RU2433383C1 - Non-destructive testing method of metal strength in structures - Google Patents

Non-destructive testing method of metal strength in structures Download PDF

Info

Publication number
RU2433383C1
RU2433383C1 RU2010121201/28A RU2010121201A RU2433383C1 RU 2433383 C1 RU2433383 C1 RU 2433383C1 RU 2010121201/28 A RU2010121201/28 A RU 2010121201/28A RU 2010121201 A RU2010121201 A RU 2010121201A RU 2433383 C1 RU2433383 C1 RU 2433383C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
scratch
force
metal
cutter
determined
Prior art date
Application number
RU2010121201/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Сергеевич Уткин (RU)
Владимир Сергеевич Уткин
Владимир Владимирович Русанов (RU)
Владимир Владимирович Русанов
Ольга Валентиновна Ярыгина (RU)
Ольга Валентиновна Ярыгина
Светлана Леонидовна Карепина (RU)
Светлана Леонидовна Карепина
Алена Олеговна Корякина (RU)
Алена Олеговна Корякина
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ)
Priority to RU2010121201/28A priority Critical patent/RU2433383C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2433383C1 publication Critical patent/RU2433383C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy. ^ SUBSTANCE: by means of a tip provided with a diamond from Rockwell hardness-testing machine there formed is scratch on metal surface; at that, the applied force for movement of the tip is measured considering tangential component of friction force at formation of scratch. Scratch of constant depth of 0.2 mm is formed, at constant speed of 4 mm/sec, and 10-20 mm long along force field in three sections for statistics of the results. Forces for formation of scratches are measured and average force value for movement of the cutter along all sections is determined. In each section the cutter is returned to initial position and moved along the same scratch for the second time; at the same time, friction force is measured and average value of this force is determined; as per these conditions average value of metal ultimate shear strength is determined, as per which metal ultimate strength is determined. ^ EFFECT: improving accuracy and enlarging the application scope of the method for determining metal hardness by scratching method immediately on the structure; automated monitoring of force on formation of scratch on metal surface and continuous recording of test results in the form of metal cutting force at formation of a scratch with indenter. ^ 2 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля на прочность металлов в конструкциях.The invention relates to the field of non-destructive testing of the strength of metals in structures.

Изобретение предназначено. для строительных конструкций и машиностроительных деталей машин из различных металлов, находящихся в стадии изготовления и эксплуатации.The invention is intended. for building structures and machine-building parts of machines from various metals that are in the manufacturing and operation stages.

Известен способ неразрушающего контроля предела прочности металла [1], заключающийся в том, что на поверхность металла воздействуют шариком, конусом или призмой и по размерам формы отпечатка определяют с помощью таблиц или графиков твердость металла, а по твердости металла с помощью специальных тарировочных графиков, таблиц или эмпирических формул определяют значение предела прочности металла σb.A known method of non-destructive testing of the tensile strength of a metal [1], which consists in the fact that the surface of the metal is affected by a ball, cone or prism, and the hardness of the metal is determined using tables or graphs by the size of the imprint, and the metal hardness is determined using special calibration graphs and tables or empirical formulas determine the value of the tensile strength of the metal σ b .

Недостатками этого способа являются приложение большого усилия на поверхность металла, проведение испытаний на образцах, изготовленных из заготовок, вырезанных из элементов конструкций, отсутствие возможности автоматизированного контроля процесса непосредственно в конструкции.The disadvantages of this method are the application of a large force on the metal surface, testing on samples made from blanks cut from structural elements, the lack of automated control of the process directly in the structure.

Известен способ определения прочности металла, определяемого методом царапания [2], заключающийся в том, что на поверхности металла элемента наносится царапина при постоянной силе давления от индентора, автономно измеряется ширина царапины b микроскопом и твердость находится по формуле Hц=k·P/b2, а по твердости Нц определяется предел прочности материала, например σb=k·Нц-b, где k и b - эмпирические коэффициенты.There is a method of determining the strength of a metal, determined by the scratching method [2], which consists in the fact that a scratch is applied to the surface of the metal of the element at a constant pressure from the indenter, the scratch width b is autonomously measured by a microscope and the hardness is determined by the formula H c = k · P / b 2 , and the hardness of H c determines the tensile strength of the material, for example, σ b = k · N c -b, where k and b are empirical coefficients.

Недостатком этого способа является низкая точность результатов измерений ширины царапины из-за влияния навалов на границах царапания, необходимость непосредственного контакта микроскопа с металлом в конструкции, что не всегда возможно, например, в углах конструкций; отсутствие автоматического регистрирования всей ширины царапины, а лишь точечное (дискретное) ее измерение на длине царапины; влияние на значение ширины царапины в местах измерения возможного наличия более твердых частиц металла.The disadvantage of this method is the low accuracy of the results of measuring the width of the scratch due to the influence of piles on the borders of the scratch, the need for direct contact of the microscope with the metal in the structure, which is not always possible, for example, in the corners of structures; the lack of automatic recording of the entire width of the scratch, but only a point (discrete) measurement of it along the length of the scratch; the effect on the value of the width of the scratch at the points of measurement of the possible presence of harder metal particles.

Наиболее близким является способ определения твердости и других механических свойств поверхностных слоев металла методом царапания [3], заключающийся в том, что с помощью наконечника с алмазом от твердомера Роквелла формируется царапина на поверхности образца с приложением постоянного или постоянно нарастающего давления на наконечник (индентор) тестера (устройства) царапания. Измеряют примененную силу давления на наконечник для образования царапины, тангенциальную силу трения и глубину проникновения. Эти данные фиксируются датчиками силы и глубины, связанными с пьезоэлектрическим датчиком, изображение фиксируется интегрированным видеомикроскопом. Информация выводится на дисплей персонального компьютера, определяются механические свойства поверхностного слоя образца, в том числе твердость.The closest is a method for determining the hardness and other mechanical properties of the surface layers of a metal by the scratch method [3], which consists in using a tip with a diamond from a Rockwell hardness tester to form a scratch on the surface of the sample with the application of constant or constantly increasing pressure on the tip (indenter) of the tester (devices) scratches. The applied pressure force on the tip is measured to form a scratch, the tangential friction force and the penetration depth. These data are recorded by force and depth sensors associated with the piezoelectric sensor, the image is captured by an integrated video microscope. The information is displayed on a personal computer, the mechanical properties of the surface layer of the sample, including hardness, are determined.

Недостатками этого способа является работа только с образцами, максимальный размер которых 300 мм, низкая точность измерения глубины царапины из-за влияния навалов на границах царапин и, как следствие, низкая точность значений механических характеристик поверхностного слоя металла.The disadvantages of this method is the work only with samples, the maximum size of which is 300 mm, low accuracy of measuring the depth of the scratch due to the influence of bulk at the borders of scratches and, as a result, low accuracy of the values of the mechanical characteristics of the surface layer of metal.

Целью изобретения является повышение точности и расширение области применения способа определения твердости металла методом царапания непосредственно на конструкции, автоматизированный контроль усилия на образование царапины на поверхности металла и непрерывная регистрация результатов испытаний в виде усилия резания металла при образовании царапины индентором.The aim of the invention is to improve the accuracy and expand the scope of the method for determining the hardness of a metal by scratching directly on the structure, automated control of the force on the formation of a scratch on the metal surface and the continuous recording of test results in the form of a cutting force of a metal when an indenter scratches.

Это достигается тем, что с помощью наконечника (резца) с алмазом от твердомера Роквелла формируют царапину на поверхности металла постоянной глубины 0,2 мм погружения наконечника (индентора), измеряют примененную силу на перемещение наконечника и тангенциальную составляющую силу трения при образовании царапины.This is achieved by using a tip (cutter) with diamond from a Rockwell hardness tester to form a scratch on the metal surface of a constant depth of 0.2 mm immersion of the tip (indenter), measure the applied force on the movement of the tip and the tangential component of the friction force when a scratch is formed.

На фиг.1 показано измерение ширины b и глубины h царапины.Figure 1 shows the measurement of the width b and the depth h of the scratch.

На фиг.2 изображен профиль царапины.2 shows a scratch profile.

Способ заключается в следующем.The method is as follows.

В элементе строительной конструкции или машины выявляют места с наибольшим напряжением, где происходит наибольшее старение (разупрочнение) металла, и на которые можно нанести царапину, не вызывая ею концентрации напряжений, например, направляя резец (наконечник) для царапания вдоль силового поля, и измеряют прочность металла по сопротивлению его образованию царапины постоянной глубины. Предварительно в этом месте высверливается углубление сверлом диаметром не более 3 мм на глубину 0,5-1 мм в зависимости от толщины металлического элемента и прочности металла. При толщине элемента менее 2 мм углубление равно 0,5 мм, при толщине элемента более 10 мм - углубление 1 мм. В интервале 2-10 мм углубление определяется интерполяцией. В углубление вводится резец (конусный алмазный индентор) с углом в вершине 120° от твердомера Роквелла на глубину 0,2 мм для стали. При глубине царапины менее 0,2 мм в результатах измерения силы на перемещение резца проявляют большую относительную изменчивость и возможен выход резца из царапины при обратном его движении для последующего измерения силы трения. При глубине более 0,2 мм резко возрастают сила на перемещение резца и составляющая силы трения, что вносит снижение точности в определение усилия только образования царапины. Для других металлов глубина царапины пропорциональна их твердости. Резец протягивается на 10-20 мм с сохранением постоянной глубины царапины 0,2 мм для стали по всей длине с постоянной скоростью перемещения наконечника, равной 4 мм/сек (получена по результатам испытаний в реальных условиях), при большей скорости перемещения уменьшается точность фиксации усилия на регистрирующих усилия приборах при перемещении резца, при меньшей возрастает время испытаний с фиксацией примененной силы на перемещение наконечника и выводом ее значений на дисплей осциллографа с памятью или на другое записывающее устройство. Повторяют эту операцию на трех участках элемента конструкции или машины для статистики результатов и находят среднее значения усилия

Figure 00000001
на перемещение резца (индентора) для нанесения царапины на поверхности металла. Из среднего усилия на образование царапины вычитают среднее усилие на преодоление сил трения. Для этого после образования царапины с теми же параметрами h и силой, прижимающей устройство к элементу конструкции, резец возвращают в исходное положение и перемещают по этой же царапине вторично с целью выявления значения силы трения. По среднему значению усилия
Figure 00000001
нa перемещение резца за вычетом среднего усилия на трение
Figure 00000002
находят среднее значение предела прочности металла на срез
Figure 00000003
по формулеIn the element of the building structure or machine, the places with the highest stress are identified, where the greatest aging (softening) of the metal occurs, and which can be scratched without causing stress concentration, for example, by directing the cutter (tip) to scratch along the force field, and measure the strength metal resistance to its formation of scratches of constant depth. Previously, in this place, a recess is drilled with a drill with a diameter of not more than 3 mm to a depth of 0.5-1 mm, depending on the thickness of the metal element and the strength of the metal. If the thickness of the element is less than 2 mm, the recess is 0.5 mm, and if the thickness of the element is more than 10 mm, the recess is 1 mm. In the range of 2-10 mm, the recess is determined by interpolation. A cutter (conical diamond indenter) is inserted into the recess with an angle at the apex of 120 ° from the Rockwell hardness tester to a depth of 0.2 mm for steel. When the scratch depth is less than 0.2 mm, the relative force variability is manifested in the results of measuring the force on the movement of the cutter, and the cutter can exit the scratch during its reverse movement for subsequent measurement of the friction force. With a depth of more than 0.2 mm, the force on the movement of the cutter and the component of the friction force sharply increase, which introduces a decrease in accuracy in determining the force of only the formation of a scratch. For other metals, the depth of the scratch is proportional to their hardness. The cutter extends 10-20 mm while maintaining a constant scratch depth of 0.2 mm for steel along the entire length with a constant tip movement speed of 4 mm / s (obtained from tests in real conditions), with a greater speed of movement, the accuracy of force fixation decreases on instruments that record efforts when moving the cutter, the test time increases with a smaller one, fixing the applied force to move the tip and displaying its values on the display of the oscilloscope with memory or on another recording device. Repeat this operation in three sections of a structural element or machine for statistics of results and find the average value of effort
Figure 00000001
to move the cutter (indenter) to scratch the surface of the metal. The average effort to overcome the frictional forces is subtracted from the average scratching force. For this, after the formation of a scratch with the same parameters h and the force pressing the device against the structural element, the cutter is returned to its original position and moved along the same scratch a second time in order to reveal the value of the friction force. Average effort
Figure 00000001
the displacement of the tool minus the average friction force
Figure 00000002
find the average value of the tensile strength of metal
Figure 00000003
according to the formula

Figure 00000004
,
Figure 00000004
,

где Аср=Р·1 в мм2, из фиг.2 видно, что Р - периметр профиля царапины Р=2·2h=4h.where A cf = P · 1 in mm 2 , from figure 2 it can be seen that P is the perimeter of the scratch profile P = 2 · 2h = 4h.

По

Figure 00000003
с помощью эмпирической формулы находят предел прочности при растяжении металла
Figure 00000005
, где k - постоянный коэффициент, определяемый по результатам испытаний на срез металла при образовании царапины и зависящий от прочности металла.By
Figure 00000003
using the empirical formula find the tensile strength of a metal
Figure 00000005
, where k is a constant coefficient determined by the results of tests on the shear of a metal during the formation of a scratch and depending on the strength of the metal.

По результатам испытаний образца стали С 285 получили следующие значения:According to the test results of the steel sample C 285 received the following values:

среднее значение напряжения среза по образованию царапины

Figure 00000006
МПа;average shear stress by scratch
Figure 00000006
MPa;

среднее значение предела прочности стали полученного на образцах по результатам испытаний их на разрывной машине Р-5 УХЛ 4.2.

Figure 00000007
МПа.the average value of the tensile strength of steel obtained on samples according to the results of testing them on a tensile testing machine R-5 UHL 4.2.
Figure 00000007
MPa

Установлено эмпирическое значение коэффициентаThe empirical value of the coefficient is established.

Figure 00000008
Figure 00000008

Технический результат - повышение точности определения прочности металла в самой конструкции неразрушающим методом.The technical result is an increase in the accuracy of determining the strength of metal in the structure itself by a non-destructive method.

Список литературыBibliography

1. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. В 2-х ч. Часть 2. Механические испытания. Конструкционная прочность / Я.Б. Фридман. - М.: Машиностроение, 1974. - 368 с.1. Friedman Ya.B. The mechanical properties of metals. In 2 hours. Part 2. Mechanical tests. Structural Strength / Ya.B. Friedman - M.: Mechanical Engineering, 1974. - 368 p.

2. Патент RU 2373515, МПК G01N 3/46.2. Patent RU 2373515, IPC G01N 3/46.

3. http://www.csm-mstmments.com/.3. http://www.csm-mstmments.com/.

Claims (1)

Способ неразрушающего контроля прочности металла, по которому с помощью наконечника (резца) с алмазом от твердомера Роквелла формируют царапину на поверхности металла, измеряют при этом примененную силу на перемещение наконечника с учетом тангенциальной составляющей силы трения при образовании царапины, отличающийся тем, что формируют царапину постоянной глубины 0,2 мм, с постоянной скоростью 4 мм/с, длиной 10-20 мм вдоль силового поля на трех участках для статистики результатов, измеряют усилия на формирование царапин, находят среднее значение усилия
Figure 00000009
на перемещение резца по всем участкам, на каждом участке резец возвращают в исходное положение и перемещают по этой же царапине вторично с измерением силы трения и находят среднее значение этой силы
Figure 00000010
, по этим усилиям находят среднее значение предела прочности металла на срез по формуле
Figure 00000011

где Acp - площадь среза, определяемая произведением периметра конуса царапины на единицу длины царапины, мм (1 мм), по значению
Figure 00000012
определяют предел прочности металла по формуле
Figure 00000013
, где k - эмпирический коэффициент. The method of non-destructive testing of the strength of the metal, in which using a tip (cutter) with a diamond from a Rockwell hardness tester, a scratch is formed on the metal surface, the applied force on the movement of the tip is measured taking into account the tangential component of the friction force during scratching, characterized in that they form a constant scratch depths of 0.2 mm, with a constant speed of 4 mm / s, length 10-20 mm along the force field in three sections for statistics of results, measure the efforts to form scratches, find the average ix efforts
Figure 00000009
to move the cutter in all sections, in each section the cutter is returned to its original position and moved along the same scratch a second time with the measurement of friction force and find the average value of this force
Figure 00000010
, by these efforts, find the average value of the tensile strength of the metal shear by the formula
Figure 00000011

where A cp is the cut area determined by the product of the perimeter of the scratch cone per unit length of the scratch, mm (1 mm), by the value
Figure 00000012
determine the tensile strength of the metal by the formula
Figure 00000013
where k is the empirical coefficient.
RU2010121201/28A 2010-05-25 2010-05-25 Non-destructive testing method of metal strength in structures RU2433383C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010121201/28A RU2433383C1 (en) 2010-05-25 2010-05-25 Non-destructive testing method of metal strength in structures

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010121201/28A RU2433383C1 (en) 2010-05-25 2010-05-25 Non-destructive testing method of metal strength in structures

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2433383C1 true RU2433383C1 (en) 2011-11-10

Family

ID=44997309

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010121201/28A RU2433383C1 (en) 2010-05-25 2010-05-25 Non-destructive testing method of metal strength in structures

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2433383C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2533343C1 (en) * 2013-07-17 2014-11-20 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) Beam deflection measurement method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2533343C1 (en) * 2013-07-17 2014-11-20 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) Beam deflection measurement method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2915986C (en) Scratch testing apparatus and methods of using same
Broz et al. Microhardness, toughness, and modulus of Mohs scale minerals
US6945097B2 (en) Characteristic strain and fracture resistance for scratch independently of indenter geometry
JP4784774B2 (en) Fracture toughness measurement method using continuous press-fitting method
JP4858773B2 (en) Verification method of nanoindentation test
EP3076153B1 (en) Method for calculating an indenter area function and quantifying a deviation from the ideal shape of an indenter
US20190145878A1 (en) Methods for surface evaluation
EP2291635B1 (en) Surface evaluation employing orthogonal force measurement
EP2075566A3 (en) Indentation testing instrument and indentation testing method
RU2646442C1 (en) Method for determining physico-mechanical characteristics of modified surface layer of product material and device for it
WO2006013450A3 (en) Method and apparatus for determining mechanical features of a material with comparison to reference database
RU2433383C1 (en) Non-destructive testing method of metal strength in structures
Strobl et al. Toughness measurement on ball specimens. Part II: Experimental procedure and measurement uncertainties
RU2327137C2 (en) Method of surface layer material destruction activation energy estimation
RU2143106C1 (en) Process determining mechanical characteristic of materials
RU2302622C2 (en) Mode of measuring of hardness of metallic samples
JPH10307094A (en) Nondestructive strength testing method for concrete
JP2020034411A (en) Device and method for testing friction
TW201104213A (en) Surface detection of shovel accessory and automatic quality detection apparatus
JP2008292234A (en) Young's modulus calculation, analysis and calibrating method utilizing instrumented indentation test
Li et al. Yield & Tensile Strength of Steel & Aluminium Using Microindentation
JP2007327917A (en) Friction coefficient measuring method and measuring device of metal material
JP2004333477A (en) Method and instrument for measuring plasticity of material such as ceramic raw material and compound
JP2004077302A (en) Penetration endurance evaluating testing device
RU2344408C2 (en) Method of determining young's modulus of material used for making metal products

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120526