Метод определения трещиностойкости пластичных сталей вдавливанием индентора тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ



государственнш коштет российской федерации

по тхзаш образованию

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСГВЕННШ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на щшкзх рукописи УДК 624.046. 5:638. 5S2

Удкуяу Ас:сар Заурбиешм

ютод определения трЕщгиостаиакгги шсгкчшх стмея

ВДШИВАНИЕЦ ШЩЕНТОРЛ

01.02. СЗ - JtaEicita, прзчшсть basai, щпгбораа н аппаратуру

Авторсфэрат дазсертаирш на ссшскагаж ученой степэки кандидата технически наук

Ростов-на-Дону, 1994

Работа выполнена в Ростовской- ка- Дону государственной академии строительства.

Научные руководителя: доктор технических наук,

профессор Д. М. Беленький, кандидат технических наук, ведуцмй научный сотрудник А. Н. Бескопылышй.

Офицюлышв оппоненты доктор технических наук,

профессор Л. И Граяев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.Е.Кубарев

Ведущая организация: АО "Ростсельмая"

Зацита состоится " 28 " декабря 1994 г. в 1400 часов на заседании спгцмаякзщюванногй СЬвета К 083.27.03 в Донском государственном техническом университете (ДГТУ) по адресу 3447Р8 г. Ростов-на-Дону, ГСИ-8, пл. Гагарина 1, ДГТУ.

С диссертацией ыохно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан " с^о^/^Я 1994 г.

УЧЕНЫЙ СЕНРЕТАРЬ специализированного Совета доктор технических наук,

профессор — а В. Напраштков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время все большее значение приобретает задачи сертификации и входного контроля металлопроката по механическим свойствам, в том числе и по трещиностойкоо-ти.

При входном контроле больших партий металлопроката, что имеет место при строительстве нефте- и газопроводов, конструкций сантехнического назначения и т.п., современные требования по определения тещнностойкости заключаются в стандартном испытании некоторого количества образцов. Результаты этих испытаний переносят на всо партию, что не воегда правомерно иа-эа возмездного значительного разброса значений треокностойкости стали. Для получения адекватной картины разброса значений трещиностойкости и механических свойств необходимо испытания значительного количества образцов, что не всегда возможно. Кроме того, стандартные испытания на трециностойкость являются досз'аточко сложными и дорогостоящими, требуют высокой квалификации персонала и специальной аппаратуры. Поэтому, чрезвычайно полезно определять тревщ-ностонкость по результатам более простых испытаний механических свойств.

Поэтому, большое значение имеет не только углубленное теоретическое исследование трепдаиостойкости, а так же разработка приборного обеспечения для определения и контроля трецкнсстоп-кости беаобраэцовыми и неразруишщими методами.

Цель работы - разработка и создание малогабариного переносного электронного твердомера, с измерением твердости в широком диапазоне твердсстей и с еозможнотью безобразцового определения трещиностойкости пластичных малоуглеродистых сталей.

Научная новизна заключается в том, что в результате исследований принципов статического вдавливания и механики взаимодействия конического индентора с измеряемой поверхностью:

1. Получена модель, связывающая удельную работу работу деформации металла о твердостью при ударном внедрении индентора.

2. Предложена научная основа экспресс-метода оценки тре-щиностойкости конструкционных малоуглеродистых сталей.

3. Выявлена тесная линейная корреляционная зависимость между твердостью и пределом трещиностойкости для конструкционных малоуглеродистых сталей в виде:

1С - -25.33 + 0.0569 НВ

Научные результаты состоят в следующем:

1. Предложен метод определения статической твердости динамическим твердомером.

2. Еыявлена новая зависимость между трещиностойкостью и твердостью пластичных металлов.

На защиту выносятся:

Теоретическое обоснование определения статической твердости ударным методом.

Переносной электронный твердомер ЦИТ-1.

Результаты экспериментального определения трещиностойкости.

Корреляционная зависимость между пределом трещиностойкости и твердостью пластичных марок сталей.

Практические результаты. На основе выполненных исследований:

1. Разработан малогабаритный переносной электронный твердомер ЦИТ-1;

2. Предложены рекомендации по определения предела трещиностойкости по результатам измерения твердости с точностью ±ЮХ.

Полученные практические результаты проходят внедрение на ааводе "Ростсельмаш".

Результаты статистической обработки экспериментальных данных по связи трещиностойкости и твердости пластичных сталей.

Достоверность исследований обеспечена: применением современных методов механики разрушения и математической статистики, а так же использованием стандартными, тестированными приборами и аппаратурой.

Апробация. Основные положения и результаты исследовании доложены и обсуждены на научно-технических конференциях Ростовс-кой-на-Дону государственной Академии строительства в 19901993 г, на научно-техническом семинаре "Динамика и прочность" ДГТУ.

Публикации. По результатам исследований автором опубликовано 5 статей.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, пять разделов, список использованной литерзтуры, приложения. Работа изложена на 148 страница*.машинописного текста, включая 14 таблиц, 22 рисунка, 11 приложений.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность теш.

В первом разделе проведен анализ состояния изучаемого вопроса, сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Исследование связи характеристик тресцтностойкостп - и ые-

ханических характеристик материала важная задача механики разрушения. Основы механики разрушения заложены в работах А.А.Гриф-фитса, Дж.Р.Ирвина, Е.Орована, Н.И.Мусхешвилли, А.Ф.Иоффе, Г.П.Черепанова, Дж.Раиса и других. Дальнейшее развитие механика разрушения нашла в работах Е.М.Морозова, В.З.Партона, В.В.Пана-оока, Н.А.Махутова, А. Мамашнтока, В.М.Финкеля, Я.Б.Фридмана, В.Ф.Лукьянова, В.В.Напрасникова и многих других.

Методы определения вязкости разрушения можно условно разделить на две группы: по испытаниям образцов и по внедрению ин-дентора.

Стандартные испытания на трещиностойкость не всегда удобно проводить на практике, так как они связаны с разрушениями образцов с наращенными усталостными трещинами. Поэтому, неоднократно предпринимались попытки расчитывать вязкость разрушения по испытаниям гладких образцов, например, работы Г.И.Саидова, A.A. Лебедева, Н."Г.Чаусов, Ю.И.Рагозин, Ю.А.Антонов и др., по корреляции вязкости разрушения с механическими свойствами, например работы А.М.Доценко, Г.В.Денисова, Н.В.Олейника, Нго Ван Кует,' О.Н.Романива.

Проведении» исследования подтвердили наличие связи между тревдностойкостью и механическими свойствами материалов. С другой стороны, в работах Н.А.Минкевича, ^Н.Н.Давиденкоза, В.К.Григоровича Д.Б.Гогоберидзе, Ю.И.Гудкова, И.И.Славского, М.П.Мар-ковца, Д. М. Беленького и многих других исследователей не раз отмечалась связь между механическими свойствами материалов с твердостью данных материалов. Поэтому, большой интерес вызывают работы, в которых определяется вязкость разрушения по вдавливанию индентора материалов, например, методы определения вязкости раз-

рушения о помощью самых различных инденторов описаны в работах Н.В.Новикова, С.Н.Дуба, С.И.Булычева, В.П.Алехина, В.Ф.Бердико-ва, О.И.Пушкарева, Е.М.Морозова, В.И.Колесникова и др.

Однако, широко распространить эти методы на практике вряд ли возможно, так как в этом случае трещиностойкость определяется только для хрупких материалов. Здесь необходимо отметить принципиальную возмазнюсть определения тревдаостойкости через вдавливание индентора, что позволит разработать методы определения трещиностойкости плзстичных материалов по результатам вдавливания индетора.

В соответствии с вышепоставленной целью, в задачи исследования вошли:

-разработка теоретического обоснования измерения статической твердости прибором ударного действия на основе исследования механики взаимодействия конического индентора и измеряемой поверхности;

-исследование влияния геометрии конического индетора на точность измерения твердости;

-исследование развития пласэтг-геской деформации при вдавливании конического индентора;

-разработка и создание переносного твердомера; -выбор параметра статической трещиностойкости и его определение для пластичных сталей;

-исследование связи между тревдшрстойкостью и твердостью.

Во-втором разделе изложены принципы статического вдавливания, результаты исследования влияния геометрии конического индентора на точность измерения твердости и описан принцип действия электронного твердомера.

В настоящее время используют два основополагающих закона механического подобия процессов, возникающих при вдавливании жесткого наконечника в полупространство,- закон Кирпичева-Кика: A/V - idem , (1)

и закон Мейера:

Р - ah" , (2)

где а-константа, зависящая от механических свойств материала и геометрии образца;

п-показатель степени.

Для конических я пирамидальных инденторов п-2. На основе анализа закона Мейера, Кирпичева-Кика и выражения для расчета твердости получены: -формула для расчета величины а через твердость:

а - % te «/cos а НУ (3)

-зависимость между, работой внедрения индентора и твердостью материала при статическом вдавливании:

А - я/3 tgtt /сова HV h3 (4)

или в виде:

A/V - 1/sina HV (5)

Для статического вдавливания индентора дифференциальное уравнение движения:

mvz/2 - tngx - 1/3 ах3 (б)

Откуда видно, что работа силы Р - шг, расходуется на кинетическую энергию кассы m и пластическую деформацию металла.

Решение уравнения (б) по методу Рунге-Кутта показано на рис.1 , где показана функция x(t), то есть глубина внедрения от времени.

для случая динамического внедрения индентора, при котором

X

Ю"8М

28 24 20 16 12 8 4

мгоа

4 8 12 10 20 24 28 32 36 Ь,/10~3 о Решение дифференциального /равнения движения при статическом вдавливании зависимость х(Ь) рис.1

X

1С"ВМ

28 24 20 16 ¡12 8 4

Итог

ПУМ

6

8

10 14 16 I, 10

-В

Решение дифференциального уравнения движения при квазистатическом вдавливании. Зависимость х(0 рис. 2

скорость' деформации не сильно отличается от статического вдавлаг

)

вания и поэтому справедливы Э8ксны Мейера и Кирпичева-Кгаса, дифференциальные уравнения движения выглядят таким образом:

(<±с/сИ)2- V2 - 2рс - (2а)/(Зш) х3 + ч0 (7)

Решение уравнения (16) методом Рунге-Кутта представлены на графике рис.2 в виде зависимостей х^).

На основании полученных результатов необходимо отметить, что полученные кривые х(0 при статическом и при квазкстатичес-ком вдавливаниях практически однотипны. Таким образом, при квазистатическом вдавливании глубина внедрения индентора может яв-лятся определяющим параметром при измерении твердости ударными методами, то есть является связующим звеном для измерения твердости динамическим методом при малых скоростях нагружения инн-дентора.

На основе вышеизложенных выкладок создан электронный твердомер, показанный на рис. 3.

электронный твердсмер ркс. 3

- :о -

Для уменьшения габаритов прибора и лучшего соответсвия со статическими методами измерения твердости энергия удара Сойка принята 0.2 Дж, что приблизительно соответствует работе, совершаемой грузом на приборе Роквелла при вдавливании индентора в материал с твердостью 45 Н1?С.

Таким образом, при постоянной энергии удара в соответствии с зависимостью с (4) глубина вдавливания определяется твердостью материала и геометрическими характеристиками индентора.

Результаты проведенных метрологических испытаний прибора показаны в табл.1.

Таблица 1

Показатели точности твердомера ударного действия

Параметры Шкала Бринелля Шкалз Роквелла

средние значения твердости 107 180 359 405 25.8 42.7 63.3

среднеквадратичное отклонение 1.8 2.5 4.5 4.0 0.43 0.47 0.5

относительная ошибка, % 5.0 4.2 3.8 3.8 4.8 3.3 3.2

Как видно из табл.2.3 ошибка мало меняется с изменением величины твердости, а относительная" сшибка имеет тенденцию к

- "Л -

снижению при увеличении твердости.

Заключительным этапом исследовательской отработки твердомера было изучение его параметрической надежности.

Эти исследования проводились на среднем уровне твердости, принятом равным 200...300 НВ. На металлических образцах о этой твердостью было произведено 2000 ударов. Через каждые 500 ударов определялась ошибка путем измерения твердости образцовой плитки 300 НВ с заданным числом повторностей. Исследования показали, что ошибка измерения постоянна.

Третий раздел посвящен выбору критерия трещиностойкости и его определению.

В качестве критерия трещиностойкости выбран предел трещиностойкости 1с. Считается, что этот критерий инвариантен, независим от длины трещины, хорошо работает в линейной, и нелинейной механике разрушения. 1с определяли на трех марках стали Зпс, 15кп, 14Г2 по ГОСТ 25.Б06-85. Проводилась термообработка образцов для получения более широкого диапазона значений предела трещиностойкости.

В четвертом разделе приведен корреляционный и регрессной--

Линия регрессии предела трещиностойкости.и твердости с 95%-ным доверительным интервалом рис.4

ный анализ по оценке связи трещиностойкости и твердости.

По результатам испытаний образцов на твердость и трещи-ностойкость построена регрессионная кривая (рис.4)

Уравнение кривой регрессии получено методом наименьших квадратов:

1с - -25.33 + 0.0559 НВ (8)

Коэффициент корреляции г-0.92. Некоторые результаты проверки значимости полученных результатов по критериям Стыодента и Фишера приведены в табл.2.

таблица 2

Некоторые корреляционные и регрессионные параметры

Параметры значение доверительный интервал проверка значимости

по Стьденту по Фишеру

коэффициент корреляции 0.909 0.8-0.999 9.123/2.16 83.29/3.125

свободный член регрессии -25.33 ± 0.2 2.79/2.16 2.897/1.77

коэффициент регрессии 0.0561 ± 0.02 9.4/2.16 8.803/1.77

уравнение регрессгш 6.51/2.67

Примечание: в знаменателе приведены табличные значения критериев Стьпдента и Фишера

• В пятом разделе приведено техническое описание приборз л -рекомендации по -определению трещиностойкости по результатам измерения твердости.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Показано, что в исследованном диапазоне скоростей удара (до 3.5 м/с) для расчетно-зкспериментальной модели динамического внедрения конического индентора в полупространство возможно применение известных зависимостей Мейера и Кирпичева-Кика, справедливых для статического вдавливания. Это позволяет определить удельную работу, расходуемую на пластическую деформацию металла в зоне контакта, как функцию твердости металла.

2. Предложены решения численными методами дифференциальных уравнений движения индентора при статическом и динамическом вдавливаниях. С помощью полученных графиков показана возможность определения твердости материала через глубину внедрения конического индентора.

3. На базе обоснованных закономерностей взаимодействия конического индентора с полупространством в исследованном диапазоне скоростей удара (до 3.5 м/с) разработан прибор динамического действия для измерения твердости. Экспериментальная проверка предлагаемого способа измерения твердости, метрологическая проработка и испытания разработанного прибора показали достаточно высокую точность измерения твердости ±5Х.

4. Показано, что увеличение радиуса закругления индентора может существенно снизить точность определения твердости. Это приводит к необходимости жесткого контроля радиуса сферы при использования конического индентора.

5. Б результате проведенного эксперимента по определению трещи-ностойкости для пластичных сталей получены следующие значения пределз трещкностойкости основного металла в зависимости от тер-

мообработки для стали Зпс 57-65 МПа м°'в; для стали 15кп 41-50 МПа м0,в; для стали 14Г2 49-60 МПа м0,0. Проведенные исследования не показали наличие связи между пределом трещиностойкости и приведенной нагрузкой (коэффициент корреляции 0.22), а так же меаду пределом трещиностойкости и длиной трещины (коэффициент корреляции 0.18).

б. Экспериментально показано поле распределения твердости по образцам в районе трещины после испытаний на трещиностойкости. Отмечено увеличение твердости в зоне пластического разрушения в 1.5 раза.

?\ Методами регрессиэного и корреляционного анализов показано, что для конструкционных малоуглеродистых сталей существует тесная корреляционная связь предела трещиностойкости и твердости с коэффициентом корреляции 0.92. Эха зависимость может быть с удовлетворительной точностью описана линейной моделью. Проверка по критериям Фишера и Стьюдента показала адекватность модели в целом, а также высокую значимость -е$ параметров с доверительней вероятностью 0.95. Максимальное отклонение от полученной модели составляет 107..

8. На основе полученной зависимости предела трещиностойкости с твердостью для конструкционных малоуглеродистых конструкционных сталей разработана методика экспресс-оценки качества материалов деталей машин и элементов конструкций.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Беленький Д.М., Бескопыльный А.Н., Вернеэи Н.Л., Полибин

Е.К., Уджуху А.Э. Измерение механических свойств материала деталей малин и элементов конструкций// Зав. лаб,- 1994.- N 5.-С.ЗО- 32.

2.Бескопыльный А.Н., Полибин Е.К., Удяуху А.З. Влияние геометрических характеристик конического индентора на измерение твердости при статическом вдавливании// Рост, гос. акад. стр-ва.-Ростов н/д, 1993.-5с.-Деп. В ВИНИТИ N 1545-В93. от 7.06.93.

3.Бескопыдьный А.Н., Удкуху А.З. оперативная оценка пластичности материала путем измерения твердости// Рост. гос. акад. стр-ва.-Ростов н/Д, 1993.- 5о.- Деп. в ВИНИТИ N 1544- В93. от 17.06.93.

4.Уджуху А.З. Зкспресо-оценка трещиностойкости пластичных малоуглеродистых сталей/ Рост. гос. акад. стр-ва.- Ростов н/Д. 1993. -бс.- Деп. в ВИНИТИ N2824-В93 ОТ 15.11.93.

Б.Уджуху А.З. Электронный твердомер// Электротехника и автоматика в строительстве и коммунальном хозяйстве.- Ростов н/Д: Роот. гоо. акад. стр-ва, 1993.-С.110-112

Подписано к печати 17.11.94. 2орма^ бумаги 60x84/16. Бумага тип X 3. Офсет. Объем 1,0 усл.и.л., 0,9 уч.-изд.л. Заказ К■ 409. Тира* 100.

Издательский центр Д1 ТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344710, г. Ростов-на-Дэну, пл. Гагарина, I