Научная статья на тему 'Размерный эффект в значениях твёрдости материалов'

Размерный эффект в значениях твёрдости материалов Текст научной статьи по специальности «Приборы неразрушающего контроля изделий и материалов»

CC BY
266
54
Поделиться
Ключевые слова
универсальная твердость / истинная твердость / индентор / шарик / конус / пирамида

Похожие темы научных работ по приборостроению , автор научной работы — Мощенок Василий Иванович, Дощечкина Ирина Васильевна, Ляпин Александр Александрович,

The calculated method of determining universal and true hardness was suggested. Hardness dependence on the indenter geometrical form, value and character of applied leading was shown. Conditions of an indenter with realization of size effect were revealed. It has been recommended to calculate not universal but true hardness for obtaining real values.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Размерный эффект в значениях твёрдости материалов»

УДК 620.178.1516

РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ В ЗНАЧЕНИЯХ ТВЁРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ

В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., А.А. Ляпин, инженер, ХНАДУ

Аннотация. Предложен расчётный метод определения универсальной и истинной твёрдости материалов, показана её зависимость от геометрической формы индентора, величины и характера прилагаемой нагрузки. Выявлены условия индентирования с реализацией размерного эффекта. Рекомендовано для идентификации материалов по твердости реальных значений рассчитывать не универсальную, а истинную твёрдость.

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

Введение

Определение твёрдости - простой и доступный неразрушающий вид механических испытаний. Пользуясь им, осуществляют экспресс-контроль качества изделий во многих отраслях народного хозяйства, а также проводят исследования по распознанию веществ, изучению их фазово-структурных превращений. Особенно значима возможность косвенной оценки других механических характеристик материалов по твёрдости, если между ними имеется определённая корреляция. Значения твёрдости широко используются для качественного рассмотрения связи между свойствами и структурой, а также для изучения поведения материала в эксплуатации. Число твёрдости может служить надёжным показателем его упругих свойств, сопротивления пластической деформации и разрушению. В связи с этим твёрдость должна быть как можно более точной и конкретной характеристикой изучаемого материала.

Анализ публикаций

Твёрдость зависит не только от свойств материала, но и от условий испытания. В общем случае твёрдость является интегральной характеристикой и поэтому особое значение приобретает подбор условий измерения (ин-дентора, величины и характера прилагаемой нагрузки, выдержки под нагрузкой, скорости

деформации под индентором), когда получаемые результаты будут одинаково зависеть от одних и тех же механических свойств изучаемого тела.

Существует много методов определения твёрдости. Наиболее распространены методы (Бринелля, Роквелла, Виккерса), в которых используется статическое вдавливание ин-денторов разной геометрической формы под фиксированной нагрузкой. По мнению многих авторов [1, 2] они дают условную, очень усреднённую оценку твёрдости и не отражают поведения материала в процессе испытания.

В последние годы для определения твёрдости всё шире используется способ непрерывного индентирования, который известен как метод кинетической твёрдости [3]. В исследуемый материал индентор вдавливается непрерывно и регистрируются два основных параметра: приложенная нагрузка и глубина внедрения индентора. Евростандартом [4] также предусмотрено кинетическое инденти-рование и рекомендуется определять расчетное значение универсальной твердости по отношению максимально приложенной нагрузки к контактной площади лунки под нагрузкой. Более точный характер изменения твердости от нагрузки дают способы ее оценки, рекомендованные авторами работы [5], где твердость предлагается оценивать по от-

ношению силы сопротивления внедрению индентора к объему его внедренной части. Такую твердость материалов авторы назвали истинной.

В процессе формирования отпечатка при внедрении индентора реализуется широкий спектр значений скоростей относительной деформации и величин сдеформированного металла (глубин отпечатка) под влиянием как величины прилагаемой нагрузки, так и формы индентора, что сказывается на значениях твердости. В работах многих авторов отмечается, что независимо от метода инден-тирования при малых нагрузках обнаруживаются более высокие значения твердости, а при увеличении нагрузки твердость понижается. Такое явление получило название «размерный эффект при индентировании» [6] и его необходимо учитывать в испытаниях на твердость.

Цель и постановка задачи

В данной работе поставлена цель - изучить влияние вида индентора, величины и характера прилагаемой нагрузки на значения универсальной и истинной твердости материалов и предложить наиболее объективную ее оценку.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Определение универсальной и истинной твердости деталей машин

На начальной стадии были получены зависимости площади и объема внедренной части разных инденторов от глубины их вдавливания в поверхность исследуемого материала. (рис. 1).

Глубина внедрения индентора h,MM

Глубина внедрения индентора h ,1

б

Рис. 1. Зависимость площади (а) и объема (б) внедренной части инденторов различной геометрической формы от глубины внедрения: 1 - шарик диаметром 10 мм; 2 -шарик диаметром 5 мм; 3 - шарик диаметром 2,5 мм; 4 - пирамида Берковича;

5 - пирамида Виккерса; 6 - конус

Полученные результаты (рис. 1а и 1б) свидетельствуют, что для одной и той же глубины вдавливания наибольшие площадь и объем внедренной части индентора фиксируются для шарика диаметром 10 мм, а наименьшие - для конуса.

По абсолютным значениям эти данные существенно разнятся. Так, на глубине 0,3 мм площадь внедренной части конуса равна 1,1 мм2, а сферы 0 10 мм - 9,3 мм2 (рис. 1а), объем соответственно равен 0,125 мм3 и 1,35 мм3 (рис. 1б).

Зная площадь и объем внедренной части ин-дентора, можно рассчитать универсальную (Ну) и истинную (Ни) твердость материала при индентировании разными инденторами (шариками диаметром 2,5; 5 и 10 мм; алмазным конусом; пирамидами Берковича и Виккерса).

Для шариков разного диаметра твердость Ну и Ни рассчитывают по формулам (1) - (6).

а) универсальная твердость:

HB2,5 = - =

P P S 7,8544h

;Н/мм

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(1)

а

5 PP 2

HB5 = - =-----;Шмм2 (2)

у S 15,7084h

HBW= —= P у " S~ 31,41594h

;H/мм2 (3)

б) истинная твердость:

F

V 1,04719 4h 4(3,75 - h)

F

V 1,047194h 4(7,5 - h)

;Шмм3 (4)

;H/мм3 (5)

->10 F

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

HB1: = — =

F

V 1,04719 4h 4(15 - h)

;Шмм3 (6)

где F - сила сопротивления внедрению шарика, Н; h - глубина внедрения шарика, мм;

S - 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, универсальную и истинную твердость следует рассчитывать по формулам (7) - (10):

а) универсальная твердость при глубине внедрения шарика h J 0,027 мм:

k F 2

HRk = -----------;Шмм2

у 1,257 4h

(7)

HR =

Н/мм3

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

F

3,14144h3 + 0,28954h2 + 0,00894h- 0,000069

(10)

где F - сила сопротивления внедрению конуса, Н; &ф.к - площадь сферической части конуса, мм2; 5бок.к - площадь боковой поверхности усеченного конуса, мм2; V - объем вне-

^ 3

дренной части конуса, мм3.

В случае, если индентором является пирамида Виккерса, универсальную и истинную твердость определяют по формулам (11) -(12):

а) универсальная твердость:

F F

HVv =

у S

бок

26,4284h2

(11)

б) истинная твердость:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

F

HV, = — =

F

V 8,168 4h3

;Н/мм3

(12)

где F - сила сопротивления внедрению пирамиды, Н; h - глубина внедрения пирамиды, мм; ^бок - площадь боковой поверхности внедренной части пирамиды, мм внедренной части пирамиды, мм3.

Для индентора - пирамиды Берковича с углом между гранями 130,06°, универсальную и истинную твердость определяют по формулам (13) - (14):

б) истинная твердость при глубине внедрения шарика h \ 0,027 мм:

HR =

F

1,0472 4h 4(0,6 - h)

;Н/мм3 (8)

в) универсальная твердость при глубине внедрения шарика h \ 0,027 мм:

HRк, =

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

F

(9)

10,88 4h2 + 0,66824 4h + 0,00796

;Н/мм2

а) универсальная твердость:

НБу

F

F

S

бок

26,4342Nh:

;Н/мм2 (13)

б) истинная твердость:

НБ65 03 = F =

F

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

V 10,3107 4h

;Н/мм2 (14)

где F - сила сопротивления внедрению пирамиды, Н; h - глубина внедрения пирамиды, мм; Sбок - площадь боковой поверхности внедренной части пирамиды, мм2; V - объем внедренной части пирамиды, мм3.

г) истинная твердость при глубине внедрения шарика h i 0,027 мм:

Авторами были рассчитаны зависимости универсальной и истинной твердости от глу-

бины внедрения инденторов различной геометрической формы под постоянной и прогрессирующей нагрузками (рис. 2, 3).

Глубина внедрения индентора h,мм

а

б

ний как универсальной, так и истинной твердости, что свидетельствует о наличии значительного размерного эффекта при ин-дентировании. При этом абсолютное значение истинной твердости на порядок выше показателей универсальной твердости.

а

Глубина внедрения индентора ^мм

Рис. 2. Зависимость универсальной (а) и истинной твердости (б) от глубины внедрения индентора различной геометрической формы под постоянной нагрузкой F=1000 Н: 1 - шарик диаметром 10 мм; 2 -шарик диаметром 5 мм; 3 - шарик диаметром 2,5 мм; 4 - пирамида Берковича; 5 -пирамида Виккерса; 6 - конус

При условии погружения индентора в поверхность испытуемого материала под постоянной нагрузкой (1000 Н), как и следовало ожидать, самые низкие значения универсальной (рис. 2, а) и истинной (рис. 2, б) твердости имеют место при индентировании шариком максимального диаметра (10 мм), а самые высокие значения - при индентировании алмазным конусом, что согласуется с данными рис. 1. Следует отметить, что независимо от вида индентора в области малых глубин внедрения (для шариков при h до

0,1 мм, для алмазных наконечников h до 0,2 мм) наблюдается резкое повышение значе-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

б

Рис. 3. Зависимость универсальной (а) и истинной твердости (б) от глубины внедрения индентора различной геометрической формы под прогрессирующей нагрузкой: 1 - шарик диаметром 10 мм; 2 - шарик диаметром 5 мм; 3 - шарик диаметром 2,5 мм; 4 - пирамида Берковича; 5 - пирамида Виккерса; 6 - конус

Аналогичная картина наблюдается при определении истинной твердости материала под возрастающей нагрузкой (рис. 3, б). Однако при индентировании шариками резкое повышение твердости смещено в область меньших глубин внедрения (~0,05 мм), т.е. в область значительно меньших нагрузок.

Что же касается универсальной твердости, определенной под воздействием прогрессирующего нагружения на индентор, то картина здесь абсолютно иная (рис. 3, а). При ин-дентировании шариками размерный эффект

не регистрируется. При использовании конуса твердость повышается до его погружения на глубину ~0,027 мм, а затем нивелируется. Это можно объяснить тем, что при меньшей глубине внедряется в материал сферическая часть конуса с большим радиусом (0,2 мм).

При индентировании алмазной пирамидой размерный эффект имеет место и наиболее значимый при глубине ее внедрения в поверхность тела < 0,05 мм.

Для более детального исследования явления размерного эффекта при индентировании сферическими поверхностями были определены значения универсальной и истинной твердости при меньших глубинах внедрения шарика малого диаметра (2,5 мм) как при постоянной, так и возрастающей нагрузке (от 25 до 500 Н). Результаты представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 Значения универсальной и истинной

твёрдости при испытании шариком 02.5 мм при постоянной нагрузке Р=1000Н

Полученные данные подтверждают отсутствие размерного эффекта только при определении универсальной твердости в условиях внедрения шариком под возрастающей нагрузкой (табл. 2). Во всех остальных случаях эффект присутствует и вносит очень существенную поправку в оценку универсальной и особенно истинной твердости.

В работах многих ученых размерный эффект экспериментально зафиксирован при микро-и наноиндентировании алмазной пирамидой

разных материалов, высказаны различные суждения о его причинах. Однако единого мнения нет, а существуют десятки гипотез, свидетельствующих о том, что твёрдость нельзя рассматривать, как «простое» свойство, поскольку во время испытаний в зависимости от нагрузки и формы индентора создается сложная картина очень высоких локальных напряжений и реализуется несколько механизмов их релаксации, которые в последнее время тщательно исследуются и анализируются.

Таблица 2 Значения универсальной и исти нной твёрдости при испытании шариком 02,5 мм с увеличивающейся нагрузкой с шагом 25 Н

Р, Н h, мм НВУ НВИ

25 0,004 795,7729 398315,096

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

50 0,008 795,7729 199370,437

75 0,012 795,7729 133055,854

100 0,016 795,7729 99898,7916

125 0,02 795,7729 80004,7373

150 0,024 795,7729 66742,1878

175 0,028 795,7729 57269,07

200 0,032 795,7729 50164,3475

225 0,036 795,7729 44638,5553

250 0,04 795,7729 40218,0148

275 0,044 795,7729 36601,294

300 0,048 795,7729 33587,4381

Однако бесспорным является существование размерного эффекта в определенных условиях испытания макро-, микро- и нанотвердости и его необходимо учитывать как при оценке самой твердости, так и других физико-механических свойств (если между ними имеется корреляция), а также при аттестации состояния поверхности, в большинстве случаев определяющей работоспособность изделий.

Выводы

В работе предложены расчетные формулы для определения универсальной и истинной твердости материалов с использованием различных видов инденторов (шариков, конуса, пирамид Берковича и Виккерса).

Доказано, что универсальная и истинная твердость материала зависят прежде всего от

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Р, Н h, мм НВУ НВи

1000 0,004 31830,91 15932603,9

1000 0,008 15915,46 3987408,74

1000 0,012 10610,3 1774078,06

1000 0,016 7957,729 998987,916

1000 0,02 6366,183 640037,898

1000 0,024 5305,152 444947,919

1000 0,028 4547,273 327251,829

1000 0,032 3978,864 250821,737

1000 0,036 3536,768 198393,579

1000 0,04 3183,091 160872,059

1000 0,044 2893,719 133095,615

1000 0,048 2652,576 111958,127

геометрической формы индентора, глубины его внедрения, характера прилагаемой нагрузки.

Выявлен размерный эффект при индентиро-вании пирамидами Виккерса, Берковича, конусом (при глубине внедрения больше 0,027 мм).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В случае определения универсальной твёрдости при индентировании сферическими ин-денторами с прогрессирующей нагрузкой и глубиной внедрения размерный эффект не проявляется.

Для получения реальных значений твердости необходимо проводить испытания алмазной пирамидой (Виккерса, а лучше Берковича) в широком диапазоне нагрузок и рассчитывать истинную твердость, учитывающую максимальный размерный эффект во всем интервале индентирования, особенно при низких усилиях внедрения.

Литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства ма-

териалов. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

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

3. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание матери-

алов непрерывным вдавливанием индентора. -М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

4. DIN 50359-1. Prüfung metallischer Werkstoffe -Universalhärteprüfung. Teil 1: Prüfverfahren.

5. Мощенок В.И. Определение истинной твердости деталей дорожных машин инденторами различной формы // Вестник ХНАДУ. - Харьков: ХНАДУ. - 2007. - Вып. 38. - С. 285.

6. Gubicza Y., Rozlosnik N., Yuhauz A. Comment on Indentation Size Effect: reality or artifact // Journal of materials science, letter 16, 1997. -P. 1904.

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

Статья поступила в редакцию 12 декабря 2007 г.