СПОСОБ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПО ОТНОШЕНИЮ ОБЩЕЙ ДЛИНЫ СЛЕДА МАЯТНИКОВОГО СКРАЙБИРОВАНИЯ К ДЛИНЕ ЛУНКИ ОТСКОКА
METHOD FOR COMPARATIVE EVALUATION OF MATERIALS BASED ON RATIO OF TOTAL LENGTH OF PENDULUM SCRIBING TRACE TO LENGTH OF REBOUND DIMPLE

Решение относится к способам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Решение не является методом определения численного значения модуля упругости, но является инструментом для ранжирования (выстраивания в ряд) нескольких сравниваемых материалов по совокупности упругих свойств, в частности, по способности сопротивляться деформированию и разрушению при индентировании методом маятникового скрайбирования.
При разработке новых материалов стоит необходимость определения их физико-механических свойств, в том числе упругих свойств материала. Для этого тем или другим методом обычно определяют численное значение модуля упругости (модуля Юнга), и по величине этого модуля судят о тех или иных эксплуатационных свойствах материала. При определении модуля механическим методом (как в классическом случае) для этого используют аксиому: чем больше модуль Юнга, тем меньше удлинение стержня при прочих равных условиях нагружения и, соответственно, тем выше физико-механические свойства (например, твердость, предел прочности) материала. Однако существует ряд ограничений: например, коэффициент пропорциональности (модуль Юнга) применим только для линейного участка деформации, образцы должны иметь соответствующую форму и размеры, скорость нагружения ограничена и т.д.
Для специфичных материалов возникает необходимость применения не механического метода определения модуля упругости. Так, в решении [патент РФ №2205387, МПК G01N 24/10. Способ определения модуля упругости углеродных жгутов] для этого используют явление электронного парамагнитного резонанса материала. В решении [ГОСТ 25095-82 (ИСО 3312-75) Сплавы твердые спеченные. Метод определения модуля упругости (модуля Юнга)] для этого используют измерение скорости звука при прохождении его через образец. Недостатками этих решений является их сложность и высокая трудоемкость.
С позиций заявляемого решения эти указанные решения являются аналогами лишь потому, что в них определяется модуль упругости материала посредством установления зависимости между искомым физико-механическим свойством (упругими свойствами) и косвенным промежуточным параметром используемого физического эффекта, измеряемым непосредственно. В первом (патент РФ №2205387) решении измеряют спектр электронного парамагнитного резонанса, во втором (ГОСТ 25095-82) - собственные резонансные частоты колебаний при возбуждении в материале продольных ультразвуковых колебаний. Но эти решения не могут быть приняты в качестве прототипа потому, что в них используются физические эффекты, напрямую не связанные с механическим видом нагружения материала.
Под механическими видами нагружения здесь понимается создание условий деформирования материала в результате динамического характера приложения силы. Например, внедрение индентора при его падении, как это имеет место в решении [патент РФ №2272274, МПК G01N 3/32. Способ определения модуля упругости материала. Опубликовано 22.11.2004], в котором используют нагружение свободно падающим индентором. Но это решение сложно, в ходе его реализации требуется выявить и использовать несколько физических моделей. Это обеспечивает точность определения модуля упругости, но сложность использования высока чрезвычайно.
Исходя из этих условий близким к заявляемому решению по виду индентирования может быть принято решение [А.с. СССР №1497491, МПК G01N 3/30. 1989 г.], в котором также используют нагружение свободно падающим индентором, измеряют время между первым и вторым соударениями индентора с образцом исследуемого материала, измеряют также диаметр отпечатка индентора и на основе полученных результатов измерений определяют модуль упругости по установленной зависимости. Но он тоже сложен и результаты его применения носят относительный характер в той части, что при оценке материалов с близким модулем упругости (например, материалы инструментального назначения) отличить материалы затруднительно в силу того, что и время между соударениями, и диаметр отпечатка больше являются результатом оценки пластических свойств, чем упругих. Этот способ имеет также низкую корректность в случае применения термобработки, когда модуль упругости остается практически неизменным, а пластичность (например, у инструментальных сталей) и твердость изменяется существенно.
Каждый из указанных методов решает локальную задачу: позволяет определить модуль упругости материалов для того, чтобы судить по модулю об эксплуатационных свойствах материалов или изделий, выполненных из этих материалов и эксплуатирующихся в условиях действия законов Гука. При этом не учитывают, что при эксплуатации имеет место не только растяжение (или сжатие), но и сдвиг, кручение, для которых методы определения модуля упругости иные. Пренебрегается различиями в вязкости, пластичности, жесткости материалов, в температуре проведения испытаний.
В производственных и исследовательских условиях часто не так важно знать величину модуля упругости (тем более, что в справочных данных редко указывается метод получения значения модуля). Важно знать, как соотносятся между собой разные материалы по своим упругим свойствам, какой материал предпочтителен перед остальными. В этом случае не нужно знать саму величину модуля упругости, чтобы по разнице в этих величинах выстроить материалы в рандометрический ряд, например, по убыванию величины модуля упругости. Важнее видеть какое место в ряду занимает тот или иной материал по своим упругим свойствам, оцененным в одинаковых (эквивалентных) условиях. И было бы хорошо, если бы это место определялось по какому-то параметру, измеренному в результате взаимодействия индентора с образцом. Например, по параметрам следа, получаемого на образце при индентировании. И было бы лучше, если бы метод индентирования воспроизводил такие условия нагружения, которые наиболее близки к условиям эксплуатации материала. Например, для материалов инструментального назначения наиболее целесообразно скрайбирование (царапание), а именно маятниковое скрайбирование, при котором в материале воспроизводятся условия деформации сжатием, сдвигом и растяжением.
Возможность исследовать протяженные участки материалов методом скрайбирования обеспечена в решении [патент РФ №2124715, МПК G01N 19/04. Способ оценки свойств инструментальных материалов. Опубл. 10.01.1999, Бюл. №1], где осуществляли нагружение (скрайбирование) образца индентором при их взаимном перемещении с образованием сетки следов перемещений. Оценку свойств (сопротивляемость деформированию и разрушению) материала производили по результатам измерений повреждения образца в зоне следа скрайбирования. При сравнении нескольких материалов о свойствах судили по результатам измерений площади разрушения поверхности образца в ячейках сетки следов из условия: чем меньше площадь разрушения, тем выше сопротивляемость деформированию и разрушению. Для этого приходилось делать несколько нагружений и поворот образца для образования сетки следов. Это трудоемко, сложно в настройке, требует наличия соответствующих площадок на образце.
Наиболее близким к заявляемому объекту, по мнению заявителя, может быть принято решение, в котором реализован такой вид индентирования, который реализует наиболее сложные условия нагружения, в том числе сжатие, растяжение, сдвиг и кручение, как часто это имеет место при эксплуатации, например при механической обработке резанием. Такой вид индентирования получил название «маятниковое скрайбирование». При таком виде скрайбированияиндентор перемещается по дуге качания жесткого маятника, свободно отпущенного с некоторой высоты. Один из примеров использования маятникового скрайбирования для сравнительной оценки трещиностойкости (вязкости разрушения) инструментальных материалов дан в решении [патент РФ №2138038. МПК G01N 19/04. Способ контроля физико-механических свойств изделий. Опубл. 10.01.1999, Бюл. №1], где контроль осуществляют с использованием метода акустической эмиссии, а сравнение (ранжирование) материалов осуществляют по величине параметра сигналов акустической эмиссии, а именно по спектру частот. Но способ тоже сложен для реализации и требует лабораторных условий с соответствующим программным обеспечением для обработки и анализа параметров сигналов акустической эмиссии.
Техническим результатом заявляемого решения является упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании, а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемого при контроле параметра.
Указанный технический результат достигается за счет того, что:
а) используется эффект пружинения поверхностного слоя испытываемого материала для воссоздания условий формирования лунки отскока в следе индентирования;
б) установлена взаимосвязь упругих свойств материала с длиной лунки отскока в следе индентирования (с долей длины лунки в общей длине следа маятникового скрайбирования);
в) установлено совпадение тенденции изменения величин модуля упругости разных материалов с тенденцией изменения величины параметра «отношение общей длины следа скрайбирования к длине лунки»;
г) указанные тенденции использованы для:
- ранжирования материалов по их физико-механическим (упругим) свойствам,
- ранжирования материалов путем прогнозирования их эксплуатационных свойств.
Таким образом, заявляемый объект, как и прототип, включает в себя:
- однократное нагружение материала индентированием;
- индентирование методом маятникового скрайбирования;
- измерение результатов скрайбирования по параметрам деформации и разрушения поверхностных слоев материала;
- установление взаимосвязи измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов;
- прогнозирование эксплуатационных свойств сравниваемых материалов по измеренным результатам скрайбирования.
Однако заявляемое решение отличается тем, что:
- используется такой режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку;
- в следе, оставляемом индентором, измеряют общую длину скрайбирования и длину лунки, определяют их соотношение и по величине соотношения судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов.
На фиг.1 представлена общая схема маятникового скрайбирования, на фиг.2 показаны фото последовательной съемки следа скрайбирования (взаимодействия индентора с образцом при виде сверху, а именно: а - лунка (при движении индентора справа налево); б - часть (справа) той же лунки и начало (слева) основной части следа скрайбирования; в - начало основной части следа скрайбирования; г - след скрайбирования, т.е. на фиг.2 представлена кинетика образования лунки и основной части следа скрайбирования при движении индентора справа налево по твердосплавному образцу при начально настроенной глубине внедрения индентора 0,2 мм.
1
Способ реализуют следующим образом. Индентор 1 выставляют (по его радиусу R и глубине h заглубления в материал образца с учетом массы маятника, формы рабочей части индентора, физико-механических свойств материала образца и высоты Н начального положения индентора (маятника)) относительно плоскости 2 образца 3 так, чтобы след взаимодействия индентора с образцом при направлении В движения индентора по дуге 4 его (маятника) качания состоял из лунки 5 отскока и основной части 6 следа. След взаимодействия индентора 1 с образцом наблюдают при виде сверху через микроскоп, имеющий возможность измерять параметры следа. Для наиболее типичной формы лунки для большинства общемашиностроительных конструкционных материалов этими параметрами могут служить линейные размеры следа скрайбирования. В данном решении это длина L следа скрайбирования и длина l лунки.
1
1
Оценивать сравниваемые материалы одновременно анализируя значения и длины L следа и длины l лунки в следе не всегда удобно, целесообразнее учесть их комплексно, но в виде одного параметра, например в виде их отношения L/l.
Ниже приведены примеры реализации способа. В дополнение к сказанному выше сообщаем, что реализовать режимы маятникового скрайбирования, при которых происходит формирование лунки отскока не сложно. Ясно, что режимы должны обеспечить возможность пружинения испытываемого материала. Для этого и образец, и устройство для реализации маятникового скрабирования должны быть достаточно жесткими. Нам это легко удавалось для материалов инструментальной группы: при радиусе R маятника 120 мм, его массе 200 грамм, начальной высоте Н индентора 80 мм и более (с учетом варианта индентора типовой формы) лунка образовывалась при задании глубины внедрения от 0,2 мм и более для твердого сплава и от 0,5 мм и более для быстрорежущих сталей. Впрочем лунка образуется и при меньших глубинах внедрения, но в этих случаях вычленить контуры лунки затруднительно.
1
1
1
1
1
1 пример реализации способа. Брали образцы, выполненные из конструкционных сталей, а именно из стали 3, из стали 45 и из стали 30ХГСА. Для этих материалов из справочных данных брали сведения по величинам интересующих физико-механических свойств (в ряде справочников они названы характеристиками) материалов и эксплуатационных свойствах этих материалов или изделий, выполненных их этих материалов. Подбирали для материалов единые условия маятникового скрайбирования. Так режим скрайбирования с образованием лунки в следе взаимодействия (индентирования) для всех этих сталей обеспечивался при (с указанными выше параметрами установки) настройке установки на получение глубины Н внедрения индентора от 0,08 мм до 1,5 мм. Осуществляли скрайбирование образцов. Для исключения случайных результатов (или усреднения результатов) осуществляли по несколько нагружений каждого образца, располагая следы индентирования аналогично. Образцы помещали на микроскоп, измеряли параметры L и l, вычисляли их отношение L/l. Образцы располагали в ряд по величине отношения. Результаты сводили в таблицу. Интересовала не столько сама величина отношения, сколько интересовала связь этих параметров L и l (и, следовательно, отношения L/l) с физико-механическими свойствами материалов, т.е. выявляли тенденцию изменения параметров (отношения L/l) и тенденцию изменения физико-механических свойств материалов. В результате такая взаимосвязь легко прослеживалась.
Она показана в таблице 1. Анализ данных, приведенных в таблице 1, позволяет сделать следующие выводы:
1. Взаимосвязь свойств материалов и параметра «отношение длины следа скрайбирования к длине лунки» качественно характеризуется следующей установленной тенденцией: увеличение параметра свидетельствует о повышении уровня физико-механических свойств материалов (самая малая величина отношения зафиксирована у стали 3, имеющей самый низкий модуль упругости (модуль Юнга) и самую низкую твердость и наоборот, самая большая величина отношения, т.е. короткая лунка при нормальной общей длине следа скрайбирования, обнаружена у стали 30ХГСА, имеющей самый высокий модуль упругости и самую высокую твердость).
2. Установленная взаимосвязь свойств материалов и параметра «отношение длины следа скрайбирования к длине лунки» позволяет ранжировать (выстроить в рандометрический ряд) материалы по установленной тенденции: чем больше отношение длины следа скрайбирования к длине лунки, тем выше (лучше) физико-механические свойства материалов.
3. Установленная взаимосвязь может быть использована для прогнозирования эксплуатационных свойств материала. Например, по увеличению отношения можно прогнозировать повышение предела прочности у сравниваемых материалов.
4. Установленная взаимосвязь может быть использована для прогнозирования эксплуатационных свойств изделий, выполненных из сравниваемых материалов (если изделия эксплуатируются в условиях, которые имитируются при маятниковом скрайбировании). Например, по увеличению отношения параметров лунки можно прогнозировать повышение износостойкости (или периода стойкости) изделия.
Таблица 1
Взаимосвязь отношения длины следа скрайбирования к длине лунки с физико-механическими свойствами материалов. Последовательность расположения сравниваемых материалов в рандометрических рядах по изменению свойств материалов и параметра «отношение длины следа скрайбирования к длине лунки»
Материалы
Последовательность расположения в ряду по росту величин физико-механических свойств
Последовательность расположения материалов в ряду по росту отношения длины следа скрайбирования к длине лунки
Последовательность расположения в ряду по росту величин эксплуатационных свойств материалов (изделий)
По модулю упругости
По твердости
По пределу прочности на растяжение
По износостойкости
Сталь общего назначения, марка Ст.3
1
1
1
1
1
Сталь машиностроительная нормализованная, марка Сталь 45
2
2
2
2
2
Сталь легированная специализированная, марка 30ХГСА
3
3
3
3
3
Примечание: В таблице числами показаны не значения величин, а место материала в ряду исследуемого параметра, например: из трех сравниваемых материалов на лучшем (третьем) месте находится материал 30ХГСА потому, что у него наибольшее значение модуля упругости и числа твердости, при этом у него самый меньший уровень повреждений при маятниковом скрайбировании (большее отношение длины следа скрайбирования к длине лунки) и самые высокие эксплуатационные свойства (величины предела прочности и износостойкости). Большее отношения длины следа скрайбирования к длине лунки свидетельствует, что у этого материала в сравнении с другим лунка короткая и мало выкрашивание по ее контуру, следовательно, чем больше отношение, тем короче лунка при нормальной общей длине следа скрайбирования, тем выше сопротивляемость материала образованию и росту трещин, тем выше качество материала и его физико-механические характеристики.
Приведенные в этом примере данные позволяют заключить:
а) установленная взаимосвязь отношения длины следа скрайбирования к длине лунки с физико-механическими свойствами материала является новой и является существенным признаком разработанного решения;
б) установленная взаимосвязь отношения с эксплуатационными свойствами материала или изделия является новой и является существенным признаком разработанного решения;
в) заявленный технический результат достигнут, а именно предложенное решение без проведения длительных и сложных испытаний тех или иных физико-механических свойств (например, измерения модуля упругости методом деформации стержня растяжением или измерения твердости методом Роквелла или Викерса) позволяет простым измерением двух параметров (общей длины следа и длины лунки) следа маятникового скрайбирования быстро выявить материал, наиболее эффективный из сравниваемых, путем расстановки материалов в рандометрический ряд, в том числе и в ряд по прогнозирумому результату эксплуатационных свойств.
Вместе с этим следует отметить, что в примере 1 рассмотрены в принципе стали разных групп назначения и, соответственно, имеющие существенно разные величины сравниваемых физико-механических и эксплуатационных свойств.
Необходимо проверить правомерность полученных выводов для материалов одной группы применения (смотри следующий пример).
2 пример реализации способа.
Выбраны материалы инструментальной группы, т.е. те, из которых изготавливаются металлорежущие инструменты.
Именно эта группа материалов выбрана потому, что метод маятникового скрайбирования (с использованием акустической эмиссии как в указанном выше патенте РФ №2138038) разработчиками ориентирован в первую очередь на оценку свойств инструментальных материалов, в частности новых разрабатываемых материалов. Это связано с тем, что маятниковое скрайбирование из всех материаловедческих методов оценки свойств материалов путем индентирования наиболее близко моделирует реальные условия эксплуатации металлорежущего инструмента.
Для сравнения брали следующие инструментальные материалы:
а) из твердосплавных материалов брали отечественные сплавы марок ВК8, Т15К6, Т30К4, Т10К8Б и импортный (фирма Mishubisi) сплав марки TF15 (со специальным покрытием на мелкозернистой основе);
б) из быстрорежущих отечественных сталей марок Р18, Р9, Р6М5.
Из справочных данных (а для сплава TF15 - из каталогов, проспектов или экспериментальным путем) брали необходимые сведения о физико-механических свойствах материалов. В качестве эксплуатационных свойств принимали период стойкости инструмента до достижения критической величины (износ по задней грани равный 0,8 мм) износа инструмента при условиях эксплуатации, провоцирующих превалирование хрупкого (выкрашивания, как и моделируется при маятниковом скрайбировании) разрушения материала, а именно торцевое фрезерование (элементы режима резания не указаны в связи с тем, что они не влияют на расположение материала в рандометрическом ряду, в силу этого использованы общемашиностроительные рекомендации по выбору режима резания не особо сложнообрабатываемой стали марки 40Х конкретно рассматриваемым инструментальным материалом). Результаты приведены в таблице 2.
Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы:
1. Взаимосвязь свойств инструментальных материалов и параметра «отношенияе длины следа скрайбирования к длине лунки» установлена. Она качественно характеризуется так же, как это следовало из таблицы 1 для обычных конструкционых материалов, а именно характеризуется установленной общей для инструментальных материалов тенденцией: увеличение параметра свидетельствует о повышении уровня физико-механических свойств материалов.
Эта же взаимосвязь и ее тенденции оказались справедливы и применительно к типам материалов внутри группы инструментальных материалов, а именно:
- из быстрорежущих сталей Р6М5, Р9, Р18 большая величина отношения зафиксирована у стали Р18, имеющей высокий модуль упругости (модуль Юнга) и высокую твердость и наоборот, самое малое значение параметра обнаружено у стали Р6М5, имеющей более низкий модуль упругости и твердость;
- из твердых сплавов разных типов ВК и ТК большая величина отношение зафиксирована у сплавов типа ТК, имеющих более высокий модуль упругости и твердость и наоборот, самые малые величины отношения обнаружены у сплава типа ВК, имеющего низкий модуль упругости и твердость;
- из твердых сплавов Т16К6 и Т30К4 одного типа ТК большая величина отношения зафиксирована у сплава марки Т15К6, имеющего высокий модуль упругости и твердость и наоборот, самое малое значение отношения обнаружено у сплава марки Т30К4, имеющего малый модуль упругости и твердость;
2. Установленная взаимосвязь свойств инструментальных материалов и величина отношения «длины следа скрайбирования к длине лунки» позволяет ранжировать (выстроить в рандометрический ряд) материалы по установленной тенденции: чем больше величина отношения, тем выше физико-механические свойства материалов.
3. Установленная взаимосвязь может быть использована для прогнозирования эксплуатационных свойств изделий. Например, по увеличению величины отношения можно прогнозировать повышение работоспособности режущего инструмента, например, периода стойкости инструмента.
Таблица 2
Взаимосвязь отношения длины следа скрайбирования к длине лунки с физико-механическими свойствами инструментальных материалов. Последовательность расположения сравниваемых материалов в рандометрических рядах по изменению свойств инструментальных материалов и отношения длины следа скрайбирования к длине лунки параметров лунки.
Марка инструментального материала
Последовательность расположения в ряду по росту величин физико-механических свойств
Последовательность расположения в ряду по росту отношения длины следа скрайбирования к длине лунки
Последовательность расположения в ряду по росту величин эксплуатационных свойств материалов (по периоду стойкости инструмента)
По модулю упругости
По твердости
Р6М5
1
1
1
1
Р9
2
2
2
2
Р18
3
3
3
3
ВК8
4
4
4
4
Т30К4
5
5
5
5
Т15К6
6
6
6
6
TF15
7
7
7
7
Примечание: В таблице числами показаны не значения величин, а место материала в ряду исследуемого отношения длины лунки к ее ширине, например: из семи сравниваемых инструментальных материалов на лучшем (седьмом) месте находится материал TF15 потому, что у него лучшие (седьмые места) модуль упругости и число твердости (максимальные физико-механические характеристики), при этом у него меньший уровень повреждений (меньшая длина лунки из-за минимального выкрошивания материала) и, соответственно, большая величина отношения длины следа скрайбирования к длине лунки и самые высокие (седьмое место) эксплуатационные свойства (максимальный период стойкости).
Приведенные в этом примере данные позволяют заключить:
а) установленная взаимосвязь величины параметра «отношение общей длины следа скрайбирования к длине лунки» с физико-механическими свойствами инструментальных материалов подтверждает правомерность взаимосвязи, установленной выше для конструкциооных материалов при анализе результатов таблицы 1 и является новой, в частности подтверждает существенность признаков разработанного решения;
б) заявленный технический результат достигнут и для инструментальных материалов, а именно предложенное решение без проведения длительных и сложных испытаний тех или иных физико-механических свойств позволяет простым измерением общей длины следа скрайбированияи длины лунки быстро выявить наиболее эффективный из сравниваемых инструментальный материал путем их расстановки в рандометрический ряд, в том числе и в ряд по прогнозирумому периоду стойкости.
Таким образом, заявленный технический результат можно считать достигнутым, а отличия заявляемого способа можно считать существенными.
Случаи, когда величина отношения общей длины следа скрайбирования к длине лунки равна единице или меньше единицы в данном решении не рассматриваются в связи с тем, что осуществить такие случаи не удалось.