AXIAL BALL STRAIN INFLUENCE ON MEASURABLE VALUE OF BALL INDENTATION BY TOP POINT OF BALL

全文:

Введение. Большой интерес для аэрокосмической отрасли в данное время представляют безобразцовые методы получения механических свойств материала с записью диаграммы вдавливания и получением предела текучести σт [1]. Дело в том, что в процессе эксплуатации авиатехники и орбитальных станций не всегда есть возможность для определения механических свойств материала элемента конструкции изготовить образец стандартных размеров и испытать его на разрывной машине, получив на выходе диаграмму напряжения [2]. Чаще всего в данной ситуации прибегают к использованию ударных твердомеров, однако с помощью этих устройств можно получить лишь число твердости и на основе ранее накопленных статистических данных определить предел прочности σв [3]. Однако не меньший интерес представляет определение предела текучести σт [4] и особенности поведения материала при непрерывном вдавливании [5]. В статье рассматривается предлагаемое нами устройство, реализующее метод непрерывного вдавливания шарового индентора с записью диаграммы «сила - глубина вдавливания», его анализ и преимущества перед аналогами. Очень важным вопросом в реализации методов непрерывного вдавливания с использованием шарового индентора [6] является точность определения глубины вдавливания шарового индентора, поскольку даже если глубина вдавливания шара измеряется по наиболее подходящей для этого перемещения верхней точки шара, встает вопрос вклада осевой деформации шара в величину глубины вдавливания шара при нагружении. Для исследования вклада осевой деформации шара было принято решение использовать численные методы, реализующие МКЭ. Анализ предлагаемого устройства. Рассмотрим предлагаемый нами прибор [7] - измерительную головку (рис. 1, 2) к нагружающему устройству для регистрации нагрузки и глубины вдавливания. Прибор предназначен для определения глубины вдавливания шарового индентора в упруго-пластический образец. Выбранная схема измерения глубины внедрения шарового индентора с использованием специальной детали - обоймы 6, прижатой к образцу 1, с закрепленной на ней датчиком перемещения 13 и измерительного стержня 4, упирающегося непосредственно в шаровой индентор 2, позволяет устранить погрешности измерений, свойственные представленным выше приборам. Основным силовым элементом устройства является корпус 7. Сверху в корпус установлен динамометр 9, который предназначен для регистрации значений усилия под воздействием нагрузки посредством четырех тензодатчиков сопротивления (12). В полость внутри динамометра входит толкатель 10, который передает нагрузку от твердомера Бринелля к динамометру. На противоположном торце толкателя присутствует коническое углубление, в котором находится шарик 8, передающий нагрузку от толкателя динамометру. В нижней части конструкции находится обойма 6. Она вплотную прилегает к верхней поверхности образца 1. Обойма - это деталь, на которой крепится балка 5, измеряющая глубину внедрения шарика. Снизу в корпус установлена заглушка 11. Sborka Рис. 1. Аксонометрический вид измерительной системы Снизу в заглушку входит наконечник 3. Наконечник имеет осевое отверстие. В углубление наконечника устанавливается шарик 2, в который через отверстие упирается измерительный стержень 4. Шарик, в свою очередь, упирается в образец 1. Балка 5 отслеживает глубину вдавливания индентора через стержень 4. Для этого на балку наклеены два тензометрических датчика. Сущность работы головки заключается в следующем. Корпус 7 с прилегающим снизу наконечником 3, в углублении которого находится шарик 2, и обоймой 6 опускают на исследуемую деталь 1 так, что кольцевая площадка обоймы 6 и шарик 2 одновременно упираются в деталь 1. Затем обойма остается на месте, а шарик под действием нагрузки внедряется в образец. Глубину внедрения регистрируют тензометрические датчики 13 при изгибе балки 5 измерительным стержнем, который нижним своим торцом упирается в верхнюю точку шарика 2, а нагрузку регистрирует упругий элемент динамометра 7. Сигналы с установленных на измерительной головке датчиков подаются либо на двухкоординатный самописец, либо на чувствительные вольтметры, либо на аналогово-цифровой преобразователь ПЭВМ. Глубина вдавливания шара равна х4 = (А1 + А2) - - (А3 + А4), где А1 - размер шара, изменяющийся под нагрузкой вдавливания; А2 - размер измерительного стержня, находящегося под нагрузкой от изогнутой балки (~10-20 Н); А3 - размер, изменение которого отслеживается упругой балкой с приклеенными тензодатчиками сопротивления; А4 - высота обоймы, упирающейся в испытываемую деталь и находящейся под нагрузкой, необходимой для замыкания контакта (~30-40 Н). Погрешность измерения ∆х4 = ∆А1 + ∆А2 + ∆А3 + ∆А4. Величины А2 и А4, очевидно, изменяются незначительно. Соответственно ∆А2 ≈ ∆А4 ≈ 0. Погрешность измерения будет складываться только из величин ∆А1 (изменение размера шара под действием нагрузки) и ∆А3 (погрешности измерения перемещения при помощи упругой балки). По сравнению с существующими аналогами [8-10] предлагаемый прибор благодаря своей оригинальной конструкции имеет минимальную погрешность измерения глубины вдавливания индентора относительно поверхности образца и может быть использован для более точного исследования закономерностей, возникающих при вдавливании индентора в упруго-пластический материал образца и улавливания момента перехода его от упругого поведения к упруго-пластическому [11]. Единственный вопрос относительно устройства, который нуждается в решении, - это вклад осевой деформации шара в величину измеряемой глубины вдавливания. Определение вклада осевой деформации шара. Для исследования контакта шара и образца была использована программа ANSYS Multiphysics 15.0, реализующая метод конечных элементов для решения задач теории упругости и пластичности с учетом контактного взаимодействия двух тел (расчетная схема - на рис. 3) [12-15]. В расчетах смоделирован шар диаметром 10 мм со свойствами стали ШХ15. В качестве материалов для образца использованы алюминиевый сплав АМГ-61, титан ВТ1 и сталь 08Х18Н10Т с механическими свойствами, указанными в таблице. Определяли перемещение двух точек шара - верхней и нижней. Максимальная нагрузка была установлена 5, 40 и 20 Н соответственно. В процессе решения задачи были получены графики зависимости глубины вдавливания шара от приложенной нагрузки для материалов АМГ-61, ВТ-1 и 08Х18Н10Т (рис. 4-6), измеренные по перемещению верхней точки шара (на рис. 4-6: 1а - упругое решение, 1б - упруго-пластическое решение) и нижней точки шара (на рис. 4-6: 2а - упругое решение, 2б - упруго-пластическое решение). Из графиков видно, что при определении глубины вдавливания шара по перемещению верхней точки шара существенный вклад в конечную величину измеряемой глубины вдавливания шара вносит осевая деформация самого шара. Для разных материалов величина этого вклада различна, но в целом картина остается схожей. Для того чтобы оценить величину вклада осевой деформации в измеряемую глубину вдавливания шара был рассчитан относительный вклад осевой деформации шара в величину глубины вдавливания шара: (1) где Dhш = hB - hH; hВ и hН - изменение положения по оси Y верхней и нижней точки шара соответственно. При упругом решении задачи уровень вклада осевой деформации шара в величину измеряемой глубины вдавливания шара остается постоянным (рис. 7). При упруго-пластическом решении во время установления упругого контакта шара и образца также наблюдается постоянная величина вклада осевой деформации шара в измеряемую глубину вдавливания шара на уровне 35, 56 и 95 % для материалов АМГ-61, ВТ-1 и 08Х18Н10Т (рис. 8). Также наблюдается прямо пропорциональная зависимость между отношением модулей упругости образца и шара: (2) причем отношение модулей упругости к величине относительно вклада ξ остается постоянной величиной вне зависимости от величины нагрузки, а уровень величины относительно вклада ξ тем больше, чем больше отношение модулей упругости (см. таблицу). 2б 2а 1б 1а Рис. 6. Зависимость глубины вдавливания от нагрузки, измеренная по перемещению, для материала 08Х18Н10Т: 1а - нижней точки шара для упругого случая; 1б - нижней точки шара для упруго-пластического случая; 2а - верхней точки шара для упругого случая; 2б - верхней точки шара для упруго-пластического случая Надпись: Относительный вклад осевой деформации шара, % Влияние величины модуля упругости Е на относительный вклад осевой деформации шара ξ в величину измеряемой глубины вдавливания hв Наименование материала Модуль упругости Е, МПа Предел текучести στ, МПа Относительный вклад ξ, % Еобр/Ешара при Ешара = 206 000 МПа АМГ-61 71 000 240 35 0,3447 ВТ1 112 100 420 55 0,5442 08Х18Н10Т 196 000 196 95 0,9515 При переходе контакта в упруго-пластическое состояние величина относительного вклада ξ постепенно снижается, достигая в конце процесса нагружения величины в 27, 44 и 62 % соответственно. Таким образом, в натурном эксперименте на твердомере, если производить измерения глубины вдавливания шара в максимально удобной для этого верхней точке шара, получаемые результаты будут иметь значительный уровень погрешности. Реальную глубину вдавливания шарового индентора можно оценить по формуле (3) где ξ - вклад осевой деформации шара; hB - глубина вдавливания, измеряемая с помощью прибора. Анализ результатов (рис. 7, 8) позволяет сделать вывод о линейной зависимости относительной осевой деформации шара от нагрузки в пределах упругой деформации. При этом оказалось, что эта величина пропорциональна отношению модулей упругости образца и шара (см. таблицу). Зная модули упругости образца и шара, мы можем достаточно точно определить вклад осевой деформации шара в величину глубины вдавливания шара по формуле (2) и найти реальную глубину вдавливания шарового индентора по формуле (3). Заключение. На основе проведенного исследования можно сделать вывод о том, что предлагаемое устройство благодаря оригинальности конструкции позволяет определять глубину вдавливания шарового индентора в исследуемый образец по наиболее удобной для этого верхней точке шара, а вклад освой деформации определять по формуле (3).

作者简介

N. Avtonomov

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. Tololo

Reshetnev Siberian State Aerospace University

Email: 8350474@gmail.com
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

参考

补充文件