РЕГИСТРАЦИЯ ДИАГРАММЫ ВДАВЛИВАНИЯ ШАРОВОГО ИНДЕНТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ

Аннотация

Описана конструкция измерительной головки и измерительного стенда для проведения испытаний метал- лических материалов. Результаты экспериментов представлены в виде диаграмм «нагрузка – глубина вдавли- вания».

Полный текст

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