Определение действительной твердости деталей дорожных машин инденторами различной формы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.178.151.6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ ТВЕРДОСТИ ДЕТАЛЕЙ ДОРОЖНЫХ МАШИН ИНДЕНТОРАМИ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ

В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Предложен принципиально новый подход для определения твердости материалов, который получил название действительной твердости. На примере деталей различной твердости показан характер изменения твердости металлов в зависимости от нагрузки и формы индентора.

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

Введение

Для контроля качества деталей строительных и дорожных машин в машиностроении широко пользуются различными методами определения твердости. В зависимости от того, из какого материала изготовлена та или иная деталь или от условий поверхностного упрочнения конкретной детали выбирают и соответствующий способ определения твердости. Многообразие различных способов определения твердости и условий испытаний в конкретном способе привели к тому, что стало трудно или практически невозможно сопоставлять значения твердости, полученные различными способами, инденторами и при различных нагрузках. Существующие таблицы сопоставлений чисел твердости, полученных различными способами, носят чисто экспериментальный характер и лишены физического смысла. Поэтому разработка универсальных способов определения твердости имеет колоссальное значение для машиностроения.

Анализ публикаций

Из столетней истории развития твердомет-рии наиболее популярными являются способы определения твердости, основанные на вдавливании в исследуемый материал инден-тора в виде шарика, конуса или пирамиды [1]. Однако твердость в значительной степени зависит от испытательной нагрузки, причем характер этой зависимости различный (рис.1) [1;2]. При использовании в качестве индентора шарика твердость в зависимости

от нагрузки сначала круто возрастает, затем стабилизируется и монотонно уменьшается. При индентировании пирамидой твердость уменьшается с увеличением нагрузки [1;2]. Более универсальный характер изменения твердости в зависимости от нагрузки дают способы определения твердости, предложенные авторами в работе [3], где предлагается твердость оценивать по отношению силы сопротивления внедрению индентора в исследуемую деталь к объему внедренной части индентора. Такую твердость авторы назвали истинной твердостью материалов.

Рис. 1. Зависимость твердости от нагрузки индентирования: 1 - твердость по Бри-неллю; 2 - твердость по Виккерсу

Цель и постановка задачи

Целью данной работы явилось определение истинной твердости деталей машин при различных инденторах и нагрузках индентиро-вания.

Определение истинной твердости деталей машин

При использовании в качестве индентора шарика по схеме, представленной на рис. 2, истинную твердость материалов предлагается определять по формуле

HB =

p

3 P

-,Н/мм3, (1)

VKк« nh2(3r-h)Km

где P - сила сопротивления внедрению шарика, H; Ккн - коэффициент формы инден-тора; h - глубина внедрения шарика, мм; к -радиус шарика, мм.

Рис. 2. Схема измерения твердости шариком: Р - сила сопротивления внедрению шарика, H; D - диаметр шарика, мм; d - диаметр отпечатка, мм; h - глубина внедрения шарика, мм

При использовании в качестве индентора конуса следует иметь ввиду, что на начальной стадии внедрения индентора в исследуемый материал конус представляет собой скругленную вершину с радиусом скругле-ния 0,2 мм, поэтому согласно схемы (рис. 3) объем внедренной части конуса следует рассматривать как сумму объемов внедренных частей сферы и усеченного конуса (2), а истинную твердость при использовании в качестве индентора конуса следует рассчитывать по формуле (2)

v = vc,+vYCK =

1 о

-n-h (3R-h)

+

^Лс.к-0Г+^+Г1-Г2)

(2)

где V - объем внедренной части конуса, мм3; ¥сф - объем сферической части конуса, мм3; Vуск - объем усеченного конуса, мм3; г2 - радиус сферической части отпечатка конуса, мм; г1 - радиус конической части отпечатка

конуса, мм; Нус к - высота усеченной части конуса,мм; И - глубина внедрения конуса, мм.

Рис. 3. Схема измерения твердости конусом: Р - сила сопротивления внедрению шарика, Н; Б - диаметр шарика, мм; ё -диаметр отпечатка, мм; Л=Лус+Л1 - глубина внедрения конуса, мм; Лус - высота усеченной части конуса, мм; Н1 - глубина внедрения сферической части конуса, мм; г2 - радиус сферической части отпечатка конуса, мм; г1 - радиус конической части отпечатка конуса, мм; -объем сферической части конуса, мм3; Уус - объем усеченного конуса, мм3

HROK =Р/((0,000437 +1,0472 (й - 0,027) х x(3h2 +0.3572А + 0,018))К^), Н/мм3

(3)

где P - сила сопротивления внедрению конуса, H; Ккн - коэффициент формы индентора; h - глубина внедрения конуса, мм.

Схема измерения твердости пирамидой представлена на рис. 4, а истинную твердость данного способа измерения твердости предлагается рассчитывать по формуле

vv0K =

Р

Р

VK 8.168/? ' К„

(4)

где V - объем внедренной части пирамиды, мм3; h - глубина внедрения конуса, мм; -коэффициент формы индентора.

Рис. 4. Схема измерения твердости пирамидой: Р - сила сопротивления внедрению индентора, H; d - диагональ отпечатка, мм; h - глубина внедрения пирамиды, мм

Для оценки твердости материалов авторы предложили индентор специальной геометрической формы [4], которым можно пользоваться и для вдавливания в исследуемую поверхность, и для определения твердости способом нанесения царапины. Внешний вид такого индентора представлен на рис.5, а объем внедренной части индентора в исследуемый материал рассчитывается по формуле (5). При этом истинную твердость при использовании данного индентора рекомендуется определять по формуле (6).

Рис. 5. Внешний вид индентора из сверхтвердого материала: V - объем внедрен-

3

ной части индентора, мм

V =

tg-'Л3 • (tg(90 - а) + tgy)

3•cosy = 1.077-А3, мм3

(5)

где V - объем внедренной части индентора, мм3’ у - передний угол; а -главный задний угол по фаске; h - глубина внедрения инден-тора, мм; e - угол заострения в плане

Я =-^-

v,q VK

р

1,077 А" К

-, H/мм3 (6)

где P - сила сопротивленя внедрению инден-тора, H; К - коэффициент формы инденто-ра; h - глубина внедрения индентора, мм.

В качестве образцов металла со стандартным, заранее известным значением твердости, были выбраны стальные бруски 120^75x18 мм с величиной твердости по Бринеллю 103 HВ, 176 HВ, 411 HВ. В качестве инденторов использовались: шарики 0=2,5 мм, 0=5 мм, 0=10, мм, конус алмазный (а=120°), пирамида алмазная (а=136°), индентор из сверхтвердого материала [4].

Нагрузка индентирования изменялась плавно в пределах от 0 до 2500 Н. Полученные результаты зависимости силы сопротивления внедрению инденторов различной формы от глубины внедрения приведены на рис. 6-10:

103НВ 176НВ -411НВ

Рис. 6. Зависимость силы сопротивления от глубины индентирования шариком 02,5 мм образцов различной твердости

103НВ

176НВ

-411НВ

Рис. 7. Зависимость силы сопротивления от глубины индентирования шариком 05 мм образцов различной твердости

Рис. 8. Зависимость силы сопротивления от глубины индентирования шариком 010 мм образцов различной твердости

глубины индентирования алмазным конусом (а=120°) образцов различной твердости

глубины индентирования алмазной пирамидой (а=136°) образцов различной твердости

Полученные на рис. 6 - 10 зависимости являются уникальной характеристикой, по которой можно идентифицировать материалы с одинаковыми упруго-пластическими

свойствами, отличающимися от данных на рис. 11-16.

НВс*.

Н/мм"

160000

140000

120000

100000

80000

60000

40000

20000

4 \ ^103 Ю-Р 176 № —

\

ъ.

1500 2000 2500 PH

Рис. 11. Зависимость истинной твердости от нагрузки при индентировании образцов различной твердости шариком 02,5 мм

Для оценки истинной твердости вышеуказанных материалов по формулам (1), (3), (4), (6) построены следующие зависимости (см. рис. 11-16)

Рис. 12. Зависимость истинной твердости от нагрузки при индентировании образцов различной твердости шариком 05 мм

Рис. 13. Зависимость истинной твердости от нагрузки при индентировании образцов различной твердости шариком 010 мм

Рис. 14. Зависимость истинной твердости от нагрузки при индентировании образцов различной твердости алмазным конусом (<х=120°)

HVW

о ---------------------------------------------------------------------

300 400 500 600 700 800 900 1000 Р,Н

Рис.15. Зависимость истинной твердости от нагрузки при индентировании образцов различной твердости алмазной пирамидой (а=136°)

Srâ.

Ei* 400000 350000 300000 250000 200000

03 нв

100000 ■ 50000 •

¿Vvv: К

500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 Р,Н

Рис. 16. Зависимость истинной твердости от нагрузки при индентировании образцов различной твердости индентором из сверхтвердого материала

Полученные результаты на рис. 6-10 и на рис. 11-16 существенно отличаются.

Выводы

Характер изменения истинной твердости различных стальных образцов в зависимости от нагрузки одинаков. С увеличением нагрузки индентирования истинная твердость уменьшаться. При разных способах определения истинной твердости стальных образцов значения последней зависят от формы применяемого индентора.

Литература

1.Кащенко Г.А. Основы металловедения. -М.: Металлургия, 1949. - 640 с.

2.Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф., Бакиров М.Б. Методы измерения твердости. Справочное издание. - М.: Интермет инжиниринг, 2000. - 128 с.

3.Мощенок В.1., Тарабанова В.П., Глушкова

Д.Б. Спошб оцшки твердосп матерiалу. Пат. Украши UA 74654 C2, G01N3/40. Заявл.30.12.2003. Опубл.16.01.2006.

Бюл.№1. -3 с.

4.Мощенок В.1., Глушкова Д.Б., Ковтун Г.П., Стоев П.1. Спошб визначення фiзико-механiчних властивостей матерiалу та приcтрiй для його здшснення. Пат. Украïни UA 50486 A. G01N3/46. Заявл. 23.01.2002. Опубл. 15.10.2002. Бюл. №10. - 5 с.

Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д. ф.-м. н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 6 июля 2007 г.