Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПО ПАРАМЕТРАМ ЛУНКИ ОТСКОКА В СЛЕДЕ ИНДЕНТОРА ПРИ МАЯТНИКОВОМ СКРАЙБИРОВАНИИ

Изобретение относится к способам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Изобретение не является методом определения численного значения модуля упругости, но является инструментом для ранжирования (выстраивания в ряд) нескольких сравниваемых материалов по совокупности упругих свойств, в частности по способности сопротивляться деформированию и разрушению при индентировании методом маятникового скрайбирования.

При разработке новых материалов стоит необходимость определения их физико-механических свойств, в том числе упругих свойств материала. Для этого тем или другим методом обычно определяют численное значение модуля упругости (модуля Юнга), и по величине этого модуля судят о тех или иных эксплуатационных свойствах материала. При определении модуля механическим методом (как в классическом случае) для этого используют аксиому: чем больше модуль Юнга, тем меньше удлинение стержня при прочих равных условиях нагружения и, соответственно, тем выше физико-механические свойства (например, твердость, предел прочности) материала. Однако существует ряд ограничений: например, коэффициент пропорциональности (модуль Юнга) применим только для линейного участка деформации, образцы должны иметь соответствующую форму и размеры, скорость нагружения ограничена и т.д.

Для специфичных материалов возникает необходимость применения немеханического метода определения модуля упругости. Так, в изобретении [патент РФ №2205358, МПК G01N 24/10. Способ определения модуля упругости углеродных жгутов] для этого используют явление электронного парамагнитного резонанса материала. В изобретении [ГОСТ 25095-82 (ИСО 3312-75) Сплавы твердые спеченные. Метод определения модуля упругости (модуля Юнга)] для этого используют измерение скорости звука при прохождении его через образец. Недостатками этих изобретений является их сложность и высокая трудоемкость.

С позиций заявляемого изобретения эти указанные изобретения являются аналогами лишь потому, что в них определяется модуль упругости материала посредством установления зависимости между искомым физико-механическим свойством (упругими свойствами) и косвенным промежуточным параметром используемого физического эффекта, измеряемым непосредственно. В первом (патент РФ №2205358) изобретении измеряют спектр электронного парамагнитного резонанса, во втором (ГОСТ 25095-82) - собственные резонансные частоты колебаний при возбуждении в материале продольных ультразвуковых колебаний. Но эти изобретения не могут быть приняты в качестве прототипа потому, что в них используются физические эффекты, напрямую не связанные с механическим видом нагружения материала.

Под механическими видами нагружения здесь понимается создание условий деформирования материала в результате динамического характера приложения силы. Например, внедрение индентора при его падении, как это имеет место в изобретении [патент РФ №2272274, МПК G01N 3/32. Способ определения модуля упругости материала. Опубликовано 22.11.2004], в котором используют нагружение свободно падающим индентором. Но это изобретение сложно, в ходе его реализации требуется выявить и использовать несколько физических моделей. Это обеспечивает точность определения модуля упругости, но сложность использования высока чрезвычайно.

Исходя из этих условий близким к заявляемому изобретению по виду индентирования может быть принято изобретение [а.с. СССР №1497491, МПК G01N 3/30.1989 г.], в котором также используют нагружение свободно падающим индентором, измеряют время между первым и вторым соударениями индентора с образцом исследуемого материала, измеряют также диаметр отпечатка индентора и на основе полученных результатов измерений определяют модуль упругости по установленной зависимости. Но он тоже сложен и результаты его применения носят относительный характер в той части, что при оценке материалов с близким модулем упругости (например, материалы инструментального назначения) отличить материалы затруднительно в силу того, что и время между соударениями и диаметр отпечатка больше являются результатом оценки пластических свойств, чем упругих. Этот способ имеет также низкую корректность в случае применения термобработки, когда модуль упругости остается практически неизменным, а пластичность (например, у инструментальных сталей) и твердость изменяются существенно.

Каждый из указанных методов решает локальную задачу: позволяет определить модуль упругости материалов для того, чтобы судить по модулю об эксплуатационных свойствах материалов или изделий, выполненных из этих материалов и эксплуатирующихся в условиях действия законов Гука. При этом не учитывают, что при эксплуатации имеет место не только растяжение (или сжатие), но и сдвиг, кручение, для которых методы определения модуля упругости иные. Пренебрегается различиями в вязкости, пластичности, жесткости материалов и в температуре проведения испытаний.

В производственных и исследовательских условиях часто не так важно знать величину модуля упругости (тем более, что в справочных данных редко указывается метод получения значения модуля). Важно знать, как соотносятся между собой разные материалы по своим упругим свойствам, какой материал предпочтителен перед остальными. В этом случае не нужно знать саму величину модуля упругости, чтобы по разнице в этих величинах выстроить материалы в рандометрический ряд, например по убыванию величины модуля упругости. Важнее видеть, какое место в ряду занимает тот или иной материал по своим упругим свойствам, оцененным в одинаковых (эквивалентных) условиях. И было бы хорошо, если бы это место определялось по какому-то параметру, измеренному в результате взаимодействия индентора с образцом. Например, по параметрам следа, получаемого на образце при индентировании. И было бы лучше, если бы метод индентирования воспроизводил такие условия нагружения, которые наиболее близки к условиям эксплуатации материала. Например, для материалов инструментального назначения наиболее целесообразно скрайбирование (царапание), а именно маятниковое скрайбирование, при котором в материале воспроизводятся условия деформации сжатием, сдвигом и растяжением.

Возможность исследовать протяженные участки материалов методом скрайбирования обеспечена в изобретении [патент РФ №2124715, МПК G01N 19/04. Способ оценки свойств инструментальных материалов. Опубл. 10.01.1999, Бюл.№1], где осуществляли нагружение (скрайбирование) образца индентором при их взаимном перемещении с образованием сетки следов перемещений. Оценку свойств (сопротивляемость деформированию и разрушению) материала производили по результатам измерений повреждения образца в зоне следа скрайбирования. При сравнении нескольких материалов о свойствах судили по результатам измерений площади разрушения поверхности образца в ячейках сетки следов из условия: чем меньше площадь разрушения, тем выше сопротивляемость деформированию и разрушению. Для этого приходилось делать несколько нагружений и поворот образца для образования сетки следов. Это трудоемко, сложно в настройке, требует наличия соответствующих площадок на образце.

Наиболее близким к заявляемому объекту, по мнению заявителя, может быть принято решение, в котором реализован такой вид индентирования, который реализует наиболее сложные условия нагружения, в том числе, сжатие, растяжение, сдвиг и кручение, как часто это имеет место при эксплуатации, например, при механической обработке резанием. Такой вид индентирования получил название «маятниковое скрайбирование». В нем индентор перемещается по дуге качания жесткого маятника, свободно отпущенного с некоторой высоты. Один из примеров использования маятникового скрайбирования для сравнительной оценки трещиностойкости (вязкости разрушения) инструментальных материалов дан в изобретении [патент РФ №2138038. МПК G01N 19/04.Способ контроля физико-механических свойств изделий. Опубл. 10.01.1999, Бюл. №1], где контроль осуществляют с использованием метода акустической эмиссии, а сравнение (ранжирование) материалов осуществляют по величине параметра сигналов акустической эмиссии, а именно по спектру частот. Но способ тоже сложен для реализации и требует лабораторных условий с соответствующим программным обеспечением для обработки и анализа параметров сигналов акустической эмиссии.

Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании, а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемого при контроле параметра.

Указанный технический результат достигается за счет того, что:

а) используется эффект пружинения поверхностного слоя испытываемого материала для воссоздания условий формирования лунки отскока в следе индентирования;

б) установлена взаимосвязь упругих свойств материала с параметрами лунки отскока в следе индентирования;

в) установлена протовоположенность тенденции изменения величин модуля упругости разных материалов с тенденцией изменения параметров лунки оскока;

г) установлено совпадение тенденции изменения величин модуля упругости разных материалов с тенденцией изменения эксплуатационных свойств материалов;

г) указанные тенденции использованы для:

- ранжирования материалов по их физико-механическим (упругим) свойствам,

- ранжирования материалов путем прогнозирования их эксплуатационных свойств.

Таким образом, заявляемый объект, как и прототип, включает в себя:

- однократное нагружение материала индентированием;

- индентирование методом маятникового скрайбирования;

- измерение результатов скрайбирования по параметрам деформации и разрушения поверхностных слоев материала;

- установление взаимосвязи измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов;

- прогнозирование эксплуатационных свойств сравниваемых материалов по измеренным результатам скрайбирования.

Однако заявляемое изобретение отличается тем, что:

- используется такой режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку;

- в следе, оставляемом индентором, измеряют параметры лунки и по ним судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов.

На фиг.1 представлена общая схема маятникового скрайбирования, на фиг.2 показаны контуры следа взаимодействия индентора с образцом при виде сверху, на фиг.3 показан кадр съемки следа взаимодействия при слиянии лунки отскока с основной частью следа (справа на фото - лунка в виде части окружности, влево от лунки по мере движения индентора - основная часть следа). На фиг.4 представлены основные конфигурации лунки отскока: а - в форме, близкой к окружности (при пластичном материале образца и маленьком радиусе маятника с индентором, например, в виде шарика); б - в форме, близкой к овалу (сочетание упругих и пластических свойств материала); в - в сложной форме (при малопластичном материале). На фиг.5 представлены приемы идентификации и измерения параметров лунки: а - путем измерения линейных размеров; б - измерения площади; в - измерения диаметра вписанной окружности. На фиг.6 показан пример твердосплавного образца с двумя следами скрайбирования с малой глубиной внедрения индентора, расположенный в нижней части кадра след был получен при начально настроенной глубине внедрения 0,1 мм, верхний - при 0,15 мм.

Способ реализуют следующим образом. Индентор 1 выставляют (по его радиусу R и глубине h заглубления в материал образца с учетом массы маятника, формы рабочей части индентора, физико-механических свойств материала образца и высоты Н начального положения индентора (маятника)) относительно плоскости 2 образца так, чтобы след взаимодействия индентора с образцом при направлении В движения индентора по дуге его (маятника) качания состоял из лунки 3 отскока и основной части 4 следа. При этом лунка 3 может отстоять от основной части 4 следа на некотором расстоянии, как это показано на фиг.2а, или лунка может быть слитой с основной частью, но легко идентифицируемой, как это показано на фиг 2б или снято на микроскопе и представлено на фиг.3. След взаимодействия индентора 1 с образцом наблюдают при виде сверху через микроскоп, имеющий возможность измерять параметры следа. Если это простой оптический микроскоп, то этими параметрами при простой конфигурации, как показано на фиг.4а, лунки 3 являются ее линейные размеры, например, длина l₁ и ширина l₂. При более сложной конфигурации лунки, фиг.4б, тоже возможны подобные линейные измерения, но современные цифровые оптические микроскопы позволяют в качестве дополнительного или единственного параметра вычислить площадь S лунки. При более сложной конфигурации лунки или с целью упрощения измерений в качестве измеряемого параметра может быть определен диаметр d окружности, вписанной в конфигурацию лунки. По измеренным (или вычисленной площади S) параметрам лунки судят о физико-механических свойствах материала образца исходя из следующего условия: чем меньше параметры лунки при прочих равных условиях, тем выше физико-механические свойства. Это условие для большинства конструкционных сталей и сплавов, в том числе для инструментальных материалов (быстрорежущие стали и твердые инструментальные сплавы), предполагает за собой следующее:

- параметры лунки меньше тогда, когда на образце меньше повреждения, следовательно, пластическая деформация минимальна и твердость высока;

- из двух сравниваемых материалов физико-механические свойства выше у того, у которого при равных условиях нагружения меньше повреждений, т.е. меньше размер лунки;

- лунка отсуствует (ее параметры равны нулю) тогда, когда отскока индентора нет и след индентирования состоит только из основной части 4 следа, а это возможно только тогда, когда (не учитывая особо пластичные материалы) материал образца тверд (и хрупок);

- следовательно, при меньших параметрах лунки следует ожидать и более высокие эксплуатационные свойства материала.

В качестве резюме сказанного можно заключить следующее:

- если подбором режимов реализации маятникового скрайбирования удается создать след скрайбирования с лункой отскока, то это материал с более высоким значениям модуля упругости (модуля Юнга), тем, следовательно, меньше величина его разрушения (удлинения стержня при классическом методе растяжения стержня);

- параметры лунки отскока можно использовать для оценки физико-механических свойств материалов;

- по параметрам лунок отскока сравниваемые материалы можно выстроить в рандометрический ряд для выявления предпочтительного материала, например выстроить в ряд по возрастанию площади S лунки, тогда материал с большей площадью лунки можно идентифицировать как материал, лучше сопротивляющийся разрушению при внедрении индентора;

- по последовательности расположения материалов в таком рандометрическом ряду можно прогнозировать работоспособность изделий, выполенных из таких материалов, например период стойкости металлорежущего инструмента, условия эксплуатации которого близки с условиями, имитируемыми при маятниковом скрайбировании.

Примеры, подтверждающие указанное резюме, приведены ниже. В дополнение к сказанному выше сообщаем, что реализовать режимы маятникового скрайбирования, при которых происходит формирование лунки отскока, несложно. Ясно, что режимы должны обеспечить возможность пружинения испытываемого материала. Для этого и образец, и устройство для реализации маятникового скрабирования должны быть достаточно жесткими. Нам это легко удавалось для материалов инструментальной группы: при радиусе R маятника 120 мм, его массе 200 грамм, начальной высоте Н индентора 80 мм и более (с учетом варианта индентора типовой формы) лунка образовывалась при задании глубины внедрения от 0,2 мм и более для твердого сплава и от 0,5 мм и более для быстрорежущих сталей (с учетом шероховатости поверхности образца вершины выступов после шлифования поверхности образца хорошо видны на фиг.3 в виде вертикальных чередующихся полос). Впрочем, лунка образуется и при меньших глубинах внедрения, фиг.6, но в этих случаях вычленить контуры лунки затруднительно.

Пример 1 реализации способа.

Брали образцы, выполненные из конструкционных сталей, а именно из стали 3, из стали 45 и из стали 30ХГСА. Для этих материалов из справочных данных брали сведения по величинам интересующих нас физико-механических свойств (в ряде справочников они названы характеристиками) материалов и эксплуатационных свойствах этих материалов или изделий, выполненных их этих материалов. Подбирали для материалов единые условия маятникового скрайбирования. Так режим скрайбирования с образованием лунки в следе взаимодействия (индентирования) для всех этих сталей обеспечивался при (с указанными выше параметрами установки) настройке установки на получение глубины Н внедрения индентора от 0,08 мм до 1,5 мм. Осуществляли скрайбирование образцов. Для исключения случайных результатов (или усреднения результатов) осуществляли по несколько нагружений каждого образца, располагая следы индентирования аналогично. Образцы помещали на микроскоп, параметры лунки следа (следов) измеряли. Образцы располагали в ряд по величине измеренных параметров. Результаты сводили в таблицу. Нас интересовала не столько сама величина параметра лунки следа, сколько интересовала связь параметров с физико-механическими свойствами материалов, т.е. выявляли тенденцию изменения параметров лунки и тенденцию изменения физико-механических свойств материалов. В результате такая взаимосвязь легко прослеживалась. Она показана в таблице 1. Анализ данных, приведенных в таблице 1, позволяет сделать следующие выводы:

1. Взаимосвязь свойств материалов и параметров лунки качественно характеризуется следующей установленной тенденцией: увеличение параметров лунки свидетельствует о снижении уровня физико-механических свойств материалов (самые большие размеры лунки зафиксированы у стали 3, имеющей самый низкий модуль упругости (модуль Юнга) и самую низкую твердость и, наоборот, самые маленькие размеры лунки обнаружены у стали 30ХГСА, имеющей самый высокий модуль упругости и самую высокую твердость).

2. Установленная взаимосвязь свойств материалов и параметров лунки позволяет ранжировать (выстроить в рандометрический ряд) материалы по установленной тенденции: чем меньше размеры лунки, тем выше (лучше) физико-механические свойства материалов.

3. Эта установленная связь и ранжирование материалов справедливы при использовании любого из указанных параметров лунки, а именно хоть при использовании только длины лунки, только ширины лунки, только площади лунки, только диаметра окружности, вписанной в конфигурацию лунки.

4. Установленная связь и ранжирование материалов справедливы при использовании сразу нескольких параметров лунки в любом из сочетаний. Это удобно в том случае, когда сравнение по одному из параметров дает совпадающий или очень близкий результат для отдельных материалов.

5. Установленная взаимосвязь может быть использована для прогнозирования эксплуатационных свойств материала. Например, по увеличению параметров лунки можно прогнозировать снижение предела прочности у сравниваемых материалов.

6. Установленная взаимосвязь может быть использована для прогнозирования эксплуатационных свойств изделий, выполненных их сравниваемых материалов (если изделия эксплуатируются в условиях, которые имитируются при маятниковом скрайбировании). Например, по увеличению параметров лунки можно прогнозировать снижение износостойкости (или периода стойкости) изделия.

Приведенные в этом примере данные позволяют заключить:

а) установленная взаимосвязь параметров лунки с физико-механическими свойствами материала является новой и является существенным признаком разработанного изобретения;

б) установленная взаимосвязь параметров лунки с эксплуатационными свойствами материала или изделия является новой и является существенным признаком разработанного изобретения;

в) использование того или иного параметра лунки является частным решением общего решения и может быть использовано в зависимых пунктах формулы изобретения;

г) заявленный технический результат достигнут, а именно предложенное изобретение без проведения длительных и сложных испытаний тех или иных физико-механических свойств (например, измерения модуля упругости методом деформации стержня растяжением или измерения твердости методом Роквелла или Викерса) позволяет простым измерением того или иного параметра лунки следа маятникового скрайбирования быстро выявить материал, наиболее эффективный из сравниваемых, путем расстановки материалов в рандометрический ряд, в том числе и в ряд по прогнозирумому результату эксплуатационных свойств.

Вместе с этим следует отметить, что в примере 1 рассмотрены в принципе стали разных групп назначения и, соответственно, имеющие существенно разные величины сравниваемых физико-механических и эксплуатационных свойств. Необходимо проверить правомерность полученных выводов для материалов одной группы применения (смотри следующий пример).

2 пример реализации способа.

Выбраны материалы инструментальной группы, т.е. те, из которых изготавливаются металлорежущие инструменты.

Именно эта группа материалов выбрана потому, что метод маятникового скрайбирования (с использованием акустической эмиссии как в указанном выше патенте РФ №2138038) разработчиками ориентирован в первую очередь на оценку свойств инструментальных материалов, в частности новых разрабатываемых материалов. Это связано с тем, что маятниковое скрайбирование из всех материаловедческих методов оценки свойств материалов путем индентирования наиболее близко моделирует реальные условия эксплуатации металлорежущего инструмента. Для сравнения брали следующие инструментальные материалы:

а) из твердосплавных материалов брали отечественные сплавы марок ВК8, Т15К6, Т30К4, Т10К8Б и импортный (фирма Mishubisi) сплав марки TF15 (со специальным покрытием на мелкозернистой основе);

б) из быстрорежущих отечественных сталей марок Р18, Р9, Р6М5.

Из справочных данных (а для сплава TF15 - из каталогов, проспектов или экспериментальным путем) брали необходимые сведения о физико-механических свойствах материалов. В качестве эксплуатационных свойств принимали период стойкости инструмента до достижения критической величины (износ по задней грани, равный 0,8 мм) износа инструмента при условиях эксплуатации, провоцирующих превалирование хрупкого (выкрашивания, как и моделируется при маятниковом скрайбировании) разрушения материала, а именно торцевое фрезерование (элементы режима резания не указаны в связи с тем, что они не влияют на расположение материала в рандометрическом ряду, в силу этого использованы общемашиностроительные рекомендации по выбору режима резания не особо сложнообрабатываемой стали марки 40Х конкретно рассматриваемым инструментальным материалом). Результаты приведены в таблице 2.

Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. Взаимосвязь свойств инструментальных материалов и параметров лунки установлена. Она качественно характеризуется так же, как это следовало из таблицы 1 для обычных конструкционых материалов, а именно характеризуется установленной общей для инструментальных материалов тенденцией: увеличение параметров лунки свидетельствует о снижении уровня физико-механических свойств материалов (самые большие размеры лунки зафиксированы у стали Р6М5, имеющей самый низкий модуль упругости (модуль Юнга) и самую низкую твердость и, наоборот, самые маленькие размеры лунки обнаружены у сплава TF15, имеющего самый высокий модуль упругости и самую высокую твердость).

Эта же взаимосвязь и ее тенденции оказались справедливы и применительно к типам материалов внутри группы инструментальных материалов, а именно:

- из быстрорежущих сталей Р6М5, Р9, Р18 самые большие размеры лунки зафиксированы у стали Р6М5, имеющей самый низкий модуль упругости (модуль Юнга) и самую низкую твердость и, наоборот, самые маленькие размеры лунки обнаружены у стали Р18, имеющей более высокий модуль упругости и более высокую твердость;

- из твердых сплавов разных типов ВК и ТК самые большие размеры лунки зафиксированы у сплава типа ВК, имеющего низкий модуль упругости и низкую твердость и, наоборот, самые маленькие размеры лунки обнаружены у сплавов типа ТК, имеющего более высокий модуль упругости и более высокую твердость;

- из твердых сплавов Т16К6 и Т30К4 одного типа ТК самые большие размеры лунки зафиксированы у сплава марки Т30К4, имеющего низкий модуль упругости и низкую твердость и, наоборот, самые маленькие размеры лунки обнаружены у сплава марки Т15К6, имеющего более высокий модуль упругости и более высокую твердость;

2. Установленная взаимосвязь свойств инструментальных материалов и параметров лунки позволяет ранжировать (выстроить в рандометрический ряд) материалы по установленной тенденции: чем меньше размеры лунки, тем выше физико-механические свойства материалов.

3. Эта установленная связь и ранжирование материалов справедливы при использовании любого из указанных параметров лунки, а именно хоть при использовании только длины лунки, только ширины лунки, только площади лунки, только диаметра окружности, вписанной в конфигурацию лунки.

4. Установленная связь и ранжирование материалов справедливы при использовании сразу нескольких параметров лунки в любом из сочетаний. Это удобно в том случае, когда сравнение по одному из параметров дает совпадающий или очень близкий результат для отдельных материалов.

5. Установленная взаимосвязь может быть использована для прогнозирования эксплуатационных свойств изделий. Например, по увеличению параметров лунки можно прогнозировать снижение работоспособности режущего инструмента, например, периода стойкости инструмента.

Приведенные в этом примере данные позволяют заключить:

а) установленная взаимосвязь параметров лунки с физико-механическими свойствами инструментальных материалов подтверждает правомерность взаимосвязи, установленной выше для конструкциооных материалов при анализе результатов таблицы 1 и является новой, в частности подтверждает существенность признаков разработанного изобретения;

б) заявленный технический результат достигнут и для инструментальных материалов, а именно предложенное изобретение без проведения длительных и сложных испытаний тех или иных физико-механических свойств позволяет простым измерением того или иного параметра лунки следа маятникового скрайбирования быстро выявить наиболее эффективный из сравниваемых инструментальный материал путем их расстановки в рандометрический ряд, в том числе и в ряд по прогнозирумому периоду стойкости.