СПОСОБ ХРУСТАЛЕВА Е.Н. ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ И ПАРАМЕТРОВ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЫ Российский патент 2017 года по МПК G01N3/42 

Изобретение относится к физике материального контактного взаимодействия и служит для однозначного определения твердости материальной среды, полученной по методам (НВ) Бринелля Ю.А., (HV) «Виккерса», (HRc) Роквелла С.П. через ее прочностные параметры - угол ϕ° внутреннего трения и удельное сцепление - С (МПа).

Известен способ определения твердости материальной среды по методу (НВ) Бринелля Ю.А., заключающийся в том, что в испытываемую поверхность твердого материального тела вдавливают стальной закаленный шарик диаметром D=2,5 мм, D=5 мм или D=10 мм при заданной нагрузке N_о=625 Н…3000 Н и определяют число твердости по Бринеллю как HB=N_о/F (Н/мм²), где N_о (Н) - нагрузка на штамп, F=π⋅D⋅S_o (мм²) - площадь поверхности (сферического) отпечатка глубиной S_o (мм), при этом при НВ>130 испытывают твердые материалы при N_o/D²=30, материалы средней твердости НВ≈30…130 - при N_o/D²=10 и мягкие материалы НВ<30 - при N_o/D²=2,5, причем при плавном вдавливании шарика постоянство выдержки нагрузки N_о к шарику обеспечивают в течение 30 сек [1].

Метод Бринелля характеризуется тремя шкалами твердости НВ материальных сред и подбором диаметра шарика, при котором при нагрузке N упругий контакт по Герцу завершается, и далее может происходить только упругопластическое деформирование среды. При этом до нагрузки N эпюра контактных напряжений имеет седлообразную форму, а свыше нагрузки N - вытянутую эллипсоидную форму, то есть она носит неравномерный характер.

В работе [2] установлено соотношение между твердостью по Бринеллю (НВ) и нижним пределом текучести σ_нт в виде НВ=2,77⋅σ_нт.

Известен способ определения твердости материальной среды по методу (HV) «Виккерса», заключающийся в том, что в поверхность образца твердой материальной среды вдавливают алмазный индентор (наконечник) по форме правильной четырехгранной пирамиды с двухгранным углом при вершине, нагрузку N на индентор задают и выдерживают постоянной по шкале N_о=50, 100, 200, 300, 500, 1000 (Н) в зависимости от твердости и толщины образца среды, а твердость по «Виккерсу» определяют как HV=N_o/F, где - площадь пирамидальной поверхности отпечатка глубиной h (мм) при замере двух диагоналей отпечатка с погрешностью 1 мкм [3].

Постоянную нагрузку N_o на индентор задают для испытываемого материала несколько раз, пока она не попадет в необходимый диапазон шкалы N_o нагрузок. Твердость по «Виккерсу» (HV) не совпадает с твердостью по Бринеллю (НВ).

Известен способ определения твердости материальной среды по методу (HRc) Роквелла С.П., заключающийся в том, что в поверхность образца твердой материальной среды вдавливают алмазный индентор с углом при вершине (шкала А и С) или стальной закаленный шарик диаметром D=1/16'', или D=1,588 мм (шкала В), а за единицу твердости принимают условную величину усилия при осевом перемещении индентора на глубину 0,002 мкм [4].

Твердость по Роквеллу (HRc) - условная эмпирическая величина, не совпадающая с твердость по Бринеллю (НВ) и твердостью по методу «Виккерса» (HV).

Способы определения твердости материалов по Бринеллю (НВ), «Виккерсу» (HV) и Роквеллу (HRc) преимущественно предназначены для металлов.

Известен способ определения несущей способности дисперсной пористой материальной среды (грунт, торф и др.) методом пенетрации коническим индентором, заключающийся в том, что конический индентор с углом при вершине (конус Васильева) погружают в грунтовую поверхность полупространства на глубину 10 мм, в процессе погружения индентора замеряют усилие N_i (Н) его погружения в грунт с фиксацией значения N₁₀ на глубине 10 мм, а удельное сопротивление пенетрации определяют по зависимости , где N_o (Н) - осевое усилие на конический индентор, - радиус отпечатка конического индентора на поверхности полупространства глубиной S_o (см) [5].

Физико-механические характеристики пористых грунтов, полученные по результатам пенетрации конусными инденторами при различных углах при вершине имеют большой разброс данных, а угол необходимо для исследуемого вида грунта принимать индивидуально методом подбора. При этом глубина S_o=10 мм пенетрации среды строго ограничена, так как с дальнейшим ее увеличением нарушается линейная связь усилия пенетрации N_i от глубины

Известен способ определения прочности пористых глинистых грунтов методом вдавливания шарового индентора, заключающийся в том, что для данного вида глинистого грунта опытным путем подбирают предельную нагрузку N, прикладываемую к шаровому индентору, исходя из условия 0,005⋅D≤S₁₅≤0,05⋅D, где S₁₅ - осадка штампа через 15 мин после приложения нагрузки N, к поверхности грунта через шаровой индентор прикладывают подобранную нагрузку N, замеряют установившуюся длительную осадку грунта S_дл и определяют прочность или длительное сопротивление грунта по зависимости σ_дл=N/(π⋅D⋅S_дл) (МПа), а для пластичных глинистых грунтов - величину длительного сцепления при выдержке длительного сопротивления σ_дл во времени t до стабилизации его значения [7].

Известен способ определения параметров прочности материальной мерзлой грунтовой и торфяной среды, включающий ее нагружение усилием N_о жесткого сферического штампа диаметром D до стабилизации осадки S_t, нагрузку штампа с замером мессурой его осадки по остаточному диаметру d_к лунки сжатия, определение длительного сопротивления σ_дл и длительного сцепления мерзлой среды как С_дл=0,18⋅N/(π⋅D⋅S_o)=σ_дл (МПа) [8].

Недостатком известного способа является низкая расчетная точность параметров прочности мерзлой среды при несоответствии остаточной осадки лунки сжатия контактной осадке S_o сферы, взаимодействующей с мерзлой средой. Диаметр остаточной лунки сжатия соответствует только остаточной пластической деформации, так как упругие остаточные деформации после разгрузки сферы в лунке сжатия восстанавливаются.

Цель изобретения - однозначное определение твердости любой материальной среды через общефизические параметры - угол ϕ° внутреннего трения и удельное сцепление - С (МПа).

Технический результат по способу определения твердости и параметров прочности материальной среды, заключающемуся в том, что в исследуемую твердую беспористую материальную среду с поверхности полупространства вертикально погружают жесткий индентор конической или сферической формы соответственно с углом при вершине или диаметром D (см) усилием N_i (Н), возрастающим по мере погружения на глубину S_i (см) до момента стабилизации усилия N_o=const (Н) на соответствующей глубине 50 (см), которые фиксируют динамометром и индикатором деформации, определяют твердость материальной среды: по Ю.А. Бринеллю - HB=N_o/(π⋅D⋅S_o)=2,77σ_нт (МПа), где σ_нт - нижний предел текучести материальной среды; по «Виккерсу» - , где 136° - угол при вершине четырехгранной пирамиды индентора; по С.П. Роквеллу - , где S_o - заданная глубина погружения конусного индентора с углом при вершине 120° (шкалы А, С) или шарикового индентора диаметром D (см) (шкала В), методами пенетрации твердой пористой материальной среды с поверхности полупространства шариковым индентором по зависимости σ_дл=N_o/(π⋅D⋅S_дл) (МПа), где σ_дл - длительное сопротивление среды пенетрации, и конусным индентором с углом 30° при вершине по зависимости , где R - удельное сопротивление среды пенетрации, достигается тем, что для твердой материальной среды определяют ее прочностные параметры - угол ϕ° внутреннего трения и С (МПа) - удельное сцепление в ненарушенном структурированном состоянии по зависимостям ϕ°=arccos[(D/2-S_о)/(D/2)], C=(σ_т/2)⋅(1+sinϕ°)/cosϕ° (МПа), где σ_т (МПа) - предел текучести материальной среды, а твердость любой материальной среды определяют по зависимости .

Максимальная твердость материальной среды проявляется перед нарушением ее структурной прочности, когда среда еще в структурированном состоянии и обладает углом ϕ° внутреннего трения и удельным сцеплением - С (МПа), а давление ее разрушения достигает предельного значения , где действующее бытовое давление р₆=(γh-C)tgϕ°=(C/cos²ϕ°-C)tgϕ°=G⋅tgϕ° (МПа), а начальное (первое) критическое разрушающее давление под краями штампа [9].

Для твердой материальной среды методы испытания дисперсных материалов на сжимаемость и сдвиг в массиве или в образце не пригодны и параметры прочности твердой среды получают через аналитические зависимости ϕ°=arccos[(D/2-S_о)/(D/2)], C=(σ_т/2)⋅(1+sinϕ°)/cosϕ° (МПа), где σ_т (МПа) - предел текучести материала, легко определяемый из предельного состояния материальной среды Ш. Кулона-Мора.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 - схема испытания структурированной (упругой) материальной среды перед разрушением шариковым индентором Ю.А. Бринелля; на фиг. 2 - схема испытания структурированной (упругой) материальной среды перед разрушением методом С.П. Роквелла; на фиг. 3 - схема испытания структурированной (упругой) материальной среды перед разрушением под плоским жестким штампом.

Способ определения твердости и параметров прочности материальной среды реализуется следующим образом.

1. В твердую структурированную (упругую) материальную среду 1 с поверхности полупространства (фиг. 1) вертикально погружают подобранный по диаметру D шариковый индентор 2 фиксируемым по мере погружения на регистрируемую глубину S_i (см) усилием вдавливания N_i(H). В момент стабилизации усилия N_o=const регистрируют глубину S_o погружения шарикового индентора 2 диаметром D (см). Твердость по Бринеллю определяют как HB=N_o/(π⋅D⋅S_o) (МПа), а длительное сопротивление пенетрации шариковым индентором 2 дисперсных пористых твердых материалов или их прочность определяют как σ_дл=N/(π⋅D⋅S_дл) (МПа), где S_дл (см) - длительная осадка шарикового индентора 2.

2. В твердую структурированную (упругую) материальную среду 1 с поверхности полупространства (фиг. 2) вертикально погружают подобранный по углу конический индентор 3 фиксируемым усилием N_i(H). Для дисперсной грунтовой среды 1 для конусного индентора 3 при S_о=1 см угол при вершине принимают равным . Твердость по Роквеллу определяют как для металла при (шкала А и С) и S_o=0,002 (мкм), а удельное сопротивление пенетрации для дисперсных грунтов - , где N_o (Н) - замеренное осевое усилие конусного индентора; - осадка конусного индентора при радиусе r отпечатка индентора на поверхности дисперсной среды.

3. По результатам лабораторных испытаний образца твердой материальной среды определяют ее предел текучести σ_т (кГ/см²), а дисперсной твердой материальной среды - ее параметры прочности - угол ϕ° внутреннего трения и C (МПа) - удельное сцепление на приборах одноплоскостного среза образцов, обжатых давлением р_i по зависимости Ш. Кулона-Мора τ_i=p_itgϕ°+C (МПа).

Для сплошной твердой материальной среды устанавливают угол внутреннего трения ϕ°=arccos[(D/2-S_o)/(D/2)], где D - диаметр сферического индентора 2 (фиг. 1), S_o - осадка индентора 2 перед разрушением среды при постоянстве вдавливающего усилия N_o=const, а также удельное сцепление среды как С=(σ_т/2)(1+sinϕ°)/cosϕ° (МПа).

Твердость материальной среды рассчитывают как . Твердость HHr материальной среды соответствует предельному давлению , предшествующему ее разрушению после трещинообразования среды 1 под жестким плоским штампом 4 и образования под ним лидирующего ядра 5 уплотнения (фиг. 3), под которым, как под жестким конусом 3 (фиг. 2) после нарушения структурной прочности среды, развиваются линии сдвигов, выходящие на дневную поверхность под углом внутреннего трения среды с нарушенной структурой.

Пример 1. Металлический образец испытывают на твердость по Бринеллю шариком диаметром D=10 мм под нагрузкой N_o=30000 Н с выдержкой t=10 сек. При деформации образца шариком S_o=0,0239 мм рассчитывают твердость образца по Бринеллю как НВ=N_o/(π⋅D⋅S_o)=30000/(π⋅1⋅0,0239)=399550 (МПа)=4000 (Н/мм²) или получают НВ400.

Лабораторные испытания образца металла предоставили данные о пределе текучести σ_т=950 (Н/мм²).

По предлагаемому способу угол внутреннего трения образцов металла равен ϕ°=arccos[(D/2-S_o)/(D/2)]=arccos[(1/2-,0239)/(1/2)]=arccos0,9522=. Удельное сцепление определяют как C=(σ_т/2)(1+sinϕ°)/cosϕ°=(9500/2)(1+sin)/cos=651,3 (МПа).

Предельное давление для образца среды составляет величину

Пример 2. Образец мерзлого торфа испытывают на твердость по Бринеллю шариком диаметром D=20 мм под нагрузкой N_o=2140 Н с выдержкой t=10 сек. При деформации образца шариком S_o=0,212 мм рассчитывают твердость образца по Бринеллю как НВ=N_о/(π⋅D⋅S_о)=2140/(π⋅2⋅0,0212)=160,66 (МПа)=160 (Н/мм²).

При испытании образца торфа на твердость по Роквеллу конусным индентором с углом при вершине 30° стабилизированное усилие вдавливания при его заглублении на глубину 0,5 см составило N_o=405 (Н), а твердость по Роквеллу .

Лабораторные испытания образца мерзлого торфа предоставили данные о пределе текучести σ_т=1,06 (МПа).

По предлагаемому способу угол внутреннего трения образца мерзлого торфа равен ϕ°=arccos[(D/2-S_о)/(D/2)]=arccos[(2/2-,0202)/1]=11°,54. Удельное сцепление определяют как C=(σ_т/2)(1+sinϕ°)/cosϕ°=(1/06/2)(1+sin11°,54)/cos11°,54=0,65 (МПа).

Предельное давление для образца мерзлого торфа составляет величину

Пример 3. Образец грунта испытывают на твердость пенетрацией конусным индентором с углом 30° при вершине. При погружении индентора на глубину S_o=1 см - const усилие вдавливания в момент стабилизации составило величину N_o=8,3 (H). Твердость по Роквеллу составила величину .

При испытании грунта на твердость сферическим индентором диаметром D=2,7 см получили отпечаток на поверхности образца диаметром d=1,08 см при глубине S_o=0,0462 мм твердость по Бринеллю составила величину НВ=N_o/(π⋅D⋅S_o)=8,3/(π⋅2,7⋅0,0462)=0,211 (МПа)=0,2 (Н/мм²).

Лабораторные испытания образцов грунта на сжимаемость и одноплоскостной срез в сдвиговом приборе дали данные об угле внутреннего трения грунта ϕ=30° и его удельном сцеплении C=0,02 (МПа). Твердость грунта составила величину

Впервые через общефизическую величину угла ϕ° внутреннего трения и удельного сцепления С (МПа) получена однозначная величина твердости любой материальной среды.

Источники информации

1. Артоболевский И.И. Политехнический словарь. - М.: «Советская Энциклопедия», 1977. - С. 60.

2. Ишлинский А.Ю. Осесимметричная задача пластичности и проба Бринелля. // ППИ, 1944. - Т. 8, ВЫТТ. 8 - С. 201-202.

3. Артоболевский И.И. Политехнический словарь. - М.: «Советская Энциклопедия», 1977. - С. 78.

4. Артоболевский И.И. Политехнический словарь. - М.: «Советская Энциклопедия», 1977. - С. 428.

5. Черкасов И.И. Механические свойства грунтов в дорожном строительстве. - М.: Транспорт, 1976. - С. 141-144, 154-167.

6. Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов. - М.: Издательство литературы по строительству, 1968. - С. 42.

7. Зиангиров Р.С., Роот П.Э., Филимонов С.Д. Практикум по механике грунтов. - М.: Изд-во МГУ, 1984. - С. 130-132.

8. Роман Л.Т., Веретехина Э.Г. Определение деформационных характеристик мерзлых грунтов вдавливанием шарового штампа. / Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2004. - №2. - С. 21-24.

9. Кузьмин П.Г., Ферронский В.И. Проектирование фундаментов по предельным состояниям. - Росвузиздат, 1963. - С. 17.

10. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Книга 1. - М.: «Машиностроение», 1974. - С. 8-12, 14-19, 24-30.

Изобретение относится к области физики материального контактного взаимодействия, конкретно к способу определения твердости и параметров прочности любой материальной среды через общефизические параметры: угол ϕ° внутреннего трения и удельное сцепление C (МПа).

По предлагаемому способу определяют для твердой беспористой среды угол ϕ°=arccos[(D/2-S_o)/(D/2)] и удельное сцепление C=(σ_т/2)(1+sinϕ°)/cosϕ° (МПа), а для пористой дисперсной материальной среды угол ϕ° и удельное сцепление C (МПа) определяют по закону Ш. Кулона-Мора τ_i=p_itgϕ°+C, а твердость любой материальной среды определяют как .

Технический результат – повышение точности определения твердости. 3 ил.

Способ определения твердости и параметров прочности материальной среды, заключающийся в том, что в твердую беспористую материальную среду с поверхности полупространства вертикально погружают жесткий индентор конической или сферической формы соответственно с углом при вершине или диаметром D (см) усилием N_i(Н), возрастающим по мере погружения на глубину S_i (см) до момента стабилизации усилия N_o=const(Н) на соответствующей глубине S_o (см), которые фиксируют динамометром и индикатором деформации, определяют твердость материальной среды: по Ю.И. Бринеллю - HB=N_o/(π⋅D⋅S_o)=2,77 σ_нт (МПа), где σ_нт - нижний предел текучести материальной среды; по «Виккерсу» - (МПа), где 136° - угол при вершине четырехгранной пирамиды индентора; по С.П. Роквеллу - (МПа), где S_o - заданная глубина погружения конусного индентора с углом при вершине 120° (шкалы А, С) или шарикового индентора диаметром D (см) (шкала В), методами пенетрации твердой пористой материальной среды с поверхности полупространства шариковым индентором по зависимости σ_дл=N_o/(π⋅D⋅S_дл) (МПа), где σ_дл - длительное сопротивление среды пенетрации, и конусным наконечником с углом 30° при вершине по зависимости (МПа), где R - удельное сопротивление среды пенетрации, отличающийся тем, что для твердой материальной среды определяют ее прочностные параметры - угол ϕ° внутреннего трения и С (МПа) - удельное сцепление в ненарушенном структурированном состоянии по зависимостям ϕ°=arccos[(D/2-S_o)/(D/2)], C=(σ_т/2)⋅(1+sinϕ°)/cosϕ° (МПа), где σ_т (МПа) - предел текучести материальной среды, а твердость любой материальной среды определяют по зависимости (МПа).