RU2451282C1 - Method for determining mechanical characteristics of materials - Google Patents

Method for determining mechanical characteristics of materials Download PDF

Info

Publication number
RU2451282C1
RU2451282C1 RU2010143671/28A RU2010143671A RU2451282C1 RU 2451282 C1 RU2451282 C1 RU 2451282C1 RU 2010143671/28 A RU2010143671/28 A RU 2010143671/28A RU 2010143671 A RU2010143671 A RU 2010143671A RU 2451282 C1 RU2451282 C1 RU 2451282C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
load
indenter
approximation
elastic
elastoplastic
Prior art date
Application number
RU2010143671/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Михайлович Матюнин (RU)
Вячеслав Михайлович Матюнин
Павел Владимирович Волков (RU)
Павел Владимирович Волков
Артём Юрьевич Марченков (RU)
Артём Юрьевич Марченков
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ")
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 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ") filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ")
Priority to RU2010143671/28A priority Critical patent/RU2451282C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2451282C1 publication Critical patent/RU2451282C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: introduction of spherical indenter to tested material is performed at continuously increasing load, recording of indentation diagram with loading and unloading branches is performed and measurement of residual depth of indent after full unloading is carried out. Indentation diagram recording is performed in "load - elastoplastic approximation of indenter and material" coordinates, load, elastic approximation of material and indenter and residual depth of indent is measured, which correspond to the beginning of decrease of derivative of load function from elastoplastic approximation, and elastic material deformation is subtracted from common elastic approximation.
EFFECT: reducing labour intensity, improving accuracy, efficiency and enlarging functional capabilities of the method.
1 tbl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерений и, в частности, предназначено для использования при исследовании механических характеристик материалов.The invention relates to the field of measurements and, in particular, is intended for use in the study of the mechanical characteristics of materials.

Известен способ определения механических характеристик материалов (см. патент США №5.133.210, МПК G01 N3/42, опуб. 28.07.1992 г.), согласно которому при вдавливании сферического индентора непрерывно регистрируют диаграмму вдавливания в координатах «нагрузка - глубина», которую преобразуют в некоторый участок диаграммы растяжения образца в координатах «напряжение - деформация».A known method for determining the mechanical characteristics of materials (see US patent No. 5.133.210, IPC G01 N3 / 42, publ. 07/28/1992), according to which, when indenting a spherical indenter, an indentation diagram is continuously recorded in the coordinates "load - depth", which transform into a certain section of the tensile diagram of the sample in the coordinates of "stress - strain".

Недостатком такого способа является низкая точность определения напряжений.The disadvantage of this method is the low accuracy of the determination of stresses.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения механических характеристик материалов (см. авторское свидетельство СССР №1145273, Кл. G01N 3/42, опубл. 15.03.1985 г.), заключающийся в том, что в материал внедряют сферический индентор под непрерывно возрастающей нагрузкой, измеряют нагрузку и глубину отпечатка под нагрузкой, затем уменьшают нагрузку до нуля в момент начала прямо пропорциональной зависимости приращения нагрузки от приращения глубины отпечатка, а при повторном испытании - в момент окончания этой зависимости, измеряют остаточную глубину отпечатка, с учетом которой определяют временное сопротивление при первом испытании или равномерную деформацию при втором испытании.The closest in technical essence to the invention is a method for determining the mechanical characteristics of materials (see USSR author's certificate No. 1145273, CL. G01N 3/42, publ. March 15, 1985), which consists in introducing a spherical indenter continuously under the material increasing load, measure the load and imprint depth under load, then reduce the load to zero at the moment of the beginning of a direct proportional dependence of the load increment on the increment of the imprint depth, and when re-testing at the end of this curvature values, measure the residual imprint depth, taking into account which the temporary resistance is determined in the first test or uniform deformation in the second test.

Недостатками этого способа являются: трудоемкость, низкие точность, производительность и информативность.The disadvantages of this method are: the complexity, low accuracy, performance and information content.

Технической задачей изобретения является снижение трудоемкости, повышение точности, производительности и расширение функциональных возможностей способа.An object of the invention is to reduce the complexity, increasing accuracy, productivity and expanding the functionality of the method.

Эта техническая задача достигается тем, что в известном способе определения механических характеристик материалов, включающем внедрение в испытуемый материал сферического индентора при непрерывно возрастающей нагрузке, регистрацию диаграммы вдавливания с ветвями нагружения и разгрузки и измерение остаточной глубины отпечатка после полной разгрузки, согласно изобретению регистрацию диаграммы вдавливания проводят в координатах «нагрузка - упругопластическое сближение индентора и материала», измеряют нагрузку, упругое сближение материала и индентора и остаточную глубину отпечатка, соответствующие началу уменьшения производной функции нагрузки от упругопластического сближения, вычитают из общего упругого сближения упругую деформацию материала.This technical problem is achieved by the fact that in the known method for determining the mechanical characteristics of materials, including the introduction of a spherical indenter in the test material with a continuously increasing load, recording an indentation diagram with loading and unloading branches and measuring the residual imprint depth after complete unloading, according to the invention, an indentation diagram is recorded in coordinates "load - elastoplastic approach of the indenter and the material", measure the load, the elastic approach of the ma terial and indenter and the residual imprint depth corresponding to the beginning of the reduction of the derivative of the load function from the elastoplastic approach, the elastic deformation of the material is subtracted from the total elastic approach.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид диаграммы «нагрузка Р - упругопластическое сближение α», на фиг.2 показан общий вид диаграммы «dP/dα - Р», на фиг.3 представлена функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a General view of the diagram "load P - elastoplastic approximation α", Fig.2 shows a General view of the diagram "dP / dα - P", Fig.3 shows a functional diagram of a device for implementing the proposed way.

На фиг.1-2 приняты следующие обозначения: Р - нагрузка вдавливания;In Fig.1-2, the following designations are adopted: P is the indentation load;

PK - нагрузка вдавливания, соответствующая окончанию нагружения (в точке К);P K is the indentation load corresponding to the end of loading (at point K);

РВ - нагрузка вдавливания, соответствующая началу уменьшения производной функции Р=f(α) (в точке В);P B is the indentation load corresponding to the beginning of a decrease in the derivative of the function P = f (α) (at point B);

hВ - остаточная глубина отпечатка, соответствующая нагрузке РВ;h In the residual imprint depth corresponding to the load of R In ;

hк - остаточная глубина отпечатка после полной разгрузки;h to - residual imprint depth after complete unloading;

αк - упругопластическое сближение, соответствующее нагрузке РК;α to - elastoplastic approach, corresponding to the load R To ;

αВ - упругопластическое сближение, соответствующее нагрузке РВ;α In - elastoplastic approach, corresponding to the load P In ;

y)к - совместное упругое сближение материала и индентора при нагрузке РК;y ) k - joint elastic rapprochement of the material and indenter at the load R K ;

y)B - совместное упругое сближение материала и индентора при нагрузке РВ.y ) B - joint elastic rapprochement of the material and indenter at a load of R In

dP/dα - производная функции нагрузки от упругопластического сближения.dP / dα is the derivative of the load function from the elastic-plastic approach.

Устройство для реализации предлагаемого способа определения механических характеристик материалов содержит механизм нагружения 1, передающий усилие на испытуемый материал, который прижимается к индентору, закрепленному на силовом штоке 2, который соединен с датчиком измерения нагрузки 3 и датчиком измерения упругопластического сближения 4. Датчики соединены с преобразователем формы информации 5, выход которого связан непосредственно с персональным компьютером 6.A device for implementing the proposed method for determining the mechanical characteristics of materials contains a loading mechanism 1, which transfers force to the test material, which is pressed against an indenter mounted on a power rod 2, which is connected to a load measurement sensor 3 and an elastic-plastic proximity sensor 4. The sensors are connected to a shape transducer information 5, the output of which is connected directly to a personal computer 6.

Устройство, реализующее способ определения механических характеристик материалов, работает следующим образом.A device that implements a method for determining the mechanical characteristics of materials works as follows.

Механизм нагружения 1 внедряет сферический индентор в испытуемый материал. При этом электрические сигналы от датчика нагружения 3 и датчика упругопластического сближения 4 непрерывно поступают на вход преобразователя формы информации 5, который преобразует информацию и передает ее в цифровой форме в персональный компьютер 6. В процессе преобразования на экране компьютера в режиме реального времени отображается диаграмма вдавливания в координатах «Р - α» с ветвями нагружения и разгрузки, а также производится дифференцирование ветви нагружения диаграммы. По полученным диаграммам персональный компьютер определяет нагрузку, упругое сближение материала и индентора и остаточную глубину отпечатка, соответствующие началу уменьшения производной функции нагрузки от упругопластического сближения, и вычитает упругую деформацию материала. Затем определяются следующие механические характеристики материала:The loading mechanism 1 introduces a spherical indenter into the test material. In this case, the electric signals from the load sensor 3 and the elastic-plastic proximity sensor 4 are continuously fed to the input of the information form transducer 5, which converts the information and transfers it in digital form to a personal computer 6. During the conversion, an indentation diagram is displayed on the computer screen in real time coordinates “P - α” with loading and unloading branches, and differentiation of the loading branch of the diagram is also performed. According to the obtained diagrams, the personal computer determines the load, the elastic approximation of the material and the indenter and the residual imprint depth corresponding to the beginning of the reduction of the derivative of the load function from the elastoplastic approximation, and subtracts the elastic deformation of the material. Then the following mechanical characteristics of the material are determined:

- Модуль нормальной упругости Ем=f(РВ, (αy)В, R, µм µш, Еш),- The modulus of normal elasticity E m = f (P B , (α y ) B , R, µ m µ sh , E sh ),

где R - радиус индентора; µм и µш - коэффициенты Пуассона испытуемого материала и материала индентора; Еш - модуль упругости материала индентора;where R is the indenter radius; µ m and µ W - Poisson's ratios of the test material and indenter material; E W - the modulus of elasticity of the material of the indenter;

Коэффициент, учитывающий соотношение упругой деформации индентора и упругой деформации испытуемого материала, k=Еш/(Ешм);The coefficient taking into account the ratio of the elastic deformation of the indenter and the elastic deformation of the test material, k = E W / (E W + E m );

- Модуль упрочнения материала при вдавливании в пластической области Q=f(Pв,hв,R);- The module of the hardening of the material during indentation in the plastic region Q = f (P in , h in , R);

- Невосстановленную твердость по Бринеллю на уровне временного сопротивления (НВt)В=f(Рв, hв, (αу)В, R, k);- Unrestored Brinell hardness at the level of temporary resistance (HB t ) B = f (P in , h in , (α y ) B , R, k);

- Коэффициент, учитывающий соотношение упругой деформации индентора и упругой деформации испытуемого материала, k;- Coefficient taking into account the ratio of the elastic deformation of the indenter and the elastic deformation of the test material, k;

- Временное сопротивление при растяжении σВ=f((НВt)в);- Temporary tensile strength σ B = f ((HB t ) c );

- Условный предел текучести при растяжении σ0.2=f(q);- The conditional tensile strength σ 0.2 = f (q);

- Относительное остаточное равномерное удлинение при растяжении- Relative residual uniform elongation in tension

δp=f(hв,R).δ p = f (h in , R).

Весь процесс испытания с изображением диаграммы вдавливания и выдачей таблицы значений механических характеристик автоматизирован и занимает не более 3 мин.The entire test process with the image of the indentation diagram and the issuance of a table of values of the mechanical characteristics is automated and takes no more than 3 minutes.

В монографии (см. Матюнин В.М. оперативная диагностика механических свойств конструкционных материалов. Пособие для научных и инженерно-технических работников. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006, 214 с.) подробно изложены методики и технические средства определения перечисленных механических характеристик. Кроме того, перед проведением испытания выбирают и вдавливают индентор такого радиуса, при котором образуется отпечаток с площадью поверхности, равной изменению начальной площади поперечного сечения растягиваемого образца при достижении одинаковой относительной деформации при вдавливании и растяжении.The monograph (see VM Matyunin, operational diagnostics of the mechanical properties of structural materials. A manual for scientific and engineering workers. - M.: Publishing House MPEI, 2006, 214 pp.) Describes in detail the methods and technical means for determining the listed mechanical characteristics . In addition, before conducting the test, an indenter of a radius is selected and pressed in such a way that an imprint is formed with a surface area equal to the change in the initial cross-sectional area of the stretched sample when the same relative deformation during indentation and tension is achieved.

В таблице приведены результаты испытаний и определения механических характеристик стали 20Х13 и титанового сплава ВТ-4 предлагаемым способом вдавливания индентора и известным способом растяжения образца. Испытанные материалы сильно различаются модулем нормальной упругости и, как следствие, имеют различный коэффициент k, учитывающий соотношение упругой деформации испытуемого материала и упругой деформации индентора. В этом эксперименте R=0,5 мм, Еш=216000 Н/мм2, µм = µш = 0,28.The table shows the test results and determine the mechanical characteristics of steel 20X13 and titanium alloy VT-4 by the proposed method of indenter indentation and a known method of sample tension. The tested materials differ greatly in the modulus of normal elasticity and, as a result, have a different coefficient k, taking into account the ratio of the elastic deformation of the test material and the elastic deformation of the indenter. In this experiment, R = 0.5 mm, E W = 216000 N / mm 2 , µ m = µ W = 0.28.

Figure 00000001
Figure 00000001

Из таблицы следует, что максимальное относительное отклонение значений механических характеристик, определенных предлагаемым способом, от значений тех же механических характеристик, определенных способом растяжения образцов, не превышает ±5%.From the table it follows that the maximum relative deviation of the values of the mechanical characteristics determined by the proposed method from the values of the same mechanical characteristics determined by the method of stretching the samples does not exceed ± 5%.

Использование изобретения обеспечивает снижение трудоемкости, повышение точности, производительности и расширение функциональных возможностей способа.The use of the invention provides a reduction in the complexity, increased accuracy, productivity and expansion of the functionality of the method.

Claims (1)

Способ определения механических характеристик материалов, включающий внедрение в испытуемый материал сферического индентора при непрерывно возрастающей нагрузке, регистрацию диаграммы вдавливания с ветвями нагружения и разгрузки и измерение остаточной глубины отпечатка после полной разгрузки, отличающийся тем, что регистрацию диаграммы вдавливания проводят в координатах «нагрузка - упругопластическое сближение индентора и материала», измеряют нагрузку, упругое сближение материала и индентора и остаточную глубину отпечатка, соответствующие началу уменьшения производной функции нагрузки от упругопластического сближения, вычитают из общего упругого сближения упругую деформацию материала. A method for determining the mechanical characteristics of materials, including introducing a spherical indenter into the test material under a continuously increasing load, recording an indentation diagram with loading and unloading branches and measuring the residual imprint depth after complete unloading, characterized in that the indentation diagram is recorded in the coordinates “load - elastoplastic approximation indenter and material ”, measure the load, the elastic approach of the material and indenter and the residual imprint depth, respectively etstvuyuschie top reducing the derivative function of the load elastoplastic approximation is subtracted from the total convergence of the elastic deformation of the elastic material.
RU2010143671/28A 2010-10-26 2010-10-26 Method for determining mechanical characteristics of materials RU2451282C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010143671/28A RU2451282C1 (en) 2010-10-26 2010-10-26 Method for determining mechanical characteristics of materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010143671/28A RU2451282C1 (en) 2010-10-26 2010-10-26 Method for determining mechanical characteristics of materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2451282C1 true RU2451282C1 (en) 2012-05-20

Family

ID=46230847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010143671/28A RU2451282C1 (en) 2010-10-26 2010-10-26 Method for determining mechanical characteristics of materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2451282C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2554306C2 (en) * 2013-10-15 2015-06-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method of assessment of micromechanical characteristics of local areas of metals
RU2721089C1 (en) * 2019-03-25 2020-05-15 Учреждение образования "Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого" Method of determining strength of material
RU2721314C1 (en) * 2019-04-01 2020-05-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Method of determining relative narrowing after fracture
RU2765342C1 (en) * 2021-04-14 2022-01-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Method for determining the endurance limit of the material of a cylindrical part under torsion

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1145273A1 (en) * 1981-04-28 1985-03-15 Московский Ордена Ленина Энергетический Институт Material mechanical characteristic determination method
US5490416A (en) * 1994-11-04 1996-02-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior Method of determining elastic and plastic mechanical properties of ceramic materials using spherical indenters
RU2066859C1 (en) * 1992-05-06 1996-09-20 Рыбинская государственная авиационная технологическая академия Process of determination of mechanical properties of material
RU98110204A (en) * 1998-05-26 2000-02-27 Московский энергетический институт (Технический университет) METHOD FOR DETERMINING MECHANICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1145273A1 (en) * 1981-04-28 1985-03-15 Московский Ордена Ленина Энергетический Институт Material mechanical characteristic determination method
RU2066859C1 (en) * 1992-05-06 1996-09-20 Рыбинская государственная авиационная технологическая академия Process of determination of mechanical properties of material
US5490416A (en) * 1994-11-04 1996-02-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior Method of determining elastic and plastic mechanical properties of ceramic materials using spherical indenters
RU98110204A (en) * 1998-05-26 2000-02-27 Московский энергетический институт (Технический университет) METHOD FOR DETERMINING MECHANICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2554306C2 (en) * 2013-10-15 2015-06-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method of assessment of micromechanical characteristics of local areas of metals
RU2721089C1 (en) * 2019-03-25 2020-05-15 Учреждение образования "Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого" Method of determining strength of material
RU2721314C1 (en) * 2019-04-01 2020-05-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Method of determining relative narrowing after fracture
RU2765342C1 (en) * 2021-04-14 2022-01-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Method for determining the endurance limit of the material of a cylindrical part under torsion

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mokhtarishirazabad et al. Optical and analytical investigation of overloads in biaxial fatigue cracks
US20040020276A1 (en) Apparatus for indentation test and method for measuring mechanical properties using it
Yamada et al. Crack closure under high load-ratio conditions for Inconel-718 near threshold behavior
RU2451282C1 (en) Method for determining mechanical characteristics of materials
CN109030259A (en) A method of repeatedly plus unloading spherical indenter indentation obtains material simple stress-strain stress relation
Tu et al. Fatigue crack propagation behavior of high-strength steel under variable amplitude loading
Cravero et al. Further developments in J evaluation procedure for growing cracks based on LLD and CMOD data
Feng et al. Enhanced crack sizing and life estimation for welded tubular joints under low cycle actions
Wang et al. Low-cycle fatigue life prediction of spot welds based on hardness distribution and finite element analysis
Midawi et al. Elastic-plastic property evaluation using a nearly flat instrumented indenter
Pessard et al. Microstructural heterogeneities and fatigue anisotropy of forged steels
Vasco-Olmo et al. Experimental evaluation of the effect of overloads on fatigue crack growth by analysing crack tip displacement fields
CN109299498A (en) The modified method of discrimination of Pulling escape testing result time and temperature effect and system
Bao et al. Piezomagnetic hysteresis as a non-destructive measure of the metal fatigue process
Collin et al. An experimental method to determine the contact radius changes during a spherical instrumented indentation
RU2610936C1 (en) Method of determining strain and stress intensity in local zones of plastically deformeed material
Chollacoop et al. Experimental assessment of the representative strains in instrumented sharp indentation
Belchenko et al. An estimation of the strain-stress state under cyclic loading by the acoustoelasticity method
CN110715982A (en) Moment tensor-based reinforced concrete structure crack type judgment method
Li et al. Study on mechanical properties and acoustic emission characteristics of metallic materials under the action of combined tension and torsion
Sumikawa et al. Stress state dependency of unloading behavior in high strength steels
Shrama et al. Fatigue crack monitoring in mild steel specimens using acoustic emission and digital image correlation
Benedetti et al. Fatigue cracks emanating from sharp notches in high-strength aluminium alloys: The effect of loading direction, kinking, notch geometry and microstructure
RU2609817C1 (en) Method of mechanical tests of metal
RU2003111551A (en) TESTING MACHINE FOR MECHANICAL TENSION MATERIAL TESTS

Legal Events

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

Effective date: 20161027