СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛА Российский патент 2015 года по МПК G01N3/08 

Решение относится к механическим испытаниям, предназначенным для определения характеристик металла, проявляющихся при пластическом деформировании в технологических операциях холодной обработки металла давлением (ХОМД).

Характерным проявлением ХОМД является наклеп - возрастание прочности и, соответственно, твердости (например, по Виккерсу) обрабатываемого металла, закономерно связанное с возрастанием интенсивности пластической деформации.

Для прогнозирования технологических свойств металла в каждом конкретном процессе ХОМД и служебных качеств его в изделиях, произведенных данной ХОМД, необходимо выявление характерной для данного металла функциональной зависимости

где ε_i - интенсивность пластической деформации (безразмерная величин), HV - твердость по Виккерсу (в МПа).

Величину ε_i, характеризующую любой вид пластического деформирования, отличает от других показателей деформирования свойство: для данного металла независимо от вида деформирования, а также его температуры и скорости интенсивность имеет одно и то же численное значение, если на деформацию затрачивается одинаковая механическая работа. Поэтому функциональная зависимость (1), установленная для обрабатываемого конкретного металла, в любом виде пластического деформирования, будет справедлива и для деформирования любым другим способом.

На практике выявление зависимости (1) осуществляется в результате определенного лабораторного испытания, в котором металл нагружается до различных фиксируемых уровней интенсивности, и при этом фиксируется также его твердость.

Известно механическое испытание металла для установления зависимости (1) кручением тонкостенных трубчатых образцов.

[Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию / Л.: Машиностроение, 1978, С.320].

Данное испытание является достаточно затратным в изготовлении образцов, усложненным с точки зрения фиксирования интенсивности и обработки результатов испытания в целом, и поэтому не нашло широкого практического применения.

Наиболее простым и наименее затратным в изготовлении образцов представляется механическое испытание металла для установления зависимости (1) широко распространенным стандартным растяжением плоских образцов.

[Глинер Р.Е., Майоров М.А. Применение испытаний твердости для оценки деформированного состояния при листовой штамповке / Кузнечно-штамповочное производство, 1987, №3, С.40].

Поскольку при растяжении численное значение величины е равно происходящему и легко определяемому удлинению, фиксирование интенсивности в данном испытании существенно облегчается.

Однако предельное удлинение металла при растяжении ограничено величинами ε_i, численные значения которых не превышают 0,5 для самых пластичных металлов, притом что при других испытаниях, например прокаткой, достигают значений 1,0 и более.

Таким образом, данное испытание не позволяет проследить проявление зависимости (1) при численных значениях ε_i, превышающих 0,5.

Известно механическое испытание металла с выявлением зависимости (1), в котором плоские образцы прямоугольной конфигурации подвергаются деформированию прокаткой. При этом фиксирование интенсивности деформаций выполняется с помощью нанесенной на образцы самоклеющейся измерительной сетки (СИС), рабочие ячейки которой образованы окружностями строго одинакового диаметра (D).

[Глинер Р.Е., Катюхин Е.Б. Применение самоклеющейся измерительной сетки для изучения закономерностей деформирования листового металла при обработке давлением со значительным утонением / Кузнечно-штамповое производство. Обработка металла давлением, 2013, №8, С.44-48]

В результате прокатки окружности СИС превращаются в эллипсы с максимальной и минимальной осью, соответственно L₁ и L₂.

Величины D, L₁ и L₂ используются для определения возникающих при прокатке логарифмических относительных деформаций ε₁, ε₂, и интенсивности деформации ε_i с расчетами по формулам

Данное испытание, являющееся наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу, обладает следующими недостатками:

1) невозможность достоверного выявления восприимчивости к наклепу при деформациях с ε_i, более высоких, чем 0,8÷0,9, характерных для различных видов технологического деформирования, поскольку при этом границы измерительных ячеек, образующих СИС, теряют четкое очертание, что снижает точность выявления зависимости (1).

2) необходимостью использования дорогостоящей СИС, приобретаемой у зарубежных изготовителей (обладателей Ноу-хау);

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Задачей настоящего решения является совершенствование данного механического испытания металла за счет исключения в нем применения СИС.

Технический результат - определение восприимчивости металла к наклепу в технологиях холодной обработки давлением, характеризующихся неограниченно большими деформациями.

Этот технический результат достигается тем, что в способе механического испытания металла путем холодной прокатки образца, при которой окружность диаметра D превращается в эллипс, измеряют длину осей эллипса L₁ и L₂, по которым находят логарифмические относительные деформации ε₁ и ε₂ вдоль и поперек направления прокатки, и интенсивность деформации ε_i, испытания проводят на специально изготовленном образце в виде круглого диска, который многократно прокатывают в валках лабораторного стана, в результате чего диск становится эллипсовидным, после каждой прокатки измеряют длину осей L₁ и L₂, находят логарифмические относительные деформации ε₁ и ε₂, интенсивность деформации ε_i, а также измеряют твердость поверхности HV, в результате аппроксимации графической зависимости между интенсивностью деформации и твердостью находят выражение

в котором численные значения показателя степени при аргументе отражают восприимчивость испытуемого металла к наклепу, коэффициент N определяет собой твердость HV, приобретаемую металлом после деформирования с интенсивностью ε_i=1.

Следует отметить, что известен образец в форме круглой пластины (патент РФ №2360227, G01N 3/08, опубл. 27.06.2009). Однако этот образец имеет размещенные на нем концентраторы напряжений и нагружается испытательным усилием, прикладываемым перпендикулярно его плоской поверхности.

Таким образом, этот образец не пригоден для испытаний путем холодной прокатки с определением восприимчивости к наклепу.

В предлагаемом решении, благодаря тому что после деформирования прокатными валками окружность с исходным диаметром D, ограничивающая периметр образца, превращается в эллипс с осями L₁ и L₂, измерение которых позволяет определять величины ε₁, ε₂, и ε_i, с расчетами по формулам (2) и (3), отпадает необходимость применения СИС. При этом появляется возможность испытания металла при больших деформациях (ε_i>1).

На фиг.1 и фиг.2 показано, как выглядит предлагаемый образец соответственно до и после прокатки (вид сверху).

Пример.

Проводили испытания технически чистой меди и стали марок 08Ю и 08ЮПД, используя для этого образец каждого металла диаметром D=38,9 мм, толщиной 1, 98 мм (медь) и 0,91 (сталь обеих марок).

Прокатку выполняли на двухвалковом лабораторном прокатном стане, оборудованном ручным приводом вращении валков. При этом образец несколько раз, последовательно увеличивая обжатие, пропускали между валками и после каждой такой операции производили измерения толщины после прокатки, твердости (HV) испытуемого металла, величин L₁ и L₂, с последующими компьютерными расчетами по формулам (2) и (3).

Измерения диаметра D и величин L₁ и L₂ после каждой очередной прокатки выполняли, используя стандартный штангенциркуль.

Измерения твердости выполняли на приборе Виккерса, используя нагрузку 50 Н (HV5).

Результаты геометрических измерений, измерений твердости и расчетов интенсивности деформаций приведены в табл.1.

Данные, содержащиеся в колонках {ε_i,HV₅} табл.1, подвергали компьютерной обработке с выявлением аналитического выражения зависимости (1) в виде степенной функции

в котором численные значения коэффициента n при аргументе количественно отражают восприимчивость данного металла к наклепу при неограниченном пластическом деформировании в любом виде технологического процесса ХОМД.

При этом коэффициент N определяет собой твердость HV₅, приобретаемую металлом после деформирования с интенсивностью ε_i=1, а коэффициент n является показателем, характеризующим темп возрастания твердости и соответственно восприимчивость стали к наклепу.

В табл.2 приведены результаты вычисления этих анализов.

Как видно из табл.2, по восприимчивости к наклепу (величина n) медь значительно превосходит сталь, притом что сталь ограниченной прочности (08Ю) наклепывается несколько сильнее, чем сталь повышенной прочности (08ЮПД).

Проведенный анализ аналогов позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», достигаемый технический результат в совокупности с новыми существенными признаками свидетельствует об изобретательском уровне, а проведенные испытания подтверждают промышленную применимость.

Решение относится к механическим испытаниям, предназначенным для определения характеристик металла, проявляемых в технологических операциях холодной обработки давлением. Предложено испытание проводить на специально изготовленном образце в виде круглого диска, который многократно прокатывается в валках лабораторного стана, после каждой прокатки измеряют длину осей полученного эллипса, находят по формулам логарифмические относительные деформации вдоль и поперек направления прокатки, и интенсивность деформации, а также измеряют твердость, в результате аппроксимации графической зависимости между интенсивностью деформации ε_i и твердостью HV находят выражение $$HV=N{\epsilon }_i^n$$ , в котором численное значение показателя степени при аргументе отражает восприимчивость испытуемого металла к наклепу. Технический результат - определение восприимчивости металла к наклепу в технологических операциях давлением, характеризующихся неограниченно большими деформациями. 2 ил., 2 табл.

Способ механического испытания металла путем холодной прокатки образца, при которой окружность диаметра D превращается в эллипс, измеряют длину осей эллипса L₁ и L₂, по которым находят относительные логарифмические деформации ε₁, ε₂ вдоль и поперек направления прокатки, и интенсивность деформации ε_i, отличающийся тем, что испытания проводят на специально изготовленном образце в виде плоского круглого диска, который многократно прокатывают валками лабораторного стана, в результате чего диск становится эллипсовидным, после каждого очередного обжатия измеряют длину осей формирующегося эллипса L₁ и L₂, рассчитывают деформации ε₁, ε₂ и интенсивность деформации ε_i, а также измеряют твердость HV, математической обработкой находят выражение зависимости $$HV=N{\epsilon }_i^n$$ , численные значения коэффициентов n в котором отражают восприимчивость к наклепу испытуемого металла, коэффициент N определяет собой твердость HV, приобретаемую металлом после деформирования с интенсивностью ε_i=1.