Оценка механических свойств материала элементов металлоконструкций методом кинетической твердости

Механика деформируемого твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (4), с. 1531-1532

1531

УДК 620.179.1

ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТВЕРДОСТИ

© 2011 г. Д.А. Коновалов

Институт машиноведения УрО РАН, Екатеринбург

konovalov@imach.uran.ru

Поступила в редакцию 15.06.2011

Предложена новая методика определения кривой деформационного упрочнения, которая аппроксимируется трехпараметрической функцией по результатам испытаний на вдавливание трех инденторов с различными углами на вершине. Методика позволяет исследовать металлические материалы с выраженным пределом текучести. Методика прошла верификацию в лабораторных и полевых условиях и адаптирована для портативного твердомера.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, кинетическая твердость, кривая деформационного упрочнения.

Для определения механических свойств (кривой деформационного упрочнения) металлов в основном применяют три стандартизованных испытания: растяжение, сжатие и кручение образцов. Эти методы дают достоверную информацию о свойствах материалов. Для изготовления образцов необходимо вырезать часть материала из заготовки, изделия или элемента конструкции, поэтому данные испытания относятся к так называемым разрушающим методам. Однако в некоторых случаях изготовить образцы необходимых размеров или в необходимом количестве либо не представляется возможным, либо нецелесообразно по экономическим или техническим причинам. Это справедливо для конструкций и машин, находящихся в эксплуатации, когда необходимо сделать оценку текущего состояния технических объектов для определения возможности их дальнейшей эксплуатации. Оценку свойств материалов многих конструкций можно осуществить только с помощью неповреждающих методов проведения испытаний.

Перспективным является метод кинетического индентирования, основанный на внедрении в поверхность изделия конических инденторов, ко -торый использует диаграмму вдавливания Р(И), где Р - нагрузка на индентор, к - глубина внедрения в поверхность исследуемого материала [14]. Эта зависимость хорошо аппроксимируется параболическим законом Кика:

Р = ск

2

который вдавливается индентор, и практически не зависит от глубины вдавливания.

Кривые упрочнения металлов и сплавов аппроксимируют в основном степенными зависимостями. Для большинства металлов кривую упрочнения можно аппроксимировать трехпарамет-рической степенной зависимостью вида

а, =ао

где с - коэффициент, зависящий от угла инденто-ра а и упругопластических свойств материала, в

где а0 — начальный предел текучести; Л — степень деформации сдвига; а1 и а2 - коэффициенты.

Параметр с в уравнении (1) в общем случае зависит от коэффициентов а0, а1, а2, кривой упрочнения (2), модуля Юнга Е и угла конического индентора а. Исходя из анализа размерностей и П-теоремы [5], данную зависимость представим в виде:

с = ЕФ

где а0 = а0/Е, функция Ф и ее аргументы а0, а1, а2 являются безразмерными величинами.

Для нахождения функции Ф многократно моделировали методом конечных элементов внедрение конического индентора с заданным углом а в упругопластическую среду для множества значений параметров а0, а1, а2. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона для всех материалов положили равными соответственно 210 ГПа и 0.3. Расчеты выполнили для углов индентора 90°, 120° и 140°. Расчетную кривую вдавливания аппроксимировали законом Кика (1).

Значения функции Ф получили делением значения коэффициента с на модуль Юнга Е. Расчетные данные аппроксимировали аналитической зависимостью вида

2

1532

Д.А. Коновалов

Ф = фа^а^Т,

где ф(а0) = Ь0 + Ь1а0, т(а0) = —Ь2 + Ь3а0, п(а2, а0) = = Ь 4 + (Ь5 - Ьба0)а2, Ь = ^+(г = 0, ..6), й, gl — числовые коэффициенты.

В соответствии с (3) и (4) получаем систему трех нелинейных уравнений

мг- = фоП От1, г = 1,2,3,

где иг = ciIE, индекс г определяет значения коэф-фициентов Ь0—Ь6 для соответствующего угла ко -нуса.

Находя из экспериментов по вдавливанию трех инденторов с различными углами значения коэффициента сг (г = 0, 2, 3, г — номер индентора) в законе Кика и подставляя их в уравнение (5), находим методом подбора значение параметров с0, а1, а2. Поскольку уравнение (5) некорректно, то его решение находится методом подбора [6].

Методика была апробирована в лабораторных условиях для тестовых материалов сталей Ст3, 08Х18Н10Т и меди М0. Кривые упрочнения из экспериментов на осадку цилиндрических образцов для тестовых материалов и диаграммы вдавливания для конических инденторов с углами 90, 120° и 140° получили на испытательной машине ¡шйоп 8801. В соответствии с методикой по диаграммам вдавливания были получены аппроксимации (2) кривых деформационного упрочнения, которые имели хорошее совпадение с кривыми, полученными на осадку. Поэтому методику можно использовать для приборов, которые позволяют записывать диаграмму вдавливания.

Для конструкций или деталей, находящихся в эксплуатации, невозможно применять оборудование с большими усилиями нагружения для получения кривой вдавливания. Для этого необходимо использовать портативные приборы. Одним из таких приборов является твердомер ТЕСТ-МИНИ-(УТ). Принцип работы твердомера, осна-

щенного статическим датчиком, состоит в непрерывной регистрации в процессе вдавливания ин-дентора диаграммы вдавливания на стадиях активного нагружения, выдержки под нагрузкой и разгрузки. С помощью твердомера для тестовых материалов были получены диаграммы вдавливания для алмазных инденторов с углами 90°, 120° и одного пирамидального с углом между гранями 136°, который эквивалентен коническому ин-дентору с углом 140°. По разработанной методике определили кривые упрочнения, которые также имели хорошее совпадение с кривыми, полученными из экспериментов на осадку. Таким образом, данная методика может быть использована для определения механических свойств металлических изделий, находящихся в эксплуатации.

Методика прошла апробацию в лабораторных условиях и использована для определения прочностных свойств фрагментов оболочек из сплава АМг6 на предприятии ФГУП ГРЦ «КБ им. академика В.П. Макеева».

Работа выполнена в рамках междисциплинарного проекта УрО РАН №09-М-13-2001.

Список литературы

1. Булычев С.И., Алехин В.П. II Физика и химия обработки материалов. 1978. №3. С. 134—138.

2. Булычев С.И., Алехин В.П. II Заводская лаборатория. 1987. №11. С. 76—79.

3. Смирнов С.В., Смирнов В.К., Солошенко А.Н., Швейкин В.П. II Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №8. С. 3—6.

4. Федосов С .А., Пешек Л. Определение механических свойств материалов микроиндентированием: Современные зарубежные методики. М.: МГУ, 2004. 100 с.

5. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1983. Т. 1. 528 с.

6. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач: Учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1986. 288 с.

ESTIMATION OF MATERIAL MECHANICAL PROPERTIES OF STEEL-WORK ELEMENTS USING

THE KINETIC HARDNESS METHOD

D.A. Konovalov

A new technique of constructing the deformation hardening curve approximated by a three-parametrical function based on test results for cave-in of three indentors with various corners at top is presented. The technique allows investigating metal materials with a pronounced yield stress. The technique has been tested in laboratory and field conditions and is adapted for a portable hardness-testing machine.

Keywords: nondestructive test, kinetic hardness, deform hardening curve.