СПОСОБ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПО ПЛОЩАДИ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ СЛЕДА МАЯТНИКОВОГО СКРАЙБИРОВАНИЯ
METHOD OF COMPARATIVE EVALUATION OF PROPERTIES OF MATERIALS BY CROSS-SECTION AREA OF BALANCE SCRIBING TRACE

Решение является способом обеспечения возможности ранжирования (выстраивания в ряд) нескольких сравниваемых материалов по способности сопротивляться деформированию и разрушению при индентировании, а именно при индентировании методом маятникового скрайбирования.
Уровень развития техники известен [глава 4 «Склерометрия» в работе «Твердость и микротвердость металлов». Григорович В.К., М.: Наука, 1976, - 230 с.] из решения, где те или иные физико-механические свойства металлов качественно оценивают по ширине следа, оставляемого в образце индентором, перемещаемым поступательно по прямой с равной глубиной внедрения и постоянной скоростью.
Недостатком решения являются ограниченные технологические возможности, что объясняется несоответствием схемы нагружения образца с реальными условиями эксплуатации.
Известно [патент РФ №2138038, МПК G01N 19/04. Способ контроля физико-механических свойств изделий. Опубл. 10.01.1999, Бюл. №1] также решение, в котором реализован метод маятникового (индентор перемещается по дуге окружности качания маятника) скрайбирования. Решение позволяет оценить трещиностойкость (это физико-механическое свойство) инструментального материала посредством анализа параметров сигналов акустической эмиссии, возбуждаемой индентором при взаимодействии с образцом.
Недостаток решения также состоит в ограниченных возможностях решения, что объясняется необходимостью создания лабораторных условий для реализации метода акустической эмиссии, а также тем, что оценивается только одно свойство - трещиностойкость, которое далеко не всегда является достаточным для прогнозирования эксплуатационных свойств.
Наряду с этим известен [раздел 1.3 - Оценка свойств конструкционных материалов в работе «Основы материаловедения. Конструкционные материалы: учебное пособие / Ж.Г. Ковальская, В.П. Безбородое. - Томск: изд-во Томского политехнического университета, 2009 г. ] набор решений, обеспечивающий возможность оценивать материалы по большому числу физико-механических и эксплуатационных свойств, таких как физические свойства (плотность, теплопроводность, температура плавления и т.д.), механические свойства (прочность, твердость, упругость, пластичность и т.д.), эксплуатационные свойства (жаростойкость, жаропрочность, износостойкость и т.д.). Но это набор решений, это необходимость проведения целого комплекса испытаний. Ни одно из этих решений не позволяет только по данным, полученным с помощью этого решения, спрогнозировать такие свойства, которые позволяют имитировать своей схемой нагружения маятниковое скрайбирование. Таким образом, недостатком этого решения тоже является ограниченные технологические возможности, а также сложность способа (нужно применять несколько решений, разное оборудование, разные образцы и т.д.)
Наиболее близким, по мнению заявителя, к заявляемому объекту является решение [Мокрицкий Б.Я., Пустовалов Д.А., Саблин П.А. Концепция маятникового скрайбирования для оценки качества инструментального материала / Материалы 12-й Международной научно-практической конференции «Качество, стандартизация: теория и практика», Киев, 2012 г., стр. 132-134], включающее в себя индентирование методом маятникового скрайбирования, измерение результатов скрайбирования по параметрам деформации и разрушения исследуемого материала, установление взаимосвязи измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов, прогнозирование эксплуатационных свойств сравниваемых материалов по измеренным результатам скрайбирования. Например, измеряют (регистрируют) ширину следа скрайбирования, на качественном уровне устанавливают (предполагают) связь ширины с твердостью из предположения, что чем меньше ширина следа при равных условиях нагружения, тем выше твердость исследуемого материала, прогнозируют период стойкости инструмента из предположения, что чем тверже (механическое свойство), тем выше период стойкости при заданных условиях резания.
Недостатком решения является сложность способа и его ограниченные технологические возможности (твердость далеко не для всех материалов свидетельствует о повышении периода стойкости и т.д.).
1
2
3
4
1
2
3
4
2
3
Техническим результатом заявляемого решения является упрощение способа и расширение его технологических возможностей. Упрощение достигается тем, что не используются спорные связи размеров со свойствами. Расширение достигается тем, что измеряется тот параметр, который имеется в случаях скрайбирования любых материалов, а именно площадь поперечного сечения следа. Но при измерении площади следа ее определяют как сумму составляющих площадей, а именно S=S+S+S+S, где S - основная площадь материала образца, вытесненного индентором, S и S - поперечные площади валков, образовавшихся по контуру следа скрайбирования, S - площади выкрашиваний материала образца за пределами учтенных площадей S и S валков, и по величине площади S судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов.
Таким образом, заявляемый объект, как и прототип, включает в себя индентирование методом маятникового скрайбирования, измерение результатов скрайбирования по параметрам деформации и разрушения исследуемого материала, установление взаимосвязи измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов, прогнозирование эксплуатационных свойств сравниваемых материалов по измеренным результатам скрайбирования, в частности по площади S поперечного сечения следа скрайбирования.
1
2
3
4
1
2
3
4
2
3
Однако заявляемый объект отличается тем, что определяют площадь S поперечного сечения следа скрайбирования как сумму составляющих площадей, а именно S+S+S+S, где S - основная площадь материала образца, вытесненного индентором, S и S - поперечные площади валков, образовавшихся по контуру следа скрайбирования, S - площади выкрашиваний материала образца за пределами учтенных площадей S и Sвалков, и по величине площади S судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов.
На фиг. 1 представлена схема маятникового скрайбирования (а - траектория движения индентора, б - вид сверху на след индентора в пластичном материале, в - вид сверху на след индентора в хрупком материале). На фиг. 2 представлено поперечное сечение следа индентора в хрупком материале. На фиг. 3 показана типичная картина (кинетика маятникового скрайбирования: 1 - этап внедрения индентора, 2 - этап заглубления индентора, 3 - этап скрайбирования с максимальной глубиной внедрения индентора, 4 - начало выхода индентора) следа скрайбирования хрупкого материала при виде сверху. На фиг. 4 представлено поперечное сечение следа индентора в пластичном материале.
max
p
ф
i
j
Способ осуществляли следующим образом. Маятнику 1 с закрепленным на нем индентором 2 сообщали качательное движение B, что обеспечивало движение индентора по дуге окружности и формирование в материале заготовки 3 следа 4 маятникового скрайбирования с переменной глубиной h. В зависимости от пластичности (и трешиностойкости) материалов конфигурация следа при виде сверху может являться результатом только пластической деформации материала образца (фиг. 1б) или результатом деформации и выкрашивания материала (фиг. 1в). Позицией 5 на фиг. 1 обозначен контур следа выкрашивания, позицией 6 - то же с выкрашиванием материала, b - максимальная ширина следа, I - расчетная длина следа, I - фактическая длина следа с учетом выкрашиваний, S, S - соответствующие площади следов при виде сверху.
Каждый из перечисленных параметров характеризует размеры следа скрайбирования. Но в данном способе предпринята оценка материалов по площади поперечного сечения следа (фиг. 2 и фиг. 4).
На фиг. 2 площадью S обозначена площадь (заштрихована вертикальными линиями) материала, удаленного из образца при движении индентора в результате пластической деформации и хрупкого выкрашивания (позиции 6) материала образца. Такой вид поперечного сечения следа типичен для твердых и хрупких материалов.
i
j
л
п
2
3
1
4
1
2
3
4
Для случая, представленного на фиг. 4, площадь S поперечного сечения следа определить сложнее, чем для случая, представленного на фиг. 2. Это связано с тем, что при скрайбировании пластичных (вязких, хрупко-вязких) материалов кроме выкрашиваний 6 могут образовываться валки 7 по контуру 5 следа скрайбирования. Валки образуются в результате пластической деформации материала, вытесняемого из впадины 4 следа. Более того, и на валках 7 могут быть вырывы или выкрашивания 8. В результате деформации и выкрашиваний высоты hи h и ширины b и b валков могут быть существенно разными, следовательно, разной будет и их площадь S и S. Ту и другую площадь следует учесть, т.к. их сумма интегрировано характеризует свойства исследуемого материала. Соответственно необходимо также учесть основную площадь S вытесненного индентором материала, а также площадь S выкрашиваний за пределами (в окончании) валка 7. В совокупности под площадью следа в его поперечном сечении следует понимать интегрированную площадь S, величина которой определяется (характеризуется) суммой указанных площадей: S+S+S+S.
1
2
3
4
Способ реализуют следующим образом. Образец (или изделие) 3 нагружают методом маятникового скрайбирования, в результате на его поверхности формируется след 4 маятникового скайбирования. Образец разрезают поперек следа 4 в том месте следа, которое соответствует моменту достижения максимальной глубины h внедрения индентора. Чтобы не разрезать образец, положение маятника 1 относительно образца 3 можно настроить так, чтобы вертикальное положение маятника (именно в этом положении достигается максимальная глубина h внедрения индентора) совпадало с краем образца, тогда выход индентора из материала образца будет обеспечен в момент достижения максимальной глубины внедрения индентора, это обеспечит удобство наблюдения поперечного сечения следа 4. Затем образец располагают так, чтобы было удобно наблюдать и измерять поперечное сечение следа 4. Измеряют площадь S, S, S, S, вычисляют площадь S поперечного сечения следа. Аналогичным образом поступают со следующими исследуемыми материалами. Для обеспечения возможности сравнения материалов хотя бы на качественном уровне материалы располагают в рандометрический ряд, например, в порядке убывания площади S поперечного сечения. Затем эти же материалы выстраивают в соответствующие ряды по физико-механическим свойствам сравниваемых материалов (например, по твердости) и по эксплуатационным свойствам (например, по периоду стойкости инструмента, изготовленного из этих материалов). Затем устанавливают наличие связи между площадью S поперечного сечения, физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Эта связь достаточна на уровне тенденций. Например, последовательность расположения материалов в рандометрических рядах одинакова либо противоположна - это уже тенденция, которая может быть использована как критерий оценки адекватности заявляемого способа. По этому критерию уже можно производить выбор наиболее эффективного материала, т.е. того материала, эксплуатационные свойства изделия, выполненного из этого материала, способ позволяет прогнозировать как наилучшие. И соответственно, наоборот.
Примеры для такого сравнения материалов по площади поперечного сечения приведены в таблице 1.
Данные таблицы 1 позволяют заключить следующее:
1. Связь величины площади поперечного сечения следа маятникового индентирования с физико-механическими (например, с твердостью) и эксплуатационными (например, с периодом стойкости) свойствами существует, она установлена на качественном уровне по последовательности расположения материалов в рандометрических рядах оценки свойств материалов.
2. Установленную связь можно использовать для прогнозирования эксплуатационных и физико-механических свойств по учету тенденции изменения сравниваемых параметров и свойств.
3. Такой качественный уровень связи позволяет использовать площадь поперечного сечения следа как параметр, по которому можно осуществлять сравнительную оценку нескольких материалов по их свойствам.
В порядке доказательства достижения заявленного технического результата сообщаем следующие сведения. Время, затрачиваемое на исследование приведенных в таблице 1 сравниваемых материалов, почти в 4 раза меньше времени, требуемого по прототипу. Это достигнуто за счет упрощения способа.