Експрес-метод контролю механічних властивостей матеріалів

Визначення механічних властивостей запропановано проводити на діаграмі, отриманої при безперервному індентуванні на модернізованому твердомірі Бринелля, розривній машині або портативному твердомірі.

Введение

Найбільш повну інформацію про такі важливі властивості матеріалів як міцність і пластичність можна отримати з випробувань на розтяг. Методика цих випробувань добре відпрацьована, але вимагає виготовлення стандартних зразків. Вчені завжди шукали шляхи проведення випробувань безпосередньо на виробі, тобто з використанням неруйнівного контролю. В основу цієї ідеї лягло положення про те, що «необов'язково оцінювати поведінку матеріалу при тому вигляді навантаження, при якому він працює» [1]. Це дозволяє оцінювати міцність і пластичність не тільки при розтягуванні зразків, але і при вдавленні індентора для тих матеріалів, для яких існують емпіричні залежності між цими властивостями і твердістю. Матеріал при вдавленні індентора (при вимірюванні твердості) поводиться аналогічно, як при розтягуванні, спочатку відчуває пружну деформацію, потім пластичну і, нарешті, руйнування.

Твердість матеріалів залежить від хімічного складу, від структурного стану, від ступеня деформації. Тому для відповідальних деталей, які потребують періодичної атестації властивостей, які можуть змінюватися під впливом зовнішніх чинників, представляє особливий інтерес об'єднання в одному випробувальному комплексі: експрес-аналізу хімічного складу (мал. 1), оцінки структурного стану (мал. 2) і механічних властивостей матеріалу (мал. 3). Цей комплекс повинен включати портативний аналізатор хімічного складу, обладнання пробоподготовки з метою оцінки структурного стану і прилади для визначення механічних властивостей - розривну машину, твердоміри.

Мал. 1. Переносний стілоскоп для проведення хімічного аналізу легованих сталей і кольорових сплавів

Мал. 2. Підготовка поверхні для визначення структурного стану матеріалу

Мал. 3. Прилади для механічних випробувань: сервопривідна випробувальна машина UIT STM і твердомер Бринелля UIT HBW-1

Аналіз стану питання

Для вирішення цієї проблеми ведеться розробка сучасного обладнання, що працює в режимі безперервного індентування з побудовою діаграми: випробувальних машин з функцією «гіппертвердомер», стаціонарних твердомірів, стаціонарних твердомірів для великогабаритних деталей, портативних твердомірів для малих навантажень і т.д.

Розробка такого багатофункціонального випробувального устаткування дозволить:

  • розширити діапазон оцінюваних характеристик механічних властивостей
  • проводити випробування великогабаритних деталей, виробів з високоміцних матеріалів, зразки з яких важко виготовити різанням

Поставлено завдання використовувати обладнання при аварійних ситуаціях, при стовідсотковому контролі якості металу виробів, безпосередньо на об'єктах (тепло- і атомних електростанціях), так як метод піддається дистанційному управлінню [1]. При цьому дуже важливо, щоб випробування на розтягнення проводилися у тих же умовах, що й випробування безперервним індентуванням.

Випробувальний комплекс для експрес-контролю якості матеріалу може включати крім аналізатора хімскладу і обладнання для пробопідготовки всього один з приладів, оснащений функцією безперервного інденірованія. Це визначається фінансовими можливостями підприємства.

У разі необхідності контролю залишкового ресурсу обладнання в процесі його тривалої експлуатації необхідно використання портативного твердоміра з функцією вимірювання кінетичної твердості, розробкою якого також займається компанія «Укрінтех».

Досягненням безперервного індентування є облік як пружної, так і пластичної складової деформації при вимірюванні твердості, в той час як при вимірюванні твердості стандартними методами Брінелля і Віккерса пружна складова не враховується.

Європейський міжнародний стандарт ISO 14577-1: 2002 [2] регламентує саме кінетичне індентування, на основі якого визначають показники твердості та інші характеристики: модуль пружності EIT, повзучість при індентуванні CIT, релаксацію при інструментальному індентування RIT, пластичну і пружну складові роботи при індентування.

У зв'язку з цим компанія «Укрінтех» проводить модернізацію стандартного твердоміра Бринелля для можливого його використання в двох режимах - стандартного твердоміра і безперервного індентування.

Мета і постановка задачі

Мета роботи: модернізація твердоміра Бринелля для кінетичного індентування з метою визначення механічних властивостей матеріалів по діаграмі індентування.

Матеріали і методики досліджень

Існуючі прилади для безперервного індентування застосовуються для оцінки властивостей в мікро- і нанооб'ёмах. Для вимірювання кінетичної твердості в макродіапазоні існують тільки окремі дослідні зразки приладів. До сих пір не приділялося належної уваги кінетичному індентуванню на макрорівні.

Нами запропоновано використовувати для безперервного індентування модернізований стандартний прилад - прес Бринелля і оснастити його пристроєм, що дозволяє фіксувати глибину заглиблення індентора (мал. 4).

Мал. 4. Дослідний зразок твердоміра Бринелля, призначений для вимірювання твердості безперервним індентування

Схема випробувального циклу індентування на модернізованому пресі Бринелля обрана згідно ISO 14577-1: 2002 (мал. 5).

Мал. 5.Випробувальний цикл індентування на пресі Бринелля: 1 - додаток випробного навантаження; 2 - максимальне навантаження; 3 - зняття навантаження; 4 - навантаження дорівнює нулю

При проведенні випробувань записується діаграма індентування в координатах навантаження - переміщення індентора, за параметрами якої можна розрахувати властивості (твердість, показники міцності, пластичність).

У зв'язку з євроінтеграційними процесами в Україні розрахунки всіх характеристик по кривій індентування (мал. 6) на модернізованому твердомере повинні проводитися відповідно до стандарту ISO. В ISO 14577-1: 2002 обумовлено визначення твердості по Мартенсу і твердості індентування пірамідальними індентора. На сферичні індентором стандарт не поширюється.

Твердість по Мартенсу являє собою відношення сили вдавлення до площі бічної поверхні впровадженої в матеріал частини індентора.

Для піраміди Віккерса твердість по Мартенсу буде дорівнювати

де F – навантаження на индентор;
As(h) – площа бічної поверхні піраміди на відстані h від вершини.

Для піраміди Берковича твердість відповідає

Згідно ISO 14577-1: 2002, твердість по Мартенсу визначається в конкретних точках навантажувальної частини діаграми індентування, рівних 1 H; 2,5 H; 5 H; 10 H або кратних 10. Твердість по Мартенсу враховує пружну і пластичну складові деформації при індентуванні.

Мал. 6. Схема індентування: 1 - ділянка навантаження індентора, 2 - ділянка розвантаження, 3 - дотична до кривої 2 при Fmax

Згідно ISO 14577-1: 2002 твердість індентування HIT є відношенням максимального навантаження до площі проекції контакту індентора з досліджуваним матеріалом

де Fmax - максимальне навантаження,
Ap - площа поперечного перерізу контактної поверхні між индентором і випробуваним зразком.

Слід підкреслити, що твердість індентування характеризує опір матеріалу впровадженню индентора тільки в одній точці при максимальному навантаженні. До того ж площу проекції контакту індентора з матеріалом завжди дуже складно визначити, особливо для пружних матеріалів.

Твердість по Мартенсу і твердість індентування визначається в процесі вдавлення індентора і називається невідновленна твердість на відміну від твердості по Брінеллю і Віккерсу, яку визначають після зняття навантаження по параметрам відбитка, і це відновлена твердість. При цьому відновлена твердість є більш точним методом, так як враховує і пластичну і пружну складову деформації.

Автором запропоновано на модернізованому твердомірі сферичним індентором визначати поверхневу твердість, яка розраховується також як твердість по Мартенсу, тільки не для певних значень навантаження, а для всього інтервалу.

В ISO 14577-1: 2002 надано рекомендації для порівняння значень твердості індентування і твердості, яку вимірюють пірамідальним індентором за методом Віккерса. Для цього необхідно використовувати масштабний коефіцієнт. Однак у стандарті є попередження: хоча твердість індентування і може корелювати з твердістю по Віккерсу за допомогою масштабного коефіцієнта, однак HIT не може бути використана в якості її точної заміни.

Для використання безперервного індентування, як методу масового контролю необхідно не тільки провести модернізацію твердомірів Бринелля, але і розробити методику, яка дозволить встановити кореляцію між невідновленною твердістю, яку визначають з діаграми індентування, і стандартною твердістю за Бринеллем, а також здійснювати оцінку по діаграмі необхідних експлуатаційних властивостей.

Висновки

1. Створення випробувального комплексу для експрес-контролю якості матеріалу, який буде проводити аналіз хімічного складу, оцінку його структурного стану, показників механічних властивостей є своєчасним і актуальним.
2. Для використання методу безперервного індентування необхідно провести модернізацію розривних машин або твердомірів Бринелля.
3. Необхідно розробити методику, яка дозволила б досить точно встановити відповідність між значеннями твердості, отриманими стандартними методами і при кінетичному індентуванні.
4. Для впровадження приладів з функцією безперервного індентування на підприємствах необхідно розробити методику щодо встановлення кореляційних зв'язків параметрів діаграми індентування з показниками механічних властивостей.

Література

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

З 2011 року науково-виробниче підприємство «УКРІНТЕХ» успішно працює і розвивається в області контролю якості матеріалів та промислових виробів.

Контакти

ТОВ НВП "Укрінтех":
м. Харків, пр-т. Гагаріна 20, оф. 2319

Для пошти:
а/с 2304, Харків-1, 61001, Україна

Зі стаціонарних:
+38 (057) 768-09-02

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

Компанія

Виробництво і постачання
випробувального обладнання, устаткування для металографії, приладів НК та ін.

Сервісный центр
Ремонт, сервісне обслуговування і модернізація обладнання.

Центр незалежних досліджень

Акредитована випробувальна лабораторія.