Определение твердости по Бринеллю методом инструментированного индентирования

УДК 620.178.15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ МЕТОДОМ ИНСТРУМЕНТИРОВАННОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ

О.А. Каток, научн. сотр., к.т.н., Н.П. Рудницкий, ст. научн. сотр., к.т.н.,

В.В. Харченко, профессор, д.т.н., Институт проблем прочности имени Г.С. Писаренко НАН Украины, г. Киев

Аннотация. Проведен сравнительный анализ известных методик определения твердости по Бринеллю методом инструментированного индентирования. Показаны достоинства предлагаемой методики Института проблем прочности (ИПП).

Ключевые слова: твердость по Бринеллю, метод инструментированного индентирования, диаграмма инструментированного индентирования, глубина вдавливания индентора.

ВИЗНАЧЕННЯ ТВЕРДОСТІ ЗА БРІНЕЛЛЕМ МЕТОДОМ ІНСТРУМЕНТОВАНОГО ІНДЕНТУВАННЯ

О.А. Каток, наук. співр., к.т.н., М.П. Рудницький, ст. наук. співр.,

В.В. Харченко, професор, д.т.н., Інститут проблем міцності імені Г.С. Писаренка НАН України, м. Київ

Анотація. Проведено порівняльний аналіз відомих методик визначення твердості за Брінеллем методом інструментованого індентування. Показано переваги запропонованої методики Інституту проблем міцності (ІПМ).

Ключові слова: твердість за Брінеллем, метод інструментованого індентування, діаграма інструментованого індентування, глибина вдавлювання індентора.

DETERMINATION OF BRINELL HARDNESS USING INSTRUMENTED INDENTATION TECHNIQUE

O. Katok, researcher, Candidate of Technical Science, M. Rudnytskyi, senior researcher, Candidate of Technical Science, V. Kharchenko, Professor, Doctor of Technical Science, Institute of Strength Problems after H. Pisarenko,

NAS of Ukraine, Kyiv

Abstract. A comparative analysis of the known procedures for determining the Brinell hardness using the instrumented indentation technique is carried out. The advantages of the technique developed by the Institute Strength Problems (IPS) are shown.

Key words: Brinell hardness, instrumented indentation test method, instrumented indentation curve, indentation depth.

Введение

В мировой практике значительное внимание уделяется усовершенствованию неразрушающих методов контроля состояния металла ответственного оборудования в процессе эксплуатации.

Анализ публикаций

Регистрация диаграммы индентирования в координатах усилие - глубина вдавливания индентора (метод инструментированного индентирования) [1] при неразрушающих испытаниях металла позволяет получать

намного больше информации о состоянии материала по сравнению со стандартными испытаниями на твердость. На основе обработки таких диаграмм разработан ряд методик определения характеристик механических свойств материалов, в том числе методики определения твердости по Бринеллю [2, 3].

В методике определения твердости по Бринеллю по глубине вдавливания индентора h, предложенной В.М. Матюниным [2], для устранения влияния упругой деформации узла измерения глубины вдавливания индентора на измерение глубины отпечатка используется уравнение пересчета глубины вдавливания индентора в глубину отпечатка t

Нр =

її

Е„

Е + Е

іМ таї у

где Ета1: и Ем - модули Юнга испытываемого материала и индентора соответственно; hp -пластическая составляющая глубины вдавливания индентора; he - упругая составляющая глубины вдавливания индентора, которая состоит из упругой составляющей индентора - he і и материала - he ж.

При определении твердости по Бринеллю по методике В.М. Матюнина необходимо знать модули Юнга испытываемого материала и индентора либо использовать допущение равенства этих модулей. При затруднении определения модуля Юнга испытываемого материала вместо уравнения (1) можно использовать уравнение Оливера [4]

где е - поправочный коэффициент для индентора с шариком, равный 3/4; Ь - тангенс угла участка разгрузки, значение которого определяют из диаграммы в координатах усилие - глубина индентирования в точке пересечения касательной к циклу разгруже-ния Fmax с осью перемещения индентора.

Другой способ определения твердости по Бринеллю, основанный на корреляционной зависимости между искомой величиной и пластической твердостью Нр, был предложен М.Б. Бакировым [3]

НВ = 1,5

0,9

где под пластической твердостью понимается твердость материала, найденная по формуле

где D - диаметр сферического индентора.

Фактически методика Бакирова основана на таблице пересчета пластической твердости в твердость по Бринеллю, что требует дополнительного времени на обработку результатов. Точность такого метода будет зависеть от корреляционной зависимости (3).

Авторами работы разработана новая методика (далее - методика ИПП) [5]. Данная методика основана на корреляционной зависимости между твердостью по Бринеллю, полученной согласно ГОСТ 9012-59 [6], и параметром а, равным тангенсу угла наклона диаграммы инструментированного инденти-рования в координатах ^тах - hp, где ^тах -максимальное усилие, прикладываемое к ин-дентору в цикле нагружения, ^ - пластическая составляющая глубины вдавливания ин-дентора, соответствующая циклу нагружения

НВ — \нв ' а + k2HB ,

где к1НВ и к2НВ - параметры, эмпирические значения которых определяются путем статистической обработки общего массива экспериментальных данных, полученных для исследуемых материалов.

Параметры к1НВ и к2НВ равны 0,009 мм1 и 28,5 МПа соответственно в случае испытаний на установке иТМ-20НТ. Следует также отметить, что точность определения механических характеристик сталей не зависит от упругой деформации узла измерения глубины вдавливания индентора. Кроме того, отклонение результатов, полученных при использовании методики ИПП, от результатов, полученных по ГОСТ 9012-59, можно уменьшить за счет увеличения количества материалов, которые используются при установлении линейной зависимости (5).

Цель и постановка задачи

Представляет интерес проведение сравнительного анализа известных методик определения твердости НВ методом инструментированного индентирования с целью выявления наиболее точной и эффективной методики.

л

h

Є

Результаты экспериментов и их обсуждение

Анализ методик определения твердости по Бринеллю методом инструментированного индентирования проводили на прямоугольных образцах 60^40^10 мм из сталей 45, 15Х2МФА, 15Х2НМФА и металлов сварных швов 10ХМФТ, 08ХГМНТА. Чистота рабочей поверхности была не ниже Ra = 0,06. Твердость по Бринеллю НВ, согласно ГОСТ 9012-59 [6], определяли на твердомере

ХП0-250. Испытания методом инструментированного индентирования проводили согласно КО 14577-1 [1] в статическом и циклическом режимах нагружения шариком D = 2,5 мм на лабораторной установке иТМ-20НТ [7, 8] при комнатной температуре. Диаграммы индентирования записывали в жестком режиме нагружения со скоростью перемещения индентора 0,05 мм/мин. Характерная диаграмма индентирования стали 15Х2НМФА в циклическом режиме нагружения приведена на рис. 1.

Р, н

4000

3000

2000

1000

0,2 К мм

Рис. 1. Характерная диаграмма индентирования стали 15Х2НМФА в циклическом режиме нагружения

Значения твердости НВ исследованных сталей, полученных по различным методикам и на разном оборудовании, представлены в табл. 1.

твердости, полученных по ГОСТ 9012-59, не превышало 4,8 %.

Расчеты твердости по Бринеллю, выполненные с использованием уравнения Оливера в методике Матюнина [2, 4], показали, что отклонение от результатов твердости НВ, полученных по ГОСТ 9012-59, немного больше предыдущих и составило 5,2 %. Значения твердости, определенные по методике Бакирова [3] с использованием уравнений (3) и (4), показывают расхождение со значениями твердости НВ, вычисленными по ГОСТ 9012-59, на 4,3 %.

Для определения значений твердости по Бринеллю, согласно методике ИПП [5], параметр а определяли из диаграммы инструментированного индентирования в координатах Fmax - Типичные диаграммы Fmax

для сталей 08ХГМНТА, 152МФА, 10ХМФТ, 15Х2НМФА и 45 приведены на рис. 2. Различия между значениями твердости, полученными с использованием предложенной методики и общепринятым методом по ГОСТ 9012-59, не превышают ±3 % и находятся в пределах погрешности определения твердости в соответствии с государственными стандартами.

Рис. 2. Диаграммы инстументированного ин-дентирования в координатах Ртах - кр, для сталей: ◊ - 08ХГМНТА; о -15Х2МФА;  - 10ХМФТ; А -

15Х2НМФА;  - 45

Как видно из таблицы, максимальное отклонение характеристик твердости, полученных по методике Матюнина [2], от характеристик

Т аблида 1 Результаты определения твердости по Бринеллю, согласно ГОСТ 9012-59 и методом инструментированного индентирования

Марка стали ГОСТ 9012-59, [6] Методика Матюнина [2] Методика Матюнина и уравнение Оливера [2, 4] Методика Бакирова [3] Методика ИПП [5]

45 183,7 192 192 191 189

15Х2НМФА 222 226 227 224 223

08ХГМНТА 306 310 316 318 301

15Х2МФА 297,3 304 310 310 294

10ХМФТ 255 264 261 264 254

Выводы

Проведен сравнительный анализ ряда методик (Матюнина, Бакирова, ИПП) определения твердости по Бринеллю методом инструментированного индентирования. Методика ИПП оказалась наиболее точной. Разница между значениями твердости, полученными с использованием методики ИПП и общепринятым методом по ГОСТ 9012-59, не превышает ±3 %.

Литература

1. ISO 14577-1:2002 - ISO 14577-3:2002 -

Metallic materials - Instrumented indentation test for hardness and materials parameters.

2. Матюнин В.М. Оперативная диагностика

механических свойств конструкционных материалов / В.М. Матюнин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 216 с.

3. РД ЭО 0027-94. Инструкция по определе-

нию характеристик механических свойств металла оборудования атомных электростанций безобразовыми методами по характеристикам твердости. -Т. 1, 2. - М.: Концерн Росэнергоатом, 1994. - 68 с.

4. Oliver W.C. An improved technique for de-

termining hardness and elastic modulus using load displacement sensing indentation experiments / W.C. Oliver, G.M. Pharr /

J. Mater. Res. - 2002. - Vol. 7, № 6. -P. 1564-1583.

5. Каток О.А. Определение механических

свойств сталей методом непрерывного индентирования / О.А. Каток, В.В. Харченко, А.В. Дроздов и др. // Надежность и долговечность машин и сооружений. -2008. - Вып. 31. - С. 208-213.

6. ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения

твердости по Бринеллю. - Введ. впервые 01.01.1960. - М. : Издательство стандартов, 1985. - 38 с.

7. Харченко В.В. Установка для определения

механических характеристик конструкционных материалов методом инструментированного индентирования / В.В. Харченко, Н.П. Рудницкий, О.А. Каток и др. / Надежность и долговечность машин и сооружений. - 2007. - Вып. 28. - С. 140-147.

8. Патент № 57446 G 01 N3/40. Установка

для реєстрації діаграми інструментованого індентування / Заявник та патен-товласник Інститут проблем міцності НАНУ 01201010123; заявл. 16.08.2010; опубл. 25.02.2011. - Бюл. № 4.

Рецензент: И.П. Гладкий, профессор, к.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 18 августа 2011 г.