Експрес-метод контролю механічних властивостей матеріалів по діаграмі безперервного индентирования

Демченко С. В., директор компанії УКРИНТЕХ Анотація. Визначення механічних властивостей запропоновано проводити по діаграмі, отриманої при безперервному индентировании, на модернізованому твердомере Брінелля, розривній машині або портативному твердомере.   Введення 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 вдавлюванні індентора для тих матеріалів, для яких існують емпіричні залежності між цими властивостями і твердістю. Матеріал при вдавлюванні індентора (при вимірюванні твердості) веде себе аналогічно розтягування, 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, що потребують періодичної атестації властивостей, які можуть змінюватися під впливом зовнішніх факторів, представляє особливий інтерес об'єднання в одному випробувальному комплексі: експрес-аналізу хімічного складу (рис. 1), оцінки структурного стану (рис. 2) і механічних властивостей матеріалу (рис. 3). Цей комплекс має включати портативний аналізатор хімічного складу, обладнання пробопідготовки з метою оцінки структурного стану та прилади для визначення механічних властивостей – розривну машину, твердоміри. Рис. 1. Переносний стилоскоп для проведення хімічного аналізу легованих сталей і кольорових сплавів ​ Рис. 2. Підготовка поверхні для визначення структурного стану матеріалу а б
Рис. 3. Прилади для механічних випробувань: а – сервопривідна випробувальна машина UIT STM, б – твердомір Брінелля UIT HBW-1 Аналіз стану питання Компанія «Укринтех» направила свій виробничий і науковий потенціал на вдосконалення експрес-методів контролю механічних властивостей матеріалів, заснованих на аналізі діаграми безперервного индентирования. Такий підхід дозволяє оцінювати якість матеріалів, визначаючи по кривій индентирования характеристики статичної і циклічної міцності, пластичності, твердості, між якими існує кореляційний зв'язок. Для вирішення цієї проблеми ведеться розробка сучасного обладнання, що працює в режимі безперервного инденирования з побудовою діаграми: випробувальних (розривних машин з функцією «гиппертвердомер», стаціонарних твердоміри, стаціонарних твердоміри для великогабаритних деталей, портативних твердоміри для малих навантажень і т. д. Розробка такого багатофункціонального випробувального обладнання дозволить: Розширити діапазон оцінюваних характеристик механічних властивостей
Проводити випробування великогабаритних деталей, виробів з високоміцних матеріалів, зразки яких важко виготовити різанням.
Поставлено завдання використовувати обладнання при аварійних ситуаціях, при стовідсотковий контролі якості металу виробів, безпосередньо на об'єктах тепло - та атомних електростанціях), так як метод піддається дистанційного управління [1]. При цьому дуже важливо, щоб випробування на розтяг проводилися в тих же умовах, що і випробування безперервним индентированием. Випробувальний комплекс для експрес-контролю якості матеріалу може включати крім аналізатора хімскладу і обладнання для пробопідготовки лише один з приладів, оснащений функцією безперервного инденирования. 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 займається компанія «Укринтех». Досягненням безперервного индентирования є облік як пружними, 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 индентирование, на основі якого визначають показники твердості та інші характеристики: модуль пружності EIT, повзучість при индентировании CIT, релаксацію при інструментальному индентировании RIT, пластичну і пружну складові роботи при индентировании. У зв'язку з цим компанія «Укринтех» проводить модернізацію стандартного твердоміра Брінелля для можливого його використання в двох режимах – стандартного твердоміра і безперервного индентирования. Мета та постановка задачі Мета роботи: модернізація твердоміра Брінелля для кінетичного индентирования з метою визначення механічних властивостей матеріалів по діаграмі индентирования. Матеріали та методики досліджень Існуючі прилади для безперервного индентирования застосовується для оцінки властивостей у мікро - та нанообъемах. Для вимірювання кінетичної твердості в макродиапазоне існують тільки окремі досвідчені зразки приладів. Досі не приділялося належної уваги кінетичного индентированию на макрорівні. Нами запропоновано використовувати для безперервного индентирования модернізований стандартний прилад – прес Брінелля і оснастити його пристосуванням, що дозволяє фіксувати глибину впровадження індентора (рис. 4). Рис. 4. Досвідчений зразок твердоміра Брінелля, призначений для вимірювання твердості безперервним индентированием Схема випробувального циклу индентирования на модернізованому пресі Брінелля обрана згідно ISO 14577-1:2002 (рис. 5). ​ Рис. 5. Випробувальний цикл индентирования на пресі Брінелля: 1 - додаток випробувальної навантаження; 2 - максимальне навантаження ; 3 - зняття навантаження; 4 - навантаження дорівнює нулю При проведенні випробувань записується діаграма индентирования в координатах навантаження – переміщення індентора, за параметрами якої можна розрахувати властивості (твердість, показники міцності, пластичності). У зв'язку з Євроінтеграційними процесами в Україні розрахунки всіх характеристик по кривій индентирования (рис. 6) на модернізованому твердомере повинні проводитися згідно стандарту ISO. В ISO 14577-1:2002 обумовлено визначення твердості по Мартенсу і твердості индентирования пірамідальними инденторами. На сферичні инденторы стандарт не поширюється. Твердість по Мартенсу являє собою відношення сили вдавлювання до площі бічної поверхні впровадженої в матеріал частини індентора. Для піраміди Віккерса твердість по Мартенсу буде дорівнює де F – навантаження на індентор; 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 частині діаграми индентирования, рівних 1 H; 2,5 H; 5 H; 10 H або кратних 10. Твердість по Мартенсу враховує пружну і пластичну складові деформації при индентировании. ​ Рис. 6. Схема индентирования: 1 – ділянка навантаження індентора, 2 – ділянка розвантаження, 3 – дотична до кривої 2 при Fmax Згідно ISO 14577-1:2002 твердість индентирования HIT являє собою відношення максимальної навантаження до площі проекції контакту індентора з досліджуваним матеріалом ​ де Fmax - максимальна навантаження, Ар - площа поперечного перерізу контактної поверхні між індентором і випробуваним зразком. Слід підкреслити, що твердість индентирования характеризує опір матеріалу впровадження індентора тільки в одній точці при максимальному навантаженні. До того ж площа проекції контакту індентора з матеріалом завжди дуже складно визначити, особливо для пружних матеріалів. Твердість по Мартенсу і твердість индентирования визначається в процесі вдавлювання індентора і називається невосстановленной твердістю на відміну від твердості за Брінеллем і Віккерсу, яку визначають після зняття навантаження з параметрами 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 твердомере сферичним індентором визначати поверхневу твердість, яка розраховується також як твердість по Мартенсу, тільки не для певних значень навантаження, а для всього інтервалу навантаження. В ISO 14577-1:2002 дано рекомендації для порівняння значень твердості индентирования і твердості, яку вимірюють пірамідальним індентором за методом Віккерса. Для цього необхідно використовувати масштабний коефіцієнт. Однак у стандарті є попередження: хоча твердість инденирования і може корелювати з твердість по Віккерсу за допомогою масштабного коефіцієнта, однак HIT не може бути використана в якості її точної заміни. Для використання безперервного индентирования в якості методу масового контролю необхідно не тільки провести модернізацію твердоміри Брінелля, але і розробити методику, яка дозволить встановити кореляцію між невосстановленной твердістю, яку визначають з діаграми индентировании, і стандартної твердість за Брінеллем, а також проводити оцінку по діаграмі необхідних експлуатаційних властивостей. Висновки 1. Створення випробувального комплексу для експрес-контролю якості матеріалу, який буде проводити аналіз хімскладу, оцінку його структурного стану, показників механічних властивостей є своєчасним і актуальним. 2. Для використання методу безперервного индентирования необхідно провести модернізацію розривних машин або твердоміри Брінелля. 3. Необхідно розробити методику, яка дозволила б достатньо точно встановити відповідність між значеннями твердості, отриманими стандартними методами і при кінетичному индентировании. 4. Для впровадження приладів з функцією безперервного индентирования на підприємствах необхідно розробити методику щодо встановлення кореляційних зв'язків параметрів діаграми инденирования з показниками механічних властивостей. Література 1. Мощенок в. І. Методи визначення твердості матеріалів : підручник / в. І. 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