Сравнительная оценка свойств инструментальных материалов по критерию отношения длины следа индентора к его ширине при маятниковом скрайбировании

УДК 621.9

Сравнительная оценка свойств инструментальных материалов по критерию отношения длины следа индентора к его ширине при маятниковом скрайбировании

Д. А. Пустовалов, Б. Я. Мокрицкий, Г. В. Коннова, В. В. Алтухова, К. В. Виноградов

Для сравнительной оценки физико-механических свойств инструментальных материалов предлагается использовать в качестве параметра сравнения отношение длины следа индентора к его ширине при маятниковом скрайбировании.

Ключевые слова: маятниковое скрайбирование, отношение длины следа индентора к его ширине, ранжированный ряд.

Введение

Исследователи и производители инструмента непрерывно ведут разработки новых более эффективных инструментальных материалов и методик оценки их эксплуатационных свойств. Повышению рациональности затрат на инструмент могло бы способствовать наличие нетрудоемких по времени неразрушающих методов оценки качества инструментальных материалов, которые позволили бы выявить наиболее эффективные материалы для заданных условий эксплуатации инструмента без их испытаний при резании.

Цель работы — оценка возможностей применения метода маятникового скрайбирования для решения указанной проблемы. Основной задачей авторы здесь видят выбор такого параметра следа маятникового скрайбирования, который был бы физически связан с критериями оценки работоспособности металлорежущего инструмента.

Методика проведения исследования

В ходе исследований предпринята попытка установить взаимосвязь параметров следа

маятникового скрайбирования с физико-механическими свойствами исследуемых материалов для прогнозирования эксплуатационных свойств и установления возможности ранжирования инструментальных материалов по их эксплуатационным свойствам.

При проведении экспериментов использовали метод маятникового скрайбирования [1], испытания проводили на оригинальной установке (рис. 1). Для наблюдения, измерения и

Рис. 1. Установка для маятникового скрайбирования

ШШШМБОТКА

анализа параметров следа скрайбирования использовали оптические цифровые микроскопы «Микро-200» и растровый электронный микроскоп Hitachi S3400N.

По наблюдениям авторов, след маятникового скрайбирования контролировать проще, чем отпечатки при измерении твердости материала и удобнее, чем след при типовом ин-дентировании на микротвердомере. При этом можно контролировать несколько характеристик контура следа.

Если маятниковому скрайбированию подвергаются материалы, склонные к пластическому деформированию, то фактический контур следа скрайбирования (рис. 2, б) совпадает с расчетным (теоретическим) контуром 5 следа скрайбирования. В этом случае нет затруднений в измерении ширины -Bmax р и длины Lp следа, так как контур 5 следа просматривается отчетливо. Но если материал склонен к хрупкому выкрашиванию (рис. 2, в), то фактический контур 6 следа скрайбирования может существенно отличаться от теоретического из-за наличия выкрашиваний материала. Соответственно будут различаться ширина и длина следа — фактические значения -Bmax ф и Ьф могут значительно превосходить расчетные -Bmax р и Lp. Причем в одних случаях могут изменяться ширина и длина следа, в других — только ширина, в третьих — только длина.

В работе [2] приведен пример использования ширины следа в качестве прогнозирующего параметра. Но бывают случаи, когда затруднительно проводить оценку по максимальной ширине [3, 4]. Для того чтобы учесть все три указанных ранее случая, имеет смысл измерять не один из параметров следа, а оба, т. е. длину и ширину. Приемлемо вычислить их отношение. Удобнее оперировать величиной, значение которой больше единицы. Следовательно, определяем отношение K длины следа к его максимальной ширине. Отношение K может служить в качестве комплексного параметра, характеризующего особенности соотношения размеров следа. Более того, при сравнительных испытаниях нескольких материалов интересно не само значение величины K, а порядок расположения (т. е. последовательность расположения в ранжированном ряду) сравниваемых материалов по размеру этого отношения [5-8].

Способ реализуют следующим образом (рис. 2, а). При движении в направлении В жесткого маятника 1 с закрепленным на нем индентором 2 по дуге окружности в некоторый момент времени индентор 2 начинает взаимодействовать с материалом образца 3. При достаточной энергии движения маятника в материале образца значения возникающих напряжений начинают превышать прочностные и упругие характеристики (параметры, свойства) исследуемого материала 3, вследствие чего материал деформируется (разрушается в зоне контакта с индентором) и в нем формируется некоторый след 4 индентирования. При радиусной траектории движения инден-тора след 4 будет иметь переменную глубину к внедрения индентора 2.

Рис. 2. Принципиальная схема маятникового скрайбирования: а — общая схема; б — след скрайбирования при виде сверху (пластичный материал); в — то же (хрупкий материал);

1 — маятник; 2 — индентор; 3 — образец; 4 — след скрайбирования; 5 — контур следа скрайбирования; 6 — фактический контур следа

МЕШПООБМБОТК|»

По результатам измерений сравниваемые материалы выстраивали в ранжированный ряд, например располагали материалы по возрастанию значения величины К. Местоположение каждого материала в ряду обозначали номерами, начиная с единицы (самое меньшее значение отношения К). Затем для сравниваемых материалов из справочных данных выявляли отдельные физико-механические свойства, например предел прочности и модуль упругости (модуль Юнга). Сопоставляли значение величины К с указанными физико-механическими свойствами для установления их взаимосвязи. Примеры сопоставления приведены в таблице. В ней показаны не сами значения чисел твердости и модуля упругости, а местоположение исследуемых материалов в ранжированном ряду. Это позволяет получить качественную картину взаимосвязи контролируемого параметра скрайбирования К с физико-механическими свойствами материалов. Например, при увеличении значения твердости увеличивается и значение величины К. Такой качественной связи вполне достаточно для установления наиболее эффективного материала. Данные таблицы позволяют (путем сопоставления тенденций изменения местоположения материалов в столбцах 2, 3, 4 таблицы) заключить, что связь контролируемого параметра К следа скрайбирова-

ния с физико-механическими свойствами материалов установлена, причем установлено совпадение тенденции изменения свойств материалов с тенденцией изменения значения контролируемого параметра К, т. е. местоположение материалов одинаково в рядах по столбцам 2 и 3 (а это физико-механические свойства) и по столбцу 4.

В столбце 7 таблицы приведены данные по периоду стойкости инструмента (т. е., по работоспособности). Установлено совпадение тенденции изменения значений контролируемого параметра К следа скрайбирования с тенденцией изменения эксплуатационных свойств материалов, т. е. местоположение материалов одинаково в столбцах 4 и 7.

При анализе изменения длины следа тенденцию выявить не удается вследствие того, что длина Ьф следов у материалов Р9 и Р6М5 оказались сопоставимы из-за близости их пластических свойств (столбец 5). Но значения ширины следов у них разные (столбец 6). Близкими оказались и длины Ьф следов материалов Т30К4 и Т15К6 из-за выкрашивания материала Т15К6 при скрайбировании, т. е. у этих материалов почти равны фактические длины Ьф следов скрайбирования при разном значении расчетной длины Ьр следа.

Из этого следует, что длину Ьф следа как самостоятельный контролируемый параметр

Взаимосвязь контролируемого параметра следа скрайбирования (отношение длины следа к его максимальной ширине) с физико-механическими свойствами инструментальных материалов

Марка инструментального материала Последовательность расположения в ряду по росту значений физико-механических свойств Последовательность расположения в ряду по росту значений контролируемого параметра К

модуль упругости твердость

1 2 3 4 5 6 7

Р6М5 1 1 1 1, 2 7 1

Р9 2 2 2 2, 1 6 2

Р18 3 3 3 3 5 3

ВК8 4 4 4 5 4 4

Т30К4 5 5 5 6, 7 3 5

Т15К6 6 6 6 7, 6 2 6

TF15 7 7 7 4 1 7

(ISO Р10,

Япония,

аналог

BK100M)

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

нельзя использовать для ранжирования материалов по сравниваемым параметрам.

Различие в длинах следов при наличии выкрашиваний материала легче зафиксировать с использованием средств увеличения, например лупы Бринеля, материаловедческого микроскопа оптического или электронного типа.

Выводы

Проведенные исследования и полученные результаты подтверждают возможность применения способа оценки физико-механических и эксплуатационных свойств сравниваемых материалов по параметрам следа скрай-бирования.

Выявлены тенденции изменения физико-механических и эксплуатационных свойств сравниваемых материалов с тенденцией изменения такого параметра следа скрайбирования, как отношение К длины следа к его максимальной ширине. Указанные тенденции дают возможность ранжировать (выстраивать в ряд) материалы по их физико-механическим свойствам, прогнозировать их эксплуатационные качества, а также прогнозировать эффективность применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации.

Заключение

В работе изложены сведения о разработанной экспрессной неразрушающей методике оценки качества инструментальных материалов на основе использования метода маятникового скрайбирования. Методика позволяет выявить наиболее эффективные инструмен-

тальные материалы для заданных условий эксплуатации инструмента без испытаний при резании.

Работа выполнена при поддержке гранта № 9.251.2014/К (код проекта 251) Минобрнауки РФ.

Литература

1. Установка для исследования и контроля покрытий и поверхностных слоев материалов методом скрайбирования / Н. А. Семашко, В. В. Селезнев, Д. Н. Фролов, Е. Б. Мокрицкая // Перспективные материалы, технологии, конструкции: сб. науч. тр. Красноярск: САА, 1998. С. 716-719.

2. Мокрицкий Б. Я., Пустовалов Д. А., Кваша В. Ю. Экспрессная сравнительная оценка работоспособности концевых твердосплавных фрез // Металлообработка. 2015. № 2. С. 49-53.

3. Пустовалов Д. А., Мокрицкий Б. Я., Саблин П. А. Методики оценки свойств материалов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. № 6. С. 36-41.

4. Пустовалов Д. А., Мокрицкий Б. Я., Высоцкий В. В. Определение свойств поверхностных слоев материалов изделий по параметрам индентирования и акустической эмиссии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. № 6. С. 61-63.

5. Пат. 2495412. Российская Федерация, МПК G01N 29/00. Способ сравнительной оценки свойств материалов/ Д. А. Пустовалов, Б. Я. Мокрицкий, В. В. Петров [и др.]; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет». № 2012120101/28; заявл. 15.05.2012; опубл. 10.10.2013, бюл. № 28. 5 с.

6. Material specimen loading scheme in evaluating resistance to corrosive action / D. A. Pustovalov, B. Y. Mok-ritskii, V. V. Vysotskii, O. V. Prikhodchenko // Chemical and Petroleum Engineering. 2012. N 48 (7-8). Р. 445-452.

7. Pendulum sclerometer for evaluating material corrosion resistance / D. A. Pustovalov, B. Y. Mokritskii, S. A. Ogilko [et al.] // Chemical and Petroleum Engineering. 2013. N 48.(11-12). Р. 688-692.

8. Схемы нагружения и методики оценки физико-механических характеристик и эксплуатационных свойств инструментальных материалов / Б. Я. Мокрицкий, В. В. Петров, В. В. Высоцкий, А. В. Артеменко // Ученые записки КнАГТУ. 2013. № 4-1 (13). С. 51-59.