RU2145071C1

RU2145071C1 - Process determining mechanical characteristics of materials and device for its implementation

Info

Publication number: RU2145071C1
Application number: RU98113135A
Authority: RU
Inventors: В.В. Мишакин; В.Н. Литовченко; А.А. Борисов
Original assignee: Открытое акционерное общество "ГАЗ"
Priority date: 1998-06-29
Filing date: 1998-06-29
Publication date: 2000-01-27

Abstract

FIELD: testing of materials. SUBSTANCE: invention specifically refers to testing of sheet anisotropic material. Indenter penetrates tested material under various orientation of its major axis with reference to anisotropy axis of material, for instance, with reference to direction of rolling. Such characteristics of impact indentation as acceleration of indenter, time to change of acceleration sign, maximum penetration speed and energy of plastic deformation of material are registered. Device for implementation of process includes indenter with working part in the form of ellipse, rectangle, rhomb, etc, loading fixture and electronic sensing equipment. It has mechanism for orientation of indenter relative to anisotropy axis of material and clip. EFFECT: increased precision of evaluation of physical and mechanical characteristics of anisotropic materials. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для испытания материалов, в частности листового анизотропного материала, к определению их физико-механических характеристик. The invention relates to methods and devices for testing materials, in particular anisotropic sheet material, to determining their physical and mechanical characteristics.

Известен способ, при котором определяют предел текучести металла по параметрам упругопластического внедрения сферического индентора (см. статью Ю. И. Славского, Матлина М. М. ж. "Заводская лаборатория", N 4 - 1995 г., с. 53-57), предусматривающий однократное внедрение сферического индентора в испытуемую поверхность при режимах нагружения, характерных для измерения твердости по Бринеллю. Недостатком данного способа является ограниченное число измеряемых механических параметров. Недостаток обусловлен отсутствием информации о динамической части внедрения индентора. There is a method in which the yield strength of a metal is determined by the parameters of the elastoplastic penetration of a spherical indenter (see the article by Yu. I. Slavsky, Matlin M. M., "Factory Laboratory", N 4 - 1995, p. 53-57) , providing for a single introduction of a spherical indenter into the test surface under loading conditions characteristic of measuring Brinell hardness. The disadvantage of this method is the limited number of measured mechanical parameters. The disadvantage is due to the lack of information on the dynamic part of the indenter introduction.

В части устройства известен прибор для измерения твердости (см. а.с. N 1057808, МКИ G 01 N 3/42, 1983 г.). Недостатками прибора являются большой вес, габариты и невозможность проведения испытаний крупных изделий. In terms of the device, a device for measuring hardness is known (see A.S. N 1057808, MKI G 01 N 3/42, 1983). The disadvantages of the device are the large weight, dimensions and the inability to test large products.

Наиболее близким решением по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения механических характеристик (см. патент РФ N 2079831, МКИ G 01 N 3/42, 1997 г.), который заключается в том, что в испытуемый материал внедряют индентор ударным способом, при этом датчик регистрирует кинематические характеристики ударного вдавливания и механические свойства материала. Недостатком известного решения является низкая точность определения механических свойств в анизотропных листовых материалах. The closest solution in technical essence to the claimed invention is a method for determining mechanical characteristics (see RF patent N 2079831, MKI G 01 N 3/42, 1997), which consists in the fact that an indenter is introduced into the test material by the impact method, This sensor detects the kinematic characteristics of impact indentation and the mechanical properties of the material. A disadvantage of the known solution is the low accuracy of determining the mechanical properties in anisotropic sheet materials.

В рассматриваемом изобретении (см. патент РФ N 2079831, МКИ G 01 N 3/42, 1997 г.), известно устройство для осуществления данного способа, содержащее нагружающее устройство, индентор, выполненный в виде конуса, и электронно-счетную систему. Недостаток устройства обусловлен использованием равноосного индентора (конической формы), внедрение которого производит отпечаток равноосной формы в плане листа (круг) и который не дает возможности определять механические параметры в различных направлениях плоскости листа. In the present invention (see RF patent N 2079831, MKI G 01 N 3/42, 1997), a device for implementing this method is known, comprising a loading device, an indenter made in the form of a cone, and an electronic-counting system. The disadvantage of the device is due to the use of equiaxial indenter (conical shape), the introduction of which produces an imprint of equiaxial shape in terms of the sheet (circle) and which makes it impossible to determine the mechanical parameters in different directions of the sheet plane.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности оценки механических параметров анизотропных материалов. The technical problem to which the invention is directed is to increase the accuracy of the estimation of the mechanical parameters of anisotropic materials.

Средство достижения технического результата состоит в том, что в исследуемый материал внедряют неравноосный индентор с различной ориентацией большой оси индентора под углом φ, относительно оси анизотропии материала, например относительно направления проката. Как правило, φ = 0; π/4; π/2 Регистрируются кинематические характеристики ударного вдавливания: x₁ - максимальное ускорение, x₂ - время процесса до смены знака ускорения внедрения индентора, x₃ - максимальная скорость проникновения, x₄ - энергия пластического деформирования материала. Регистрируется также угол φ(x₅ = φ). Механические свойства материалов: предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость определяются по зависимости, представленной в виде полинома n-степени с переменными x₁, x₂, x₃, x₄, x₅.The means to achieve the technical result is that a non-axial indenter with different orientation of the indenter major axis at an angle φ relative to the anisotropy axis of the material, for example, relative to the rolled direction, is introduced into the test material. Typically, φ = 0; π / 4; π / 2 The kinematic characteristics of impact indentation are recorded: x ₁ - maximum acceleration, x ₂ - process time until the sign of acceleration of the indenter penetration changes, x ₃ - maximum penetration rate, x ₄ - energy of plastic deformation of the material. The angle φ (x ₅ = φ) is also recorded. Mechanical properties of materials: tensile strength, yield strength, elongation, hardness, impact strength are determined by the dependence presented in the form of an n-degree polynomial with variables x ₁ , x ₂ , x ₃ , x ₄ , x ₅ .

где a₀ ^(j), a_ik ^(j), k = 1...n, j = 1...5 - коэффициенты полинома, определяемые для каждого j-го механического свойства на стадии предварительных исследований.

where a ₀ ^(j) , a _ik ^(j) , k = 1 ... n, j = 1 ... 5 are the polynomial coefficients determined for each j-th mechanical property at the stage of preliminary studies.

Устройство для осуществления данного способа, состоящее из электронно-счетной системы, нагружающего устройства и индентора, дополнительно содержит механизм ориентации индентора относительно листового анизотропного материала и прижима, включающее скобу, гайку и винт, при этом форма индентора выполнена неравноосной (в плоскости, перпендикулярной оси, имеет форму эллипса, прямоугольника, ромба и т.д.). A device for implementing this method, consisting of an electronic-counting system, a loading device and an indenter, further comprises an indenter orientation mechanism with respect to the anisotropic sheet material and the clamp, including a bracket, a nut and a screw, while the indenter is made uneven (in a plane perpendicular to the axis, has the shape of an ellipse, rectangle, rhombus, etc.).

На чертеже показано устройство для определения механических характеристик материалов. The drawing shows a device for determining the mechanical characteristics of materials.

Устройство состоит из электронно-счетной системы, включающей аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП), персональный компьютер 2, датчик 3; нагружающего устройства, содержащее корпус 4, боек 5, пружину 6 и держатель 7 индентора, индентора 8; механизма ориентации индентора относительно листового анизотропного материала, включающий шток 9 и лимб 10, с нанесенными на него угловыми градусами; прижима, включающий скобу 11, гайку 12 и винт 13, а также стопора 14. The device consists of an electronic-counting system, including an analog-to-digital converter 1 (ADC), a personal computer 2, a sensor 3; a loading device comprising a housing 4, an anvil 5, a spring 6 and an indenter holder 7, an indenter 8; an indenter orientation mechanism relative to the anisotropic sheet material, including a rod 9 and a limb 10, with angular degrees deposited on it; the clamp, including the bracket 11, the nut 12 and the screw 13, as well as the stopper 14.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

На начальном этапе (этапе обучения системы) на материалах с заранее известными механическими свойствами (пределы прочности, текучести, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость) рассчитываются переменные - кинематические характеристики ударного вдавливания: x_1p - максимальное ускорение, x_2p - время процесса до смены знака ускорения внедрения индентора, x_3p - максимальная скорость проникновения, x_4p - энергия пластического деформирования материала, задается параметр x_5p (угол φ ). Определяются коэффициенты полинома a₀ ^(j), a_ik ^(j). Коэффициенты вносятся в память компьютера 2.At the initial stage (system training stage), on materials with previously known mechanical properties (tensile strength, yield strength, elongation, hardness, impact strength), variables are calculated - kinematic characteristics of impact indentation: x _1p - maximum acceleration, x _2p - process time before the shift sign of acceleration of indenter penetration, x _3p is the maximum penetration rate, x _4p is the energy of plastic deformation of the material, the parameter x _5p (angle φ) is set. The coefficients of the polynomial a ₀ ^(j) , a _ik ^{(j) are} determined. The coefficients are entered into the computer memory 2.

На этапе измерения, после внедрения в исследуемый материал 14 неравноосного индентора 8 под углом φ, относительно оси анизотропии материала, например относительно направления проката, регистрируются кинематические характеристики ударного вдавливания: x₁, x₂, x₃, x₄. Регистрируется также угол φ = x₅.
Механические свойства материалов: предел прочности предел текучести, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость определяются по зависимости, представленной в виде полинома n - степени с переменными x₁ - x₅.At the measurement stage, after the introduction of a non-equiaxial indenter 8 into the test material 14 at an angle φ, relative to the anisotropy axis of the material, for example, relative to the direction of hire, the kinematic characteristics of impact indentation are recorded: x ₁ , x ₂ , x ₃ , x ₄ . The angle φ = x _{5 is} also recorded.
Mechanical properties of materials: tensile strength, yield strength, elongation, hardness, toughness are determined by the dependence presented in the form of an n - degree polynomial with variables x ₁ - x ₅ .

где a₀ ^(j), a_ik ^(j); k = 1...n; j = 1...5 - коэффициенты полинома, полученные на стадии обучения системы.

where a ₀ ^(j) , a _ik ^(j) ; k = 1 ... n; j = 1 ... 5 are the polynomial coefficients obtained at the system training stage.

Устройство работает следующим образом. Соединяют электрическую цепь: механическую часть электропроводами соединяют с компьютером 2 и электросетью. Взводят боек 5, который фиксируется стопором 14. Далее стопор 14 снимают и под боек 5 под воздействием силы сжатой пружины 6 перемещается в корпусе 4 до столкновения с держателем 7 индентора 8. Движение бойка 5 передается держателю 7 индентора 8, датчику 3 и самому неравноосному индентору 8, который внедряется в исследуемый материал 15, поджимаемый к корпусу для обеспечения жесткости удара сначала гайкой 12, а затем винтом 13 прижима. Угол между большой осью индентора 8 и направлением проката устанавливается с помощью механизма ориентации индентора относительно листового анизотропного материала. Датчик 3 регистрирует параметры процесса внедрения индентора 8 и передает сигналы в компьютер 2, где они обрабатываются, и на дисплее высвечивается значение механического свойства, соответствующее нажатой клавише. Если необходимо знать другое или все механические свойства исследуемого материала 14, не нужно делать новый замер, достаточно нажать клавишу требуемого механического свойства. The device operates as follows. They connect an electric circuit: the mechanical part is connected by electric wires to computer 2 and to the mains. The striker 5 is cocked, which is fixed by the stopper 14. Next, the stopper 14 is removed and under the striker 5, under the influence of the force of the compressed spring 6, moves in the housing 4 until it hits the holder 7 of the indenter 8. The movement of the striker 5 is transmitted to the holder 7 of the indenter 8, the sensor 3 and the most unequal indenter 8, which is embedded in the test material 15, pressed against the housing to ensure the rigidity of the impact, first with a nut 12, and then with a clamp screw 13. The angle between the major axis of the indenter 8 and the rolling direction is set using the indenter orientation mechanism relative to the anisotropic sheet material. The sensor 3 registers the parameters of the implementation process of the indenter 8 and transmits the signals to the computer 2, where they are processed, and the value of the mechanical property corresponding to the pressed key is displayed. If you need to know the other or all mechanical properties of the investigated material 14, you do not need to make a new measurement, just press the key of the desired mechanical property.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволит повысить точность определения механических свойств в анизотропных листовых материалах, а также приведет к снижению трудозатрат при контроле механических свойств материалов. The proposed method and device for its implementation will improve the accuracy of determining the mechanical properties in anisotropic sheet materials, and will also lead to lower labor costs when controlling the mechanical properties of materials.

Claims

1. A method for determining the mechanical characteristics of materials, including the introduction of an indenter in the material under study, registration of the kinematic characteristics of impact indentation and determination of the mechanical characteristics of the material, characterized in that the measurement is carried out by a non-axial indenter with different orientations of the indenter major axis relative to the anisotropy axis of the material and the mechanical characteristics are calculated taking into account the orientation of the material relative to the indenter and the energy of plastic deformation.

2. The device for implementing the method according to claim 1, comprising a loading device, an electronic-counting system, a sensor and an indenter, characterized in that it further comprises an indenter orientation mechanism relative to the anisotropy axis of the material and a clamp. wherein the shape of the indenter is made unequal.