REGISTRATION OF THE SPHERICAL BALL INDENTOR DIAGRAM WITH THE USE OF THE NEW MEASURING HEAD

Abstract

In the article the authors describe the new measuring head and stand for mechanical testing of metal materials. The experimental results are presented in the article as a «load–indentation depth» diagram.

Full Text

С появлением простых испытаний на твердость в начале ХХ в. сразу же возник вопрос о том, нельзя ли по измерениям твердости судить о механических свойствах металлов. В своих экспериментах О. А. Бри- нелль, Н. А. Минкевич и многие другие исследователи стремились найти связь между твердостью по Бри- Зависимости (1) и (2) характеризуют усредненную величину степени деформации в лунке, однако они не отражают максимальных деформаций, наблюдаемых на оси вдавливания шарика на глубине, примерно равной половине радиуса площадки контакта. Но, тем не менее, эти зависимости дают возможность в пер- неллю НВ и пределом прочности σb , а также с дру- вом приближении оценить деформированное состоя- гими механическими характеристиками. Такие связи между НВ и σb были найдены и даже стандартизованы. Так, в Германии в немецких инже- нерных нормах DIN 50359–1 для сталей была реко- ние. Напряжение в лунке можно подсчитать путем деления нагрузки P , приложенной к шару, на пло- щадь поверхности лунки M: H = P . (3) мендована зависимость между НВ и σb . Американ- M ское инженерное автомобильное общество получило экспериментальные зависимости, позволяющие по Эксперименты показывают, что диаграмма твер- дости, построенная в координатах H – ψ , H – d или значениям НВ определять для сталей σb , предел те- H – h , аналогична диаграмме растяжения. В частно- кучести σ0,2 и относительное поперечное сужение сти, на диаграмме твердости наблюдаются такие же ψ . Однако эти зависимости являются чисто экспери- характерные точки H пц , H т и H max , что и на диа- ментальными, теоретически не обоснованы и носят частный характер. В ISO 14577–1 предусмотрено ки- нетическое индентирование и рекомендуется опреде- лять расчетное значение твердости как отношение максимально приложенной нагрузки к контактной площади лунки под нагрузкой. Для оценки качества металлов по твердости Н. Н. Давиденков в 1943 г. высказал мысль о необхо- димости оценивать твердость не какому-то одному частному значению, а по диаграмме, которая охваты- вает несколько значений [1]. Это исследование удалось осуществить только после того, как в 1949 г. М. П. Мар- ковцом [2] был предложен способ количественного определения степени деформации в лунке по формуле ψ = M − F , (1) M где M – площадь поверхности отпечатка; F – пло- щадь проекции отпечатка на первоначальную плос- кость. Равенство (1) также можно представить в виде грамме растяжения, т. е. твердости на пределе про- порциональности, текучести и максимуме. Наличие на диаграмме твердости характерных то- чек, таких же как на диаграмме растяжения, открыва- ет более широкие возможности для определения ме- ханических свойств простыми испытаниями на твер- дость. В связи с этим само испытание на твердость принимает самостоятельное значение, по-видимому, не меньшее, чем испытание на растяжение. Сопоставление твердости в характерных точках с соответствующими напряжениями при растяжении в таких же точках можно выполнить эксперименталь- но и теоретически. Теоретические исследования зависимостей вдав- ливания шара в идеально жестко-пластическое тело проводились академиком А. Ю. Ишлинским [3]. Напряжения под индентором в упругой области де- формирования были определены М. П. Марковцом и В. И. Пашниной [4], а М. П. Марковцом совместно с Л. И. Куртеном [5] исследовалось пластическое де- формирование в условиях ползучести. Коллективом d 2 ψ = 1 − = 4h2 , (2) М. П. Марковца также был разработан один из первых приборов для регистрации диаграммы «нагрузка – глу- ⎡ ⎛ =d ⎞2 ⎤ 4h2 + d 2 бина вдавливания индентора». D ⎢1 − ⎢ 1 − ⎜ ⎟ ⎥ ⎝ D ⎠ ⎥ Локальность и возможность безобразцового при- ⎣ ⎦ где D – диаметр шара; d , h – диаметр и глубина вос- становленного отпечатка. менения метода вдавливания шарового индентора делают его незаменимым в таких отраслях совре- менной промышленности, как космическая, нефте- 124 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева газовая, атомная энергетика, гидроэнергетика и мно- гие другие. В данной статье представлена авторская конструк- ция измерительного устройства, позволяющая полу- чать данные для построения диаграммы «нагрузка – глубина вдавливания» в режиме реального времени важным преимуществом которой является возмож- ность ее установки на твердомер Бринелля для прове- дения испытаний, а также предложен вариант пере- носного измерительного стенда. Измерительное устройство работает следующим образом. При приложении нагрузки к узлу нагруже- ния, создаваемой гидравлическим домкратом измери- тельного стенда или твердомером Бринелля, шаровой индентор вдавливается в образец. При этом происхо- дит перемещение измерительного стержня, которое вызывает отклонение измерительной балки на вели- чину, соответствующую глубине вдавливания. Изме- рение этого параметра производится тензодатчиками сопротивления, наклеенными на измерительную бал- ку и на балку температурной компенсации, соединен- ных по мостовой схеме. Изменение нагрузки также фиксируется тензодатчиками, наклеенными на упру- гий элемент динамометра. Измерительная головка, представленная на рис. 1, состоит из узла нагружения, в который входят сле- дующие элементы: винт базирования 14, опора на- гружения 11, динамометр 7, наконечник 5, индентор 4; узла регистрации глубины вдавливания, в который входят измерительный стержень 8, измерительная балка 20; узла крепления измерительной балки и тем- пературной компенсации измерений, состоящего из балки температурной компенсации 21, крепежных элементов 22 и 24, уголка 23, державки 10 с хомутом 9; узла крепления измерительной головки к твердоме- ру, а также ее прижима к образцу, представленного кольцом 17, винтом 18, корпусом 19, пружиной 6, крышкой 3. Конструкция измерительного стенда для проведе- ния испытаний в лабораторных условиях (рис. 2 и 3) состоит из нижнего и верхнего оснований 2 и 11, же- стко скрепленных четырьмя стойками 3 при помощи винтов 1. Подвижная часть состоит из нижней травер- сы 4, на которой располагается образец 7, соединенной с верхней траверсой 13 силовыми тягами 8 при помо- щи гаек 6 с шайбами 5. Перемещение подвижной части осуществляется при помощи гидравлического домкра- та 12 по направляющим 9. Измерительная головка 10 располагается по центру верхнего основания 11 и кре- пится к нему винтами. Особым преимуществом стенда является возможность проведения испытаний остатков стандартных образцов из металлопроката. 125 Рис. 1. Измерительная головка: 1 – стол твердомера; 2 – образец; 3 – крышка; 4 – индентор; 5 – наконечник; 6 – пружина; 7 – динамометр; 8 – измеритель- ный стержень; 9 – хомут; 10 – державка; 11 – опора нагруже- ния; 12 – обойма; 13 – винт твердомера; 14 – винт базирования; 15 – подвижная часть твердомера; 16 – неподвижная часть твердомера; 17 – кольцо; 18 – винт; 19 – фиксатор; 20 – изме- рительная балка; 21 – балка температурной компенсации; 22, 24 – крепежные элементы; 23 – уголок Технологические процессы и материалы Рис. 2. Общий вид измерительного стенда Рис. 3. Измерительный стенд в сборе (обозначения см. в тексте) а б Рис. 4. Диаграммы «нагрузка – глубина вдавливания» для алюминиевого сплава (а) и легированной стали (б) Стенд не требует строгой установки по уровню, так как в нем не используется сила тяжести для соз- дания нагрузки с помощью грузов, как в твердомере Бринелля. Кроме того, он гораздо легче твердомера и может использоваться в передвижных лабораториях. Тарировка измерительной системы проводится при помощи рычажного динамометра и индикатора часового типа с погрешностью измерения 0,01 мм. Для оценки работоспособности измерительной системы были получены диаграммы «нагрузка – глу- бина вдавливания» (рис. 4) с использованием измери- тельного стенда и двухкоординатного потенциометра. Испытания проводились на частях алюминиевых (рис. 4, а) и стальных образцов (рис. 4, б), прошедших стандартные испытания. Представленное в данной статье конструктивное решение защищено патентом РФ на полезную модель 100291 и с полным основанием может быть рекомен- довано для промышленной апробации