CC BY
509
УДК 620.174.13:539.3:531.781.2
Богодухов С.И., Гарипов В.С., Солосина Е.В.
Оренбургский государственный университет E-mail: matm@mail.osu.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ СРЕДСТВ ТЕНЗОМЕТРИИ
В представленной статье раскрыты вопросы определения модуля упругости различных материалов с применением средств тензометрии. Представлены схемы нагружения, методики определения модуля упругости при разных видах деформации, описаны достоинства и недостатки применения средств тензометрии.
Ключевые слова: модуль упругости, тензометрия, твердые сплавы, термообработка, испытания.
Использование методов тензометрии при определении модуля упругости различных материалов подвергнутых термообработке позволяет значительно уменьшить погрешность определения, а значит увеличить точность определения влияния того или иного вида обработки на модуль упругости материала.
В статье рассматриваются способы и результаты определения модуля упругости различных материалов до и после их термической обработки.
Прочность на изгиб измеряли нагружением образца установленного на двух опорах на базе 30 мм для штабиков и 15 мм для пластин. Определение прочности на изгиб проводили на универсальной разрывной машине модели ИР5047-50-10 с погрешностью ±1 Н, с помощью приспособления для определения напряжения изгиба, изготовленного по ТУ 5808-0085 с учетом ГОСТ 9391-80.
Схемы нагружения показаны на рисунке 1. Результаты фиксировались многоканальной тензометрической станцией ММТС-64.01. Предел погрешности измерений этой системы не превышает 0,1 %.
Напряжения при изгибе и сжатии определялись по формулам, соответственно 5=М/Щ, 5= Г/А, где М = Гх1 - изгибающий момент;
Г - максимальная нагрузка деленная на два;
I - расстояние от опоры до середины образца;
Щ = ЬхН2/6 - момент сопротивления поперечного сечения образца, м3;
Ь, Н - ширина и высота поперечного сечения образца соответственно, м;
А = ЬхН - площадь поперечного сечения образца, м2.
Для измерения относительной продольной деформации использовались проволочные тен-
зодатчики на плёночной или бумажной основе с базой 5 или 10 мм.
Выбор приклеиваемых тензодатчиков в качестве основного вида преобразователей относительной деформации в электрический сигнал обусловливается рядом их положительных свойств: высокой точностью преобразования деформации в изменение Омического сопротивления; практически неограниченным частотным диапазоном; малыми габаритными размерами и весом, не оказывающими влияния на объект исследования; дистанционность измерения.
Относительную продольную деформацию определяли по формуле
г=АПхк,
где АП - показатель, рассчитанный по показаниям измерителя деформации ММТС-64.01, по методике описанной в руководстве по эксплуатации ММТС-64.01 [1];
& - тарировочный коэффициент, рассчитываемый на основе информации указанной в сопроводительной документации к используемым тензодатчикам.
Определение модуля нормальной упругости проводили по формуле
Е~®сред/£сред.
На изгиб На сжатие
Значения 5 и є выбирали как средние с графика зависимости относительной деформации от нормального напряжения.
Проводили испытания на определение модуля упругости образцов из порошкового материала СП100 при сжатии и изгибе [2].
После проведения экспериментов строили графики зависимости нормального напряжения при изгибе или сжатии от относительной продольной деформации (рисунок 2).
Анализ графика, приведённого на рисунке 2, показывает на незначительную разницу значений модуля нормальной упругости при сжатии и изгибе (в среднем разница не превышает 7,8 %).
Таким образом, в расчётах на прочность и жесткость деталей машин из порошковой стали СП100 необходимо учитывать наличие нелинейной разномодульности этого материала.
Для определения влияния вида термообработки (далее ТО) на модуль упругости твердых сплавов провели ТО, которая включала в себя: отжиг; многократная закалка с нагревом токами высокой частоты (далее ТВЧ) в среде аргона; многократная закалка в электролите; отпуск; термическая обработка в соляных ваннах [3].
В опытах использовались образцы 5x5x35 мм из материала ВК8 и Т14К8 производства Кировоградского завода твердых сплавов.
Для отжига в муфельную печь ПМ-14М помещали графитовый тигель с образцами из материала ВК8 внутри. В опыте использовали пять образцов. Для предотвращения обезуглероживания в тигель засыпали графитовый порошок, после чего нагревали печь до 1100 оС, в течении 5 часов. После 2-х часовой выдержки при этой температуре выключали печь и проводили медленное охлаждение вместе с печью, в течении 10 часов.
Закалку образцов токами высокой частоты осуществляли с помощью высокочастотного генератора ВЧИ100/0,066-3П. Нагрев проводили до заданной температуры (таблица 1). Температуру нагрева фиксировали оптическим пирометром БН60.
Закалку в электролите осуществляли с помощью устройства, разработанного на кафедре МТМ ОГУ. Нагрев образцов ВК8 осуществляли до 1100 оС в десятипроцентном растворе НС1 в воде. Проводилась однократная, двукратная и трехкратная закалка с нагревом в
1 - при изгибе (Е=0,9х105 Н/мм2 - модуль нормальной упругости); 2 - при сжатии (Е=0,97х105 Н/мм2 - модуль нормальной упругости)
Рисунок 2. Зависимость относительной деформации от напряжения при сжатии или изгибе
для материала СП100
электролите. Затем производили охлаждение в том же растворе.
В муфельную печь ПМ-14М помещали графитовые тигли с закаленными образцами внутри. Отпускали до температур, указанных в таблице 1, затем проводили изотермическую выдержку в течение одного часа и охлаждали образцы на спокойном воздухе.
Для выявления изменения характера зависимости между нагрузкой и деформацией (считай напряжением при изгибе и относительной деформацией) использовались датчики на бумажной основе с базой 5 мм и сопротивлением 200 Ом. К образцам тензодатчики приклеивали с помощью молекулярного клея, затем высушивали при температуре 20 оС в течении 24 ч.
Результаты фиксировали микропроцессорной многоканальной тензометрической системой ММТС-64.01 (рисунок 3).
По показаниям ММТС-64.01 строили графики зависимости между нормальным напряжением при изгибе и относительной деформацией (рисунок 4).
Анализ графиков, представленных на рисунке 4, позволяет сделать вывод, о влиянии термообработки на модуль упругости твердого сплава ВК8.
После всех видов ТО модуль упругости снижается, максимально после пятикратной закалки ТВЧ, на 16 %.
Термическую обработку твердого сплава марки Т14К8 проводили на оборудовании ла-
Таблица 1. Режимы термообработки образцов ВК8
№ опыта Вид термообработки Температура нагрева Кратность нагрева Время нагрева, с Твердость Предел прочности при изгибе
Т °С Тнагр? С HV 0„зг., Н/мм2
1 ТВЧ 1150 1 40 1720 1450
2 600 1 20 1570 1780
3* 900 1 30 1560 1230
4 1150 5 40 1500 1800
5 Отжиг 1100 1 5/2/10 часов 1420 1350
6 Закалка в электролите 1100 1 10 1630 1340
7 1100 2 10 1830 1200
8 1150 3 10 1650 1250
9 Исходный 1540 1680
* Отожженные образцы
ПОЛЮ N”11 СА=1С_елгой_11
! Ї !
і і і І і /
і і і і
! !
і : :
і : і
1 1 2 3 4 551! 91011 12131415151715192021 222324252627282$ 3031 3233 34 3536 37 3539 40 41 4243444546 47 45495051 525354555657 55596061 62636465
Номер отсчета
Рисунок 3. Пример показаний ММТС-64.01 во время нагружения штабиков материала ВК8 закаленных ТВЧ до 1150 °С
боратории кафедры материаловедения и технологии материалов ОГУ и на ПО «Стрела» (г. Оренбург) с использованием для нагрева соляных ванн типа СП2 и СП3 и охлаждением в различных средах и в муфельной печи ПМ-14.
Был принят режим термообработки в расплаве солей, представленный на схеме (рисунок 5).
После ТО образцы отмывали от соли в 10 % растворе серной кислоты, и перед определением модуля упругости зачищали на алмазном диске.
Лучшие режимы термообработки для штабиков Т14К8 - Т = 1050 оС,
нор ’
без отпуска, прочность - 2200 Н/мм2, при этом достигнуто увеличение прочности в 1,7 раза.
Анализ результатов установления экспериментальных зависимостей между напряжением и продольной деформацией показал, что у термообработанных образцов материала Т14К8 напряжение при изгибе имеет больший коэффициент отношения напряжения при изгибе и относительной деформации на 14 % (рисунок 6).
При термоциклировании твердых сплавов ВК8, нагрев производился на высокочастотной установке индукционного нагрева ВЧИ100/0,066-3П. Чтобы исключить окисление твердых сплавов при термоциклировании нагрев проводили в среде аргона с использованием кварцевых трубок.
£
2 2100
Д
ю к 1800
со к 1500
К
120С
СЧ
к ж о * 900
С* й 600
X 300
1
Л5
. •• /о 3
■г
у/
10 20 30 40 50
Относительная деформация, х10'5
60
1 - исходный, нетермообработанный; 2 - закалка в электролите (однократная); 3 - пятикратная закалка ТВЧ; 4 - отжиг 1100 оС; 5 - закалка ТВЧ 1150 оС
Рисунок 4. Зависимость между нормальным напряжением при изгибе и относительной деформацией после термообработки материала ВК8
Рисунок 5. Схема термической обработки твердосплавных образцов Т14К8
Таблица 2. Зависимость относительной продольной деформации от напряжения по данным тензометрии
Материал
У10 Р6М5 ВК8т -ерм. ВК8исходный
оизг, Н/мм2 £Х10-5 аИЗг, Н/мм2 £Х 10-5 аИЗг, Н/мм2 £Х 10-5 ОИЗг, Н/мм2 £Х10-5
22 9 27 12 36,8 11,8 24,3 4,7
44 18 54 30 73,6 19,47 48,6 7,7
66 27 81 41 108 25 97,2 17
88 39,5 108 55 147 32 121,5 23
110 50,7 - - 180 38 170,1 28
132 60 - - 220 42 194,4 33
- - - - 258 47 218,7 38
- - - - 294 52 243 42
Разрушение тензорезистора (тензодатчика)
о
ю
К
U
со
К
К
а
G
ft
С
а
Д
2100
1800
1500
1200
900
600
300
» У \| Терм. у = 5,8х \| Исход, у = 5,1х
10 20 30 40
Относительная деформация,
50
10-5
60
Рисунок 6. Зависимость между нормальным напряжением при изгибе и относительной деформацией до и после термообработки твердого сплава Т14К8
1 - сталь У10, Gmai = 5б52 Н/мм2, Т3 = 780 оС в масло, время нагрева 3 мин., Тотп = 180 - 214 оС, твердость - 74б - 804 HV; 2 - сталь зак 1220 оС, выдержка 2 мин., То = б00 оС, 2-х кратно, твердость - 804 - 8б8 HV; 3 - твердый сплав ВК8, Т^ = 1100 оС, охлаждение в аргоне, циклирование 5°раз, относительная износостойкость - 2,б, твердость - 1235 HV, а = 2300 Н/мм2;
1500 Н/мм2 изг
РбМ5, Т
з
оС, охлаж
4 - твердый сплав ВК8, исходный, твердость - 1б50 HV, а.
Рисунок 7. Зависимость нормального напряжения при изгибе от относительной деформации
для различных материалов
После термообработки, также образцы испытывали на изгиб с использованием тензометрии, для выявления изменения характера зависимости между нагрузкой и деформацией (таблица 2, рисунок 7).
При анализе данного рисунка видно, что коэффициент зависимости (модуль нормальной упругости) между нормальным напряжением и относительной деформацией после тер-
моциклирования для материала ВК8 незначительно, но уменьшился (на 12%), для сравнения испытывали и другие материалы.
После проведенной работы, видно, что использование методов тензометрии позволяет с достаточной степенью точности определять влияние видов и режимов термообработки на физические константы материалов.
10.02.14
Список литературы:
1. Руководство по эксплуатации «Микропроцессорная многоканальная тензометрическая система ММТС-64.01». РУ-02/ 2062-01.01. ФГУП «Сибирский НИИ авиации им. С. А. Чаплыгина». - Новосибирск, 2007. - 262 с.
2. Богодухов, С.И. Физико-механические свойства разномодульных материалов при статических испытаниях / С.И. Богодухов [и др.] // Высокие технологии в машиностроении : материалы Междунар. науч.-техн. конф. (Курган, 21-23 ноября 2012 г.). - Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2012. - С. 88-89. - ISBN 978-5-4217-0185-9.
3. Богодухов, С.И. Термическая обработка твердого сплава Т14К8 / С.И. Богодухов [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении (Кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства). - Москва : Изд-во «Машиностроение». - 2012. - № 12, декабрь. - С. 41-44. - ISSN 1684-1107.
Сведения об авторах:
Богодухов Станислав Иванович, заведующий кафедрой материаловедения и технологии материалов Оренбургского государственного университета, доктор технических наук, профессор Гарипов Владимир Станиславович, доцент кафедры сопротивления материалов и теоретической механики Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук Солосина Екатерина Валерьевна, аспирант кафедры материаловедения и технологии материалов
Оренбургского государственного университета 4б0018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел.: (3532)773419; 372511, e-mail: matm@mail.osu.ru; ogu@mailgate.ru
