Определение универсальной твердости конструкционных материалов инденторами различной формы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.178.151.6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ТВЕРДОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИНДЕНТОРАМИ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ

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

Аннотация. Предложены формулы для расчета универсальной твердости материалов, которая широко используется в Евросоюзе. На примере образцовых мер твердости показан характер изменения универсальной твердости металла в зависимости от нагрузки и формы индентора.

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

Введение

Универсальная твердость представляет сопротивление конструкционных материалов упругому и пластическому деформированию инденторами в широком диапазоне прилагаемых нагрузок. В зависимости от того, какой формы индентор используется при индентировании в значительной мере различаются и значения универсальной твердости. Многообразие различных форм и геометрических параметров инденторов зачастую приводит к сложностям при сопоставлении результатов измерения универсальной твердости, полученных с помощью различных инденторов. Поэтому исследование зависимости универсальной твердости конструк-ционных материалов от формы и геометрических параметров применяемых инденторов имеет важное значение в современном машиностроении.

Анализ публикаций

В Евросоюзе широкое распространение в последнее время получил метод определения универсальной твердости, основанный на вдавливании в исследуемый материал инден-тора в виде пирамиды Берковича или Вик-керса. Значения универсальной твердости согласно стандарта Евросоюза [1] расчитывают по формуле

F 2

HU =-, N / mm (1)

А(И) У>

где F - нагрузка, Н; А(И) - площадь боковой

" 2 поверхности внедренной части индентора, мм .

Известно, что универсальная твердость в значительной степени зависит не только от формы применяемого индентора, но и от испытательной нагрузки, причем характер этой зависимости очень сложный и до настоящее-го времени полностью не изучен [2 - 6]. При определении универсальной твердости традиционно строят диаграмму индентирования, которая имеет типовой вид [7].

тах

Рис. 1. Диаграмма индентирования: 1 - на-гружение; 2 - разгрузка; F - нагрузка, Н; И - глубина внедрения индентора, мм

Цель и постановка задачи

Целью данной работы явилось определение универсальной твердости материалов при различных инденторах и нагрузках инденти-рования.

Определение универсальной твердости де-

талей машин

При использовании в качестве индентора шариков 02,5 мм, 05 мм, 010 мм универсальную твердость материалов предлагается определять по формулам (2), (3), (4)

НВ

НВ5

2,5

Р

7,854Чh

Р

15,708 Чh

;Н/мм2

;Н/мм2

НВ10 = -Р-

у 31,4159 ЧН

Н/мм2

(2)

(3)

(4)

где Р - сила сопротивления внедрению шарика, Н; Н - глубина внедрения шарика, мм.

При использовании в качестве индентора конуса с углом при вершине 120 ° и радиусом сферической части вершины 0,2 мм универсальную твердость следует рассчитывать по формуле (5)

НЯУ = -у £

Р

+ £

сф.к °бок.к

; Н/мм2 (5)

где £сф.к - площадь сферической части конуса,

мм2; £бок.к - площадь боковой поверхности

2

усеченного конуса, мм .

При использовании в качестве индентора пирамиды Берковича, универсальную твердость расчитывают по формуле (6) согласно схемы индентирования, приведенной на рис. 2.

НБ =

Р

Р

£

бок

26,4342ЧН2

,Н/мм2

(6)

где Р - сила сопротивления внедрению пирамиды, Н; Н - глубина внедрения конуса, мм.

В качестве образцов металла со стандартным, заранее известным значением твердости, были выбраны стальные бруски 120^75x18 мм с величиной твердости по Бринеллю 103 НВ, 176 НВ, 411 НВ.

В качестве инденторов использовались: шарики 0=2,5 мм, 0=5 мм, 0=10, мм, конус алмазный (а=120°), пирамида алмазная (а=136°). Измерения проводились на универсальном твердомере, модифицированном гидравлической станцией фирмы «Фесто» (Австрия) с целью плавного перемещения образца на индентор.

2 "вщ 3 ч 4

Р

Рис. 2. Схема измерения твердости конусом: Р - сила сопротивления внедрению индентора, Н; Н - глубина внедрения пирамиды, мм; а=63,03°

Рис. 3. Внешний вид универсального твердомера: 1 - гидравлическая станция; 2 -блок регистрации нагрузки; 3 - универсальный твердомер; 4 - индикатор регистрации глубины внедрения индентора; 5 - индентор; 6 - образец; 7 - гидроцилиндр

Нагрузка индентирования изменялась плавно в пределах от 0 до 2500 Н. Полученные результаты зависимости универсальной твердо-

сти от нагрузки для разных инденторов приведены на рис. 4 - 5.

Нагрузка,Н

Рис. 4. Зависимость универсальной твердости от нагрузки при индентировании шариками 02,5 мм; 05 мм; 010 мм; пирамидой Виккерса образцовой меры твердости 411 НВ

Нагрузка,Н

Рис. 5. Зависимость универсальной твердости от нагрузки при индентировании шариками 02,5 мм; 05 мм; 010 мм; пирамидой Виккерса образцовой меры твердости 103 НВ

Как следует из графиков, представленных на рис. 4, 5, характер изменения универсальной твердости в зависимости от формы индентора и нагрузки сложный и противоречивый, что требует для объяснения проведения дополнительных исследований.

Выводы

Характер изменения универсальной твердости различных стальных образцов в зависимости от формы инденторов и нагрузки различен. С увеличением нагрузки индентирования универсальная твердость увеличивается (индентор-шарик) или, наоборот, уменьшается (индентор-пирамида). Для более точной и логичной идентификации материалов по твердости рекомендуется использовать метод определения истинной твердости [8].

Литература

1. DIN 50359-1. Prüfung metallischer Werk-

stoffe. - Universalhärteprüfung. Teil 1: Prüfverfahren.

2. X.-L. Gao: Strain gradient plasticity solution

for an internally pressurized thick-walled spherical shell of an elastic linearhardening material. Mech. Adv. Mater. Struct. 13, 43, 2006.

3. K.L. Johnson: The correlation of indentation

experiments. J. Mech. Phys. Solids 18, 115, 1970.

4. X.-L. Gao, X.N. Jing, and G. Subhash: Two

new expanding cavitymodels for indentation deformations of elastic strain-hardening materials. Int. J. Solids Struct. 43, 2193, 2006.

5. W.W. Gerberich, N.I. Tymiak, J.C. Grunlan,

M.F. Horstemeyer, and M.I. Baskes: Interpretations of indentation size effects. ASME J. Appl. Mech. 69, 433, 2002.

6. W.D. Nix and H. Gao: Indentation size effects

in crystalline materials: A law for strain gradient plasticity. J. Mech. Phys. Solids 46, 411, 1998.

7. ISO/DIS 14577-1. Metallische Werkstoffe -

Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter. Teil 1: Prüfverfahren.

8. Мощенок В.И. Определение истинной

твердости деталей дорожных машин ин-денторами различной формы // Вестник ХНАДУ / Сб. научн. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2007. -Вып. 38. - С.285 - 289.

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

Статья поступила в редакцию 14 июня 2007 г.