CC BY
78
УДК 620.17
СРАВНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЧНОСТИ, ОПРЕДЕЛЁННОЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА РАСТЯЖЕНИЕ, И ПО ЗНАЧЕНИЯМ ТВЁРДОСТИ
В.И. Мощенок, проф., к.т.н., Н.А. Лалазарова, доц., к.т.н., П.В. Дощечкина, доц., к.т.н., С.В. Демченко, асп., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Проведено сравнение показателей прочности при испытаниях на растяжение и определённых согласно эмпирическим зависимостям по твёрдости, которую измеряли на твердомере Бринелля и на гипертвердомере.
Ключевые слова: прочность, твердость, индентирование, растяжение, гипертвердомер, твердомер Бринелля.
ПОР1ВНЯННЯ ПОКАЗНИК1В М1ЦНОСТ1, ВИЗНАЧЕНИХ П1Д ЧАС ВИПРОБУВАНЬ НА РОЗТЯГ, ТА ЗА ЗНАЧЕНИЯМИ ТВЕРДОСТ1
B.I. Мощенок, проф., к.т.н., И.О. Лалазарова, доц., к.т.н., I.B. Дощечкша, доц., к.т.н., С.В. Демченко, асп., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Проведено пор1вняння показниюв M^uocmi nid час випробуванъ на розтяг i визначе-них зг1дноз емтричними залежностями за meepdicmw, яку вим1рювали на meepdoMipi Бртелля i на zinepmeepdoMipi.
Ключов1 слова: мщтстъ, meepdicmb, тдентування, розтяг, zinepmeepdoMip, meepdoMip Бртелля.
COMPARISON OF THE STRENGTH FACTORS DEFINED IN A TENSILE-STRENGTH TEST AND BY MEASURING HARDNESS
V. Moschenok, Prof., Cand. Sc. (Eng.), N. La^arova, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), I. Doshchechkina, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), S. Demchenko, P.G., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The paper attempts to compare the strength factors defined in tensile-strength tests and those obtained according to empirical relationships for hardness, as measured by Brinell hardness tester and by the hyper hardness tester.
Key words: strength, hardness, indentation, tension, hyper hardness tester, Brinell hardness tester.
Введение
Такие важные свойства материалов, как прочность и пластичность определяют испытаниями на растяжение. Методика проведения этих испытаний требует изготовления стандартных образцов, а это не всегда возможно. В этом случае заслуживает внимания существующее положение, что необязательно оценивать поведение материала при том виде нагружения, при котором он работает
[1]. При вдавливании индентора (измерение твёрдости) материал ведёт себя аналогично растяжению: сначала испытывает упругую деформацию, затем пластическую и, наконец, разрушение. Это позволяет оценивать прочность и пластичность по показателям твёрдости материалов, у которых существуют эмпирические зависимости между этими свойствами. Популярность этого свойства объясняется простотой его реализации и универсальностью: не нужно изготавливать
специальные образцы; можно непосредственно измерять твёрдость изделий, которые эксплуатируются; контролировать свойства любых материалов; оценивать качество крупногабаритных деталей во время технических остановок; твердометрия не требует специальной подготовки персонала [2].
Анализ публикаций
Для оценки качества изделий на производстве наиболее распространёнными методами измерения твёрдости материалов являются Бринелль, Роквелл и Виккерс.
При измерении твёрдости по Бринеллю, согласно стандарту ДСТУ ISO 6506-1:2007 (ISO 6506-1:2005, IDT) «Матер1али металевг Визначення твердосп за Бршеллем. Частина 1. Метод випробування», в качестве инден-тора используют твёрдые шарики различных диаметров. Интервал усилий нагружения ин-дентора - 9,8 Н-29,4 кН. Имеется 25 шкал для выбора усилия нагружения и диаметра индентора, что усложняет выбор условий испытаний различных материалов, особенно при необходимости проведения экспресс-анализа [3]. Кроме того, метод Бринелля пригоден только для достаточно мягких материалов, а также изделий определённой толщины с учётом диаметра индентора и, следовательно, отпечатка.
В тех случаях, когда невозможно или сложно оценить показатели статической прочности, пластичности, контактной выносливости, единственным способом оценки этих свойств является твёрдость. Для различных групп материалов существуют эмпирические зависимости, устанавливающие связь этих свойств с твёрдостью по Бринеллю. Так, для сталей с твёрдостью 120-170 HBW зависимость между прочностью и твёрдостью имеет вид [4]
св = 0,34 • HB; (1)
для сталей с твёрдостью 170-450 HBW
св = 0,35 • HB; (2)
для сплавов на основе меди
св = 0,45 • HB. (3)
По твёрдости также можно оценить предел выносливости и предел контактной выносливости стали
св = (0,12 - 0,15) • НВ; (4) с- = 0,2 • НВ. (5)
Показатели предела выносливости и контактной выносливости во многих случаях очень важны, поскольку 90 % деталей машин эксплуатируются в условиях циклических нагрузок и выходят из строя по причине низкой усталостной прочности.
Зависимость между пластичностью и твёрдостью имеет вид [5]
у = 0,316 • 1п(1000Нг), (6) где НТ - твёрдость исследуемого металла.
Следует иметь в виду, что все приведенные зависимости - приближённые и могут быть использованы только для пластичных материалов.
Однако чтобы с большей точностью оценить прочность и пластичность по эмпирическим зависимостям, необходимо иметь как можно более точные значения твёрдости.
Цель и постановка задачи
Целью настоящего исследования было сравнение показателей прочности, полученных при испытаниях на растяжение и рассчитанных по эмпирическим зависимостям с использованием значений твёрдости, определённых на разных приборах.
Материал и методика исследований
Исследовали механические свойства отожжённой стали 40Х. Твёрдость определяли на образцах диаметром 130 мм, толщиной 20 мм; прочность и пластичность - на стандартных образцах Н0=6 мм, /0=30 мм. Испытания на растяжение производили на разрывной машине модели ШТ STM 50 (максимальная нагрузка - 50 кН) (рис. 1, а). Измерения твёрдости также выполняли на этой же машине, которая была модернизирована для работы в режиме твердомера (гипертвердомера). Для этого был установлен
узел крепления индентора и отработаны параметры нагружения (рис. 1, б).
Индентирование производили с использованием твердосплавных шариков 0 2,5, 5 и 10 мм. При индентировании на приборе Бри-нелля и на гипертвердомере нагрузка была одинакова. Скорость индентирования -1,0 мм/мин, время выдержки под нагрузкой -10 с.
Твёрдость также определяли на стационарном приборе Бринелля модели ЦТ НВА-1 (рис. 2).
Диаметр отпечатков определяли с высокой точностью, используя измерительный комплекс, включающий цифровой микроскоп, подключенный к компьютеру, и программу Scope Photo (рис. 3).
Рис. 2. Прибор Бринелля модели UIT HBW-1
Рис. 3. Измерительный комплекс
Рис. 1. Разрывная машина ЦТ STM 50 (а) и узел крепления индентора гипертвердомера (б)
Твёрдость по Бринеллю рассчитывали по параметрам восстановленного отпечатка
F
HBW = — ,МПа.
S
Исследования выполнялись согласно ДСТУ ISO 6506-1:2007. Каждое измерение повторяли 3 раза.
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты измерений твёрдости отожжённой стали 40Х на приборе Бринелля и на гипертвердомере приведены в табл. 1. Из таблицы следует, что с увеличением диаметра индентора твёрдость несколько увеличивается и в случае измерения на гипертвердомере её абсолютные значения выше.
Результаты испытаний на растяжение приведены в табл. 2, из которой следует, что временное сопротивление, определённое по эмпирической зависимости с учётом твёрдости, измеряемой на гипертвердомере, по значению более близкое к значению прочности, полученному при испытаниях на растяжение.
Это объясняется тем, что показатели прочности и твёрдости измерялись на одном приборе с одинаковой ошибкой регистрации полученных результатов. Полученный результат
Следует отметить, что гипертвердомер позволяет также оценить твёрдость при нагрузках эксплуатации деталей, которые не могут быть реализованы в случае использования прибора Бринелля.
Выводы
Временное сопротивление, рассчитанное согласно эмпирической зависимости по твёрдости, измеренной на гипертвердомере, более близкое по своему значению к величине, определённой при испытаниях на растяжение.
Использование комплекса «гипертвердомер - разрывная машина» позволяет более точно оценивать прочность по показателям твёрдости, так как они определялись в одних условиях испытания, на одном оборудовании и с одинаковой степенью погрешности.
Гипертвердомер позволяет проводить измерения твёрдости при больших нагрузках, которые не могут быть реализованы на приборе Бринелля.
Литература
1. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твёрдости /
позволяет более точно оценить прочность металла по твёрдости, поэтому использование гипертвердомера для оценки прочности является обоснованным.
М.П. Марковец. - М.: Машиностроение, 1979. - 190 с.
2. Мощенок В.И. Новые методы определения
твердости материалов: монография /
B.И. Мощенок. - 2-е изд., доп. и пере-раб. - X.: ХНАДУ, 2013. - 323 с.
3. Матер1али металевг Визначення тверд ocri
за Бршеллем. Частина 1. Метод випро-бування (ISO 6506-1:2005, IDT): ДСТУ ISO 6506-1:2007. - [Чинний вщ 2009-01-01]. - К.: Держспоживстандарт Украши, 2010. - 12 с.
4. Материаловедение: учебник / С. С. Дьячен-
ко, И.В. Дощечкина, A.A. Мовлян, А.И. Плешаков. - X.: ХНАДУ, 2010. -462 с.
5. Густов Ю.И. Исследование взаимосвязей
пластичности и твердости сталей стандартных категорий прочности / Ю.И. Густов, И.В. Воронина, Х.Л. Ал-латтуф // Вестник МГСУ. - 2013. - №3. -
C.46-52.
Рецензент: Е.С. Венцель, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 8 апреля 2016 г.
Таблица 1 Результаты измерений твёрдости стали 40Х после отжига
Метод и параметры измерений Результаты измерений параметров
Твердомер Бринелля Диаметр индентора, мм 2,5 5 10
Нагрузка, F, N 1839 7355 29420
Диаметр отпечатка, Н, мм 1,18 2,34 4,64
Площадь отпечатка, 5", мм2 1,17 4,58 17,88
Твёрдость НВА 1571 1605 1645
Гипертвердомер Нагрузка, F1, N 1883 7740 29600
Диаметр отпечатка, Н1, мм 1,17 2,34 4,43
Площадь отпечатка, 51, мм2 1,15 4,52 16,33
Твёрдость НВА1 1637 1712 1812
Таблица 2 Результаты определения ст,
F Н 1 max, Н0, мм2 ств, МПа
16950 5,75 На разрывной машине ств=653 По эмпирической зависимости (твердомер Бринелля) ctb=0,34-HBW=559 По эмпирической зависимости (гипертвердомер) ctbi=0,35-HBWi=634
