СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛА
METHOD OF METAL MECHANICAL TESTING

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
i
где ε - интенсивность пластической деформации (безразмерная величин), HV - твердость по Виккерсу (в МПа).
i
Величину ε, 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.
i
Однако предельное удлинение металла при растяжении ограничено величинами ε, численные значения которых не превышают 0,5 для самых пластичных металлов, притом что при других испытаниях, например прокаткой, достигают значений 1,0 и более.
i
Таким образом, данное испытание не позволяет проследить проявление зависимости (1) при численных значениях ε, 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]
1
2
В результате прокатки окружности СИС превращаются в эллипсы с максимальной и минимальной осью, соответственно L и L.
1
2
1
2
i
Величины D, L и Lиспользуются для определения возникающих при прокатке логарифмических относительных деформаций ε, ε, и интенсивности деформации ε с расчетами по формулам
Данное испытание, являющееся наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу, обладает следующими недостатками:
i
1) невозможность достоверного выявления восприимчивости к наклепу при деформациях с ε, 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.
1
2
1
2
i
1
2
1
2
i
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 L и L, по которым находят логарифмические относительные деформации ε и ε вдоль и поперек направления прокатки, и интенсивность деформации ε, 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 L и L, находят логарифмические относительные деформации ε и ε, интенсивность деформации ε, а также измеряют твердость поверхности HV, в результате аппроксимации графической зависимости между интенсивностью деформации и твердостью находят выражение
i
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=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.
1
2
1
2
i
i
В предлагаемом решении, благодаря тому что после деформирования прокатными валками окружность с исходным диаметром D, ограничивающая периметр образца, превращается в эллипс с осями L и L, измерение которых позволяет определять величины ε, ε, и ε, с расчетами по формулам (2) и (3), отпадает необходимость применения СИС. При этом появляется возможность испытания металла при больших деформациях (ε>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).
1
2
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 L и L, с последующими компьютерными расчетами по формулам (2) и (3).
1
2
Измерения диаметра D и величин L и L 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.
i
5
Данные, содержащиеся в колонках {ε,HV} 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.
5
i
При этом коэффициент N определяет собой твердость HV, приобретаемую металлом после деформирования с интенсивностью ε=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.