Способ определения сопротивления деформации металлических материалов

Изобретение относится к области измерений и, в частности, предназначено для исследования изменения механических характеристик металлических материалов, после пластического или термического упрочнения, методом внедрения индентора при статической нагрузке.

Известен способ определения механических характеристик металлических материалов по новому числу твердости [Дрозд М.С. Определение механических свойств металла без разрушения. М.: Металлургия, 1965. 171 с.], которое определяется по специальным таблицам в зависимости от глубины восстановленного отпечатка сферического индентора и степени нагружения.

Недостаток этого способа заключается в невысокой точности, потому что новое число твердости определяется только по изменению глубины восстановленного отпечатка без учета влияния параметров очага деформации возникающего под индентором, внутри которого материал под действием окружающих объемов находится в условиях неравномерного всестороннего сжатия. При этом, способ предполагает использование только сферического индентора, что в значительной степени ограничивает его функциональные возможности и область применения. Кроме того, с изменением глубины вдавливания сферического индентора степень деформации исследуемого материала меняется, что также вносит дополнительные погрешности в определение механических характеристик.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения интенсивности деформаций и напряжений в локальных зонах пластически деформированного материала [патент RU 2610936, МПК G01N 3/42, №2015153255, заяв. 11.12.2015, опубл. 17.02.2017, Бюл. №5], заключающийся во вдавливании сферического индентора в деформированный и недеформированный материал изделия с одинаковыми нагрузками и определением параметров их деформационного упрочнения, с учетом которых рассчитывают значения истинной предельной равномерной деформации для недеформированного и деформированного материала изделия, по разности которых определяют значение интенсивности деформаций в деформированном материале, а также рассчитывают значения истинного временного сопротивления для деформированного и недеформированного материала изделия, по разности которых определяют значение интенсивности напряжений в деформированном материале.

Данный способ имеет аналогичные недостатки, что и предыдущий. При этом параметры деформационного упрочнения определяются также без учета влияния объема материала, находящегося в пластическом состоянии под индентором, что дополнительно снижает точность способа.

В заявленном способе технический результат заключается в повышении точности определения сопротивления деформации исследуемого материала и расширении функциональных возможностей способа и его области применения путем увеличения числа факторов, которые учитываются при определении механических характеристик материалов методом внедрения индентора.

Технический результат достигается за счет того, что выполняют подготовку шлифов упрочненного и неупрочненного материалов для зон внедрения индентора, последовательное внедрение индентора в упрочненный и неупрочненный материал с одинаковой статической силой нагружения, определение размеров отпечатков на шлифах упрочненного и неупрочненного материалов, определение удельной работы пластической деформации при внедрении индентора в неупрочненный и упрочненный материал, определение степени деформации неупрочненного и упрочненного материала при внедрении индентора, отличающийся тем, что сопротивление деформации упрочненного материала определяется по формуле

где σ_Sƒ - сопротивление деформации упрочненного материала;

σ_S0 - условный предел текучести неупрочненного материала;

- степень деформации неупрочненного материала при внедрении в него индентора;

где h₀ - глубина внедрения индентора в неупрочненный материал;

Н₀ - глубина распространения пластической деформации в неупрочненном материале при внедрении в него индентора;

- степень деформации упрочненного материала при внедрении в него индентора;

где h_ƒ - глубина внедрения индентора в упрочненный материал;

Н_ƒ - глубина распространения пластической деформации в упрочненном материале при внедрении в него индентора;

- удельная работа пластической деформации при внедрении индентора в неупрочненный материал,

где A₀ и V_C0 - соответственно, работа пластической деформации и объем деформируемого металла при внедрении индентора в неупрочненный материал;

- удельная работа пластической деформации при внедрении индентора в упрочненный материал,

где A_ƒ и V_Cƒ - соответственно, работа пластической деформации и объем деформируемого материала при внедрении индентора в упрочненный материал.

Внедрение индентора в исследуемый материал сопровождается его пластической деформацией, поэтому предлагаемая формула для определения сопротивления деформации упрочненного материала была получена на основании известного положения о том, что работа пластической деформации прямо пропорционально зависит от сопротивления деформации металла и определяется следующим образом [Сторожев М.В. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. 423 с. С. 226]

где А - работа пластической деформации;

σ_S - сопротивление деформации металла;

ε - интенсивность деформаций;

V - объем деформируемого металла.

На этом основании для двух образцов изготовленных из одного материала, но с различной степенью упрочнения, после внедрения индентора можно записать соотношение

из которого и получается предлагаемая формула для определения сопротивления деформации упрочненного материала

Определение сопротивления деформации упрочненного материала по предлагаемой формуле позволяет учесть взаимное влияние геометрических параметров индентора, отпечатка, очага деформации возникающего при внедрении индентора, а также удельную работу пластической деформации при внедрении индентора, что повышает точность способа, расширяет его функциональные возможности и область применения.

Способ иллюстрируется фиг. 1-3 и табл. 1.

На фиг. 1 представлена схема очага деформации возникающего при внедрении индентора в исследуемый материал в плоскости yz и проекция отпечатка на плоскость ху с основными геометрическими параметрами.

На фиг. 2 представлена схема нагружения цилиндрического образца при осадке.

На фиг. 3 представлены кривые упрочнения стали 20.

В табл. 1 представлены результаты экспериментальных исследований по определению сопротивления деформации упрочненного материала по предлагаемой формуле.

Сущность предлагаемого способа поясняется на примере определения сопротивления деформации материала лабораторных образцов, после упрочнения полученного осадкой с требуемой степенью деформации. В качестве индентора использовалась четырехгранная пирамида Виккерса (фиг. 1).

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1 - индентор (четырехгранная пирамида Виккерса);

2 - исследуемый материал образца;

3 - линий главных сдвигающих напряжений;

4 - конус скольжения;

5 - отпечаток;

n-n - нормаль к граням четырехгранной пирамиды;

- статическая сила индентирования.

В процессе внедрения индентора формируется локальный очаг пластической деформации, в котором исследуемый материал образца находится в условиях всестороннего неравномерного сжатия, получая при этом значительную степень деформации. В этих условиях работа, совершаемая индентором, расходуется на выполнение работы пластического формоизменения материала находящегося внутри очага деформации. Данное обстоятельство и объясняет необходимость определения сопротивления деформации исследуемого материала с учетом взаимного влияния параметров индентора, отпечатка и очага деформации.

Контуры геометрического очага деформации возникающего при внедрении индентора в исследуемый материал определяются с использованием приближенной модели распространения пластической деформации [Губкин С.И. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1947. 532 с. с. 62-66] в соответствии с которой выполняется построение конуса скольжения. Конус скольжения, образуется линиями главных сдвигающих напряжений, которые проводят под углом 45° к нормалям n-n из точек А и В периметра (фиг. 1), ограничивающего поверхность контакта индентора и исследуемого материала. В данном случае фигура ACBG является сечением конуса скольжения в плоскости yz. Внутри конуса скольжения исследуемый материал находится в условиях неравномерного всестороннего сжатия.

Основными характеристиками очага деформации и отпечатка являются следующие геометрические параметры (фиг. 1):

h - глубина внедрения индентора;

Н - глубина распространения пластической деформации в материале при внедрении в него индентора (равна высоте конуса скольжения);

α=136° - угол между противоположными гранями на вершине четырехгранной пирамиды;

d_P - среднеарифметическое значение длин диагоналей отпечатка четырехгранной пирамиды;

а - размер стороны отпечатка;

β=45° - угол наклона линий главных сдвигающих напряжений;

- угол при основании четырехгранной пирамиды.

Статическая сила индентирования направлена по нормали к поверхности исследуемого материала.

В качестве исходной заготовки для изготовления лабораторных образцов использовалась калиброванная холоднотянутая сталь круглого сечения (по ГОСТ 7417-75) диаметром d₀=8 мм. Из заготовки изготовлялись лабораторные образцы высотой h₀=12 мм. Материал образцов - сталь 20 соответствующая ГОСТ 1050 - 88. Перед испытаниями исходные лабораторные образцы подвергались отжигу при температуре 920°С в течение 20 минут и дальнейшим охлаждением с печью. Условный предел текучести неупрочненных лабораторных образцов равен σ_S0=280 МПа.

Упрочнение материала подготовленных лабораторных образцов выполнялось методом осадки до достижения требуемой степени деформации (фиг. 2). Осадка образцов выполнялась на универсальной испытательной машине УМ - 5. Использовалось по три образца для каждой ступени нагружения. С целью уменьшения трения на торцовые поверхности образцов наносилась пластичная смазка.

Затем неупрочненные и упрочненные лабораторные образцы разрезались пополам вдоль оси и, в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007, выполнялась подготовка поверхности среза для внедрения индентора (подготовка шлифов). В данном случае процесс внедрения индентора (четырехгранной пирамиды) фактически являлся измерением твердости по Виккерсу. Измерение твердости и размера диагонали отпечатка d_P выполнялось на твердомере Виккерса ТВМ 1000 (по ГОСТ 23677-79) при испытательной нагрузке F=49,03 H в точках 1-6 обозначенных на сечении лабораторного образца (фиг. 2).

На фиг. 2 приняты следующие обозначения:

d₀ - наружный диаметр неупрочненного образца;

h₀ и h_ƒ - соответственно, высота неупрочненного и упрочненного образцов;

Δh - абсолютная деформация образца в процессе осадки;

- сила сжатия образца

В этом случае, исходными данными для определения сопротивления деформации упрочненного материала, в соответствующей точке сечения, являются условный предел текучести материала неупрочненного образца σ_S0, сила индентирования , устанавливаемая перед измерением твердости по Виккерсу, и размер диагонали отпечатка d_P определяемый по таблицам (по ГОСТ Р ИСО 6507 - 4 - 2009) или в процессе измерения по показаниям твердомера Виккерса ТВМ 1000.

Определение сопротивления деформации упрочненного материала, в соответствующей точке сечения, выполняется в следующей последовательности.

1. Приготовление шлифов упрочненного и неупрочненного материалов для зон внедрения индентора.

2. Последовательное внедрение индентора в упрочненный и неупрочненный материал образцов с одинаковой статической силой индентирования.

3. Определение размеров отпечатков на шлифах упрочненного и неупрочненного материалов,

4. Определение удельной работы пластической деформации при внедрении индентора в неупрочненный материал

5. Определение удельной работы пластической деформации при внедрении индентора в упрочненный материал

6. Определение степени деформации неупрочненного материала при внедрении индентора

7. Определение степени деформации упрочненного материала при внедрении индентора

Таким образом, при использовании в качестве индентора четырехгранной пирамиды наблюдается геометрическое подобие очагов деформации при равенстве степеней деформации материала. В конечном итоге, данная особенность четырехгранной пирамиды способствует уменьшению погрешности определения сопротивления деформации материала.

8. Определяется сопротивление деформации упрочненного материала

Таким образом, при использовании в качестве индентора четырехгранной пирамиды Виккерса сопротивление деформации упрочненного материала получается прямо пропорционально квадрату отношения диагонали отпечатка на неупрочненном материале к диагонали отпечатка на упрочненном.

Результаты замеров твердости, диагоналей отпечатков и соответствующие им значения сопротивления деформации упрочненного материала, определяемые по предлагаемой формуле, представлены в таблице 1.

В правой графе таблицы 1, для каждой ступени нагружения, представлены средние арифметические значения сопротивления деформации материала упрочненных образцов по шести точкам сечения, определяемые по формуле

где σ_Si - сопротивления деформации материала в i-й точке сечения упрочненного образца определяемое по предлагаемой формуле;

n=6 - количество точек сечения упрочненного образца, в которых измерялась твердость по Виккерсу.

С целью подтверждения правильности полученных теоретических зависимостей для определения сопротивления деформации упрочненных материалов, по результатам проведенных испытаний на осадку построена кривая упрочнения стали 20 в координатах σ_S-ε (фиг. 3), которая была аппроксимирована степенной зависимостью (график 2)

где σ_S0=280 МПа - условный предел текучести исходного образца;

- степень деформации образца при осадке;

g=282 МПа - эмпирический коэффициент зависящий от свойств и напряженного состояния материала;

b=0,25 - показатель степени.

Для сравнительной оценки на фиг. 3 показана кривая упрочнения стали 20 (график 1) построенная по эмпирической зависимости полученной по результатам испытания цилиндрических образцов на растяжение [Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов: учеб. пособие для вузов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2002. 329 с.]

σ_S=σ_S0+418,3×(3^1/2×ε)^0,3

Следует отметить, что данная эмпирическая зависимость получена в результате испытаний по схеме напряженного состояния с преобладающими напряжениями растяжения.

Анализ графических зависимостей 1 и 2 представленных на фиг. 3 показывает значительное снижение интенсивности упрочнения стали, если формоизменение протекает по схеме напряженного состояния с преобладанием сжимающих напряжений. Данный вывод подтверждается результатами исследований представленных в работе [Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов: учеб. пособие для вузов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2002. 329 с.] в соответствии с которыми деформации протекающие по схемам напряженного состояния с большим преобладанием сжимающих напряжений способствуют меньшей повреждаемости металла и, соответственно, меньшей упрочняемости.

Таким образом, кривая упрочнения 2 (фиг. 3) с точностью достаточной для инженерных расчетов описывает процесс упрочнения Стали 20 при осадке, что подтверждает достоверность предлагаемой формулы для определения сопротивления деформации упрочненного материала методом внедрения индентора.