ОБРАЗЕЦ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

Полезная модель относится к механическим испытаниям, предназначенным для определения механических свойств металлов и их сплавов, упрочненных с использованием методов поверхностного пластического деформирования.
Одной из важнейших задач современного машиностроения является обеспечение необходимой работоспособности и долговечности изделий в заданных условиях эксплуатации. Для решения этой проблемы широко используются различные способы обработки поверхности (ультразвуковая ударная и шоковая лазерная обработки, дробеструйная и фрикционная обработки, обкатка и др.), которые повышают статическую и усталостную прочность машиностроительных изделий за счет упрочнения поверхностных слоев, создания в них остаточных напряжений сжатия, а также перевода их структуры в нанокристаллическое состояние.
Для прогнозирования разрушения материалов с наклепанным поверхностным слоем необходимо определение прочности этого слоя. Однако упрочненные поверхностные слои с субмикро- или нанокристаллической структурой, как правило, имеют небольшую толщину (несколько десятков микрометров), поэтому изготовление из них микрообразцов для проведения механических испытаний, таких как для объемно-упрочненных наноструктурированных материалов (Столяров В.В. Механические испытания на растяжение наноструктурных материалов // Заводская Лаборатория. Диагностика материалов. - 2008. - Т. 74. - №1 - с. 54-57), является весьма трудоемким и не исключает внесения в изготавливаемый образец структурных изменений, которые могут повлиять на результаты механических испытаний.
Известен образец для механических и структурных испытаний, состоящий из образцов-свидетелей, пригодных для дальнейших исследований без дополнительной механической обработки и закрепленных на базовой основе, соответствующей стандартным образцам для механических испытаний, в котором образцы-свидетели расположены на базовой основе в шахматном порядке по двум осям симметрии, при этом образцы-свидетели представляют собой гальванические покрытия (патент RU 124803, G01N 3/00, 2013 г.).
Известный образец не может быть использован для определения прочности наклепанного поверхностного слоя вследствие невозможности совмещения на рабочей поверхности образца-свидетеля и наклепанного поверхностного слоя.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является образец для испытания сварной заготовки, соответствующий по форме и размерам стандартным плоским образцам с продольно расположенным сварным швом для статических испытаний на растяжение тонких пластин и лент из черных и цветных металлов для определения характеристик механических свойств, в котором образец с нанесенной координатной сеткой из ячеек круглой формы выполнен из составной заготовки, сваренной из листов разной толщины, прочности или рода материала, имеет ширину листов по обе стороны от сварного шва, обеспечивающую равнопрочность листов на образце (патент RU 2378634, G01N 1/28, G01N 3/08, 2010 г.).
Известный образец также не может быть использован для определения прочности наклепанного поверхностного слоя вследствие невозможности совмещения на рабочей поверхности образца-свидетеля и наклепанного поверхностного слоя.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработки образца для определения прочности наклепанного поверхностного слоя по результатам стандартных механических испытаний на осевое растяжение.
Поставленная задача решена в предлагаемом образце для механических испытаний, соответствующем по форме и размерам стандартному пропорциональному плоскому образцу для механических испытаний на растяжение тонких пластин и лент, содержащем головки и рабочую часть, в котором на лицевую и торцевую поверхности рабочей части нанесен наклепанный поверхностный слой.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен образец для определения прочности наклепанного поверхностного слоя по результатам стандартных механических испытаний на осевое растяжение.
В случае упрочнения поверхностного слоя материала, в частности стали, путем создания наклепанного слоя с субмикро- или нанокристаллической структурой практически невозможно измерить его механическую прочность вследствие его незначительной толщины. Создание на лицевой и торцевой поверхностях рабочей части плоского образца, соответствующего по форме и размерам стандартному пропорциональному плоскому образцу с головками для механических испытаний на растяжение тонких пластин и лент наклепанного слоя с помощью поверхностного пластического деформирования, дало возможность, во-первых, исключить термомеханическое воздействие на наклепанный поверхностный слой во время изготовления образца, что позволило устранить изменение структуры наклепанного поверхностного слоя при изготовлении образца и, следовательно, исключить влияние изменения структуры наклепанного поверхностного слоя на результаты механических испытаний, во-вторых, рассмотреть образец с наклепанным поверхностным слоем как композиционный материал, состоящий из матрицы и упрочняющего слоя, что позволило определить прочность наклепанного поверхностного слоя, используя правило смесей.
Прочность композиционного материала определяют по правилу смесей (Материаловедение: Учебник для ВУЗов / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1986 - 384 с.), которое применительно к образцу с наклепанным поверхностным слоем имеет вид:
где  - временное сопротивление образца с наклепанным поверхностным слоем;
где  - временное сопротивление наклепанного поверхностного слоя;
- временное сопротивление матрицы;
- объемная доля наклепанного поверхностного слоя;
сл
t - толщина наклепанного поверхностного слоя;
онс
t - толщина образца с наклепанным поверхностным слоем.
Временное сопротивление матрицы  определяют по результатам испытаний образца свидетеля. Таким образом , где  - временное сопротивление образца-свидетеля.
Прочность наклепанного поверхностного слоя определяют из условия:
Таким образом, создание наклепанного слоя с помощью поверхностного пластического деформирования на лицевой и торцевой поверхностях рабочей части плоского образца, соответствующего по форме и размерам стандартному пропорциональному плоскому образцу с головками для механических испытаний на растяжение тонких пластин и лент, обеспечивает возможность определения прочности наклепанного поверхностного слоя по результатам стандартных механических испытаний на осевое растяжение.
Образец для определения прочности наклепанного поверхностного слоя включает образец (1), соответствующий по форме и размерам стандартному пропорциональному плоскому образцу с головками для механических испытаний на растяжение тонких листов и лент, и наклепанный поверхностный слой (2), созданный на лицевой и торцевой поверхностях рабочей части образца с помощью поверхностного пластического деформирования и иллюстрируется следующими графическими материалами:
- на фиг. 1 представлен образец для определения прочности наклепанного поверхностного слоя, вид спереди;
- на фиг. 2 представлен образец для определения прочности наклепанного поверхностного слоя, вид сверху;
- на фиг. 3 представлено поперечное сечение образца для определения прочности наклепанного поверхностного слоя в зоне разрушения.
Предлагаемый образец для определения прочности наклепанного поверхностного слоя может быть использован следующим образом. Изготавливают образец (1), соответствующий по форме и размерам стандартному пропорциональному плоскому образцу с головками для механических испытаний на растяжение тонких пластин и лент по ГОСТ 11701-84. На лицевой и торцевой поверхностях рабочей части образца с помощью поверхностного пластического деформирования, например, фрикционной обработки (Макаров А.В. Наноструктурирующая фрикционная обработка углеродистых и низколегированных сталей // В кн. Перспективные материалы. Том IV: Учебное пособие / Под ред. Д.Л. Мерсона. - Тольятти: ТГУ, 2011 - 434 с. - Глава 3. - С. 123-208), создают наклепанный поверхностный слой (2). Определяют толщину наклепанного поверхностного слоя, например, методом микротвердости (Хрущев М.Н. Новое в области испытаний на микротвердость. - М.: Наука, 1974 - 262 с.). Изготавливают образец-свидетель, материал, форма и размеры которого аналогичны материалу, форме и размерам образца с наклепанным поверхностным слоем. Образец с наклепанным поверхностным слоем и образец-свидетель испытывают на осевое растяжение до разрушения по ГОСТ 11701-84 на разрывной машине, например, Instron 8801, и определяют их прочность. Затем определяют прочность наклепанного поверхностного слоя из условия (б).
Таким образом, авторами предлагается образец для механических испытаний, позволяющий измерить прочность наклепанного слоя с субмикро- или нанокристаллической структурой за счет создания образца в форме композиционного материала, что обеспечивает возможность использовать при расчетах результатов испытаний правило смесей.