проведения измерений использовали твердомер электронный малогабаритный переносной ТЭМП-3, в котором величина Н/1000 (Н - показания соответствующей шкалы указанного прибора) численно равна отношению скоростей индентора до и после соударения с измеряемой поверхностью изделия.

В результате измерения получили, что для испытываемой пластины К_и=0,358.

Далее из стали 17ГС изготовили несколько пластин диаметром D_o=90 мм и толщиной h=8 мм, что соответствует условию L_u>D_о>7h. Каждую из пластин установили на жесткую плиту и способом Бринелля (см. ГОСТ 22761-77) определили твердость (НВ) материала поверхности пластины. Для дальнейших испытаний отобрали три пластины, имеющие различную твердость: НВ_о1=1393 МПа, НВ_о2=1442 МПа и НВ_о3=1618 МПа. Эти пластины выбрали для выполнения функции образцовых пластин. Каждую из образцовых пластин 1 установили на опору 2, выполненную в виде пустотелого цилиндра с наружным диаметром d_н=90 мм, внутренним диаметром d_вн=86,6 мм и высотой h₁=48 мм и размещенную на жестком основании 3 (фиг.1).

С помощью твердомера ТЭМП-3 определили отношения К₀ скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с образцовыми пластинами. Для этого провели на каждой образцовой пластине три замера и выбрали среднее значение. Получили следующие результаты:

N образцовой пластины 1 2 3 НВ_о, МПа 1393 1442 1618 К₀ 0,351 0,355 0,369

По полученным результатам построили график, характеризующий зависимость HB_о=f(K_o), который показан на фиг.2. Затем исходя из условия К_и=К_о, по графику определили, что значению К_и=0,358 соответствует твердость поверхности испытываемой пластины НВ_и=1480 МПа.

Для оценки погрешности предложенного способа отсоединили испытываемую пластину от опор, установили ее на жесткую плиту и способом Бринелля определили твердость материала поверхности пластины. Получили, что НВ_и=1412 МПа. Погрешность определения твердости предложенным способом определили согласно известной зависимости, приведенной в книге Бронштейн Н.И. и Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. - М.: Наука. - 1986. - С.490. Получили, что относительная истинная погрешность определения твердости НВ_и способом согласно изобретению составляет:

(1480/1412-1)·100%=4,8%.

Также вычислили относительную истинную погрешность определения твердости НВ_и известным способом. Для этого использовали связь между твердостью НВ и показаниями шкалы Н твердомера, приведенную в инструкции к твердомеру ТЭМП-3. Согласно этой инструкции при Н=К_о∙1000=К_и∙1000=358 твердость НВ_и составляет 991 МПа (101 кг/мм²). Отсюда относительная истинная погрешность определения твердости известным способом составляет:

(991/1412-1)·100%=-29,8%.

Сравнение известного и заявляемого способов показывает, что заявляемый способ позволяет определить твердость поверхности испытываемой тонкой металлической пластины с высокой степенью точности. Следует отметить, что заявляемый способ может быть использован не только в лабораторных, но и в промышленных условиях, поскольку для его осуществления не требуется осуществлять демонтаж испытываемой пластины.

Изобретение относится к области измерительной техники. Сущность: измеряют отношение скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью испытываемой металлической пластины, измеряют отношение скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью образцовой меры и определяют по результатам измерений твердость поверхности испытываемой металлической пластины. В качестве образцовой меры используют комплект, по меньшей мере, из трех образцовых пластин различной твердости, выполненных из материала, имеющего модуль Юнга и предел прочности, близкие к материалу испытываемой металлической пластины, и толщину, равную толщине испытываемой пластины. Перед измерением отношения скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью образцовой меры образцовую пластину опирают на жесткий контур. Технический результат: повышение точности определения твердости. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения твердости поверхности опертой по контуру металлической пластины, предусматривающий измерение отношения скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью испытуемой металлической пластины, измерение отношения скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью образцовой меры и определение по результатам измерений твердости поверхности испытуемой металлической пластины, отличающийся тем, что в качестве образцовой меры используют комплект, по меньшей мере, из трех образцовых пластин различной твердости, выполненных из материала, имеющего модуль Юнга и предел прочности, близкие к материалу испытуемой металлической пластины, и толщину, равную толщине испытуемой пластины, а перед измерением отношения скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью образцовой меры образцовую пластину опирают на жесткий контур.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образцовые пластины выполняют круглыми, при этом диаметр D_o образцовой пластины выбирают из условия
L_u>D_o>7h,
где L_u - минимальное расстояние между параллельными кромками прямоугольной испытуемой пластины, D_o - диаметр образцовой пластины, h - толщина испытуемой пластины.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что измерение отношения скоростей отскока и падения индентора твердомера до и после его соударения с поверхностью каждой образцовой пластины осуществляют в центральной зоне пластины путем проведения серии измерений, состоящей как минимум из трех замеров, определяют среднее значение отношения скоростей для каждой пластины и на основании полученных результатов строят график зависимости отношения скоростей от твердости образцовых пластин, по которому определяют твердость испытуемой пластины.