ИнтехЮнион

Определение твердости по Бринеллю методом инструментированного индентирования

Понедельник, 28 Январь 2013 09:35
Оцените материал
(2 голосов)

Проведен сравнительный анализ известных методик определения твердости по Бринеллю методом инструментированного индентирования. Показаны достоинства предлагаемой методики Института проблем прочности (ИПП).

 О.А. Каток, научн. сотр., к.т.н., Н.П. Рудницкий, ст. научн. сотр., к.т.н., В.В. Харченко, профессор, д.т.н., Институт проблем прочности имени Г.С. Писаренко НАН Украины, г. Киев

Аннотация. Проведен сравнительный анализ известных методик определения твердости по Бринеллю методом инструментированного индентирования. Показаны достоинства предлагаемой методики Института проблем прочности (ИПП).

Ключевые слова: твердость по Бринеллю, метод инструментированного индентирования, диаграмма инструментированного индентирования, глубина вдавливания индентора.

ВИЗНАЧЕННЯ ТВЕРДОСТІ ЗА БРІНЕЛЛЕМ МЕТОДОМ ІНСТРУМЕНТОВАНОГО ІНДЕНТУВАННЯ

О.А. Каток, наук. співр., к.т.н., М.П. Рудницький, ст. наук. співр., В.В. Харченко, професор, д.т.н., Інститут проблем міцносп ім Г.С. Писаренка НАН України, м. Київ

Анотація. Проведено порівняльний аналіз відомих методик визначення твердості за Брінеллем методом інструментованого індентування. Показано переваги запропонованої методики Інституту проблем міцності (ІПМ).

Ключові слова: твердість за Брінеллем, метод інструментованого індентування, діаграма інструментованого індентування, глибина вдавлювання індентора.

DETERMINATION OF BRINELL HARDNESS USING INSTRUMENTED INDENTATION TECHNIQUE

O. Katok, researcher, Candidate of Technical Science, M. Rudnytskyi, senior researcher, Candidate of Technical Science, V. Kharchenko, Professor, Doctor of Technical Science, Institute of Strength Problems after H. Pisarenko,

NAS of Ukraine, Kyiv

Abstract. A comparative analysis of the known procedures for determining the Brinell hardness using the instrumented indentation technique is carried out. The advantages of the technique developed by the Institute Strength Problems (IPS) are shown.

Key words: Brinell hardness, instrumented indentation test method, instrumented indentation curve, indentation depth.

Введение

В мировой практике значительное внимание уделяется усовершенствованию неразру-шающих методов контроля состояния метал­ла ответственного оборудования в процессе эксплуатации.
Анализ публикаций
Регистрация диаграммы индентирования в координатах усилие - глубина вдавливания индентора (метод инструментированного индентирования) [1] при неразрушающих испытаниях   металла   позволяет   получатьПодпись:
намного больше информации о состоянии материала по сравнению со стандартными испытаниями на твердость. На основе обра­ботки таких диаграмм разработан ряд методик определения характеристик механических свойств материалов, в том числе методики определения твердости по Бринеллю [2, 3].

В методике определения твердости по Бри­неллю по глубине вдавливания индентора h, предложенной В.М. Матюниным [2], для уст­ранения влияния упругой деформации узла измерения глубины вдавливания индентора на измерение глубины отпечатка используется уравнение пересчета глубины вдавливания индентора в глубину отпечатка t

где Emat и Eind - модули Юнга испытываемого материала и индентора соответственно; hp -пластическая составляющая глубины вдав­ливания индентора; he - упругая составляю­щая глубины вдавливания индентора, кото­рая состоит из упругой составляющей индентора - he t и материала - he s.

При определении твердости по Бринеллю по методике В.М. Матюнина необходимо знать модули Юнга испытываемого материала и индентора либо использовать допущение ра­венства этих модулей. При затруднении оп­ределения модуля Юнга испытываемого ма­териала вместо уравнения (1) можно использовать уравнение Оливера [4]

где 8 - поправочный коэффициент для ин­дентора с шариком, равный 3/4; hr - тангенс угла участка разгрузки, значение которого определяют из диаграммы в координатах усилие - глубина индентирования в точке пересечения касательной к циклу разгруже-ния Fmax с осью перемещения индентора.

где D - диаметр сферического индентора.

Фактически методика Бакирова основана на таблице пересчета пластической твердости в твердость по Бринеллю, что требует допол­нительного времени на обработку результа­тов. Точность такого метода будет зависеть от корреляционной зависимости (3).

Авторами работы разработана новая методи­ка (далее - методика ИПП) [5]. Данная мето­дика основана на корреляционной зависимо­сти между твердостью по Бринеллю, полученной согласно ГОСТ 9012-59 [6], и параметром а, равным тангенсу угла наклона диаграммы инструментированного инденти-рования в координатах Fmax - hp, где Fmax -максимальное усилие, прикладываемое к ин-дентору в цикле нагружения, hp - пластиче­ская составляющая глубины вдавливания ин-дентора, соответствующая циклу нагружения
где k1HB и k2HB - параметры, эмпирические значения которых определяются путем ста­тистической обработки общего массива экс­периментальных данных, полученных для исследуемых материалов.

Параметры k1HB и k2HB равны 0,009 мм-1 и
28,5 МПа соответственно в случае испыта­ний на установке UTM-20HT. Следует также отметить, что точность определения механи­ческих характеристик сталей не зависит от упругой деформации узла измерения глуби­ны вдавливания индентора. Кроме того, от­клонение результатов, полученных при ис­пользовании методики ИПП, от результатов, полученных по ГОСТ 9012-59, можно уменьшить за счет увеличения количества материалов, которые используются при уста­новлении линейной зависимости (5).

 

 

 

Другой способ определения твердости по Бринеллю, основанный на корреляционной зависимости между искомой величиной и пластической твердостью Нр, был предложен М.Б. Бакировым [3]

где под пластической твердостью понимается твердость материала, найденная по формуле
Цель и постановка задачи

Представляет интерес проведение сравни­тельного анализа известных методик опреде­ления твердости НВ методом инструменти­рованного индентирования с целью выявления наиболее точной и эффективной методики.

 

Подпись:Подпись:
Результаты экспериментов и их обсуждение
Анализ методик определения твердости по Бринеллю методом инструментированного индентирования проводили на прямоуголь­ных образцах 60x40x10 мм из сталей 45, 15Х2МФА, 15Х2НМФА и металлов сварных швов 10ХМФТ, 08ХГМНТА. Чистота рабо­чей поверхности была не ниже Ra = 0,06. Твердость по Бринеллю HB, согласно ГОСТ 9012-59 [6], определяли на твердомере ХПО-250. Испытания методом инструменти­рованного индентирования проводили со­гласно ISO 14577-1 [1] в статическом и цик­лическом режимах нагружения шариком D = 2,5 мм на лабораторной установке UTM-20HT [7, 8] при комнатной температу­ре. Диаграммы индентирования записывали в жестком режиме нагружения со скоростью перемещения индентора 0,05 мм/мин. Харак­терная диаграмма индентирования стали 15Х2НМФА в циклическом режиме нагру-жения приведена на рис. 1.
Значения твердости НВ исследованных ста­лей, полученных по различным методикам и на разном оборудовании, представлены в табл. 1.

Как видно из таблицы, максимальное откло­нение характеристик твердости, полученных по методике Матюнина [2], от характеристик твердости, полученных по ГОСТ 9012-59, не превышало 4,8 %.
Расчеты твердости по Бринеллю, выполнен­ные с использованием уравнения Оливера в методике Матюнина [2, 4], показали, что от­клонение от результатов твердости НВ, по­лученных по ГОСТ 9012-59, немного больше предыдущих и составило 5,2 %. Значения твердости, определенные по методике Баки-рова [3] с использованием уравнений (3) и (4), показывают расхождение со значениями твердости НВ, вычисленными по ГОСТ 9012-59, на 4,3 %.

Для определения значений твердости по Бринеллю, согласно методике ИПП [5], па­раметр а определяли из диаграммы инстру­ментированного индентирования в коорди­натах Fmax - hp. Типичные диаграммы Fmax(hp) для сталей 08ХГМНТА, 152МФА, 10ХМФТ, 15Х2НМФА и 45 приведены на рис. 2. Раз­личия между значениями твердости, полу­ченными с использованием предложенной методики и общепринятым методом по ГОСТ 9012-59, не превышают ±3 % и нахо­дятся в пределах погрешности определения твердости в соответствии с государственны­ми стандартами.

 

 

 

Подпись:

 

Выводы

Проведен сравнительный анализ ряда мето­дик (Матюнина, Бакирова, ИПП) определе­ния твердости по Бринеллю методом инст­рументированного индентирования. Мето­дика ИПП оказалась наиболее точной. Разница между значениями твердости, полу­ченными с использованием методики ИПП и общепринятым методом по ГОСТ 9012-59, не превышает ±3 %.

Литература

1.  ISO 14577-1:2002 - ISO 14577-3:2002 -
Metallic materials - Instrumented indenta­tion test for hardness and materials parame­ters.
2.  Матюнин В.М. Оперативная диагностика
механических свойств конструкционных материалов / В.М. Матюнин. - М.: Изда­тельский дом МЭИ, 2006. - 216 с.
3.  РД ЭО 0027-94. Инструкция по определе-
нию характеристик механических свойств металла оборудования атомных электростанций безобразовыми метода­ми по характеристикам твердости. -Т. 1, 2. - М.: Концерн Росэнергоатом, 1994. - 68 с.
4.  Oliver W.C. An improved technique for de-
termining hardness and elastic modulus us­ing load displacement sensing indentation experiments / W.C. Oliver, G.M. Pharr /
J. Mater. Res. - 2002. - Vol. 7, № 6. -P. 1564-1583.
5. Каток  О.А.  Определение  механических
свойств сталей методом непрерывного индентирования / О.А. Каток, В.В. Хар­ченко, А.В. Дроздов и др. // Надежность и долговечность машин и сооружений. -2008. - Вып. 31. - С. 208-213.
6. ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения
твердости по Бринеллю. - Введ. впер­вые 01.01.1960. - М. : Издательство стандартов, 1985. - 38 с.
7. Харченко В.В. Установка для определения
механических характеристик конструк­ционных материалов методом инстру­ментированного индентирования / В.В. Харченко, Н.П. Рудницкий, О.А. Ка­ток и др. / Надежность и долговечность машин и сооружений. - 2007. - Вып. 28.
- С. 140-147.
8. Патент № 57446 G 01 N3/40. Установка
для реестраци дiаграми шструменто-ваного шдентування / Заявник та патен-товласник 1нститут проблем мщност НАНУ 01201010123; заявл. 16.08.2010; опубл. 25.02.2011. - Бюл. № 4.

Рецензент: И.П. Гладкий, профессор, к.т.н., ХНАДУ.

Последнее изменение Пятница, 18 Май 2018 10:56
Вы здесь: Главная НИОКР Материаловедение Определение твердости по Бринеллю методом инструментированного индентирования