Новые принципы оценки твердости массового контроля качества деталей машин Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК.620.178.151.6

НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ОЦЕНКИ ТВЕРДОСТИ - МАССОВОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., И.Е. Кухарева, аспирант, ХНАДУ

Аннотация. Предложен расчетный метод определения универсальной и истинной твердости материалов. Показан характер изменения твердости в зависимости от геометрической формы индентора.

Ключевые слова: универсальная твердость, истинная твердость, индентор, шарик, конус, пирамида.

Введение

Измерение твердости является неразрушаю-щим, наиболее доступным, легко и быстро выполняемым видом механических испытаний материалов, который широко используется и в исследовательских целях, и как способ контроля продукции во многих отраслях промышленности. Малый объем деформируемого материала, возможность проводить испытания на поверхности тел различной формы и размеров делают метод определения твердости незаменимым для массового испытания материалов.

Особо значима возможность косвенной оценки других механических характеристик по твердости, если между ними имеется определенная корреляция. По твердости могут быть определены упругие свойства материала, сопротивление малым и значительным пластичным деформациям, сопротивление разрушению, удельная работа деформации, адгезионная прочность, трибологические характеристики. Значения твердости широко используются для изучения поведения материала в эксплуатации. В связи с этим, необходимо, чтобы твердость была как можно более конкретной и точной характеристикой изучаемого материала.

Твердость зависит от строения (структуры) и свойств изучаемого материала, а также во многом определяется условиями испытания. Поэтому особое значение приобретает под-

бор таких условий измерения твердости, в которых полученные результаты будут одинаково зависеть от основных характеристик исследуемого материала, и будут сопоставимы при использовании разных инденторов.

Анализ публикаций

Наиболее распространенные методы измерения твердости (Бринелля, Роквелла, Виккер-са), по мнению многих авторов [1, 2], дают условную, очень усредненную оценку твердости и не отражают поведения материала в процессе испытаний.

В настоящее время все чаще используется метод кинетической твердости (непрерывного индентирования) и рекомендуется определять расчетное значение универсальной твердости по отношению максимальной приложенной нагрузки к контактной площади лунки под нагрузкой. По данным [3 - 6], универсальная твердость в значительной степени зависит от формы и геометрических параметров индентора, а также от прилагаемой нагрузки. Однако характер этой зависимости сложный и до сего времени полностью не изучен.

В работе [7] предложена более точная характеристика так называемой истинной твердости, которая оценивается отношением силы сопротивления индентора к объему внедренной части индентора.

Цель и постановка задачи

Целью данной работы явилось изучение влияния геометрической формы индентора на показатели универсальной и истинной твердости и сопоставление полученных результатов.

нуса, мм2; &бок.к - площадь боковой поверхности усеченного конуса, мм2; V - объем вне" 3

дренной части конуса, мм .

В случае если индентором является пирамида Виккерса, твердость определяется по формулам (8) - (9)

Определение универсальной и истинной твердости деталей машин

Авторами данной работы рекомендуются расчетные формулы для определения универсальной (ну) и истинной (ни) твердости материала с использованием различных инден-торов.

Для шариков разного диаметра твердость ну и ни рассчитывают по формулам (1) - (6)

НВ25 = ,

у 7,854 ЧИ'

нву = —р—,

у 15,708 ЧИ'

НВ1 = —Р-,

у 31,416 ЧИ'

Н/мм

Н/мм

Н/мм

(1)

(2)

(3)

НУ = у &

Р

Р

бок

26,428Чи

(8)

Р

ну. = Р = 3

и V 8,168 ЧИ3

,Н/мм ,3 (9)

где Р - сила сопротивления внедрению пирамиды, Н; И - глубина внедрения пирамиды, мм; &бок - площадь боковой поверхности внедренной части пирамиды внедренной части пирамиды, мм

мм ; V - объем

3

Для пирамиды Берковича твердость рассчитывается по формулам

НБу =

у &

Р

Р

26,434ЧИ2

Р

НБи = - = 3

и V 10,311ЧИ3

Н/мм2

Н/мм3

(10)

(11)

(9)

(10) (11)

нв.25 = е =

V 1,047 Чи Ч(3,75 - и)

нв.5 =Е =

V 1,047 Чи Ч(7,5 - и)

нв,1,0 = е =

, Н/мм3, (4)

Н/мм3, (5)

V 1,047Чи Ч(15 - и)'

Н/мм3, (6)

где Е - сила сопротивления внедрению шарика, Н; И - глубина внедрения шарика, мм; 5 - площадь внедренной части шарика, мм2; V - объем внедренной части шарика, мм3.

Используя в качестве индентора конус с углом при вершине 120° и радиусом сферической части вершины 0,2 мм, твердость следует рассчитывать по формуле

нк; =

Р

&сф.к + &бок.к

,Н/мм

(7)

где Р - сила сопротивления внедрению конуса, Н; &сф.к - площадь сферической части ко-

где Р - сила сопротивления внедрению пирамиды, Н; И - глубина внедрения пирамиды (угол между гранями а = 65,03°), мм; &бок -площадь боковой поверхности внедренной части пирамиды, мм2; V - объем внедренной части пирамиды, мм3.

Определяемые значения твердости в значительной мере зависят от используемого ин-дентора. Многообразие форм и геометрических параметров инденторов приводят к сложностям в сопоставлении и существенным отличиям в значениях твердости одного и того же материала, измеренной различными инденторами.

Авторами были рассчитаны значения универсальной и истинной твердости стального бруска с использованием различных инден-торов, внедряющихся в поверхность под непрерывно возрастающей нагрузкой. В качестве инденторов использовались шарики диаметром 2,5; 5 и 10 мм, алмазный конус (а = 120°), пирамиды Виккерса (а = 136°) и Берковича.

2

На рис. 1 представлены зависимости универсальной (а) и истинной (б) твердости от глубины внедрения различных инденторов.

При использовании сферических инденторов (шариков) различного диаметра, как и следовало ожидать, самые низкие значения и универсальной и истинной твердости зафиксированы для шариков диаметром 10 мм, а самые высокие - для алмазного конуса (рис. 1, а и б). Это обусловлено величиной площади и объема деформированного метала под индентором.

Следует отметить, что независимо от инден-тора в области малых глубин внедрения (для шариков при h до 0,1 мм, для алмазных наконечников до 0,2 мм) наблюдается резкое повышение значений истинной твердости, т.е. имеет место так называемый размерный эффект (рис. 1, б). При этом абсолютные значения истинной твердости на порядок выше показателей универсальной твердости во всем интервале индентирования. Характер изменения истинной твердости для различных ин-денторов одинаков. С увеличением нагрузки истинная твердость уменьшается.

Совершенно иной характер имеют закономерности изменения универсальной твёрдости от глубины внедрения индентора (рис. 1, а). При индентировании шариками размерный эффект не регистрируется. С использованием конуса твёрдость максимальная и повышается при его внедрении на глу-

бину < 0,027 мм, а затем нивелируется. Это объясняется тем, что при меньшей глубине погружения в материал работает сферическая часть конуса с довольно большим конусом.

При индентировании алмазными пирамидками Виккерса и Берковича имеет место размерный эффект, наиболее значимый при малых глубинах внедрения. Абсолютные значения твёрдости, полученные с использование, алмазных пирамид, практически совпадают. Разница в показаниях твёрдости соответствует 0,03 % при одинаковой глубине внедрения пирамид в поверхность тела. При определении значений истинной твёрдости разница увеличивается до 21 % (рис. 1, б).

Выводы

1. Наиболее корректную, правильную оценку твёрдости можно получить расчётным путём по двум основным параметрам - сила сопротивления внедрению индентора и глубина его вдавливания в исследуемую поверхность. При этом не учитываются погрешности от влияния сил трения, вибрации, краевых эффектов, неточности при измерении отпечатков.

2. Как универсальная, так и истинная твёрдость, зависят, прежде всего, от геометрической формы индентора и глубины его погружения.

Глубина внедрения индентора,

Глубина внедрения индентора, мм

НВ1

б

а

Рис. 1. Зависимость универсальной (а) и истинной (б) твердости от глубины внедрения различ -ных инденторов под возрастающей нагрузкой

3. При расчетном определении универсальной твёрдости сферическими инденторами под непрерывной нагрузкой размерный эффект не проявляется.

4. Истинная твёрдость при индентировании пирамидами Виккерса и Берковича существенно отличаются (на 21 %), а универсальная твёрдость практически одинакова по всей глубине внедрения индентора.

Литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства материалов. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

2. Бронштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства материалов. - М.: Металлургия, 1979. - 495 с.

3. Булычев С.И., Алёхин В.П. Испытания материалов непрерывным вдавливанием индентора. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

4. Gao X.-L. Strain gradient plasticity solution for an internally pressur-

ized thick-walled spherical shell of an elastic linearhardening material. - Mech. Adv. Mater. Struct. - 13. - 43. - 2006.

5. Johnson K.L. The correlation of indentation experiments. - J. Mech. Phys. Solids. - 18. - 115. - 1970.

6. Gao X.-L., Jing N.X., Subhash G. Two new expanding cavity-models for indentation deformations of elastic strain-hardening materials. - Int. J. Solids Struct. - 43. - 2193. - 2006.

7. Moschenok V., Doshchechk-ina I., Bondarenko S., Lyapin A. Indenter geometry influence on the size effect at determination of hardness // VI International Triennial Conference Heavy Machinery -HM'08. - Kraljevo, 24 - 29 June 2008.

Рецензент: М.А. Подригало, профессор,

д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 12 ноября

2008 г.