СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ СТЕПЕНИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МАТЕРИАЛА
DEFINITION METHOD OF RELATIVE DEGREE OF ELASTO-PLASTIC DEFORMATION OF MATERIAL

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам определения свойств материала деталей при упрочнении пластическим деформированием.
Известен способ определения степени пластической деформации материала (описанный в книге Одинцова Л.Г. «Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием»: Справочник. - М.: Машиностроение, 1987, 328 с., на стр.17-18), заключающийся в том, что наносят шариком единичные отпечатки на поверхность упрочняемого образца и измеряют диаметры отпечатков (лунок) и шарика (сферы), а степень пластической деформации ε поверхности образца определяют по формуле
где d - диаметр отпечатка (лунки);
D - диаметр шарика (сферы).
Недостатком данного способа является то, что он не позволяет определить оптимальную степень пластической деформации образца, при которой повышение усталостной прочности детали после ППД наибольшее. Недостатком данного способа является и то, что он вообще не позволяет определить степень пластической деформации при объемном способе упрочнения, например при упрочнении образца растяжением, энергией взрыва и т.п., поскольку при этих способах упрочнения отсутствует операция внедрения в поверхность детали упрочняющего инструмента (в частности, шарика). Существенным недостатком данного способа является и то, что он в принципе не позволяет определить степень упругопластической деформации материала готового образца (детали), прошедшего упрочняющую обработку.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения степени пластической деформации при дробеструйной обработке (по авторскому свидетельству РФ №1269390, G01N 3/28, В24С 1/00, опубл. 20.01.2006 г., бюл. №2, часть VII, с.2051), при котором наносят единичные отпечатки шариков на поверхность образца и измеряют диаметры отпечатков и шариков, при этом с целью повышения точности определения степени пластической деформации поверхности, ее определяют по формуле
где L - длина дуги отпечатка;
d - диаметр отпечатка.
Недостаток данного способа заключается в том, что он также не позволяет определять оптимальную степень пластической деформации образца, при которой повышение усталостной прочности образца (детали) после ППД наибольшее. С помощью этого способа также невозможно определить степень пластической деформации образца при объемном способе упрочнения. Принципиальным недостатком данного способа является и то, что он не позволяет определить степень упругопластической деформации готового образца, прошедшего упрочняющую обработку. Недостатком способа является то, что он не учитывает упругие и прочностные свойства упрочняемого материала образца.
Таким образом, известные способы имеют низкий технический уровень, поскольку не позволяют определять оптимальную степень пластической деформации материала образца, не позволяют определять степень пластической деформации материала образца при объемных способах упрочнения, а также степень упругопластической деформации готовых (прошедших ранее упрочняющую обработку) образцов, не учитывают прочностные свойства материала образца до и после упрочняющей обработки, а также упругие свойства материала образца.
В этой связи важнейшей задачей является создание нового универсального способа определения относительной степени упругопластической деформации образца, который был бы справедлив для любых способов упрочнения пластическим деформированием (как поверхностных, так и объемных), позволял бы определять действительную степень относительной упругопластической деформации материала образца и ее близость к оптимальной величине (в том числе и на образцах после их упрочнения, то есть на готовых образцах), а также учитывал бы прочностные свойства материала образца до и после упрочняющей обработки и упругие свойства материала образца.
Технический результат - повышение точности определения относительной степени упругопластической деформации материала.
Указанный технический результат заключается в том, что в предлагаемом способе определения относительной степени упругопластической деформации образца наносят единичные отпечатки шариков на поверхность образца и измеряют диаметры отпечатков и шариков, при этом дополнительно наносят единичные отпечатки шариков на упрочненную поверхность образца с нагрузкой, величину которой выбирают в диапазоне, соответствующем измерению твердости, измеряют глубину остаточных отпечатков на упрочненной и неупрочненной поверхности образца, по которым определяют контактный модуль упрочнения упрочненного и неупрочненного образца, определяют интенсивность напряжений в центре отпечатка шарика и степень пластической деформации в отпечатке при внедрении шарика в упрочненную и неупрочненную поверхность образца, а относительную степень упругопластической деформации материала определяют по формуле
o
o,y
где σ и σ - соответственно интенсивность напряжений в центре отпечатка шарика на поверхности образца до и после его упрочнения, равные
y
d и d - соответственно диаметр отпечатка шарика на поверхности образца до и после упрочнения;
у
Р и Р - соответственно нагрузка на шарик при его внедрении в поверхность образца до и после его упрочнения;
y
y
y
ε=d/D и ε=d/D - соответственно степень пластической деформации в отпечатке при внедрении шарика в поверхность образца до и после его упрочнения;
y
D и D - соответственно диаметр шарика, которым наносят отпечатки на неупрочненную и упрочненную поверхность образца;
2
µ - коэффициент Пуассона материала образца;
у
y
y
y
y
Н и Н - соответственно контактный модуль упрочнения образца до и после его упрочнения, равный Н=Р/πDh, H=P/πDh;
y
h и h - соответственно глубина остаточного отпечатка на неупрочненной и упрочненной поверхности образца.
Существенным отличием предлагаемого способа является то, что внедряют шарик в образец как до, так и после его упрочнения и определяют контактный модуль упрочнения образца до и после его упрочнения. Это позволяет (совместно с величинами интенсивности напряжений в центре отпечатка шарика на поверхности образца до и после упрочнения) учесть фактическую величину физического упрочнения материала в результате упрочняющей обработки и благодаря этому повысить точность определения относительной степени упругопластической деформации материала образца.
Существенным отличием предлагаемого способа является то, что величину контактной нагрузки при внедрении шарика используют в диапазоне, соответствующем измерению твердости. Это позволяет заметно повысить точность определения относительной степени упругопластической деформации образца как благодаря меньшей погрешности, возникающей при измерении диаметра отпечатка большего размера, так и благодаря тому, что отпечаток большего размера обеспечивает большую упругопластическую деформацию в отпечатке и, следовательно, вовлечение в упругопластическую деформацию значительного объема материала вокруг отпечатка, что практически исключает влияние колебания размера отпечатка, связанное с известной разностью механических свойств различных структурных составляющих материала образца.
Существенным отличием предлагаемого способа является и то, что оценивают интенсивность напряжений в центре отпечатка шарика и степень пластической деформации в отпечатке при внедрении шарика в образец до и после его упрочнения. Это позволяет сопоставить напряженно-деформированное состояние материала образца при любом способе упрочнения путем пластического деформирования (поверхностном или объемном) с напряженно-деформированным состоянием этого же материала при одноосном растяжении образца.
Совокупность отличительных признаков предлагаемого способа и новые взаимосвязи, установленные авторами между ними, позволили предложить новую зависимость для определения относительной степени упругопластической деформации материала образца. Это позволяет при определении относительной степени упругопластической деформации материала образца одновременно учитывать склонность материала к упрочнению, упругие, прочностные и пластические свойства материала, а также напряженно-деформированное состояние материала образца. Таким образом, предложенная зависимость в новой форме устанавливает взаимосвязи между всеми указанными выше существенными факторами, определяющими величину относительной степени упругопластической деформации материала образца.
отн
отн
отн
отн
отн
отн
отн
отн
Дополнительно отметим, существенным отличием предлагаемого способа является то, что он позволяет определить именно относительную степень упругопластической деформации материала образца, а не ее абсолютное значение. Это дает возможность по значению U относительной степени упругопластической деформации судить о физическом состоянии упрочненного материала образца. Суть дела состоит в том, что в процессе упрочняющей обработки образца наряду с физическим упрочнением его материала (которое проявляется в повышении предела текучести материала) одновременно в материале происходит и разупрочнение из-за возникающих в нем микродефектов. Нами установлено, что при значении U≈1 предел выносливости материала образца оказывается наибольшим; это означает, что при U≈1 деформационное упрочнение материала образца практически завершается, а заметный рост количества и размеров микродефектов в материале образца возникает только при U≥1. Таким образом, значение U≈1 является оптимальной величиной относительной степени упругопластической деформации, к которой необходимо стремиться при проведении упрочнения материала образца путем его пластического деформирования. При этом если после определения U предлагаемым способом окажется, что его значение меньше 1, то материал образца упрочнен не в полной мере (то есть усталостная прочность образца не достигнет наибольшего возможного уровня) и процесс упрочнения следует продолжить при иных режимах обработки; если окажется, что значение U превышает 1, то материал образца перенаклепан, а его усталостная прочность будет меньше, чем при оптимальном значении U≈1.
Способ определения относительной степени упругопластической деформации материала образца реализуется следующим образом.
у
y
Внедряют шарик в материал образца до упрочнения, а также после упрочнения. Диапазон нагрузок Р и Р на шарик и диаметр шарика D и D может быть выбран, например, согласно ГОСТ 9012-59 «Металлы. Методы испытаний. Измерение твердости по Бринеллю» или ГОСТ 18835-73 «Металлы. Метод измерения пластической твердости». Широкий диапазон нагрузок на шарик позволяет использовать различные нагружающие устройства: пресс Бринелля, разрывные машины, ручные винтовые прессы и т.п. Следует отметить, что согласно ГОСТ 9012-59, а также ГОСТ 18835-73 «минимальная толщина испытуемого образца (изделия, объекта) должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка». Это значит, что при внедрении шарика в поверхность материала, упрочненного поверхностным пластическим деформированием (дробеобработкой, обкаткой роликами или шариками, чеканкой и т.п.) глубина отпечатка должна быть в 10 раз меньше толщины наклепанного слоя.
y
Измеряют диаметры остаточных отпечатков на поверхности образца до его упрочнения - d, а также на упрочненной поверхности образца - d. Эту операцию можно выполнить с помощью инструментального микроскопа (например, типа МИМ-2, переносного микроскопа Бринелля МПБ-3 и т.п.).
у
Определяют контактный модуль упрочнения материала образца до его упрочнения - Н, а также контактный модуль упрочнения - Н упрочненного материала образца. При этом имеют в виду, что в диапазоне используемых в предлагаемом способе нагрузок и диаметров остаточных отпечатков значение контактного модуля упрочнения Н численно равно значению пластической твердости НД материала, которую определяют согласно ГОСТ 18835-73 «Металлы. Метод измерения пластической твердости». Эта методика определения НД описана также в книге «Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации», авторы: М.С.Дрозд, М.М.Матлин, Ю.И.Сидякин - М.: Машиностроение, 1986. - 224 с. на стр.16-19. При этом необходимые для определения НД значения глубин остаточных отпечатков находят путем измерения глубин ранее полученных отпечатков. Глубину остаточного отпечатка можно измерить с помощью индикаторной стойки, снабженной, например, индикатором часового типа с ценой деления 0,01 или 0,001 мм.
Дополнительно укажем, что твердость НД (а следовательно, и контактный модуль упрочнения материала образца) можно определить путем непосредственного измерения других чисел твердости (см. табл.1). Эти данные приведены, например, в книге Матлина М.М., Лебского С.Л., Мозгуновой А.И. «Закономерности упругопластического контакта в задачах поверхностного пластического упрочнения» - М.: Машиностроение-1, 2007. - 218 с., на стр.30.
Таблица 1
Связь пластической твердости НД с другими числами твердости
Числа твердости
Пластическая твердость НД, МПа
НRС<sub>Э</sub> (при НRС<sub>Э</sub>≥32)
3,57·10<sup>-4</sup>·HRC<sub>Э</sub> <sup>4,05</sup>+3353
HRB
88300/(130-HRB)
НВ, МПа (при НВ≤4000)
0,468 HB<sup>1,124</sup>
HV, МПа (при HV 1000÷9200)
0,5 HV<sup>1,113</sup>
2
Определяют коэффициент Пуассона материала образца. Если материал образца известен, то коэффициент Пуассона материала µ можно определить по справочной таблице, приведенной, например, в книге М.П. Марковец «Определение механических свойств металла по твердости». - М.: Машиностроение, 1979, - 191 с., на стр.38, табл.6.
у
y
2
По величинам нагрузки на шарик (Р или Р), диаметра (d или d) остаточного отпечатка, коэффициента Пуассона µ материала образца определяют интенсивность напряжений в центре отпечатка шарика на поверхности образца:
o
2
2
- до упрочнения материала образца по формуле σ=0,955(1-2µ)P/d;
o,у
2
2
- на поверхности упрочненного образца по формуле σ=0,955(1-2µ)P/d.
Определяют степень упругопластической деформации в отпечатке при внедрении шарика:
- до упрочнения материала образца по формуле - ε=d/D;
у
y
y
- на поверхности упрочненного образца по формуле - ε=d/D.
у
2
o
o,y
y
С учетом контактного модуля упрочнения материала образца до (Н) и после (Н) упрочнения, коэффициента Пуассона (µ) материала образца, интенсивности напряжений в центре отпечатка шарика до (σ) и после (σ) упрочнения образца, степени пластической деформации в отпечатке при внедрении шарика в образец до (ε) и после (ε) его упрочнения определяют относительную степень упругопластической деформации материала образца по формуле
Пример. Проведена экспериментальная проверка предложенного способа.
Определение относительной степени упругопластической деформации материала образца выполнено для двух различных видов упрочнения образца пластическим деформированием:
- упрочнение растяжением (объемное пластическое деформирование);
- упрочнение дробеобработкой (поверхностное пластическое деформирование).
2
В таблице 2 приведены результаты определения предлагаемым способом относительной степени упругопластической деформации материала образца при упрочнении растяжением и дробеобработкой. В качестве образцов использовали стальные плоские образцы, изготовленные согласно ГОСТ 1497-84 «Металлы. Метод испытания на растяжение». Упрочнение образцов растяжением проводили с помощью программно-технического комплекса для испытания материалов ИР 5143-200 (оснащенного персональным IBM совместимым компьютером). Упрочняющую дробеобработку проводили с помощью дробеметного аппарата роторного типа. В таблице 3 приведены основные технологические режимы упрочнения образцов дробью. Коэффициент Пуассона для материала стальных образцов - µ=0,3.
Как видно из таблицы 2 предлагаемый способ определения относительной степени упругопластической деформации материала позволяет оценить эффективность упрочняющей обработки материала и на этой основе скорректировать технологические режимы упрочнения.
отн
В таблице 4 сопоставлены результаты использования предлагаемого способа и способа-прототипа. Как видно, при упрочнении материала образца объемным пластическим деформированием (в данном случае растяжением) способ-прототип в принципе не может быть использован, поскольку предусматривает измерение диаметров единичных отпечатков шариков, которые при объемном упрочнении вообще отсутствуют. При упрочнении материала образца дробеобработкой численные значения U, определенные по способу-прототипу не имеют закономерной связи с результативностью упрочняющей обработки. В то же время численные значения U определенные предлагаемым способом однозначно связаны с результатами упрочняющей дробеобработки.
Таблица 3
Основные технологические режимы упрочнения образцов дробью
Материал образца
Скорость дроби, V, м/c
Диаметр дроби, D<sub>др</sub>, мм
Время обработки, t, c
Диаметр отпечатка от удара дробинки, d<sub>др</sub>, мм
Глубина упрочненного поверхностного слоя образца, h<sub>s</sub>, мм
4. Сталь 2
56
1,1
66
0,43
0,64
5. Сталь 45
56
1,1
22
0,41
0,62
6. Сталь 20ХГСА
60
1.9
22
0,59
0,89
Таблица 4
Значения относительной степени упругопластической деформации материала образца (U<sub>отн</sub>), определенные по предлагаемому способу, и значения степени пластической деформации (U), определенные по способу-прототипу
Номер образца в табл.2 и 3
Предлагаемый способ
Способ-прототип: определение U по диаметру отпечатка от удара дробинки (по форм.2)
Оценка режима проведенной упрочняющей обработки по предлагаемому способу (при оптимальных режимах U<sub>отн</sub>≈1)
Вид упрочнения материала
U<sub>отн</sub> (по форм.3)
1
Упрочнение растяжением
1,01
Определение U невозможно
Оптимальный
2
Упрочнение растяжением
0,91
Определение U невозможно
Близок к оптимальному
3
Упрочнение растяжением
0,54
Определение U невозможно
Далек от оптимального
4
Упрочнение дробеобработкой
0,54
0,033
Далек от оптимального
5
Упрочнение дробеобработкой
0,77
0,024
Заметно ниже оптимального
6
Упрочнение дробеобработкой
0,96
0,009
Практически оптимальный
Следует подчеркнуть, что данные, приведенные в таблице 4, вполне закономерны, поскольку предлагаемый способ позволяет определять относительную степень упругопластической деформации именно упрочняемого материала образца, а способ-прототип - степень пластической деформации материала образца только в зоне контакта шарика.
Использование предлагаемого способа по сравнению с известными обеспечивает следующие преимущества.
Способ обладает достаточно высокой точностью оценки результатов упрочняющей обработки материала образца как при упрочнении объемным пластическим деформированием, так и поверхностном пластическом деформировании.
В связи с этим предлагаемый способ позволяет повысить точность выбора режимов упрочняющей обработки и тем самым повысить усталостную прочность и долговечность материала образца, а значит надежность и качество машины в целом.
Предлагаемый способ является универсальным, поскольку пригоден для определения относительной степени упругопластической деформации материала образца при любом способе его упрочнения пластическим деформированием (объемным или поверхностным). Таким образом, способ, воплощающий заявленное изобретение, предусматривает, что наносят единичные отпечатки шариков на поверхность образца и измеряют диаметры отпечатков и шариков, при этом дополнительно наносят единичные отпечатки шариков на упрочненную поверхность образца с нагрузкой, величину которой выбирают в диапазоне, соответствующем измерению твердости, измеряют глубину остаточных отпечатков на упрочненной и неупрочненной поверхности образца, по которым определяют контактный модуль упрочнения упрочненного и неупрочненного образца, определяют интенсивность напряжений в центре отпечатка шарика и степень пластической деформации в отпечатке при внедрении шарика в упрочненную и неупрочненную поверхность образца, по которым судят об относительной степени упругопластической деформации материала образца, предназначен для использования в промышленности для определения эффективности и выбора технологических режимов упрочнения деталей пластическим деформированием, которое применяют для повышения усталостной прочности и долговечности металлоизделий.