Экспресс-метод контроля механических свойств материалов

Определение механических свойств предложено производить по диаграмме, полученной при непрерывном индентировании, на модернизированном твердомере Бринелля, разрывной машине или портативном твердомере.

Введение

Наиболее полную информацию о таких важных свойствах материалов как прочность и пластичность можно получить из испытаний на растяжение. Методика этих испытаний хорошо отработана, но требует изготовления стандартных образцов. Учёные всегда искали пути проведения испытаний непосредственно на изделии, т.е. с использованием неразрушающего контроля. В основу этой идеи легло положение о том, что «необязательно оценивать поведение материала при том виде нагружения, при котором он работает» [1]. Это позволяет оценивать прочность и пластичность не только при растяжении образцов, но и при вдавливании индентора для тех материалов, для которых существуют эмпирические зависимости между этими свойствами и твёрдостью. Материал при вдавливании индентора (при измерении твёрдости) ведёт себя аналогично растяжению, сначала испытывает упругую деформацию, затем пластическую и, наконец, разрушение.

Твёрдость материалов зависит от химического состава, от структурного состояния, от степени деформации. Поэтому для ответственных деталей, нуждающихся в периодической аттестации свойств, которые могут изменяться под влиянием внешних факторов, представляет особый интерес объединение в одном испытательном комплексе: экспресс-анализа химического состава (рис. 1), оценки структурного состояния (рис. 2) и механических свойств материала (рис. 3). Этот комплекс должен включать портативный анализатор химического состава, оборудование пробоподготовки с целью оценки структурного состояния и приборы для определения механических свойств – разрывную машину, твердомеры.

Рис. 1. Переносной стилоскоп для проведения химического анализа легированных сталей и цветных сплавов

Рис. 2. Подготовка поверхности для определения структурного состояния материала

Рис. 3. Приборы для механических испытаний: сервоприводная испытательная машина UIT STM и твердомер Бринелля UIT HBW-1

Анализ состояния вопроса

Компания «Укринтех» направила свой производственный и научный потенциал на совершенствование экспрес-методов контроля механических свойств материалов, основанных на анализе диаграммы непрерывного индентирования. Такой подход позволяет оценивать качество материалов, определяя по кривой индентирования характеристики статической и циклической прочности, пластичности, твёрдости, между которыми существует корреляционная связь.

Для решения этой проблемы ведётся разработка современного оборудования, работающего в режиме непрерывного инденирования с построением диаграммы: испытательных (разрывных машин с функцией «гиппертвердомер», стационарных твердомеров, стационарных твердомеров для крупногабаритных деталей, портативных твердомеров для малых нагрузок и т.д.

Разработка такого многофункционального испытательного оборудования позволит:

  • расширить диапазон оцениваемых характеристик механических свойств
  • проводить испытания крупногабаритных деталей, изделий из высокопрочных материалов, образцы из которых трудно изготовить резанием

Поставлена задача использовать оборудование при аварийных ситуациях, при стопроцентном контроле качества металла изделий, непосредственно на объектах (тепло- и атомных электростанциях), так как метод поддаётся дистанционному управлению [1]. При этом очень важно, чтобы испытания на растяжение проводились в тех же условиях, что и испытания непрерывным индентированием.

Испытательный комплекс для экспресс-контроля качества материала может включать кроме анализатора химсостава и оборудования для пробоподготовки всего один из приборов, оснащённый функцией непрерывного инденирования. Это определяется финансовыми возможностями предприятия.

В случае необходимости контроля остаточного ресурса оборудования в процессе его долговременной эксплуатации необходимо использование портативного твердомера с функцией измерения кинетической твёрдости, разработкой которого также занимается компания «Укринтех».

Достижением непрерывного индентирования является учёт как упругой, так и пластической составляющей деформации при измерении твёрдости, в то время как при измерении твёрдости стандартными методами Бринелля и Виккерса упругая составляющая не учитывается.

Европейский международный стандарт ISO 14577-1:2002 [2] регламентирует именно кинетическое индентирование, на основе которого определяют показатели твёрдости и другие характеристики: модуль упругости EIT, ползучесть при индентировании CIT, релаксацию при инструментальном индентировании RIT, пластическую и упругую составляющие работы при индентировании.

В связи с этим компания «Укринтех» производит модернизацию стандартного твердомера Бринелля для возможного его использования в двух режимах – стандартного твердомера и непрерывного индентирования.

Цель и постановка задачи

Цель работы: модернизация твердомера Бринелля для кинетического индентирования с целью определения механических свойств материалов по диаграмме индентирования.

Материалы и методики исследований

Существующие приборы для непрерывного индентирования применяется для оценки свойств в микро- и нанообъёмах. Для измерения кинетической твёрдости в макродиапазоне существуют только отдельные опытные образцы приборов. До сих пор не уделялось должного внимания кинетическому индентированию на макроуровне.

Нами предложено использовать для непрерывного индентирования модернизированный стандартный прибор – пресс Бринелля и оснастить его приспособлением, позволяющим фиксировать глубину внедрения индентора (рис. 4).

Рис. 4. Опытный образец твердомера Бринелля, предназначенный для измерения твёрдости непрерывным индентированием

Схема испытательного цикла индентирования на модернизированном прессе Бринелля выбрана согласно ISO 14577-1:2002 (рис. 5).

Рис. 5. Испытательный цикл индентирования на прессе Бринелля: 1 - приложение испытательной нагрузки; 2 - максимальное нагружение ; 3 - снятие нагрузки; 4 - нагрузка равна нулю

При проведении испытаний записывается диаграмма индентирования в координатах нагрузка – перемещение индентора, по параметрам которой можно рассчитать свойства (твёрдость, показатели прочности, пластичность).

В связи с Евроинтеграционными процессами в Украине расчёты всех характеристик по кривой индентирования (рис. 6) на модернизированном твердомере должны производиться согласно стандарта ISO. В ISO 14577-1:2002 оговорено определение твёрдости по Мартенсу и твёрдости индентирования пирамидальными инденторами. На сферические инденторы стандарт не распространяется.

Твердость по Мартенсу представляет собой отношение силы вдавливания к площади боковой поверхности внедренной в материал части индентора.

Для пирамиды Виккерса твердость по Мартенсу будет равна

где F – нагрузка на индентор;
As(h) – площадь боковой поверхности пирамиды на расстоянии h от вершины.

Для пирамиды Берковича твердость соответствует

Согласно ISO 14577-1:2002, твердость по Мартенсу определяется в конкретных точках нагрузочной части диаграммы индентирования, равных 1 H; 2,5 H; 5 H; 10 H или кратных 10. Твердость по Мартенсу учитывает упругую и пластическую составляющие деформации при индентировании.

Рис. 6. Схема индентирования: 1 – участок нагружения индентора, 2 – участок разгрузки, 3 – касательная к кривой 2 при Fmax

Согласно ISO 14577-1:2002 твердость индентирования HIT представляет собой отношение максимальной нагрузки к площади проекции контакта индентора с исследуемым материалом

где Fmax - максимальная нагрузка,
Ар - площадь поперечного сечения контактной поверхности между индентором и испытуемым образцом.

ледует подчеркнуть, что твердость индентирования характеризует сопротивление материала внедрению индентора только в одной точке при максимальной нагрузке. К тому же площадь проекции контакта индентора с материалом всегда очень сложно определить, особенно для упругих материалов.

Твёрдость по Мартенсу и твёрдость индентирования определяется в процессе вдавливания индентора и называется невосстановленной твёрдостью в отличие от твёрдости по Бринеллю и Виккерсу, которую определяют после снятия нагрузки по параметрам отпечатка, и это восстановленная твёрдость. При этом восстановленная твёрдость является более точным методом, так как учитывает и пластическую и упругую составляющую деформации.

Автором предложено на модернизированном твердомере сферическим индентором определять поверхностную твёрдость, которая рассчитывается также как твёрдость по Мартенсу, только не для определённых значений нагрузки, а для всего интервала нагружения.

В ISO 14577-1:2002 даны рекомендации для сравнения значений твёрдости индентирования и твёрдости, которую измеряют пирамидальным индентором по методу Виккерса. Для этого необходимо использовать масштабный коэффициент. Однако в стандарте есть предупреждение: хотя твёрдость инденирования и может коррелировать с твёрдостью по Виккерсу при помощи масштабного коэффициента, однако HIT не может быть использована в качестве её точной замены.

Для использования непрерывного индентирования в качестве метода массового контроля необходимо не только произвести модернизацию твердомеров Бринелля, но и разработать методику, которая позволит установить корреляцию между невосстановленной твёрдостью, которую определяют из диаграммы индентировании, и стандартной твёрдостью по Бринеллю, а также производить оценку по диаграмме требуемых эксплуатационных свойств.

Выводы

1. Создание испытательного комплекса для экспресс-контроля качества материала, который будет производить анализ химсостава, оценку его структурного состояния, показателей механических свойств является своевременным и актуальным.
2. Для использования метода непрерывного индентирования необходимо произвести модернизацию разрывных машин или твердомеров Бринелля.
3. Необходимо разработать методику, которая позволила бы достаточно точно установить соответствие между значениями твёрдости, полученными стандартными методами и при кинетическом индентировании.
4. Для внедрения приборов с функцией непрерывного индентирования на предприятиях необходимо разработать методику по установлению корреляционных связей параметров диаграммы инденирования с показателями механических свойств.

1. Мощенок В.И. Методы определения твердости материалов : учебник / В.И. Мощенок, Н.А. Лалазарова, В.П. Тарабанова. – Х. : ХНАДУ, 2014. – 308 с.
2. ISO 14577-1:2002. Metallic materials — Instrumented indentation test for hardness and materials parameters — Part 1:Test method

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, пр-т. Гагарина 20, оф. 2319

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

Со стационарных:
+38 (057) 768-09-02

С мобильных:
+38 (066) 613-23-24; +38 (073) 022-36-96
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.