CC BY
20
А КГГ^ г: Г1ТГГ /СБ
-3, 2019 /
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-3-65-69 Поступила 29.05.2019
УДК 620.179 Received 29.05.2019
КОНТРОЛЬ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧУГУНА ПРИБОРОМ ИФМХ-Ч
А. П. КРЕНЬ, В. А. РУДНИЦКИЙ, Г. А. ЛАНЦМАН, ГНУ Институт прикладной физики НАНБеларуси, г. Минск, Беларусь, ул. Академическая, 16. E-mail: [email protected], М. Н. ДЕЛЕНДИК, Филиал Белорусского национального технического университета «Межотраслевой институт повышения квалификации и переподготовки кадров по менеджменту и развитию персонала», г. Минск, Беларусь. E-mail: [email protected],
Н. В. ЗИНЬКЕВИЧ, Е. В. ГНУТЕНКО, ГНУ «Институт прикладной физики НАН Беларуси», г. Минск, Беларусь, ул. Академическая, 16. E-mail: [email protected]
Рассмотрена возможность использования метода микроударного индентирования для оценки физико-механических характеристик чугуна с использованием прибора ИФМХ-Ч, разработанного в ИПФ НАН Беларуси. Установлено, что метод и прибор позволяют контролировать такие параметры, как твердость по Бринеллю в диапазоне 100-500 НВ, модуль упругости от 40 до 200 МПа, а также определять предел прочности и марку чугуна от СЧ10 до СЧ35 для серого чугуна и от ВЧ35 до ВЧ70 для высокопрочного. Показана возможность использования прибора для оперативного неразрушающего контроля непосредственно деталей и изделий в условиях производства.
Ключевые слова. Чугун, индентирование, твердость, модуль упругости, предел прочности, неразрушающий контроль. Для цитирования. Крень, А. П. Контроль физико-механических характеристик чугуна прибором ИФМХ-Ч/ А. П. Крень, В. А. Рудницкий, Г. А. Ланцман, М. Н. Делендик, Н. В. Зинькевич, Е. В. Гнутенко // Литье и металлургия. 2019. № 3. С. 65-69. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-3-65-69.
TESTING OF THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF CAST IRON WITH THE HELP OF IFMH-C DEVICE
A. P. KREN, V. A. RUDNITSKY, G. A. LANTSMAN, Institute of applied Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, 16, Akademicheskaya str., E-mail: [email protected],
M. N. DELENDIK, Branch of the Belarusian National Technical University «Intersectoral Institute for Staff Training and Retraining on Management and Personnel Development», Minsk, Belarus. E-mail: [email protected],
N. V. ZINKEVICH, E. V. HNUTSENKA, Institute of applied Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, 16, Akademicheskaya str. E-mail: [email protected]
The possibility of the application of impact microindentation methodfor testing the physic and mechanical properties of cast iron using the IFMH-C instrument developed at the Institute of applied physics of the National Academy of Sciences of Belarus was tested. It was established that the method and the instrument allow to estimate such parameters as Brinell hardness in the range of100-500 HB, elastic modulus from 40 to 200 MPa, as well as to determine the tensile strength of the flake and spheroidal graphite cast irons. The possibility of using the instrumentfor non-destructive test directly ofparts and products in the manufacturing environments is shown.
Keywords. Cast iron, indentation, hardness, elastic module, ultimate strength, non-destructive test.
For citation. Kren A. P., Rudnitsky V. A., Lantsman G. A., Delendik M. N., Zinkevich N. V., Hnutsenka E. V. Testing of the physical and mechanical properties of cast iron with the help of IFMH-C device. Foundry production and metallurgy, 2019, no. 3, pp. 65-69. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-3-65-69.
Чугунное литье широко применяется на отечественных и зарубежных промышленных предприятиях. Чугун является одним из основных конструкционных материалов и используется во всех отраслях промышленности: автомобилестроении (для изготовления блоков цилиндров и коленчатых валов), железнодорожном транспорте (тормозные колодки), станкостроении (станины), нефтяной промышленно-
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY
UUI 3, 2019-
сти (трубы). Благодаря наличию графитовых включений чугун хорошо гасит вибрацию, может применяться при низких температурах. В то же время при изготовлении различных изделий возникают сложности с их контролем, поскольку часто необходимо не только определить структуру сформировавшегося чугуна (как правило, разделить серый (СЧ) и высокопрочный (ВЧ)), но и четко установить физико-механические характеристики: предел прочности св, твердость по Бринеллю HB, модуль упругости Еу, а в оптимальном случае установить марку чугуна.
Механические характеристики чугуна регламентируются соответствующими стандартами. Для СЧ -это ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки», для ВЧ - ГОСТ 7293-85 «Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки». Согласно данным стандартам марка определяется в первую очередь значением предела прочности при растяжении. Кроме того, для высокопрочного чугуна для каждой марки регламентируется значение условного предела текучести, твердости и относительного удлинения. Для серого чугуна лишь для справки приводятся значения модуля упругости и твердости.
В настоящее время в 100% случаев для определения s на предприятиях используют разрушающие методы контроля - с помощью разрывных машин. Это долго, неудобно и дорогостояще: необходимо изготовить и испытать специальные образцы-свидетели, свойства которых не всегда совпадают со свойствами непосредственно изделия. При этом вырезка образцов из изделия ведет к невозможности его дальнейшей эксплуатации. Более оперативным контролем является измерение твердости по Бринеллю HB, значение которой определяется в основном свойствами металлической основы. Однако если использовать стационарные твердомеры, то контроль непосредственно крупногабаритных изделий не всегда возможен. В то же время применение портативных динамических твердомеров является, по нашему мнению, неоправданным, поскольку может приводить к большим погрешностям измерений. Эти погрешности будут вызваны влиянием на процесс удара модуля упругости [1], что не учитывается в используемых в данных приборах градуировках.
Важной характеристикой чугуна является и модуль упругости Еу. Известно [2], что Еу чугуна практически не зависит от структуры металлической основы в отличие от твердости и определяется в основном графитной составляющей. При этом для ВЧ он находится в диапазоне 130-180 ГПа, а для СЧ -в пределах 50-130 ГПа, изменяясь даже в пределах одной марки на 20-50% (чем выше предел прочности, тем меньше это изменение).
Также важной для контроля является установленная и многократно проверенная связь между прочностью, модулем упругости и твердостью [2]:
s = kEyHB, (1)
где k - коэффициент, зависящий от вида чугуна: для серого k « 1,15, для высокопрочного k « 1,62.
Таким образом, можно утверждать, что для подтверждения качества полученного чугуна с точки зрения его соответствия требуемым физико-механическим показателям необходимо определить любые две из входящих в формулу (1) величины, а третью получить расчетом с учетом того, что модули упругости серого и высокопрочного чугуна лежат в разных диапазонах.
Разделение чугунов на серый и высокопрочный уже успешно производится с помощью ультразвуковых приборов, регистрирующих скорость ультразвуковой волны в материале, которая связана с модулем упругости посредством известных формул [3, 4]. Преимущество метода в том, что не требуется подготовка поверхности. В то же время он пока не позволяет c достаточной точностью определить твердость и предел прочности широкого круга чугунов, а значит, и их марку.
В настоящей работе была изучена возможность применения для этих целей метода динамического индентирования (МДИ) [5] и прибора ИФМХ-Ч (рис. 1), реализующего данный метод. Прибор был разработан в ИПФ НАН Беларуси и представляет собой датчик-твердомер, позволяющий контролировать твердость сталей по шкалам HB, HRC и HV, и электронный блок, который обрабатывает дополнительную информацию для установления физико-механических характеристик чугуна. При этом датчик-твердомер внесен в Госреестр средств измерений как твердомер Т ПЦ-7 под номером РБ 03 03 6414 17.
Сущность МДИ, разработанного в ИПФ НАН Беларуси, заключается в нанесении однократного микроудара с фиксированной предударной энергией, определяющейся массой индентора m и предударной скоростью Vj. Отличительной особенностью метода является возможность регистрации всего процесса нагружения (рис. 2) в виде диаграмм «контактное усилие P - перемещение h», а также зависимостей P = f(t), h = f(t), V=f(t) в широком диапазоне изменения сил и перемещений [6].
А И НИ И ГОТШГ ГГИ ИВ7
-3, 2019 / и»
Рис. 1. Внешний вид прибора для контроля характеристик чугуна: 1 - датчик-твердомер ТПЦ-7; 2 - электронный блок; 3 -
образец
в г
Рис. 2. Характерные зависимости ударного процесса: а, б, в - зависимости глубины внедрения индентора, скорости и контактного усилия от времени; г - диаграмма динамического индентирования
б
а
Регистрация параметров hp, hmax, Ртах, tai, ¿уд, Ко, Кп и др. (рис. 2), позволяет использовать положения разработанного ИПФ НАН Беларуси Государственного стандарта СТБ 2495-2017 «Контроль неразруша-ющий. Определение физико-механических характеристик конструкционных материалов методами ин-дентирования» для расчета модуля упругости материала Еу, а также точных значений твердости НВ по данным ударного контакта.
Это в корне отличает метод и оборудование от существующих обычных динамических твердомеров, которые регистрируют только отношение скорости отскока индентора Vо к скорости подлета Vп. Это отношение носит название твердости по Либу НЬ [7] и зависит как от твердости материала, так и его модуля упругости. Если для сталей модуль упругости изменяется в узком диапазоне 190-210 ГПа, то это изменение можно не учитывать. Для чугунов, как было сказано ранее, Еу изменяется в широком диапазоне, поэтому даже когда в обычном твердомере присутствуют градуировки для чугуна, то это не является корректным и может привести к значительным погрешностям.
В качестве доказательства приведем результаты собственных исследований. На рис. 3, а показаны данные измерений НВ с помощью динамического твердомера, проградуированного исходя из значений твердости, полученных на стационарном твердомере Бринелля, и твердости по Либу на серых и высокопрочных чугунах. Градуировку проводили на образцах в виде параллелепипедов толщиной 15-35 мм и площадью 70-100 см2 с измерением вначале НЬ, а затем в этой же точке НВ на твердомере Бринелля. Точки, по которым проводили градуировку, показаны на рис. 3, а отдельно. В дальнейшем эту градуировку использовали для контроля более широкого круга образцов, а также реальных изделий (остальные точки на графике). Всего было испытано более 200 образов. Как видно из рис. 3, а, погрешность измерения НВ при использовании такой градуировки (что и делается большинством производителей) может
ИFOUNDRV PRODUCTЮN ПND М€ТШи1ЮУ
I 3, 2019-
а б
Рис. 3. Данные измерения твердости по Бринеллю: а - градуировка по значениям твердости по Либу; б - измерения с помощью прибора ИФМХ-Ч
достигать до 100 ед., что недопустимо для оценки качества. На рис. 3, б для сравнения приведены результаты испытаний тех же чугунов, но уже с помощью прибора ИФМХ-Ч, который учитывает влияние модуля упругости на значение динамической твердости при переводе ее в единицы НВ. В данном случае погрешность не превышает 10-15 ед., что является хорошим результатом даже при измерении твердости сталей после градуировки по меркам твердости 2-го разряда.
В таблице приведены результаты измерений физико-механических характеристик прибором ИФМХ-Ч в сравнении с полученными на стандартном оборудовании.
Таблица
Номер образца а, МПа (по данным производителя) Еу, ГПА (ИФМХ-Ч) Твердость, НВ а, МПа (ИФМХ-Ч) Марка чугуна (ИФМХ-Ч)
твердомер Бринелля ИФМХ-Ч
1 108 92 141 152 131 СЧ10
2 160 110 142 142 165 СЧ15
3 211 113 171 177 229 СЧ21
4 253 115 219 228 272 СЧ25
5 320 135 214 214 319 СЧ30
6 350 137 233 233 354 СЧ35
7 357 172 185 187 357 ВЧ35
8 430 172 198 208 422 ВЧ40
9 460 175 206 214 451 ВЧ45
10 180 350 359 674 ВЧ60
11 177 356 366 780 ВЧ70
12 123 441 421 576 Отбел
13 163 423 430 802 Отбел
14 163 375 382 716 Отбел
15 181 401 407 797 Отбел
Данные испытаний прибора (см. таблицу) говорят о возможности не просто измерить с достаточной точностью основные физико-механические характеристики и не просто разграничить чугун по виду (СЧ или ВЧ), но и установить марку чугуна, а также выделить образцы, на поверхности которых образовался «отбеленный» слой. Следует отметить, что коэффициент пропорциональности между произведением ЕуНБ и ав для всех чугунов составляет примерно 1,08 в отличие от указанных в формуле (1) значений. В данном случае необходимо учитывать, что модуль упругости, определенный по МДИ, может несколько отличаться от статического модуля, однако в данном случае это не играет какой-либо роли.
Из таблицы видно, что для проведенных испытаний погрешность измерения НВ не превысила 15 ед., а предела прочности (для образцов, по которым имелись сведения) составила не более 5%.
_А к гт^ г: ггетш? ггк гг /со
-3, 2019 / "в
Таким образом, прибор ИФМХ-Ч успешно зарекомендовал себя при контроле физико-механических характеристик чугуна. Он позволяет достоверно измерить твердость в диапазоне 90-450 HB, модуль упругости в диапазоне 70-220 ГПа, предел прочности в диапазоне 100-900 МПа. Датчик и электронный блок прибора связаны между собой беспроводной связью, что дает возможность проводить дистанционный контроль. При промышленном применении контроль может осуществляться в отдельных важных точках изделия. Также прибор может помочь значительно сократить объем разрушающих испытаний на производстве.
ЛИТЕРАТУРА
1. Maki S. Computer Simulation of Micro Rebound Hardness Test / S. Maki, T. Yamamoto // Procedia Engineering. 2014. Vol. 81. P. 1396-1401.
2. Шерман А. Д. Чугун: Справ. /А. Д. Шерман. М.: Металлургия, 1991. 576 с.
3. OrJowicz W. Evaluation of ductile iron casting material quality using ultrasonic testing / W. Orlowicz, M. Tupaj, M. Mroz, E. Guzik // Journal of Materials Processing Technology. 2010. Vol. 210, No 11. P. 1493-1500.
4. Майоров А. Л. Результаты использования индикаторов структуры высокопрочного чугуна типа ИЧ в условиях производства / А. Л. Майоров, А. Р. Баев, Г. Е. Коновалов, Н. Н. Гиль // Литье и металлургия. 2006. № 2. Ч. 1. С. 102-105.
5. Рудницкий В. А. Оценка пластичности металлических материалов методом динамического индентирования / В. А. Рудницкий, А. П. Крень, Г. А. Ланцман // Литье и металлургия. 2017. № 2. С. 81-87.
6. Abetkovskaia S. O. Evaluation of viscoelastic properties of materials by nanoindentation. / S. O. Abetkovskaia, S. A. Chizhik, V. A. Rudnitsky, A. P. Kren // Journal of Friction and Wear. 2010. Vol. 31. No 3. P. 180-183.
7. Leeb D. Dynamic hardness testing of metallic materials / D. Leeb // NDT International. 1979. Vol. 12, No 6. P. 274-278.
REFERENCES
1. Maki S., Yamamoto T. Computer Simulation of Micro Rebound Hardness Test // Procedia Engineering, 2014, vol. 81, pp. 1396-1401.
2. Sherman A. D. Chugun: Spravochnik [Cast iron: Handbook]. Moscow, Metallurgija Publ, 1991. 576 p.
3. OrJowicz W., Tupaj M., Mroz M., Guzik E. Evaluation of ductile iron casting material quality using ultrasonic testing. Journal of Materials Processing Technology, 2010, vol. 210, no 11, pp. 1493-1500.
4. Majorov A. L., Bajev A. R., Konovalov G. E., Gil N. N. The results of using of indicators of the high-test cast iron of type ICH structure in conditions of production. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2006, no. 2, vol. 1, pp. 102-105 (in Russian).
5. Rudnitsky V. A., Kren A. P., Lantsman G. A. Evaluation of metallic materials plasticity by dynamic indentation method. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2017, no. 2, pp. 81-87 (in Russian).
6. Abetkovskaia S. O., Chizhik S. A., Rudnitsky V. A., Kren A. P. Evaluation of viscoelastic properties of materials by nanoindentation. Journal of Friction and Wear, 2010, vol. 31, no. 3, pp. 180-183.
7. Leeb D. Dynamic hardness testing of metallic materials. NDT International, 1979, vol. 12, no. 6, pp. 274-278.
