CC BY
94
УДК 620.178.151.6
ЗАВИСИМОСТЬ РАЗМЕРНОГО ЭФФЕКТА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ УНИВЕРСАЛЬНОЙ ТВЕРДОСТИ ОТ ГЕОМЕТРИИ ИНДЕНТОРА
В.И. Мощенок, профессор, к.т.н., И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., С.И. Бондаренко, доцент, к.т.н., А.А. Ляпин, ассистент,
И.С. Татаркина, студент, ХНАДУ
Аннотация. Приведены результаты исследования влияния геометрии инден-тора на величину и характер изменения универсальной твердости мягкой и твердой стали в зависимости от прилагаемой нагрузки. Выявлены условия для реализации размерного эффекта.
Ключевые слова: универсальная твердость, индентор, стальной шарик, алмазный конус, алмазная пирамида, размерный эффект, нагрузка, глубина внедрения индентора.
Введение
В производстве, а также при ремонтно-восстановительных работах всевозможной техники требуется многообразие металлических материалов и методов их обработки с целью обеспечения необходимого комплекса механических свойств для надежной эксплуатации.
Широко используемым, а иногда и
единственно возможным способом контроля качества изделий является определение твердости. При этом в каждом конкретном случае используется тот или иной метод ее измерения. Наиболее распространенные статические методы (Бринелля, Роквелла, Виккерса), по мнению многих авторов [1, 2] дают лишь условные, очень усредненные значения твердости, не отражают поведения материала в процессе испытания и не всегда сопоставимы между собой.
По твердости могут быть определены многие характеристики материала: упругие свойства, сопротивление пластической деформации и разрушению, адгезионная прочность, трибологические показатели и т.п. В связи с этим необходима как можно более конкретная и точная оценка твердости изучаемого ма-тери-ала.
Анализ публикаций
В настоящее время все чаще используется метод кинетической твердости (непрерывного индентирования), в соответствии с которым определяется расчетное значение универсальной твердости - Ну - как отношение максимальной приложенной нагрузки F к контактной площади лунки под нагрузкой А.
F 2
Я =— Н/мм2. (1)
у А '' '
В процессе формирования отпечатка при непрерывном индентировании реализуется широкий спектр значений скоростей относительной деформации и размеров деформированного металла (глубины отпечатка) в зависимости от прилагаемой нагрузки и формы индентора, что должно сказываться на значениях твердости.
В работах [3 - 6] установлено, что универсальная твердость в значительной степени зависит от формы, геометрических параметров индентора и величины приложенной нагрузки. Однако характер этой зависимости сложный и до сего времени полностью не изучен.
Многие авторы отмечают резкое повышение твердости при малых нагрузках. Такое явление получило название «размерный эффект
при индентировании» [7], что необходимо учитывать при определении твердости.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы явилось изучение влияния геометрии индентора на величину и характер изменения универсальной твердости мягкой и твердой стали в зависимости от прилагаемой нагрузки и влияние условий реализации размерного эффекта.
Определение универсальной твердости стали
Определялась универсальная твердость образцовых мер мягкой (103НВ) и твердой (411НВ) стали с применением стальных закаленных шариков разного диаметра (2,5; 5 и 10 мм), алмазного конуса и пирамиды Виккерса.
Предложены расчетные формулы для определения универсальной твердости материалов с использованием разных инденторов.
При измерении твердости шариками разного диаметра рекомендуются формулы (2) - (4)
(при глубине внедрения конуса h > 0,027 мм)
В случае использования пирамид Виккерса твердость определяется по формуле (7)
нП
F
26,428ЧИ2
Н/мм2.
(7)
В приведенных формулах F - сила сопротивления материала внедрению соответствующего индентора (нагрузка на индентор) в Н, а И - глубина внедрения индентора в мм.
На рис. 1 представлены кривые универсальной твердости для двух исследованных сталей, полученные при использовании разных инденторов.
нш
F
7,854ЧИ
Н/мм2 ;
(2)
нш
F
15,708ЧИ
Н/мм2
(3)
нш
F
31,4159 ЧИ
Н/мм2
(4)
Используя в качестве индентора алмазный конус с углом при вершине 120° и радиусом сферической части вершины 0,2 мм, твердость следует рассчитывать по формулам
(5) - (6)
н
к 120
F
1,257 ЧИ
Нл/м
(5)
(при глубине внедрения конуса И \ 0,027 мм) F
нк
10,88 ЧИ2 + 0,66824 ЧИ + 0,00796
-Н/мм
б
Рис. 1. Зависимость универсальной твердости мягкой (а) и твердой (б) стали от геометрии индентора и величины нагрузки
«Рваный» вид кривых обусловлен шероховатостью поверхности и свидетельствует о большой точности показаний твердости.
а
2
При индентировании шариками разного диаметра характер кривых изменения твердости для обеих сталей принципиально одинаков, но, естественно, значения твердости существенно различаются. С увеличением нагрузки твердость, определяемая вдавливанием шарика диаметром 2,5 мм, интенсивно растет при нагружении до 500 Н, затем рост замедляется и при нагрузке более 1700 Н твердость остаётся практически неизменной.
Аналогичные зависимости получены и при использовании шариков диаметром 5 и 10 мм. Но обращает на себя внимание менее интенсивный рост твердости с увеличением нагрузки, особенно для твердой стали (рис. 1, б). Как и следовало ожидать, самая низкая твердость у обеих сталей получена при измерении шариком диаметром 10 мм, что обусловлено величиной площади деформированного металла под индентором.
Принципиально иной характер имеют кривые твердости, определяемой пирамидой Виккерса. С увеличением нагрузки до 500 Н твердость интенсивно понижается, а при нагружении свыше 1000 Н остается неизменной. У обеих сталей наблюдается размерный эффект, наиболее резко выраженный при нагрузках менее 100 Н для мягкой стали (рис. 1, а) и менее 50 Н для твердой стали (рис. 1, б).
Для твердой стали при малых нагрузках (до 50 Н) твердость растет заметно интенсивней и по абсолютным значениям существенно выше. При использовании в качестве инден-тора алмазного конуса изменение кривой твердости при увеличении нагружения имеет сложный характер с двумя максимумами в области малых нагрузок (до 100 Н). У мягкой стали при повышении нагрузки твердость плавно снижается (рис. 1, а), а у твердой -возрастает (рис. 1, б). Размерный эффект в твердой стали отсутствует, а в мягкой - фиксируется не столь значительное повышение твердости (с 1500 до 2500 Н), как в случае индентирования пирамидой Виккерса. Такой противоречивый характер изменения кривой твердости для сталей с разной пластичностью, по всей видимости, объясняется особенностями геометрии алмазного конуса, а именно, наличием у вершины сферической части, что нашло отражение в формулах (5 и 6). Следует отметить, что твердость зависит от структуры и свойств изучаемого материала, а также во многом определяется условиями испытания. Твердость нельзя рассматри-
вать как «простое» свойство, поскольку во время испытаний в зависимости от нагрузки и индентора создается сложная картина очень высоких локальных напряжений и реализуется несколько механизмов их релаксации, в первую очередь зависящих от геометрии индентора.
Выводы
Универсальная твердость как для мягкой, так и для твердой стали существенно зависит от геометрической формы индентора. При определении универсальной твердости сферическими инденторами разного диаметра при непрерывном приложении нагрузки размерный эффект не проявляется. Наиболее интенсивно размерный эффект проявляется при определении универсальной твердости пирамидой Виккерса.
Литература
1. Золотаревский В.С. Механические свой-
ства материалов. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.
2. Бронштейн М.А., Займовский В.С. Меха-
нические свойства материалов. - М.: Металлургия, 1979. - 495 с.
3. Gao X.-L. Strain gradient plasticity solution
for an internally pressurized thick-walled spherical shell of an elastic linearhardening material. Mech. Adv. Mater. Struct., -2006. - № 13. - 43 р.
4. Johnson K.L. The correlation of indentation
experiments. J. Mech. Phys. Solids. - 1970. - № 18. - 115 р.
5. Gao X.-L., Jing X.N. and Subhash G. Two
new expanding cavitymodels for indentation deformations of elastic strain-hardening materials. Int. J Solids Struct. - 2006. -№ 43.-2193 р.
6. Gerberich W.W., Tymiak N.I., Grunlan J.C.,-
Horstemeyer M.F. and Baskes M.I. Interpretations of indentation size effects. ASME J. Appl. Mech. - 2002. - № 69. -433 p.
7. Gubicza Y., Rozlosnik N., Yuhauz A. Comment
on Indentation Size Effect: reality or artifact // Journal of materials science, letter, 1997, 1904 p.
Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д.ф.-м.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 14 августа 2008 г.
