RU2054647C1 - Способ определения твердости и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ определения твердости и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2054647C1 RU2054647C1 SU5040003A RU2054647C1 RU 2054647 C1 RU2054647 C1 RU 2054647C1 SU 5040003 A SU5040003 A SU 5040003A RU 2054647 C1 RU2054647 C1 RU 2054647C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- indenter
- penetration
- hardness
- speed
- housing
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Область использования: изобретение относится к исследованиям механических свойств материалов, в частности к определению твердости путем приложения одиночного динамического нагружения индентора. Предлагаемый способ и устройство позволяют определять весь спектр значений динамической твердости в процессе вдавливания за одно нагружение. Достигаемым техническим результатом является повышение информативности и точности определяемых параметров. Сущность: устройство содержит корпус 2, направляющую трубку, ударную пружину, спусковой механизм, ударный стержень 5 с бойком 4 и индентором 9 в виде конуса, систему регистрации скорости внедрения индентора в виде постоянного магнита 11, закрепленного на ударном стержне в месте соединения его с индентором, и катушки 10 индуктивности, связанной с корпусом и расположенной в зоне взаимодействия индентора с испытуемым изделием. После приведения в действие механизма нагружения ударного стержня и начала внедрения индентора в испытуемый материал осуществляется процесс регистрации скорости внедрения. По сигналу, наведенному постоянным магнитом в катушке индуктивности, определяются скорость внедрения индентора, глубина внедрения и скорость подлета индентора. Затем по определенной программе для ПЭВМ вычисляют твердость испытуемого материала. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к исследованиям механических свойств материалов, в частности к определению твердости путем приложения одиночного динамического нагружения индентора.
Известно устройство для определения динамической твердости материалов, которое позволяет зарегистрировать электрический сигнал с пьезоакселерометра, пропорциональный ускорению, возникающему при соударении ударника с испытуемым изделием. Далее измеряется максимальное значение этого сигнала и время от начала соударения до момента, соответствующего максимуму сигнала. Полученные числовые значения делят один на другой и умножают на определенный заранее постоянный коэффициент, получая число, соответствующее динамической твердости материала.
Недостатком этого устройства является недостаточная для исследовательских целей информативность определяемых параметров.
Повышение информативности и точности определяемых параметров и является достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения.
Указанный эффект достигается тем, что в способе определения твердости производят удар индентором по исследуемому изделию и измеряют скорость внедрения в каждый момент нагружения и скорость подлета индентора и по измеренным значениям скорости внедрения определяют глубину внедрения в каждый момент нагружения, а твердость считают по формуле как функцию перечисленных параметров.
Для достижения этого эффекта при осуществлении способа применяется устройство, содержащее направляющую трубку, ударную пружину, спусковой механизм, ударный стержень с бойком и индентором в виде конуса, и дополнительно оно снабжено системой регистраций скорости внедрения индентора в виде постоянного магнита, закрепленного на ударном стержне в месте соединения его с индентором, и катушки индуктивности, связанной с корпусом, и расположенной в зоне взаимодействия индентора с испытуемым изделием.
Предлагается новый метод определения всего спектра значений динамической твердости в процессе вдавливания за одно нагружение. Устройство позволяет зарегистрировать сигнал, пропорциональный скорости, возникающей при соударении ударника с испытуемым изделием. Интегрированием определяется глубина внедрения μох(t) в каждый момент времени и затем, используя формулу для смещения элементов ударного стержня при внедрении u(х,t), имеем
u(x,t)(-1)t +(-1)t +
(1) где (ξ) 0
μ(t)=μox(t)-Vot
a , полагаем, что стержень однороден и Е Сonst; ρ= Сonst;
Vо скорость подлета ударного стержня;
μох измеряемая глубина внедрения;
l длина стержня;
Е модуль упругости стержня;
ρ линейная плотность стержня.
u(x,t)(-1)t +(-1)t +
(1) где (ξ) 0
μ(t)=μox(t)-Vot
a , полагаем, что стержень однороден и Е Сonst; ρ= Сonst;
Vо скорость подлета ударного стержня;
μох измеряемая глубина внедрения;
l длина стержня;
Е модуль упругости стержня;
ρ линейная плотность стержня.
Формула (1) получена методом продолжения.
Рассмотрим стержень, расположенный на отрезке (0, l) оси Х. Процесс продольных колебаний может быть описан одной функцией u(х,t), представляющей в момент t cмещение точки, имевшей в положении равновесия абсциссу х. Выбранная здесь геометрическая переменная х называется переменной Лагранжа. В переменных Лагранжа каждая физическая точка стержня в течение всего процесса характеpизуется одной и той же геометрической координатой х. Физическая точка, занимавшая в начальный момент (в состоянии равновесия) положение Х, в любой последующий момент находится в точке с координатой Х х + u(х,t). При продольных колебаниях это смещение происходит вдоль стержня. При выводе уравнения продольных колебаний будем предполагать, что напряжения, возникающие в процессе колебания, следуют закону Гука.
Подсчитаем относительное удлинение элемента (х,х+Δх) в момент t. Координаты концов этого элемента в момент t имеют значения х + u(х,t), х+ Δх+ u(х+ Δх,t)
Абсолютное удлинение в момент t равно Δxl=x+Δx+u(x+Δx,t)-,(x+u(x,t))= Δx+u(x+Δx,t)-u(x,t) а относительное удлинение
ux(x+θΔx, t) (0 ≅ θ ≅ 1)
ux(x+θΔx, t)=ux(x,t)
По закону Гука напряжение Т(х,t) равно
Т(х,t) k(х)Uх(х,t) (2) где k(х) модуль Юнга в точке х(k(х)>0).
Абсолютное удлинение в момент t равно Δxl=x+Δx+u(x+Δx,t)-,(x+u(x,t))= Δx+u(x+Δx,t)-u(x,t) а относительное удлинение
ux(x+θΔx, t) (0 ≅ θ ≅ 1)
ux(x+θΔx, t)=ux(x,t)
По закону Гука напряжение Т(х,t) равно
Т(х,t) k(х)Uх(х,t) (2) где k(х) модуль Юнга в точке х(k(х)>0).
Пользуясь теоремой об изменении количества движения, получаем интегральное уравнение колебаний
где F(х,t) плотность внешней силы, рассчитанная на единицу длины.
где F(х,t) плотность внешней силы, рассчитанная на единицу длины.
Предположим существование и непрерывность вторых производных функции u(х, t). Применяя теорему о среднем и совершая предельный переход при Δ х х2 х1 _→ 0 и Δt t2 t1 _→ 0 приходим к дифференциальному уравнению продольных колебаний стержня
[k(х)Uх]х ρUtt F(х,t) (4)
Если стержень однороден (k(х) ЕConst, ρ= Const), то уравнение записывается следующим образом:
Utt a2Uхх + f(х,t) (5) где a
f(x,t) плотность силы, отнесенная к единице массы.
[k(х)Uх]х ρUtt F(х,t) (4)
Если стержень однороден (k(х) ЕConst, ρ= Const), то уравнение записывается следующим образом:
Utt a2Uхх + f(х,t) (5) где a
f(x,t) плотность силы, отнесенная к единице массы.
Сформулируем теперь нашу задачу следующим образом: найти решение уравнения колебаний
Utt a2Uхх при 0≅x≅ l, t > 0 (6) удовлетворяющее граничным условиям
t>0 cвободный конец (см. фиг.2) и начальным условиям
0≅ x≅ l
1. Решим сначала задачу распространения волны в бесконечной среде
o
Преобразуем уравнение Utt а2Uхх 0 гиперболического типа к каноническому виду, содержащему смешанную производную. Уравнение характеристик
dх2 а2dt2 0 распадается на два уравнения: dх adt 0, dх + adt 0 интегралами которых являются прямые х at C1, х + at C2
Вводя новые переменные ξ х + a, ηх а уравнения колебаний преобразуем к виду: Uξ η 0 (7)
Найдем общий интеграл уравнения (7). Очевидно для всякого решения уравнения (7)
Uη ( ξ η )= f*( η) где f*(η) некоторая функция только переменного η
Интегрируя это равенство по η при фиксированном ξ получим:
u(ξ,η)=∫f*(η)dη+f1(ξ)=f1(ξ)+f2(ξ)
(8) где f1 и f2 являются функциями только переменных ξ и η
Обратно, каковы бы ни были дважды дифференцируемые функции f1 и f2, функция U(ξ η) определяемая формулой (8), представляет собой решение уравнения (7). Так как всякое решение уравнения (6) может быть представлено в виде (8) при соответствующем выборе f1 и f2, то формула (8) является общим интегралом этого уравнения.
Utt a2Uхх при 0≅x≅ l, t > 0 (6) удовлетворяющее граничным условиям
t>0 cвободный конец (см. фиг.2) и начальным условиям
0≅ x≅ l
1. Решим сначала задачу распространения волны в бесконечной среде
o
Преобразуем уравнение Utt а2Uхх 0 гиперболического типа к каноническому виду, содержащему смешанную производную. Уравнение характеристик
dх2 а2dt2 0 распадается на два уравнения: dх adt 0, dх + adt 0 интегралами которых являются прямые х at C1, х + at C2
Вводя новые переменные ξ х + a, ηх а уравнения колебаний преобразуем к виду: Uξ η 0 (7)
Найдем общий интеграл уравнения (7). Очевидно для всякого решения уравнения (7)
Uη ( ξ η )= f*( η) где f*(η) некоторая функция только переменного η
Интегрируя это равенство по η при фиксированном ξ получим:
u(ξ,η)=∫f*(η)dη+f1(ξ)=f1(ξ)+f2(ξ)
(8) где f1 и f2 являются функциями только переменных ξ и η
Обратно, каковы бы ни были дважды дифференцируемые функции f1 и f2, функция U(ξ η) определяемая формулой (8), представляет собой решение уравнения (7). Так как всякое решение уравнения (6) может быть представлено в виде (8) при соответствующем выборе f1 и f2, то формула (8) является общим интегралом этого уравнения.
Следовательно, функция
U(х,t) f1(х + at) + f2(х at) является общим интегралом уравнения (6).
U(х,t) f1(х + at) + f2(х at) является общим интегралом уравнения (6).
Очевидно, что граничный режим в данном случае вызовет распространение волны в одну сторону (сторону возрастания аргумента) со скоростью а, что подсказывает нам аналитическую форму решения:
(x,t)=f(x-at)
Определим функцию f из граничного условия (0,t) f(-at) μ (t) откуда
f(z)= - так что (x,t)=- t Однако эта функция определена лишь в области х-at≅0, так как μ (t) определена для t≥ 0. Чтобы найти (х,t) для всех значений аргументов доопределим функцию μ(t)
(t) 0
Итак, для случая 1 (x,t)=t , 0≅ t<
2. Теперь решим задачу распространения волны после первого отражения
< t <
x
Отражение от свободного конца происходит в той же фазе, что и пришедшая волна
(x,t)=t t + Итак, для случая 2 (после 1 и 2)
u((x,t)=(x,t)+(x,t)=t +t +
3. Рассмотрим теперь случай <t < после второго отражения. Отражение от закрепленного конца происходит в противофазе
o=
(x,t)= -t Итак, для случая 3 (после 1, 2 и 3)
u(x, t)= t +t + -t Продолжая этот процесс бесконечно долго, получим формулу (1).
(x,t)=f(x-at)
Определим функцию f из граничного условия (0,t) f(-at) μ (t) откуда
f(z)= - так что (x,t)=- t Однако эта функция определена лишь в области х-at≅0, так как μ (t) определена для t≥ 0. Чтобы найти (х,t) для всех значений аргументов доопределим функцию μ(t)
(t) 0
Итак, для случая 1 (x,t)=t , 0≅ t<
2. Теперь решим задачу распространения волны после первого отражения
< t <
x
Отражение от свободного конца происходит в той же фазе, что и пришедшая волна
(x,t)=t t + Итак, для случая 2 (после 1 и 2)
u((x,t)=(x,t)+(x,t)=t +t +
3. Рассмотрим теперь случай <t < после второго отражения. Отражение от закрепленного конца происходит в противофазе
o=
(x,t)= -t Итак, для случая 3 (после 1, 2 и 3)
u(x, t)= t +t + -t Продолжая этот процесс бесконечно долго, получим формулу (1).
Затем определяем энергию деформации ударного стержня:
E(t) [ρu(x,t)+Eu (x,t)]dx
(9) где uох(х,t) u(х,t) + Vоt;
Vo скорость подлета ударного стержня
Затем, согласно закону сохранения энергии определяем энергию деформации исследуемого изделия:
E(t) E(t) (10) где М масса нагружающего блока.
E(t) [ρu(x,t)+Eu
(9) где uох(х,t) u(х,t) + Vоt;
Vo скорость подлета ударного стержня
Затем, согласно закону сохранения энергии определяем энергию деформации исследуемого изделия:
E(t) E(t) (10) где М масса нагружающего блока.
И после этого определяем твердость как удельную работу по деформации тела:
H(Δt)
(11) где Φ угол при вершине конуса индентора;
Δt=tn+1-tn- произвольно выбранный интервал времени такой, что Δt _→ 0.
H(Δt)
(11) где Φ угол при вершине конуса индентора;
Δt=tn+1-tn- произвольно выбранный интервал времени такой, что Δt _→ 0.
В результате получаем зависимость Н f(t). Очевидно, что любому Δt _→ 0, можно поставить в соответствие некую V cкорость внедрения, и в результате получим Н f1(V).
Способ реализуется при помощи устройства, приведенного на чертеже.
Устройство содержит нижнее опорное кольцо 1, корпус 2, стержень 5, соединенный с индентором 9 при помощи гайки-бойка 4, передвигающейся в направляющей трубке 3, ударную пружина 6, верхнее опорное кольцо 7, вспомогательную накладку 8, постоянный магнит 11, катушку индуктивности 10, спусковой механизм 12.
Устройство работает следующим образом.
Устройство помещают на поверхность испытуемого материала. Перемещением ударного стержня 5 с бойком 4 и индентором 9 вверх по направляющей трубке 3 для зацепления со спусковым механизмом 12 взводят ударную пружину 6. При нажатии на спусковой механизм 12 ударный стержень 5 освобождается от стопорения, разгоняется под действием ударной пружины 6 до определенной скорости и ударяет индентором 9 по поверхности испытуемого материала.
При движении индентора 9 постоянный магнит 11, соединенный с ударным стержнем 5 наводит сигнал U f(t) в катушке индуктивности 10, пропорциональный скорости движения индентора 9, который через усилитель подается на вход АЦП. Записанный в памяти АЦП сигнал U f(t) передается далее в вычислитель, где определяется скорость внедрения индентора V=f1(t) и глубина внедрения индентора μох f2(t), а также максимальный сигнал, соответствующий скорости подлета индентора Vo. Затем информация поступает в память ПЭВМ, где по определенной программе определяется твердость исследуемого материала.
Claims (2)
1. Способ определения твердости, заключающийся в том, что производят удар индентором по испытуемому изделию, измеряют скорость внедрения в каждый момент нагружения и скорость подлета индентора, с учетом которых определяют твердость, отличающийся тем, что определяют глубину внедрения и энергию деформации в каждый момент нагружения, твердость определяют по соотношению
где μox(t) - глубина внедрения индентора в момент времени в процессе внедрения;
Eд е ф(t) - энергия деформации тел в каждый момент времени в процессе внедрения;
t - произвольно выбранный момент времени;
n - натуральное число;
Φ - угол при вершине конуса индентора.
где μox(t) - глубина внедрения индентора в момент времени в процессе внедрения;
Eд е ф(t) - энергия деформации тел в каждый момент времени в процессе внедрения;
t - произвольно выбранный момент времени;
n - натуральное число;
Φ - угол при вершине конуса индентора.
2. Устройство для определения твердости, содержащее корпус, размещенные в корпусе и установленные коаксиально друг другу направляющую трубку, ударную пружину со спусковым механизмом и ударный стержень с бойком и индентором в виде конуса и средства регистрации скорости внедрения с датчиком скорости, отличающееся тем, что датчик скорости выполнен в виде предназначенных для взаимодействия друг с другом при подлете и внедрении индентора постоянных магнитов, установленных на ударном стержне и в корпусе соответственно.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5040003 RU2054647C1 (ru) | 1992-04-27 | 1992-04-27 | Способ определения твердости и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5040003 RU2054647C1 (ru) | 1992-04-27 | 1992-04-27 | Способ определения твердости и устройство для его осуществления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2054647C1 true RU2054647C1 (ru) | 1996-02-20 |
Family
ID=21603138
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5040003 RU2054647C1 (ru) | 1992-04-27 | 1992-04-27 | Способ определения твердости и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2054647C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2553425C1 (ru) * | 2014-02-24 | 2015-06-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ определения прочностных свойств материалов при динамическом нагружении |
CN104729939A (zh) * | 2015-04-14 | 2015-06-24 | 贵州大学 | 简便检测金属材料布氏硬度的装置 |
-
1992
- 1992-04-27 RU SU5040003 patent/RU2054647C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР N 1221544, кл. G 01N 3/48, 1980. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2553425C1 (ru) * | 2014-02-24 | 2015-06-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ определения прочностных свойств материалов при динамическом нагружении |
CN104729939A (zh) * | 2015-04-14 | 2015-06-24 | 贵州大学 | 简便检测金属材料布氏硬度的装置 |
CN104729939B (zh) * | 2015-04-14 | 2017-07-11 | 贵州大学 | 简便检测金属材料布氏硬度的装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Simmons | Velocity of shear waves in rocks to 10 kilobars, 1 | |
CA2240213C (en) | Non-destructive evaluation of geological material structures | |
Shah et al. | Damage mechanisms in stressed rock from acoustic emission | |
Lee et al. | Analysis of plastic deformation in a steel cylinder striking a rigid target | |
US4080836A (en) | Method of measuring stress in a material | |
Blanc | Transient wave propagation methods for determining the viscoelastic properties of solids | |
Nakagawa et al. | Pulse transmission system for measuring wave propagation in soils | |
Sansalone et al. | Transient impact response of plates containing flaws | |
Wu et al. | A new method for measuring in situ concrete elastic constants using horizontally polarized conical transducers | |
RU2054647C1 (ru) | Способ определения твердости и устройство для его осуществления | |
Stevens et al. | A theoretical investigation of the sliding crack model of dilatancy | |
Scruby et al. | A new technique for the measurement of acoustic emission transients and their relationship to crack propagation | |
US4309905A (en) | Method for detecting non-uniformities of magnetic materials and device for effecting same | |
Blair et al. | Evaluation of gages for measuring displacement, velocity, and acceleration of seismic pulses | |
Theocaris et al. | Propagation of stress waves in viscoelastic media | |
Potapov et al. | Experimental study of strain waves in materials with a microstructure | |
Conway et al. | Axial impact of short cylindrical bars | |
Aidun et al. | Shear and compression waves in shocked calcium carbonate | |
Ripperger et al. | A study of the propagation of flexural waves in elastic beams | |
Roever | Laboratory studies of transient elastic waves | |
Wang et al. | Flexural wave impulse response evaluations of piles using multiple triaxial accelerometers | |
Rosenberg et al. | Determination of dynamic yield strengths with embedded manganin gages in plate-impact and long-rod experiments | |
Legg et al. | Flaw detection in metals using electromagnetic sound generation | |
Kennedy et al. | Initial Evaluation of the Free-Field Response of the Large Blast Load Generator | |
Daimaruya et al. | A sensing-plate method for measuring force and duration of impact in elastic-plastic impact of bodies |