Определение границ применимости динамического метода измерения твердости переносными твердомерами ударного действия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Шуваев, Валерий Александрович

• Шуваев, Валерий Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шуваев, Валерий Александрович

Введение

1. Методы определения твердости.

1.1 Статические и динамические методы измерения твердости.

1.2 Переносные твердомеры ударного действия. Конструкция и принцип работы.

2. Конечно-элементное моделирование взаимодействия бойка твердо- 34 мера и оболочки при ударе.

2.1 Построение конечно-элементных моделей, описывающих взаимо- 34 действие бойка твердомера и ударяемого тела.

2.2 Численное исследование процесса удара бойка твердомера об обо- 49 лочку.

2.3. Определение твердости тонкостенных оболочек.

3. Анализ влияния на показания твердомера параметров бойка 73 и характеристик контролируемого изделия.

3.1 Исследование влияния жесткости бойка, его начальной скорости и 73 массы на величину условной твердости.

3.2 Влияние неоднородности свойств металла по толщине контроли- 86 руемого изделия на показания твердомера.

3.3 Измерение твердости в напряженных деталях.

3.4 Влияние размеров и массы детали на показания твердомера. 102 Выводы. 105 Список литературы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение границ применимости динамического метода измерения твердости переносными твердомерами ударного действия»

В процессе изготовления металлических конструкций различного назначения и их эксплуатации важное значение имеет достоверная оценка твердости и механических свойств металла. Указанные характеристики являются основными для проведения расчетов на прочность и оценки качества металла как в исходном состоянии, так и после определенной наработки, которая может привести к их существенному изменению. В настоящее время методы контроля и диагностики механических свойств материалов, основанные на измерении твердости, являются наиболее простыми и доступными. Главное достоинстю метода твердости заключается в возможности оперативной оценки механических характеристик металла готовых изделий, конструкций, деталей не выюдя их из строя и не вырезая из них образцов. В связи с этим данный метод применяется практически во всех отраслях промышленности для контроля качества изделий в процессе производства и эксплуатации. При этом представляется очевидным, что эта операция должна сопровождать всю цепочку ее применения, включая входной контроль, контроль стабильности технологических процессов при изготовлении оборудования, оценку качества готовой продукции, диагностирование оборудования в процессе его эксплуатации для определения его остаточного ресурса, при ремонте оборудования и др.Методы определения твердости. 1.1 Статические и динамические методы измерения твердости. Истории становления и развития методов измерения твердости, насчитывающей несколько веков, посвящены подробные обзоры и целые монографии [1-4,6-8]. Исторический обзор становления методов измерения твердости приведен в работах [1,7]. Способы и технические средства измерения твердости, а также связь твердости с другими характеристиками механических свойств материалов с давних пор привлекали внимание многих исследователей-теоретиков и практиков. Так еще М.В. Ломоносов отмечал, что твердые тела отличаются степенью твердости, а твердость назвал важным сравнительным свойством материалов. Он впервые связал твердость с внутренними силами взаимодействия между частицами тела, а предложенный им оригинальный способ измерения твердости стал основой абразивных методов испытаний материалов. Д.И. Менделеев разработал маятниковый способ измерения твердости и создал для этих целей специальные приборы. Реомюром в первой половине XWI века были проведены первые систематические испытания на твердость царапанием, позюлившие Моосу разработать шкалу твердости минералов, широко используемую для их идентификации и сравнения. Однако только на рубеже XIX и XX веков после опубликования работ И. Бринелля, в которых был изложен новый способ испытаний металла вдавливанием шара, метод твердости получил признание как способ определения механических характеристж материалов. Качественно новый этап в развитии метода твердости начался в конце XX века. В это время уже было установлено и практически подтверждено, что метод твердости может быть более информативным и эффективньм методом механических испытаний материалов, если он сопровождается регистрацией диаграмм вдавливания индентора в процессе развития упругопластической деформации [8, 11-13]. Такими диафаммами, например, являются диаграммы вдавливания индентора, полученные при непрерывном измерении текущих значений нафузки и геометрических параметров (величины перемещения индентора) восста1ювленного или невосстановленного отпечатка. Выполненные в этой области работы, направленные на решение теоретических и прикладных задач контактного деформирования позволили установить закономерности изменения твердости в зависимости от различных технологических и конструкционных факторов. Показана возможность использования результатов измерения твердости для оценки стандартных механических свойств при растяжении, созданы новые конструкции стационарных и портативных приборов для измерения твердости. Работы многих исследователей направлены на установление связи диаграмм вдавливания с диаграммами растяжения. Это обусловлено тем, что расчеты на прочность деталей и конструкций вьтолняются в основном по механическим свойствам, определяемым по диаграммам растяжения, а сам метод испытаний на растяжение является наиболее распространенным видом механических испытаний. Однако, построение диаграмм растяжения по диафаммам вдавливания возможно в том случае, если известна связь текущих значений контактных напряжений и деформаций при вдавливании индентора с текущими значениями напряжений и деформаций при растяжении образца. В этом направлении положительные результаты были получены в работах М.П. Марковца [14], Г.П. Зайцева [15], Д. Тейбора [3] которые предложили приближенные способы оценки величины деформации в зоне контакта при вдавливании сферического индентора. Эти работы получили дальнейшее развитие, что дало возможность более обоснованно подойти к построению диаграмм растяжения но диафаммам вдавливания и определе1шю механических свойств по характеристикам твердости [1317]. В связи с этим, значения твердости, определенные под действием фиксированной нафузки вдавливания, стали рассматриваться как отдельные точки на диафаммах вдавливания, которым соответствуют те или иные значения контактной деформации. Таким образом возник термин «твердость на пределе текучести», предложенный М.П. Марковцом, т.е. твердость, определенная при остаточной деформации, равной 0,2% [16]. Затем появился термин «твердость на пределе прочности», т.е. твердость, определенная при остаточной деформации, равной предельной равномерной деформации при растяжении. При установлении корреляционных связей между напряжениями при растяжении и вдавливании в пластической области принималось условие равенства значений пластических деформаций. Наряду с развитием экспериментальных методов измерения твердости существенный прогресс был достигнут и решении задач в области механики деформирования материалов. Прежде всего это классические работы Г.Герца по решению задачи сдавливания двух изотропных упругих тел [19] и А.Ю. Ишлинского по решению осесимметричной задачи пластичности при вдавливании шара в идеально-пластическую среду [20]. Появились работы, в которых аналитически исследовано вдавливание жесткой стальной сферы в плоскую поверхность для разных стадий контактного деформирования с учетом трения и упрочнения [21-22]. Если в более ранних работах для установления соотношения между средним контактным давлением и пределом текучести использовался метод линий скольжения [20], то в более поздних работах была привлечена процедура численного моделирования процесса вдавливания сферы в упрутопластическое полупространство методом конечных элементов [21,24]. Важное значение в развитии метода твердости имеют кинетические диаграммы непрерывного вдавливания индентора, являющиеся основой метода кинетической твердости [25]. Эти диаграммы дают возможность проследить процесс непрерывного деформирования материала во времени на стадии нафужения в упругопластической области и при разфузке. Преимущества метода кинетической твердости по сравнению с существующими статическими и динамическими методами измерения твердости [10,15,16] очевидны. Эти преимущества заключаются в возможности:

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Шуваев, Валерий Александрович

Выводы

1. Впервые на основе численного моделирования взаимодействия бойка и контролируемой детали при ударе выполнено исследование влияния на скорость отскока бойка и измеряемое значение твердости упругих и пластических свойств материала детали и бойка, скорости и массы бойка, жесткости и массы детали, условий ее закрепления, неоднородности механических свойств по толщине детали, наличия в ней рабочих напряжений и др. факторов.

2. Разработаны конечно-элементные модели, описывающие взаимодействие бойка твердомера и контролируемой детали при ударе, позволяющие учесть основные параметры бойка и детали (в том числе для оболочек толщину стенки и диаметр, условия закрепления), зависимость упругопластических свойства материала от скорости деформирования.

3. Установлено, что для оболочек с толщиной стенки от 10 мм и более результаты измерения твердости динамическим методом могут использоваться без корректировки. Для оболочек с толщиной стенки от 3 до 10 мм при определении твердости необходимо учитывать жесткость оболочки. При толщине стенки менее 3-х мм и диаметре оболочки более 65 мм динамический метод определения твердости не обеспечивает необходимой точности.

4. Расстояние от зоны замера твердости до места закрепления оболочки должно составлять не менее 100 мм. В противном случае возможно возникновение вибраций и многократных соударений бойка и оболочки.

5. На основе выполненных расчетов разработана и экспериментально обоснована методика корректировки показаний твердомера при измерении твердости тонкостенных сферических и цилиндрических оболочек с учетом их кривизны и толщины стенки.

6. Исследовано влияние жесткости, массы и начальной скорости бойка на характер его взаимодействия с контролируемой деталью, что дает возможность оптимизации параметров бойка с целью повышения точности измерения. Установлено, что в податливом бойке при ударе возникают упругие продольные колебания, в связи с чем измерение скорости отскока целесообразно проводить в узловой точке, соответствующей центру тяжести бойка и использовать жесткие бойки.

7. Исследовано влияние неоднородности механических свойств по толщине контролируемой детали на показания твердомера. Показано, что при стандартном исполнении бойка и ударного механизма твердомеров ТЭМП (масса бойка 6.1 г, скорость 2.85 м/сек) показания твердомера определяются свойствами металла в поверхностном слое толщиной около 1 мм.

8. Экспериментальным и расчетным путем показано влияние на результаты измерений твердости напряжений в детали. При действии сжимающих напряжений условная твердость увеличивается, при действии растягивающих - уменьшается. Данный эффект зависит от вида напряженного состояния и величины напряжений. При одноосном напряженном состоянии изменение твердости происходит пропорционально величине приложенных напряжений и составляет при напряжениях равных половине предела текучести материала детали ±5^7% .

9. Установлено, что для проведения корректных измерений твердости твердомерами ударного действия (стандартного исполнения) масса контролируемой детали должна составлять не менее 0.3 кг, а толщина не менее 10 мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шуваев, Валерий Александрович, 2006 год

1. О1 Нейль Г. Твердость металлов и ее измерение. М. JI. Металлургия, 1940, 376с.

2. Tabor D. Hardness of metalls. Oxford: Clarendon Press. 1951,304 p.

3. Гогоберидзе Д.Б. Твердость и методы ее измерения. М,- JI. Машгиз. 1952,318 с.

4. Переносной твердомер ТЕСТ-МИНИ-(УТ). Руководство по эксплуатации РЭ. Москва, ВНИИАЭС, 2005,36 стр.

5. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М.: Наука. 1976. 230 с.

6. Гудков А.А., Славский Ю.И. Методы измерения твердости металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1982,107 с.

7. Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф., Бакиров М.Б. Методы измерения твердости. Справочное издание. М.: «Интермет инжиниринг». 2000, 126 с.

8. Марковец М.П. Упрощенные методы определения механических свойств по твердости. Заводская лаборатория. 1954, № 8, с. 963-969.

9. Кал ей Г.Н. Установка и методика испытаний на микротвердость по глубине отпечатка. Машиноведение. 1968, № 3, с. 105-110.

10. Дегтярев В.И., Матюнин В.М. Автоматическая запись диаграмм твердости. Труды МЭИ. «Теплоэнергетика и энергомашиностроение». 1972, вып. 104, с. 86-89.

11. Алехин В.П., Берлин Г.С., Исаев А.В. и др. К методике микромеханических испытаний материалов микровдавливанием. Заводская лаборатория. 1972, т. 38, № 4, с. 488-490.

12. Шнырев Г.Д., Булычев С.И., Алехин В.П. и др. Прибор для испытаний материалов методом записи кинетической диаграммы вдавливания индентора. Заводская лаборатория. 1974, т.40, №11, с. 1406-1409.

13. Марковец М.П. Построение диаграмм истинных напряжений по твердости и технологической пробе. ЖТФ. 1949, т XIX, вып. 3, с. 371-382.

14. Зайцев Г.П. Твердость по Бринеллю как функция параметров пластичности материалов. Заводская лаборатория. 1949, № 6, с. 704-717.

15. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. М.: Машиностроение. 1979, 192 с.

16. Марковец М.П., Матюнин В.М. Определение относительного удлинения в области равномерной деформации по характеристикам твердости. Заводская лаборатория. 1984, № 10, с. 60-62.

17. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Инженерные расчеты упругопла-стической контактной деформации. М.: Машиностроение. 1986. 220 с.

18. Hertz Н. Uber die Beruhrung fester elastischer Korper. Gesammelte Werke. B.I., Leipzig, 1995, s. 155-173.

19. Ишлинский АЮ. Осесимметрическая задача пластичности и проба Бринелля. ППМ. 1944, т. 8, вып. 3. с. 201-224.

20. Hardy С., Baronet C.N., Tordion G.V. The Elastoplastic Indetation of a Half-Space by Rigid Sphere. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 1971, Vol. 3, p. 451-462.

21. Френсис Г. Феноменологический анализ пластического вдавливания сферы. Тр.амер. общ. инж-мех. Теоретические основы инженерных расчетов. Мир. 1976, №3, с. 81-91.

22. Марковец М.П., Матюнин В.М., Семин A.M. Связь между напряжениями при растяжении и вдавливании в пластической области. МТТ. 1985. №4, с. 185-187.

23. Бакиров Н.Б., Зайцев М.А., Фролов И.В. Математическое моделирование процесса вдавливания сферы в упругопластическое пространство. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2001, т.67, №1, с.37-47.

24. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение. 1990,224 с.

25. Weiler W.Zusammenhang zwisehen Vickers und Vniversal-harte.Material-prufung. Munchen, 1990, Band 32, Heft 5, s. 149-151.

26. Mayo M.J., Siegel R.W. Narayanasamy A. Mechanical Properties of Nanophase ТЮ2 as Determined by Nanoindetetion. J. Material Research. 1990. 5. (5), p. 1073-1082.

27. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренков B.B. и др. Определение комплекса механических свойств материалов в нанообъемах методами нано-индентирования. Конденсированные среды и межфазные границы. 2001, т.З, №2, с. 122-135.

28. Головин Ю.И., Иволгин В.И., Коренков В.В. и др. Размерный и зависящий от времени эффекты в нанотвердости керамик на основе Zr02. -Физика твердого тела. 2001, т.43, № 11, с. 2021 ~ 2024.

29. Давиденков Н.Н. Некоторые проблемы механики материалов. Л.: Лениздат. 1943,152 с.

30. Давиденков Н.Н., Беляев С.Б., Марковец М.П. Получение основных механических характеристик стали с помощь измерений твердости. Заводская лаборатория. 1945, № 10, с. 964-973.

31. Лаврентьев А.И. К методике определения сопротивления царапанию. Машиностроение. 1974, № 6. С.94-99.

32. Димов Ю.В. Определение предела текучести на сдвиг царапанием. Заводская лаборатория. 1987, №3, с. 59-62.

33. Матюнин В.М., Волков П.В. Испытание, материалов царапанием. Технология металлов. 2000, № 2, с. 27-30.

34. Матюнин В.М. Методы и средства безобразцовой экспресс-оценки механических свойств конструкционных материалов. М.: Изд-во МЭИ.

35. Матюнин В.М., Волков П.В., Сайдахмедов Р.Х. и др. Определение механических свойств и адгезионной прочности ионно-плазменных покрытий склерометрическим методом. МИТОМ. 2002, №3, с. 36-39.

36. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. М.: Наука, 1989, 220с.

37. Морозов Е.М., Зернин М.В. Контактные задачи механики разрушения. М.: Машиностроение. 1999, 544 с.

38. Расторгуев О.Ф. К вопросу прогнозирования релаксационной стойкости металла деталей теплоэнергетического оборудования. Теплоэнергетика. 1984, №10,с.60-61.

39. Таканаев Г.Г., Матюнин В.М., Трунин И.М., Расторгуев О.Ф. Определение характеристик жаропрочности материала сопловых коробок турбин после длительной эксплуатации. Теплоэнергетика, 1987, № 12, с. 67-69.

40. Белошенко В.А., Дацко О.И., Примислер В.В. и др. Определение критических температур хрупкости методом измерения микротвердости и внутреннего трения. Заводская лаборатория. 1986, № 2, с. 74-76.

41. Барон А.А. Оценка хладноломкости сталей по твердости при низких температурах. Заводская лаборатория. 1990, № 1, с. 65-68.

42. Матюнин В.М., Волков П.В., Юдин П.Н. Твердость и хладостой-кость стали. Заводская лаборатория. 1999, № 10, с. 53-56.

43. Бакиров М.Б., Забрусков Н.Ю. Методика натурного безобразцового контроля механических свойств ферромагнитных сталей корпусов ВВЭР на базе магнитных методов. Заводская лаборатория. 2000, т. 66, № 11, с. 35-44.

44. Батуев Г.С. Инженерные методы исследования ударных процессов. М. Машиностроение, 1977 г. 239 с.

45. Клочко В.А., Артемьев Ю.Г., Конжуков Ф.И. Определение физико-механических свойств материалов с помощью динамических испытаний: Сб. тр. М. НИКИМП, 1982 г., с. 70-74.

46. Артемьев Ю.Г. Динамические методы и приборы контроля твердости материалов. Обзор. М. ЦНИИНТИПК. 1988 г. - 85 с.

47. Артемьев Ю.Г. Контактный динамический метод и прибор контроля твердости металлов и сплавов. Ж. Заводская лаборатория. 1989г. Т55, №12, с.79-83.

48. Артемьев Ю.Г. К новой классификации динамических методов контроля твердости. Ж. Заводская лаборатория. 1996 г. № 6, с. 48-51.

49. Артемьев Ю.Г. Контактный динамический метод контроля твердости с использованием индентора пирамидальной формы. Ж. Заводская лаборатория. 1998 г. Т. 64. №5, с. 48-51.

50. Артемьев Ю.Г., Зеленов И.Б. и др. Экспериментальные исследования динамической твердости цементного и гипсового камня. В сб. трудов «Исследование физико-механических характеристик бетона». М., ВЗПИ, 1990 г., с. 63-69.

51. Goldsmith Werner. Impact Edward Arnold. (Publisher) Ltd. London,1961.

52. Твердомер электронный малогабаритный переносной программируемый. Паспорт ТЭМП-4. М.: Технотест, 2002,22 с.

53. Szab Istvan: Einfuhrunag in du Techniscbe Mechanick, 5-ое издание, Из-во Шпрингер, Берлин, 196

54. Рабочая инструкция по прибору для измерения твердости Equotip. Издатель: Цюрих, 1977.

55. В. М. Бондюгин, П. П. Карпов. Об опыте применения твердомеров ТЭМП-2. Заводская лаборатория, №12, 2002, т.68, с.60-61.

56. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. М., Наука, 1975,704 с.

57. Халфман P.JI. Динамика. М., Наука, 1972, 567 с.

58. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М., Мир, 1975,541 с.

59. Бакиров М.Б., Зайцев М.А., И.В. Фролов. Математическое моделирование процесса вдавливания сферы в упругопластическое полупространство. Заводская лаборатория, №1,2001, с.37-47.

60. Металловедение и термическая обработка стали: Справочник / Под ред. М.JT. Бернштейна, А. Г. Рахштадта. Том 1.2. Методы испытаний и исследования. — М.: Металлургия, «1991. — 462 с.

61. Костин П. П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. — М.: Машиностроение, 1990. — 256 с.

62. Золоторевский В. С. Механические свойства металлов. — М.: Металлургия, 1998. — 400 с.

63. Шмитт-Томас К.Г. Металловедение для машиностроения: Справочник. — М.: Металлургия, 1995. — 512 с.

64. Шапошников Н.А. Механические испытания металлов. J1.: Машгиз, 1954.-443 с.

65. Селиванов В.В. Прикладная механика сплошных сред. Т. 2. Механика разрушения деформируемого тела. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1999. —420 с.

66. Казанцев А.Г. Малоцикловая усталость при сложном термомеханическом нагружении. М.: Из-во МГТУ им. Баумана, 2001,248 с.

67. Барон А.А., Рябчук Г.В. Оперативная оценка прочности и расчет сосудов давления методами механики разрушения. — Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 1996. 94 с.

68. Симон Г., Тома М. Прикладная техника обработки поверхности: Справочник. — Челябинск: Металлургия, 1991. — 368 с.

69. Карзов Г.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. и др. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. Санкт-Петербург, Политехника, 1993,390 с.

70. Марковец М.П., Матюнин В.М., Шабанов В.М. Переносные приборы для измерения твердости и механических свойств // Заводская лаборатория. 1989. Т.55. №12. С. 73-76.

71. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И., Босое С.В. Рентгенографический метод исследования структурных изменений в тонком поверхностном слое металла при трении // Заводская лаборатория. 1973. №3. С. 293—296.

72. Рыбакова JI.M., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла. — М.: Машиностроение, 1982. — 212 с.

73. Рыбакова Л.М., Куксенова Л.И. Исследование структуры тонкого поверхностного слоя деформированного металла // Физика и химия обработки материалов. 1975. №1. С. 104—109.

74. Терентьев В.Ф., Колмаков А. Г. Механические свойства металлических материалов при статическом нагружении: Учебное пособие. — Воронеж: изд-во ВГТУ, 1998. 80 с.

75. ОксогоевА.А., Бунин И.Ж., КолмаковА.Г., Встовский Г.В. Муль-тифрактальный анализ изменения зеренной структуры алюминиевого сплава при ударном воздействии скоростной частицей // Физика и химия обработки материалов. 1999. №4. С. 63—71.

76. Караев А.Б, Казанцев А.Г., Сугирбеков Б.А., Саньков Н.И., Шуваев В.А Патент №2237881 от 10.10.2004г. Способ определения твердости металла тонкостенных металлических оболочек.

77. Караев А.Б., Казанцев А.Г., Шуваев В.А. Определение твердости мералла тонкостенных оболочек по скорости отскока бойка. Техника машиностроения,.!^, 2004.

78. Г.Д. Дель. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. Москва: Машиностроение, 1971,199 с.