Способ определения предела упругости материалов Советский патент 1987 года по МПК G01N3/00 G01N3/40 

Изобретение относится к физико- химическим исследованиям и может быт использовано при разработке йовых приборов и методов испытания материалов для определения их механичес- ких характеристик.

Цель изобретения - пйвьшение точности и надежности за счет использования более чувствительного к появлению пластической деформации параметр напряженного состояния материала.

На чертеже показан график в координатах максимальное давление - корень кубический из величины нагрузки

Способ реализуется следующим образом.

На исследуемую поверхность помещают оптические датчики локального давления, например, в виде порошка рубина микронных размеров, приводят в соприкосновение прозрачный инден- тор и исследуемый материал и прикладывают нагрузку. При каждой величине нагрузки с помощью сфокусированного лазерного излучения возбуждают R-ли- нию люминесценции рубина ( , 694,24 им) с площадки диаметром / 3-5 мкм. Спектр люминесценции записывают с помощью схемы регистрации (монохроматор, ФЭУ, самописец).

По калиброванной зависимости положения R-линии от давления определяют величину давления в месте рас- положения датчика. Сканированием лазерного луча по площади контакта определяют распределение давления и тем самым максимальное давление на контакте (может быть измерен также и диаметр последнего). Далее строят график (F } , находят точку отклонения от линейной зависимости и вычисляют предел упругости.

Пример. Определяли предел

упругости для карбида вольфрама ВК-6.45 соответствующее в нашем эксперименте

,/иякс

в эксперименте использовали стандарт- Р ный алмазньй индентор НК-1 для изме- ба рений твердости по Роквеллу с радиу- t сом закругления наконечника R 0,27 мм. Испытуемый образец пред- 50 ставлял собой шайбу диаметром 5 мм и высотой 5 мм. Между индентором и образцом ВК-6 помещали порошок рубина с размером зерна v1 мкм. ПриклаТаким образом, точка перегит, МИКС г- г „1-1

Г о Ь,э ГПа соответствует 2,0 ГПа и предел упругости

&„ 2t Р

м«кс о

/1,38 4 ГПа.

Определяли величину d при данной F одновременно с измерением Р . Например, цри нагрузке F 343 Н диаметр контакта составляет d 12 мкм. дьгаали нагрузку на индентор, записы- 5 Строили график в координатах диа- вали спектр люминесценции кусочков метр контакта - корень кубический из рубина, возбуждая его сфокусирован- величины нагрузки. Результат пред- ным лучом Не - Cd лазера ( /1 ствален на кривой 2 чертежа. Как вид- 441,6 нм). Запись спектров произ- но, зависимость d(F ) менее чувст5

5

O

0

5

0

водили при сканировании луча по области контакта с шагом 5 мкм, диаметр пятна луча лазера составлял /V 2-3 мкм. Пользуясь известной зависимостью длины волны R-линии люминесценции рубина от давления, определяли величину локального давления в точке Записи спектра. Находили вепи- чину максимального давления в области контакта р при данной нагрузке F, измеренной с помощью тензодат- чиков. Например, при нагрузке F 85 Н максимальное давление в площади контакта равно р 12 ГПа. Наносили результаты измерений р и F на график в координатах максимальное давление - корень кубический из величины нагрузки.

Увеличивали нагрузку и вновь повторяли перечисленные операции при каждой новой нагрузке. Результат измерений представлен на чертеже, кривая 1 . Прямая 1 на чертеже соответствует условиям чисто упругой дефор- мации, описываемой известным уравнением Герца. Как видно из сравнения линий 1 и 1 , при значениях экспери,11Ъ

0„3кг

ментальных параметров F и р ci 5,5 ГПа наблюдается отклонение кривой 1 от линейной зависимости (точка перегиба). Эта точка соответствует появлению первых плас- гаческих деформаций.

Для определения предела упругости iy воспользовались теорией упругости. Согласно критерию Мизеса, пластическое течение должно начаться в области максимальньк касательных напряжений,

которая формируется в точке под центром сферического индентора на глубине ,4 R, При зтом сдвиговое напряжение имеет величину Г ;i 0,36 Р, где Р - давление в центре контакта,

кс

Таким образом, точка перегит, МИКС г- г „1-1

Г о Ь,э ГПа соответствует 2,0 ГПа и предел упругости

&„ 2t Р

м«кс о

/1,38 4 ГПа.

вительна к появлению пластических деформаций, чем зависимость (р ) Отклонение зависимости d(F ) от линейной (линия 2) наблюдается при нагрузках, в несколько раз превышающих ту, при которой наблюдаются заметные проявления пластических деформаций в зависимости Р ( ) . Кроме того, отклонения зависимости р мякс р f/j ) Q линейной после появления пластических деформаций носят более резкий характер, чем отклонения зависимости. d(F ).

Из возможных оптических спектров (люминесценция, отражение, комбинационное рассеяние, а в случае прозрачного объекта и поглощение) удобным в большинстве случаев является спектр люминесценции, как наиболее простой по способу возбуждения и регистрации. Среди интенсивных люмине- сцентов можно использовать, например рубин, для которого существует надежная калибровка по давлению по сдвигу узкой бесфонной R-линии ( 6942,4 А ), которую можно возбудить сфокусированным лазерным излучением в образце размером мкм и легко зарегистрировать стандартными приемниками.

В качестве датчика локального давления могут быть использованы, например, параметры решетки стандартов давления, например NaCl (рентгеновский метод).

Формула изобретения

1. Способ определения предела упругости материалов, заключающийся в том, что внедряют индентор в поверхность испытуемого материала, ступен

Редактор И.Слободяник

Составитель И.Ходатаева

Техред А.Кравчук Корректор с.Чррни

Заказ 2652/46

Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

чато изменяя нагрузку, в месте контакта индентора и испытуемого материала регистрируют параметр напряженного состояния материала, дтроят график и с учетом координат точки перегиба на нем определяют предел упругости, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности и надежности, в качестве параметра напряженного состояния материала используют величину максимального давления на площади контакта при данной нагрузке, строят график в координатах максимальное давление - корень кубический из величины нагрузки и определяют предел упругости по формуле

,/Н01ИС

i, К

где Р

- ордината точки перегиба на графике, К 1,38.

2.Способ по П.1, отличаю- щ и и с я тем, что используют прозрачный индентор, пропускают через него излучение оптической длины волны, между индентором и испытуемым материалом размещают датчик локального давления, регистрируют оптические спектры, по положению линий спектра определяют локальное давление в контакте и .определяют максимальное значение давления.

3.Способ по ПП.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве датчика локального давления используют люминесцент с известной зависимостью длины волны максимума спектра люминесценции от давления.

4.Способ по пп.1-3, о т л и - чающийся тем, что в качестве люминесцента используют порошок ру- |бина.

Изобретение относится к определению механических свойств материа30 20 Ю лов. Цель изобретения - повышение точности и надежности измерений за счет измерения параметра более чувствительного к появлению пластических деформаций. Для этого используют прозрачный индентор, между индентором и испытуемым материалом помещают оптические датчики локального давления (например, кусочки рубина). Давление в любой точке контакта определяют по смещению оптического спектра датчика под действием давления. Предел упругости определяют по параметрам точки перегиба на графике максимальное давление на площади контакта - корень кубический из величины нагрузки. 3 з.п, ф-лы, 1 ил. i (Л 2 J f / .(m) /