СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR DETERMINING MECHANICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS

Изобретение относится к области измерений и, в частности, предназначено для использования при исследовании механических характеристик материалов.
Известен способ определения механических характеристик материалов (см. патент США №5.133.210, МПК G01 N3/42, опуб. 28.07.1992 г.), согласно которому при вдавливании сферического индентора непрерывно регистрируют диаграмму вдавливания в координатах «нагрузка - глубина», которую преобразуют в некоторый участок диаграммы растяжения образца в координатах «напряжение - деформация».
Недостатком такого способа является низкая точность определения напряжений.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения механических характеристик материалов (см. авторское свидетельство СССР №1145273, Кл. G01N 3/42, опубл. 15.03.1985 г.), заключающийся в том, что в материал внедряют сферический индентор под непрерывно возрастающей нагрузкой, измеряют нагрузку и глубину отпечатка под нагрузкой, затем уменьшают нагрузку до нуля в момент начала прямо пропорциональной зависимости приращения нагрузки от приращения глубины отпечатка, а при повторном испытании - в момент окончания этой зависимости, измеряют остаточную глубину отпечатка, с учетом которой определяют временное сопротивление при первом испытании или равномерную деформацию при втором испытании.
Недостатками этого способа являются: трудоемкость, низкие точность, производительность и информативность.
Технической задачей изобретения является снижение трудоемкости, повышение точности, производительности и расширение функциональных возможностей способа.
Эта техническая задача достигается тем, что в известном способе определения механических характеристик материалов, включающем внедрение в испытуемый материал сферического индентора при непрерывно возрастающей нагрузке, регистрацию диаграммы вдавливания с ветвями нагружения и разгрузки и измерение остаточной глубины отпечатка после полной разгрузки, согласно изобретению регистрацию диаграммы вдавливания проводят в координатах «нагрузка - упругопластическое сближение индентора и материала», измеряют нагрузку, упругое сближение материала и индентора и остаточную глубину отпечатка, соответствующие началу уменьшения производной функции нагрузки от упругопластического сближения, вычитают из общего упругого сближения упругую деформацию материала.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид диаграммы «нагрузка Р - упругопластическое сближение α», на фиг.2 показан общий вид диаграммы «dP/dα - Р», на фиг.3 представлена функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа.
На фиг.1-2 приняты следующие обозначения: Р - нагрузка вдавливания;
K
P - нагрузка вдавливания, соответствующая окончанию нагружения (в точке К);
В
Р - нагрузка вдавливания, соответствующая началу уменьшения производной функции Р=f(α) (в точке В);
В
В
h - остаточная глубина отпечатка, соответствующая нагрузке Р;
к
h - остаточная глубина отпечатка после полной разгрузки;
к
К
α - упругопластическое сближение, соответствующее нагрузке Р;
В
В
α - упругопластическое сближение, соответствующее нагрузке Р;
y
к
К
(α) - совместное упругое сближение материала и индентора при нагрузке Р;
y
B
В
(α) - совместное упругое сближение материала и индентора при нагрузке Р.
dP/dα - производная функции нагрузки от упругопластического сближения.
Устройство для реализации предлагаемого способа определения механических характеристик материалов содержит механизм нагружения 1, передающий усилие на испытуемый материал, который прижимается к индентору, закрепленному на силовом штоке 2, который соединен с датчиком измерения нагрузки 3 и датчиком измерения упругопластического сближения 4. Датчики соединены с преобразователем формы информации 5, выход которого связан непосредственно с персональным компьютером 6.
Устройство, реализующее способ определения механических характеристик материалов, работает следующим образом.
Механизм нагружения 1 внедряет сферический индентор в испытуемый материал. При этом электрические сигналы от датчика нагружения 3 и датчика упругопластического сближения 4 непрерывно поступают на вход преобразователя формы информации 5, который преобразует информацию и передает ее в цифровой форме в персональный компьютер 6. В процессе преобразования на экране компьютера в режиме реального времени отображается диаграмма вдавливания в координатах «Р - α» с ветвями нагружения и разгрузки, а также производится дифференцирование ветви нагружения диаграммы. По полученным диаграммам персональный компьютер определяет нагрузку, упругое сближение материала и индентора и остаточную глубину отпечатка, соответствующие началу уменьшения производной функции нагрузки от упругопластического сближения, и вычитает упругую деформацию материала. Затем определяются следующие механические характеристики материала:
м
В
y
В
м
ш
ш
- Модуль нормальной упругости Е=f(Р, (α), R, µ µ, Е),
м
ш
ш
где R - радиус индентора; µ и µ - коэффициенты Пуассона испытуемого материала и материала индентора; Е - модуль упругости материала индентора;
ш
ш
м
Коэффициент, учитывающий соотношение упругой деформации индентора и упругой деформации испытуемого материала, k=Е/(Е+Е);
в
в
- Модуль упрочнения материала при вдавливании в пластической области Q=f(P,h,R);
t
В
в
в
у
В
- Невосстановленную твердость по Бринеллю на уровне временного сопротивления (НВ)=f(Р, h, (α), R, k);
- Коэффициент, учитывающий соотношение упругой деформации индентора и упругой деформации испытуемого материала, k;
В
t
в
- Временное сопротивление при растяжении σ=f((НВ));
0.2
- Условный предел текучести при растяжении σ=f(q);
- Относительное остаточное равномерное удлинение при растяжении
p
в
δ=f(h,R).
Весь процесс испытания с изображением диаграммы вдавливания и выдачей таблицы значений механических характеристик автоматизирован и занимает не более 3 мин.
В монографии (см. Матюнин В.М. оперативная диагностика механических свойств конструкционных материалов. Пособие для научных и инженерно-технических работников. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006, 214 с.) подробно изложены методики и технические средства определения перечисленных механических характеристик. Кроме того, перед проведением испытания выбирают и вдавливают индентор такого радиуса, при котором образуется отпечаток с площадью поверхности, равной изменению начальной площади поперечного сечения растягиваемого образца при достижении одинаковой относительной деформации при вдавливании и растяжении.
ш
м
ш
2
В таблице приведены результаты испытаний и определения механических характеристик стали 20Х13 и титанового сплава ВТ-4 предлагаемым способом вдавливания индентора и известным способом растяжения образца. Испытанные материалы сильно различаются модулем нормальной упругости и, как следствие, имеют различный коэффициент k, учитывающий соотношение упругой деформации испытуемого материала и упругой деформации индентора. В этом эксперименте R=0,5 мм, Е=216000 Н/мм, µ = µ = 0,28.
Из таблицы следует, что максимальное относительное отклонение значений механических характеристик, определенных предлагаемым способом, от значений тех же механических характеристик, определенных способом растяжения образцов, не превышает ±5%.
Использование изобретения обеспечивает снижение трудоемкости, повышение точности, производительности и расширение функциональных возможностей способа.