RU2499246C2 - Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation - Google Patents
Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2499246C2 RU2499246C2 RU2011113065/28A RU2011113065A RU2499246C2 RU 2499246 C2 RU2499246 C2 RU 2499246C2 RU 2011113065/28 A RU2011113065/28 A RU 2011113065/28A RU 2011113065 A RU2011113065 A RU 2011113065A RU 2499246 C2 RU2499246 C2 RU 2499246C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tool
- sample
- indenter
- activation energy
- plastic deformation
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, а именно к определению прочностных характеристик материалов деталей машин при усталостном механизме разрушения, а также при деформировании поверхностных слоев материала трением, и может быть использовано для оценки параметров их состояния.The invention relates to mechanical engineering, and in particular to the determination of the strength characteristics of materials of machine parts under the fatigue fracture mechanism, as well as in the deformation of surface layers of material by friction, and can be used to assess their state parameters.
Известны аналогичные способы определения прочностных характеристик материалов [1, 2], заключающиеся в том, что в испытуемый материал внедряют индентор под нагрузкой, измеряют геометрические параметры отпечатков и борозды, а затем определяют прочностные характеристики материала.Similar methods are known for determining the strength characteristics of materials [1, 2], namely, that an indenter is inserted into the test material under load, the geometric parameters of the prints and furrows are measured, and then the strength characteristics of the material are determined.
Аналогичные способы реализуются отдельным устройством и поэтому пригодны только для определения ограниченного числа характеристик.Similar methods are implemented by a separate device and therefore are only suitable for determining a limited number of characteristics.
Наиболее близко по своей технической сущности в качестве прототипа подходит способ определения прочностных характеристик материала и устройство для его осуществления [3], заключающийся в том, что на подготовленную поверхность образцов индентором наносят царапины, повторяют проходы индентора, оценивают объем материала, вытесненного индентором из поверхностного слоя, затраченную энергию, затем определяют характеристику материала - энергию активации разрушения поверхностного слоя, как отношение затраченной энергии к количеству материала, вытесненного из поверхностного слоя.The closest in its technical essence as a prototype is a method for determining the strength characteristics of a material and a device for its implementation [3], which consists in scratching the prepared surface of the samples by the indenter, repeating the indenter passes, and estimating the volume of the material displaced by the indenter from the surface layer spent energy, then determine the characteristic of the material - the activation energy of the destruction of the surface layer, as the ratio of the spent energy to the amount of mother la displaced from the surface layer.
Однако прототип ограничен в своих технологических возможностях, так как позволяет определять только определенные характеристики материала, ограниченные устройством.However, the prototype is limited in its technological capabilities, as it allows you to determine only certain characteristics of the material, limited by the device.
Заявляемый способ лишен указанного недостатка.The inventive method is devoid of this drawback.
Известны аналогичные устройства для осуществления способа определения прочностных характеристик материала [4, 5], содержащие корпус, индентор, механизм нагружения индентора, колонну, механизм продольного перемещения индентора, оптическую систему, блок обработки информации, командоаппарат, механизм закрепления образца, арретирующий узел.Known similar devices for implementing the method for determining the strength characteristics of a material [4, 5], comprising a housing, an indenter, an indenter loading mechanism, a column, an indenter longitudinal movement mechanism, an optical system, an information processing unit, a command device, a sample fixing mechanism, a locking unit.
Аналогичные устройства имеют недостаток: они предназначены для определенных операций, то есть у них ограничены технологические возможности, низкая производительность.Similar devices have a drawback: they are designed for certain operations, that is, they have limited technological capabilities, low productivity.
В качестве прототипа по своей технической сущности наиболее близко подходит устройство [6], содержащее корпус, колонну, индентор, механизм нагружения индентора, механизмы продольного и поперечного перемещения индентора, блок обработки информации, командоаппарат. Устройство-прототип позволяет вдавливать инструмент-индентор, наносить на испытуемую поверхность образца царапину и переходить к нанесению следующей царапины, измерять силу вдавливания инструмента-индентора, размеры царапины-борозды, величину высоты наплыва, ширины и глубины царапины. Однако устройство-прототип имеет недостаток. Оно ограничено в своих технологических возможностях. На нем невозможно осуществить все операции согласно заявляемому способу определения прочностных характеристик материала.As a prototype, in its technical essence, the device [6] is the most suitable, containing a housing, a column, an indenter, an indenter loading mechanism, indenter longitudinal and lateral movement mechanisms, an information processing unit, a command device. The prototype device allows you to press the indenter tool, apply a scratch to the test surface of the sample and proceed to the next scratch, measure the indentation force of the indenter tool, the size of the scratch-groove, the height of the influx, the width and depth of the scratch. However, the prototype device has a drawback. It is limited in its technological capabilities. It is impossible to carry out all operations according to the claimed method for determining the strength characteristics of the material.
Указанный недостаток отсутствует в заявляемом устройстве.The specified disadvantage is absent in the claimed device.
Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении технических возможностей, упрощение и ускорение операций.The technical result of the present invention is to expand the technical capabilities, simplifying and speeding up operations.
Технический результат достигается тем, что на подготовленную поверхность образцов инструментом-индентором наносят царапины, повторяют проходы инструмента-индентора, оценивают объем материала, вытесненного инструментом-индентором из поверхностного слоя, затраченную энергию при заданной температуре образца, затем определяют характеристику материала - энергию активации разрушения поверхностного слоя, как отношение затраченной энергии к количеству материала, вытесненного из поверхностного слоя, при этом используют программу выбора вида исследования и его проведения из возможных нескольких автоматически реализуемых на одном и том же устройстве, как профилографирование-профилометрирование шероховатости образца; оценку микротвердости поверхности образца; оценку энергии активации пластической деформации; трибометрирование; прогнозирование остаточного ресурса (по текущему значению либо кинетике изменения энергии активации пластической деформации); профилографирование-профилометрирование волнистости поверхности образца; включают блок обработки информации персонального компьютера, загружают рабочую программу выбора вида исследования и его проведения; поворачивают ручку фиксации инструмента в положение «измерение», отводя кулачком подвеску; обезжиренный и высушенный образец размещают на столике исследуемой поверхностью перпендикулярно оси движения инструмента; устанавливают соответствующий инструмент в державке; вводят требуемые исходные данные и режимы исследования в рабочую программу выбора вида исследования и его проведения; нажимают кнопку «старт» окна рабочей программы выбора вида исследования и его проведения; опускают траверсу с инструментальной головкой до соприкосновения инструмента с исследуемой поверхностью образца, определяя его момент касания по показаниям датчика вертикальных перемещений инструмента; двигателем горизонтального перемещения каретки перемещают каретку на расстояние выхода вершины инструмента из деформированной области исследуемой поверхности до нулевых показаний датчика вертикальных перемещений инструмента; реализуют алгоритм дальнейших действий согласно результату выбора видов исследований. После выбора вида исследований - оценка микротвердости поверхности образца вводят требуемое число измерений, величину нормальной нагрузки; устанавливают инструмент - стандартный алмазный индентор Виккерса (четырехгранную пирамиду с углом при вершине 136°); включают двигатель нагружения; давят на свободный конец плоской пружины датчика нагружения подвески; одновременно строят график зависимости «нормальная нагрузка FN [Н] - величина внедрения инструмента-индентора h [мкм] в исследуемую поверхность» (h=f(FN)); одновременно вычисляют значение микротвердости по формуле
где tэксп - длительность наработки материала в единицах времени; U0, U0 исх, U0 кр - текущее, исходное, критическое (предельно допустимое) значение энергии активации пластической деформации материала, соответственно; при прогнозировании по кинетике изменения энергии активации пластической деформации строят таблицу исходных данных, содержащих ранее найденные значения энергии активации пластической деформации исследуемого материала и соответствующие им значения наработки; выбирают вид аппроксимации (линейный или нелинейный); с помощью рабочей программы автоматически строят на экране компьютера зависимость в координатах «наработка - энергия активации пластической деформации», аппроксимированную методом наименьших квадратов и горизонтальные прямые, соответствующие начальному и критическому уровню энергии активации пластической деформации материала; определяют автоматически точку пересечения аппроксимированной зависимости с критическим значением энергии активации; значение оси в точке пересечения принимают за прогнозируемое значение наработки материала, соответствующее его разрушению, сохраняют прогнозируемое значение наработки материала в памяти блока обработки информации. После выбора вида исследований - трибометрирование, задают величину нормальной нагрузки, скорость, амплитуду и время перемещения каретки; устанавливают инструмент -сферический индентор в державку; наносят слой смазочного материала на поверхность исследуемого образца; включают автоматически двигатель нагружения; давят на инструмент - сферический индентор нормальной силой до заданной величины с фиксированием датчиком нагружения подвески нормальной силой; включают двигатель продольного перемещения в режиме возвратно-поступательного движения с заданной скоростью, амплитудой и временем испытаний; измеряют силу трения по показаниям датчика тангенциальной силы, нормальную силу, действующую на инструмент - индентор, величину перемещения инструмента-индентора относительно поверхности исследуемого образца, величину линейного износа по разности показаний датчика вертикальных перемещений инструмента-индентора; возвращают инструмент - индентор и каретку в исходное положение; сохраняют результат вычислений в памяти блока обработки информации. После выбора вида исследований - профилографирование - профилометрирование волнистости поверхности образца при выборе требуемого режима исследования задают длину трассы сканирования поверхности образца; устанавливают инструмент - алмазную иглу с углом при вершине 60° в державку; автоматически включают двигатель горизонтального перемещения столика вместе с образцом на величину длины трассы сканирования (без приложения нормальной нагрузки); одновременно с перемещением образца строят график на экране компьютера зависимости «вертикальное перемещение инструмента - горизонтальное перемещение исследуемого образца» в режиме реального времени; при задании нескольких чисел заданных измерений действие повторяют заданное число раз; выводят на экран среднюю линию профиля, линии впадин и выступов; рассчитывают параметры WZ - высоту волнистости SW - шаг волнистости; найденные значения критериев профиля волнистости исследуемой поверхности образца сохраняют в памяти блока обработки информации; возвращают каретку и инструмент - алмазную иглу в исходное положение; поворачивают ручку фиксации инструмента - алмазной иглы в положение «хранение», приподнимая при этом подвеску; сохраняют результаты вычислений в памяти блока обработки информации.where t exp - the duration of the time the material in units of time; U 0 , U 0 ref , U 0 cr - current, initial, critical (maximum permissible) value of the activation energy of plastic deformation of the material, respectively; when predicting the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation, a table of initial data is constructed containing the previously found values of the activation energy of plastic deformation of the material under study and the corresponding operating time values; choose the type of approximation (linear or non-linear); using a work program, a dependency is automatically built on the computer screen in the coordinates "running hours - activation energy of plastic deformation" approximated by the least squares method and horizontal lines corresponding to the initial and critical levels of activation energy of plastic deformation of the material; automatically determine the intersection point of the approximated dependence with a critical value of activation energy; the axis value at the intersection point is taken as the predicted value of the material production time corresponding to its destruction, the predicted value of the material production time is stored in the memory of the information processing unit. After choosing the type of research - tribometry, set the magnitude of the normal load, speed, amplitude and time of movement of the carriage; set the spherical indenter tool into the holder; applying a layer of lubricant to the surface of the test sample; automatically turn on the loading engine; press on the tool - a spherical indenter with a normal force to a predetermined value with fixing by the load sensor of the suspension with a normal force; turn on the longitudinal motion engine in the reciprocating motion mode with a given speed, amplitude and test time; measure the friction force according to the readings of the tangential force sensor, the normal force acting on the tool - indenter, the displacement of the tool-indenter relative to the surface of the test sample, the linear wear on the difference of the readings of the sensor of vertical displacements of the tool-indenter; return the tool - the indenter and the carriage to its original position; save the result of the calculations in the memory of the information processing unit. After choosing the type of research - profiling - profilometry of the undulation of the surface of the sample, when choosing the desired research mode, specify the length of the scan path of the surface of the sample; set the tool - a diamond needle with an angle at the apex of 60 ° in the holder; automatically turn on the engine for horizontal movement of the table along with the sample by the length of the scan path (without applying a normal load); simultaneously with the movement of the sample, a graph is plotted on the computer screen of the dependence "vertical movement of the tool - horizontal movement of the test sample" in real time; when setting several numbers of specified measurements, the action is repeated a specified number of times; display the middle line of the profile, the line of depressions and protrusions; calculate the parameters W Z - wave height S W - wave step; the found values of the criteria for the undulation profile of the investigated surface of the sample are stored in the memory of the information processing unit; return the carriage and the tool - the diamond needle to its original position; turn the knob for fixing the tool - the diamond needle to the "storage" position, while raising the suspension; save the results of the calculations in the memory of the information processing unit.
Устройство для определения прочностных характеристик материала, содержащее корпус коробчатой пустотелой формы с электродвигателем и редуктором внутри его; укрепленные на корпусе две параллельные колонны с установленной на них с возможностью перемещения по ним траверсой вместе с механизмами фиксации ее на колоннах и закрепленной на ней инструментом; инструментальной головкой, механизмом установки инструмента, механизмом подвода и отвода инструмента от поверхности образца, измерителем нормальных перемещений инструмента, датчиком нормальной силы, механизм и стол для установки и термостабилизации образца; механизм нормального нагружения инструмента; автоматизированную систему задания программы нагружения и разгружения, считывания, записи и обработки информации результатов испытаний совместно с персональным компьютером, при этом оно дополнительно снабжено механизмом тангенциального перемещения образца; механизмом поворота образца в вертикальной плоскости; механизмом тонкого перемещения образца в вертикальной плоскости; механизмом ускоренного перемещения и фиксации инструмента; датчиком измерения тангенциальной силы; механизмом вертикального перемещения траверсы; при этом механизм и стол для установки и термосабилизации образца выполнен в виде столика и плиты, установленной на корпусе устройства, соединенных между собой механизмом тангенциального перемещения образца, выполненного, в свою очередь, в виде нижнего корпуса, соединенного с плитой с возможностью перемещения по ее продольным направляющим посредством шагового электродвигателя, расположенного в нижнем корпусе, и реечной передачи, реечная шестерня которой закреплена на роторе шагового электродвигателя, а рейка - на плите, и механизмом поворота образца в вертикальной плоскости, скрепленного столиком, выполненным в виде верхнего клина и нижнего клина, установленного на верхнем корпусе с возможностью перемещения по его направляющим посредством вращения рукоятки ходового винта, закрепленного в подшипнике верхнего корпуса и связанного с резьбовым отверстием нижнего клина; причем верхний клин соединен посредством плоской и витой пружин с нижним корпусом с возможностью поворота относительно его посредством механизма поворота образца в вертикальной плоскости, состоящего из маховика-рукоятки винта, имеющего возможность вращения в гайке, закрепленной на нижнем корпусе и упираться сферическим концом в пяту, закрепленную в верхнем корпусе; а механизм вертикального перемещения траверсы выполнен в виде шагового электродвигателя, редуктора, включающего ременную передачу, промежуточный вал, двумя червяками на его концах и два червячных зубчатых колеса на двух ходовых винтах, пропущенных внутри соответствующих двух колонн и внутрь корпуса, двух ходовых гаек, закрепленных на двух жестко скрепленных с траверсой ползушках, установленных на соответствующих колоннах по подвижной посадке с возможностью фиксации на них посредством механизмов фиксации траверсы; механизм ускоренного перемещения и фиксации инструмента выполнен в виде диского кулачка и рукоятки его поворота; механизм нормального нагружения инструмента и механизм тангенциального перемещения инструмента выполнены в виде каретки, подвешенной на попарных плоско-параллельных пружинах с возможностью перемещения, в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, посредством соответствующих двух перпендикулярно установленных линейных шаговых электродвигателей.A device for determining the strength characteristics of a material, comprising a box-shaped hollow body with an electric motor and a gearbox inside it; two parallel columns mounted on the casing with installed on them with the possibility of moving a traverse along them together with mechanisms for fixing it on the columns and a tool fixed on it; a tool head, a tool mounting mechanism, a mechanism for bringing the tool in and out of the sample surface, a measuring instrument for normal tool movements, a normal force sensor, a mechanism and a table for installing and thermally stabilizing the sample; mechanism of normal tool loading; an automated system for setting a program for loading and unloading, reading, writing and processing information from test results together with a personal computer, while it is additionally equipped with a mechanism for tangential movement of the sample; the mechanism of rotation of the sample in a vertical plane; the mechanism of thin movement of the sample in a vertical plane; a mechanism for accelerated movement and fixation of the tool; tangential force sensor; the mechanism of vertical movement of the traverse; the mechanism and the table for installing and thermally stabilizing the sample are made in the form of a table and a plate mounted on the device’s body, interconnected by a tangential movement mechanism of the sample, made, in turn, in the form of a lower case connected to the plate with the possibility of moving along its longitudinal guiding by means of a stepper motor located in the lower case, and a rack and pinion gear, the rack gear of which is fixed to the rotor of the stepper motor, and the rail on the plate, and the mechanism a sample gate in a vertical plane, fastened together by a table made in the form of an upper wedge and a lower wedge mounted on the upper case with the possibility of moving along its guides by rotating the spindle handle fixed in the bearing of the upper case and connected with the threaded hole of the lower wedge; moreover, the upper wedge is connected by means of a flat and twisted spring to the lower case with the possibility of rotation relative to it by means of a sample rotation mechanism in a vertical plane, consisting of a handwheel-screw, which can rotate in a nut fixed on the lower case and abut against the heel fixed with a spherical end in the upper case; and the mechanism of vertical movement of the traverse is made in the form of a stepper motor, a gearbox, including a belt drive, an intermediate shaft, two worms at its ends and two worm gears on two lead screws, passed inside the corresponding two columns and inside the case, two lead nuts mounted on two cradles rigidly fixed to the traverse, mounted on the respective columns in a movable landing with the possibility of fixing on them by means of the traverse fixing mechanisms; the mechanism of accelerated movement and fixation of the tool is made in the form of a disk cam and a handle for its rotation; the mechanism of normal loading of the tool and the mechanism of tangential movement of the tool are made in the form of a carriage suspended on pairwise plane-parallel springs with the possibility of movement, in two mutually perpendicular directions, by means of the respective two perpendicularly mounted linear step motors.
Отличительные признаки способа: отпадает необходимость иметь несколько разных устройств, исчезают операции по наладке и настройке каждого вида исследования из возможных шести, автоматически реализуемых на одном и том же устройстве: оценку микротвердости образца; профилографирование-профилометрирование шероховатости поверхности образца; оценку энергии активации пластической деформации; трибометрирование; прогнозирование остаточного ресурса; профилографирование-профилометрирование волнистости поверхности образца. Легко возможно перейти к любому из шести видов исследований за счет группирования одинаковых операций, общих для каждого вида исследований, чем автоматически командует командоаппарат согласно содержанию рабочей программы.Distinctive features of the method: there is no need to have several different devices, operations for setting up and adjusting each type of study from the possible six, automatically implemented on the same device, disappear: evaluation of the microhardness of the sample; profiling-profiling of the surface roughness of the sample; assessment of the activation energy of plastic deformation; tribometry; prediction of residual life; profiling-profiling of the undulation of the surface of the sample. It is easy to go to any of the six types of research by grouping the same operations common to each type of research, which automatically commands the command device according to the contents of the work program.
Отличительные признаки устройства: дополнительно введены механизм тангенциального перемещения образца; механизм поворота образца в вертикальной плоскости; механизм разгружающего отвода инструмента; механизм перемещения траверсы; по-иному выполнены механизм нормального нагружения инструмента и механизм тангенциального перемещения инструмента.Distinctive features of the device: the mechanism of tangential movement of the sample is additionally introduced; the mechanism of rotation of the sample in a vertical plane; tool unloading retraction mechanism; traverse movement mechanism; the mechanism of normal loading of the tool and the mechanism of tangential movement of the tool are differently implemented.
Сравнительный анализ способа и устройства с известными техническими решениями показывает, что в известных технических решениях отсутствуют отличительные признаки предлагаемых изобретений, позволяющих решить новую техническую задачу. Следовательно, эти признаки являются существенными.A comparative analysis of the method and device with known technical solutions shows that in the known technical solutions there are no distinguishing features of the proposed inventions, allowing to solve a new technical problem. Therefore, these symptoms are significant.
При определении твердости поверхности 1 образца 2 (Фиг.1) инструмент 3, в данном случае - индентор, под действием нормальной силы FN имеет возможность внедряться в образец 2 на величину h. Отпечаток 4 на поверхности 1 имеет прямоугольную форму с размером D диагонали. В этом случае есть возможность построить график зависимости глубины h отпечатка 4 от нормальной силы FN, передаваемой на инструмент-индентор, то естьWhen determining the hardness of the
Индентор - четырехгранная пирамида с углом 136° (алмазный индентор Виккерса). Одновременно здесь существует возможность определить значение микротвердости Н для каждого значения h по известной формулеIndenter - a tetrahedral pyramid with an angle of 136 ° (Vickers diamond indenter). At the same time, it is possible to determine the microhardness value H for each value of h using the well-known formula
где
m=FN·10-3·g≈FN·10-2, [г] - эквивалентная масса навески для установки инструмента-индентора.m = F N · 10 -3 · g≈F N · 10 -2 , [g] is the equivalent mass of the sample for installing the indenter tool.
На основе (2) имеется возможность построить зависимостьBased on (2), it is possible to construct a dependence
отображающей градиент механических свойств образца по глубине h отпечатка 4. При оценке энергии активации пластической деформации имеется возможность применить также стандартный алмазный индентор Виккерса 3 (Фиг.2) с углом при вершине 60° четырехгранной пирамиды. Инструменту-индентору сообщается нормальная сила FN до заданной величины. Образец 2 может перемещаться в продольном направлении. На образце 2 образуется царапина 4 заданной глубины h. Одновременно с царапанием имеется возможность измерить силу царапания F и рассчитать величину энергии активации пластической деформации.reflecting the gradient of the mechanical properties of the sample along the depth h of
При оценке триботехнических свойств материала поверхностного слоя образца 2 инструменту 3 - сферическому индентору сообщают нормальную нагрузку FN до заданной величины. Образцу 2 (Фиг.3) сообщают заданную скорость V и амплитуду перемещения. При этом действует сила трения Fτ. На образце 2 возникает царапина глубиной h. Величину линейного износа определяют как разницу текущего и начального показаний датчика вертикальных перемещений инструмента-индентора 3.When evaluating the tribotechnical properties of the material of the surface layer of
При оценке шероховатости профилограммы поверхности 1 (Фиг.4) имеется возможность использовать инструмент - алмазную иглу 3 с углом при вершине 60°. Ей могут сообщить продольное перемещение с заданной скоростью V на заданную длину, равную заданной базовой длине в интервале 0,25…8 мм. При этом нормальная сила равна нулю, то есть FN=0.When assessing the roughness of the profilogram of surface 1 (Figure 4), it is possible to use a tool - a
При оценке волнистости поверхности 1 образца 2 (Фиг.5) имеется возможность использовать инструмент - алмазную либо твердосплавную иглу 3 со сферическим концом. Ей могут сообщать только нормальное перемещение, а образцу 2 - продольное перемещение с заданной скоростью на всю заданную длину поверхности 1 образца 2.When assessing the waviness of the
При оценке прогнозирования остаточного ресурса материала поверхностного слоя образца есть возможность прогнозировать по текущему значению энергии активации пластической деформации, либо по кинематике изменения энергии активации пластической деформации.When evaluating the prediction of the residual resource of the material of the surface layer of the sample, it is possible to predict the activation energy of plastic deformation from the current value, or the kinematics of the change in the activation energy of plastic deformation.
При использовании первого варианта, то есть прогнозирования по текущему значению энергии активации пластической деформации, имеется возможность определять ожидаемое время наступления разрушения tрес и остаточный ресурс материала 5 в процентах от предшествующей наработкиWhen using the first option, that is, predicting the current value of the activation energy of plastic deformation, it is possible to determine the expected time of fracture tres and the residual life of the material 5 as a percentage of the previous operating time
где tэксп - длительность наработки материала в единицах времени; U0,
В качестве текущего значения энергии активации пластической деформации принимается последнее измеренное значение энергии активации пластической деформации с помощью устройства.As the current value of the activation energy of plastic deformation, the last measured value of the activation energy of plastic deformation using the device is taken.
Если прогнозировать по кинетике изменения энергии активации пластической деформации (при наличии данных о начальном участке кинетики накопления энергии активации пластической деформации испытываемого материала), то есть возможность построить таблицу исходных данных, в которую входят ранее определенные значения энергии активации пластической деформации, относящиеся к данному материалу и соответствующие им значения наработки. Имеется возможность выбора вида аппроксимации: линейный или нелинейный. Программа по экспериментальным данным таблицы имеет возможность автоматически строить на экране монитора компьютера зависимость в координатах «наработка - энергия активации пластической деформации», аппроксимированную с использованием метода наименьших квадратов. Также на экран могут выводиться горизонтальные прямые, соответствующие начальному и критическому уровням энергии активации пластической деформации материала. Точность вычисления длительности наработки - до 1 с., энергии активации - до 0,1 кДж/моль. Коэффициенты линейной аппроксимации вида Р1(x)=а0+а1·х есть возможность определить из системы уравнений:If we predict from the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation (if there is data on the initial portion of the kinetics of accumulation of activation energy of plastic deformation of the test material), then it is possible to construct a table of initial data that includes previously determined values of the activation energy of plastic deformation related to this material and operating time values corresponding to them. It is possible to select the type of approximation: linear or nonlinear. The program according to the experimental data of the table has the ability to automatically build on the computer screen a dependence in the coordinates "running hours - activation energy of plastic deformation", approximated using the least squares method. Also, horizontal lines corresponding to the initial and critical energy levels of activation of plastic deformation of the material can be displayed on the screen. The accuracy of calculating the operating time is up to 1 s., The activation energy is up to 0.1 kJ / mol. The coefficients of a linear approximation of the form P1 (x) = a 0 + a 1 · x can be determined from a system of equations:
Коэффициенты для нелинейной аппроксимации вида P2(x)=a0+a1·x+a2·x2 есть возможность найти из системы других уравнений:The coefficients for a nonlinear approximation of the form P2 (x) = a 0 + a 1 · x + a 2 · x 2 can be found from a system of other equations:
где a0, a1, a2 - коэффициенты аппроксимации; n+1 - число экспериментальных точек в координатах «энергия активации пластической деформации - наработка»; x - наработка материала; у - экспериментальные значения энергии активации пластической деформации, полученные по аппроксимированным зависимостям первого и второго порядка, соответственно.where a 0 , a 1 , a 2 - approximation coefficients; n + 1 is the number of experimental points in the coordinates "activation energy of plastic deformation - running hours"; x - material production time; y are the experimental values of the activation energy of plastic deformation obtained from the approximated dependences of the first and second order, respectively.
Есть возможность определить автоматически точку пересечения аппроксимированной зависимости с критическим значением энергии активации. Значение оси в точке пересечения указывает на прогнозируемое значение наработки материала, соответствующее моменту его разрушения.It is possible to automatically determine the intersection point of the approximated dependence with a critical value of activation energy. The value of the axis at the intersection point indicates the predicted value of the material production time corresponding to the moment of its destruction.
Описание способа и устройства в статике.Description of the method and device in statics.
Для реализации возможных шести операций служат измерительная и исполнительная системы устройства (Фиг.6). Измерительная система результатов воздействия на образец 1 инструмента 3 включает: датчик тангенциальной силы 5; датчик нормальной силы 6; датчик вертикальных (нормальных) перемещений 7; датчик горизонтальных (тангенциальных) перемещений 8; блок усилителей 9, на вход которого могут поступать сигналы с датчиков 5…8, аналогово-цифровой преобразователь 10, связанный на входе с выходом блока усилителей 9, а на выходе - с входом компьютера 11.To implement the possible six operations are measuring and actuating systems of the device (Fig.6). The measuring system of the results of the impact on the
Исполнительная система содержит блок драйверов 12, имеющий возможность принимать на входе управляющие сигналы с компьютера 11, а на выходе связанный с исполнительными элементами. В качестве исполнительных элементов возможно использование шаговых двигателей, включая двигатель нормального нагружения 13, двигатель перемещения каретки 14, двигатель вертикальных перемещений траверсы 15, двигатель 16 перемещения столика 17 (двигатель 16 условно показан без редуктора).The executive system contains a driver block 12, which is able to receive control signals from the computer 11 at the input, and connected to the actuating elements at the output. As actuating elements, it is possible to use stepper motors, including a
Конструктивная компоновка устройства показана на Фиг.7-11. Устройство состоит и корпуса 18 (фиг.7, 8, 9), коробчатой пустотелой формы, на которой установлены две параллельных колонны 19, пустотелые с вертикальными пазами. На колоннах 19 имеют возможность перемещаться ползушки 20 с закрепленной жестко на них траверсой 21 и механизмами фиксации траверсы 21 на колоннах 19. Механизмы фиксации траверсы 21 содержат рукоятки 22, винты 23 и обоймы 24. На траверсе 21 установлена инструментальная головка 25, закрытая кожухом 26. Корпус 18 внутри содержит привод перемещения траверсы 21 по колоннам 19, включающий шаговый электродвигатель 27, установленый на угольнике 28, ременную передачу 29, 30, 31 на вал 32 с червяками 33 на его концах, зацепляющимися с червячными зубчатыми колесами 34. Червячные зубчатые колеса 34 установлены на вертикальных винтах 35 ввинченных в резьбовые отверстия в ползушках 20. Вертикальные винты 35, установлены на подшипниках в колоннах 19 с возможностью вращения. На корпусе 18 установлена плита 36, несущая механизм и стол для установки и термо стабилизации образца (условно не показан), столик 17, механизм поворота образца в вертикальной плоскости, механизм тангенциального (продольного) перемещения образца. Механизм тангенциального перемещения образца выполнен в виде нижнего корпуса 37, соединенного с плитой 36 с возможностью перемещения по ее продольным направляющим (условно не показанным) посредством шагового электродвигателя 16, расположенного в нижнем корпусе 37, и реечной передачи, реечная шестерня 38 которой закреплена на роторе 39 шагового электродвигателя 16, а рейка 40 - на плите 36. Механизм нормального перемещения образца в вертикальной плоскости, скрепленный со столиком 17, выполнен в виде верхнего клина 41 и нижнего клина 42, установленного на верхнем корпусе 43 с возможностью перемещения по его направляющим (условно не показанным), посредством вращения рукоятки 44 ходового винта 45, закрепленного в подшипнике 46 верхнего корпуса 43 и связанного с резьбовым отверстием нижнего клина 42. В механизме поворота образца в вертикальной плоскости верхний корпус 43 соединен посредством плоской 47 и витой 48 пружин с нижним корпусом с возможностью поворота относительно его посредством механизма поворота образца в вертикальной плоскости, состоящего из маховика-рукоятки 49 винта 50, имеющего возможность вращения в гайке 51, закрепленный на нижнем корпусе 37 и упираться сферическим концом в пяту 52, закрепленную в верхнем корпусе 43. Инструментальная головка 25 предназначена для установки инструмента 3 (Фиг.11) на державке 53 посредством винтов. Державка 53 соединена с подвеской 54. Подвеска 54 упруго подвешена на каретке 55 посредством двух пар плоских пружин 56 и 57. Пружины 56 обеспечивают возможность плоско - параллельного перемещения подвески 54 в вертикальном (нормальном) направлении, а пружины 57 - в горизонтальном (тангенциальном) соответственно.The structural arrangement of the device shown in Fig.7-11. The device also consists of a housing 18 (Figs. 7, 8, 9), a box-shaped hollow shape, on which two
Инструмент 3 имеет возможность осуществить названные перемещения посредством двух линейных шаговый электродвигателей 13 и 14 имеющих возможность перемещать каретку 55 в двух взаимно перпендикулярных направлениях: по вертикали и по горизонтали, соответственно.
Инструментальная головка 25 снабжена механизмом нормального перемещения инструмента 3, состоящего из дискового кулачка 58, имеющего возможность поворачиваться на собственной оси 59 под действием рукоятки 60.The
Описание способа и устройства в динамике.Description of the method and device in dynamics.
Включают электропитание устройства от однофазной сети переменного тока промышленной частоты. Включают блок обработки информации, реализованный на базе персонального компьютера 11. Загружают рабочую программу. Поворачивают ручку 60 фиксации инструмента 3 в положение «измерение». При этом кулачок 58 отводят от подвески 54, освобождая ее. Подвеска 54 при этом подвешивается на системе из четырех плоскопараллельных пружин 56, 57.They turn on the device’s power supply from a single-phase AC network of industrial frequency. Include the information processing unit, implemented on the basis of a personal computer 11. Download the work program. Turn the
Образец 2, подлежащий испытанию, после обезжиривания и сушки устанавливают на столике 17 таким образом, чтобы исследуемая поверхность 1 с помощью механизма поворота образца в вертикальной плоскости (рукояткой 49) заняла горизонтальное положение под инструментом. С помощью рабочей программы выбирают вид испытаний из числа реализуемых устройством способов:The
- подготовка к испытаниям (алгоритм частный А);- preparation for testing (private algorithm A);
- оценка микротвердости (алгоритм частный Б);- microhardness assessment (private B algorithm);
- оценка шероховатости при профилографировании-профилометрировании (алгоритм частный В);- roughness assessment during profiling, profiling (algorithm private B);
- оценка энергии активации пластической деформации (алгоритм частный Г);- assessment of the activation energy of plastic deformation (private algorithm G);
- оценка триботехнических свойств материала (алгоритм частный Д);- assessment of tribological properties of the material (private algorithm D);
- прогнозирование остаточного ресурса (алгоритм частный Е);- prediction of residual life (private algorithm E);
- оценка волнистости при профилографировании-профилометрировании (алгоритм частный Ж).- assessment of waviness during profiling-profiling (algorithm private F).
При реализации частного алгоритма А: вводят молярный объем материала Vm (блок 4); начальное значение энергии активации пластической деформации
При реализации частного алгоритма Б вводят максимальное значение глубины внедрения инструмента-индентора (блок 23); включают двигатель перемещения каретки и смещают инструмент-индентор вперед на 20 мкм (блок 24); обнуляют показания датчика вертикальных перемещений (блок 25); включают двигатель нормального нагружения (блок 26); осуществляют сбор данных (в процессе нагружения) с датчиков вертикальных перемещений инструмента-индентора и нормальной нагрузки на инструмент-индентор с выводом значений на монитор (блок 27); рассчитывают и выводят на экран монитора эпюру изменения микротвердости по глубине (блок 28). Если глубина внедрения достигла заданной величины (блок 29), то разгружают инструмент-индентор (блок 30) и вывод на печать (блок 96). Если нет, то выясняют: нагрузка достигла максимальной величины? (блок 31). Если да, то разгружают инструмент-индентор (блок 30) и выводят на печать (блок 96).When implementing private algorithm B, the maximum value of the depth of implementation of the indenter tool is entered (block 23); turn on the carriage displacement motor and shift the indenter tool forward by 20 μm (block 24); zero the readings of the vertical displacement sensor (block 25); turn on the engine of normal loading (block 26); collect data (during loading) from the sensors of vertical displacements of the tool-indenter and normal load on the tool-indenter with the output of values to the monitor (block 27); calculate and display on the monitor screen a plot of microhardness changes in depth (block 28). If the penetration depth has reached a predetermined value (block 29), then the indenter tool (block 30) and printing output (block 96) are unloaded. If not, they find out: has the load reached its maximum value? (block 31). If so, unload the indenter tool (block 30) and print (block 96).
Если нет, то возвращаются к расчету эпюры изменения микротвердости по глубине (блок 28).If not, then return to the calculation of the plot of the microhardness changes in depth (block 28).
При реализации частного алгоритма В: вводят значение базовой длины (блок 34); включают двигатель перемещения каретки и смещают инструмент - алмазную иглу вперед на 20 мкм (блок 35); обнуляют показания датчика вертикальных перемещений (блок 36); включают двигатель перемещения каретки (блок 37); выполняют сбор данных с датчика вертикальных перемещений инструмента - алмазной иглы (в процессе движения каретки) с шагом по горизонтали 1 мкм и выводят профилограмму на экран монитора (блок 38). Выясняют: перемещение каретки достигло заданной базовой длины? (блок 39). Если да, то возвращают каретку в исходное положение (блок 40); рассчитывают и выводят на экран среднюю линию профиля, линии впадин и выступов (блок 41); рассчитывают и выводят на экран кривую опорной поверхности (блок 42); рассчитывают и выводят на экран монитора параметры Rmax, Rp, Rz, Ra, tm, Rpk, RVk (блок 43); сохраняют полученные данные в файле (блок 44); вывод на печать (блок 96). Если нет (блок 39), то возвращаются в блок 38.When implementing a private algorithm B: enter the value of the base length (block 34); turn on the carriage moving engine and shift the tool — the diamond needle forward by 20 microns (block 35); zero the readings of the vertical displacement sensor (block 36); include a carriage displacement engine (block 37); collect data from the sensor of vertical movements of the tool - a diamond needle (in the process of carriage movement) with a horizontal step of 1 μm and display the profilogram on the monitor screen (block 38). Find out: the carriage has reached the specified base length? (block 39). If so, then return the carriage to its original position (block 40); calculate and display the middle line of the profile, the line of depressions and protrusions (block 41); calculate and display the curve of the supporting surface (block 42); calculate and display on the monitor screen the parameters Rmax, Rp, Rz, Ra, tm, Rpk, RVk (block 43); save the received data in a file (block 44); printing (block 96). If not (block 39), then return to block 38.
При реализации частного алгоритма Г: вводят максимальную глубину царапания и длину царапины (блок 47; включают двигатель перемещения каретки и смещают инструмент-индентор вперед на 20 мкм (блок 48; обнуляют показания датчика вертикальных перемещений инструмента-индентора (блок 49; включают двигатель нормального нагружения инструмента-индентора (блок 50); собирают данные с датчика вертикальных перемещения (в процессе нагружения) и нормальной нагрузки (блок 51); если глубина внедрения достигла заданной величины (блок 52), то выключают двигатель нормального нагружения индентора и включают двигатель перемещения каретки (блок 53); собирают данные с датчиков вертикальных перемещений, нормальной и тангенциальной нагрузки, рассчитывают значение энергии активации пластической деформации (блок 54); выводят показания датчиков и расчетные значения энергии активации на экран монитора (блок 55); разгружают инструмент-индентор (блок 56); возвращают каретку в исходное положение (блок 57); сохраняют полученные данные (блок 58); выводят на печать (блок 96). Если в блоке 52 отрицательный ответ, то при достижении нагрузки максимальной величины (блок 59) переходят в блок 53. Если в блоке 59 получают отрицательный ответ, то возвращаются в блок 51 - продолжают сбор данных.When implementing private algorithm D: enter the maximum scratching depth and the length of the scratch (block 47; turn on the carriage displacement motor and move the indenter tool forward by 20 μm (
При реализации частного алгоритма Д: вводят амплитуду перемещений, число двойных ходов инструмента - сферического наконечника, нормальную нагрузку, максимальный допустимый линейный износ (блок 62); включают двигатель нормального нагружения, нагружают инструмент - сферический наконечник до заданной величины (блок 63);When implementing the private algorithm D: enter the amplitude of displacements, the number of double strokes of the tool - a spherical tip, normal load, maximum allowable linear wear (block 62); turn on the engine of normal loading, load the tool - a spherical tip to a predetermined value (block 63);
включают двигатель перемещения каретки, смещают инструмент - сферический наконечник вперед на 20 мкм (блок 64); обнуляют показания датчика вертикальных перемещений (блок 65); включают двигатель перемещения каретки в режиме возвратно-поступательного движения с заданной амплитудой (блок 66); собирают данные с датчиков вертикальных перемещений, нормальной и тангенциальной нагрузки (блок 67); выводят данные о нормальной нагрузке, силе трения и линейном износе на экран монитора (блок 68); если число двойных ходов достигло заданной величины (блок 69), то возвращают каретку в исходное положение и выключают двигатель перемещения каретки (блок 70); сохраняют полученные данные в файле (блок 71); выводят на печать (блок 96); если в блоке 69 получают отрицательный ответ, то ставят второй вопрос (блок 72): линейный износ достиг заданной величины? Если да, то продолжают - возвращая каретку в исходное положение и т.д. (блок 70). Если нет, то возвращаются в блок 67.turn on the carriage displacement engine, shift the tool — the spherical tip forward by 20 microns (block 64); zero the readings of the vertical displacement sensor (block 65); include a carriage displacement engine in the reciprocating motion mode with a predetermined amplitude (block 66); collect data from sensors of vertical displacements, normal and tangential loads (block 67); display data on normal load, friction force and linear wear on the monitor screen (block 68); if the number of double strokes has reached a predetermined value (block 69), then the carriage is returned to its original position and the carriage displacement motor is turned off (block 70); save the received data in a file (block 71); print (block 96); if in block 69 they get a negative answer, they ask the second question (block 72): did the linear wear reach the set value? If so, then continue - returning the carriage to its original position, etc. (block 70). If not, then return to block 67.
При реализации частного алгоритма Е: ставят вопрос о выборе режима прогнозирования - по кинетике изменения энергии активации пластической деформации? (блок 74). При положительном ответе вводят текущие значения энергии активации пластической деформации и соответствующие им значения наработки исследуемого образца (блок 75); аппроксимируют экспериментальные данные методом наименьших квадратов, находят коэффициенты аппроксимированной зависимости (блок 76); выводят на экран монитора зависимость «энергия активации пластической деформации - наработка», на ней отображают начальный и критический уровень энергии активации пластической деформации для данного материала, экспериментальные точки, аппроксимированную кривую (блок 77); экстраполируют аппроксимированную кривую до пересечения с критическим уровнем энергии активации пластической деформации, в этой точке находят соответствующую наработку (блок 78); рассчитывают прогнозируемый остаточный ресурс материала в единицах наработки (блок 79); сохраняют полученные данные в файле (блок 80); выводят на печать (блок 96). При отрицательном ответе в блоке 74 выводят текущее значение энергии активации пластической деформации (вводят последнее найденное экспериментальное значение - по умолчанию) (блок 81); рассчитывают прогнозируемый остаточный ресурс материала - в процентах (блок 82); переходят в блок 80 - сохранение данных в файле и печать (блок 96).When implementing a particular algorithm E: they pose the question of choosing a prediction mode — according to the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation? (block 74). If the answer is yes, the current values of the activation energy of plastic deformation and the corresponding values of the operating time of the test sample are entered (block 75); approximate the experimental data by the least squares method, find the coefficients of the approximated dependence (block 76); the dependence “activation energy of plastic deformation - running hours” is displayed on the monitor screen, the initial and critical level of activation energy of plastic deformation for a given material, experimental points, and an approximated curve are displayed on it (block 77); extrapolate the approximated curve to the intersection with the critical level of activation energy of plastic deformation, at this point find the corresponding operating time (block 78); calculate the predicted residual resource of the material in production units (block 79); save the received data in a file (block 80); print (block 96). If the answer is no, the current value of the activation energy of plastic deformation is displayed in block 74 (the last experimental value found is entered - by default) (block 81); calculate the predicted residual resource of the material in percent (block 82); go to block 80 - saving data in a file and printing (block 96).
При реализации частного алгоритма Ж вводят длину сканирования поверхности (блок 85); включают двигатель перемещения каретки, смещают инструмент - алмазную иглу вперед на 20 мкм (блок 86); обнуляют показания датчика вертикальных перемещений (блок 87); включают двигатель перемещения столика с образцом (блок 88); собирают данные с датчика вертикальных перемещений инструмента - алмазной иглы с шагом по горизонтали 10 мкм, выводят волнограмму на экран монитора (блок 89); если перемещение столика с образцом достигло заданной величины? (блок 90), то возвращают стол с образцом в исходное положение (блок 91); рассчитывают и выводят на экран монитора линии вершин, среднего профиля, линию впадин (блок 92); рассчитывают и выводят на экран монитора параметры W2, SB (блок 93); сохраняют полученные данные в файле (блок 94), выводят на печать (блок 96). Если в блоке 90 получают отрицательный ответ, то возвращаются в блок 89.When implementing the private algorithm W, the surface scanning length is entered (block 85); turn on the carriage moving engine, shift the tool — the diamond needle forward by 20 microns (block 86); zero the readings of the vertical displacement sensor (block 87); turn on the engine moving the table with the sample (block 88); collect data from the sensor of vertical movements of the tool - a diamond needle with a horizontal step of 10 microns, display a waveogram on the monitor screen (block 89); if the movement of the table with the sample has reached a predetermined value? (block 90), then return the table with the sample to its original position (block 91); calculate and display on the monitor screen lines of the peaks, the middle profile, the line of troughs (block 92); calculate and display on the monitor screen the parameters W 2 , S B (block 93); save the received data in a file (block 94), print it (block 96). If a negative response is received in block 90, then they are returned to block 89.
Примеры реализации заявляемых способа и устройства.Examples of the implementation of the proposed method and device.
Исследовали качество поверхности посеребренной бронзовой шайбы герметизированной опоры бурового долота. Покрытие - наноструктурированное серебряно-алмазное (толщина 20 мкм), основа - бериллиевая бронза БрБ2 ГОСТ 18175-78 (твердость после старения НВ 350), подслой - медь (толщина 1 мкм). Размеры шайбы: наружный диаметр - 50 мм, диаметр отверстия - 20 мм, толщина - 2,5 мм.The surface quality of the silver-plated bronze washer of the sealed drill bit support was investigated. The coating is nanostructured silver-diamond (
Установили шайбу на столике устройства, прихватив шайбу с двух противоположных сторон пластилином для исключения тангенциальных перемещений шайбы по столу при испытаниях. Включили устройство, запустили компьютер и прогрели в течение 15 минут. Запустили на компьютере рабочую программу, при этом открылось главное окно рабочей программы, на котором приведено главное меню с опциями выбора вариантов функционирования устройства: «Подготовка к испытаниям»; «Оценка микротвердости»; «Профилографирование - шероховатость»; «Склерометрирование»; «Трибометрирование»; «Прогнозирование ресурса»; «Профилографирование - волнистость»; «Закрыть программу». Опустили перекладину портала до соприкосновения индентора с поверхностью шайбы. Обнулили показание датчика вертикальных перемещений.We installed the washer on the device’s table, grabbing the washer on two opposite sides with plasticine to exclude tangential movements of the washer on the table during testing. They turned on the device, started the computer and warmed up for 15 minutes. They started the working program on the computer, and the main window of the working program opened, on which the main menu with options for choosing the options for the device’s functioning is shown: “Preparing for testing”; "Assessment of microhardness"; "Profiling - roughness"; "Sclerometry"; "Tribometry"; "Resource Prediction"; "Profiling - waviness"; "Close the program." The portal bar was lowered until the indenter touched the surface of the washer. Reset the vertical displacement sensor.
Пример №1 реализации частного алгоритма «А».Example No. 1 of the implementation of the private algorithm “A”.
Включили режим подготовки к испытаниям. Ввели в соответствующие окна рабочей программы: молярный объем серебра Vm=10300 кДж/моль; начальное значение энергии активации пластической деформации uн=64 кДж/моль; максимальную нормальную нагрузку на инструмент-индентор FNmax=3 Н; критическое значение энергии активации пластической деформации u*=110 кД/моль. Сохранили введенные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.They included the test preparation mode. They entered into the corresponding windows of the work program: the molar volume of silver V m = 10300 kJ / mol; the initial value of the activation energy of plastic deformation u n = 64 kJ / mol; maximum normal load on the indenter tool F Nmax = 3 N; the critical value of the activation energy of plastic deformation u * = 110 kD / mol. Saved the entered data in computer memory. They clicked on the “Main Menu” button and went to the main window of the work program.
Пример №2 реализации частного алгоритма «Б».Example No. 2 of the implementation of the private algorithm "B".
Включили режим оценки микротвердости. Установили в державку инструмент - стандартный алмазный наконечник Виккерса с квадратным основанием и межгранным углом при вершине 136°. Ввели значение глубины внедрения инструмента - индентора h=3 мкм. Нажали на кнопку «Старт». Устройство автоматически переместило индентор на 20 мкм влево и обнулило показания датчика вертикальных перемещений. Далее автоматически включился двигатель нормального нагружения. При этом на экране компьютера начала строиться зависимость микротвердости Нµ от глубины внедрения инструмента-индентора h. После достижения заданной величины h=3 мкм двигатель нормального нагружения остановился и начал возвращаться в исходное состояние до полной разгрузки инструмента - индентора. Микротвердость на глубине 1 мкм составила 102 кгс/мм2, на глубине 2 мкм - 87 кгс/мм2, на глубине 3 мкм - 85 кгс/мм2. Сохранили полученные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.The microhardness assessment mode was turned on. A tool was installed in the holder - a standard Vickers diamond tip with a square base and an inter-facet angle at an apex of 136 °. We introduced the value of the penetration depth of the tool - indenter h = 3 μm. Clicked on the "Start" button. The device automatically moved the
Пример №3 реализации частного алгоритма «Ж».Example No. 3 of the implementation of the private algorithm "Zh".
Включили режим профилографирования волнистости. Установили в державку инструмент - сферический стальной индентор (⌀ 3 мм). Переместили столик с образцом на 1 мм вправо относительно индентора. Выбрали в диалоговом окне режим построения волнограммы. Ввели длину сканирования поверхности L=20 мм и нажали на кнопку «Старт». Устройство автоматически переместило инструмент на 20 мкм влево и обнулило показания датчика вертикальных перемещений. Далее устройство автоматически провело сканирование профиля поверхности шайбы в течение 37 секунд (по хорде). В процессе сканирования на экране компьютера строилась волнограмма поверхности. После завершения сканирования инструмент вернулся в исходное состояние. На экране монитора автоматически построились средняя линия профиля, линии вершин и впадин и параметры волнистости поверхности шайбы: высоту волнистости WZ=4,2 мкм; шаг волнистости SW=5431 мкм. Сохранили полученные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.We turned on the mode of profiling waviness. A tool was installed in the holder - a spherical steel indenter (⌀ 3 mm). Move the table with the
Пример №4 реализации частного алгоритма «В».Example No. 4 of the implementation of the private algorithm "B".
Включили режим профилографирования - шероховатости. Установили в державку инструмент - конический индентор с углом при вершине 60°. Переместили столик с образцом на 1 мм вправо относительно инструмента-индентора. В диалоговом окне отказались от режима построения волнограммы. Ввели базовую длину lб=1,6 мм и нажали на кнопку «Старт». Устройство автоматически провело сканирование профиля поверхности в течение 3 секунд. В процессе сканирования на экране компьютера строилась профилограмма поверхности. После завершения сканирования инструмент вернулся в исходное состояние. На экране монитора высветилась кривая опорной поверхности и параметры шероховатости поверхности шайбы: Rmax=24 мкм; Rp=1,3 мкм; RZ=1,1 мкм; Ra=0,3 мкм. Сохранили полученные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.We switched on the profiling mode - roughness. We installed a tool in the holder - a conical indenter with an angle at the apex of 60 °. Move the table with the
Пример №5 реализации частного алгоритма «Г».Example No. 5 of the implementation of the private algorithm "G".
Включили режим склерометрирования. Установили в державку инструмент - стандартный алмазный наконечник Виккерса с квадратным основанием и межгранным углом при вершине 136°. Переместили столик с образцом на 1 мм вправо относительно инструмента - индентора. Ввели значения глубины царапания h=3 мкм, длины царапины Lц=400 мкм и нажали на кнопку «Старт». Устройство автоматически переместило инструмент-индентор на 20 мкм влево и обнулило показания датчика вертикальных перемещений. Далее автоматически включился двигатель нормального нагружения при этом на экране компьютера началось отображение показаний датчика нормальной силы. После достижения заданной величины глубины внедрения инструмента-индентора h=3 мкм двигатель нормального нагружения остановился. Далее автоматически включился двигатель перемещения каретки и начал перемещать инструмент-индентор влево на заданную величину длины царапины. При этом на экране монитора отображались графики зависимостей глубины внедрения инструмента-индентора, нормальной и тангенциальной сил от величины тангенциального перемещения инструмента-индентора, а также отображалась расчетная зависимость энергии активации пластической деформации от величины тангенциального перемещения инструмента-индентора. После достижения длины царапины заданной величины двигатель нормального нагружения инструмента-индентора возвращается в исходное состояние, разгружая инструмент-индентор, а двигатель перемещения каретки возвращает каретку в исходное состояние. В соответствующем окне высветилось усредненное значение энергии активации пластической деформации. Полученное значение энергии активации пластической деформации (um=70 кДж/моль) сохранили в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.We included the sclerometry mode. A tool was installed in the holder - a standard Vickers diamond tip with a square base and an inter-facet angle at an apex of 136 °. We moved the table with the
Пример №6 реализации частного алгоритма «Д».Example No. 6 of the implementation of the private algorithm "D".
Включили режим трибометрирования. Установили в державку инструмент - сферический стальной наконечник (⌀ 3 мм). Смазали поверхность шайбы смазкой «Циатим-201». Ввели значение амплитуды перемещения наконечника А=1,5 мм, число двойных ходов N=1000, нормальную нагрузку FN=0,5 H, максимальный линейный износ Wh=10 мкм. Переместили столик с образцом на 1 мм вправо относительно индентора. Нажали на кнопку «Старт». Далее автоматически включился двигатель нормального нагружения до появления заданной величины нормальной нагрузки, действующей через наконечник на исследуемую поверхность.The tribometry mode is on. A tool was installed in the holder - a spherical steel tip (⌀ 3 mm). Lubricated the surface of the washer with Tsiatim-201 grease. The value of the tip movement amplitude A = 1.5 mm, the number of double strokes N = 1000, the normal load F N = 0.5 H, and the maximum linear wear W h = 10 μm were introduced. Move the table with the
Устройство автоматически переместило сферический наконечник на 20 мкм влево и обнулило показания датчика вертикальных перемещений. Далее автоматически включился двигатель перемещения каретки в режиме возвратно-поступательного движения с заданной амплитудой. При этом на экране компьютера начались строиться эпюры показаний датчиков нормальной и тангенциальной сил, а также вертикальных перемещений (линейного износа). После достижения заданного значения числа двойных ходов двигатель нормального нагружения разгрузил индентор. Достигнутая величина линейного износа составила Wh=6,5 мкм, амплитуда силы трения составила 0,11Н. Сохранили полученные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.The device automatically moved the spherical tip to 20 μm to the left and reset the readings of the vertical displacement sensor. Then, the carriage displacement motor automatically switched on in the reciprocating motion mode with a given amplitude. At the same time, diagrams of readings of sensors of normal and tangential forces, as well as vertical displacements (linear wear) began to be built on the computer screen. After reaching the set value of the number of double strokes, the normal loading motor unloaded the indenter. The achieved linear wear was W h = 6.5 μm, the amplitude of the friction force was 0.11 N. Saved the received data in computer memory. They clicked on the “Main Menu” button and went to the main window of the work program.
Пример №7 реализации частного алгоритма «Е».Example No. 7 of the implementation of the private algorithm "E".
Включили режим прогнозирования ресурса. Отказались от режима прогнозирования ресурса по кинетике изменения энергии активации пластической деформации. В окне ввода текущего значения энергии активации пластической деформации оставили без изменения введенное туда по умолчанию последнее измеренное значение энергии активации пластической деформации um=70 кДж/моль. Нажали на кнопку «Старт». Программа автоматически рассчитала прогнозируемый остаточный ресурс материала поверхностного слоя исследованной шайбы, который составил δ=87%. Сохранили полученные данные в памяти компьютера. Нажали на кнопку «Главное меню» и вышли в главное окно рабочей программы.Enabled resource prediction mode. They abandoned the resource prediction mode according to the kinetics of changes in the activation energy of plastic deformation. In the input window of the current value of the activation energy of plastic deformation, the last measured value of the activation energy of plastic deformation, u m = 70 kJ / mol, entered there by default, was left unchanged. Clicked on the "Start" button. The program automatically calculated the predicted residual resource of the material of the surface layer of the investigated washer, which was δ = 87%. Saved the received data in computer memory. They clicked on the “Main Menu” button and went to the main window of the work program.
Проведенные испытания подтвердили достижение поставленных технических задач в заявленных способе и устройстве.The tests carried out confirmed the achievement of the assigned technical tasks in the claimed method and device.
Экономическая эффективность заявляемого способа и устройства проявляется в двух направлениях: резкое снижение материальных затрат в связи с исключением необходимости применения нескольких разных устройств и приборов; возможность получения качественно новых результатов с затратой времени, в несколько раз меньшего по сравнению с применением известных способов, то есть при резком повышении производительности процесса испытания образцов. Графические материалы заявки содержат:The economic efficiency of the proposed method and device is manifested in two directions: a sharp decrease in material costs due to the elimination of the need to use several different devices and devices; the possibility of obtaining qualitatively new results with an investment of time that is several times smaller compared to the application of known methods, that is, with a sharp increase in the productivity of the process of testing samples. Graphic materials of the application contain:
Фиг.1 - схема контактирования инструмента-индентора с поверхностью образца для оценки микротвердости;Figure 1 - diagram of the contacting tool indenter with the surface of the sample to assess microhardness;
Фиг.2 - схема контактирования инструмента-индентора с поверхностью образца для оценки энергии активации пластической деформации;Figure 2 - scheme of contacting the tool indenter with the surface of the sample to assess the activation energy of plastic deformation;
Фиг.3 - схема контактирования инструмента-индентора с поверхностью образца для оценки триботехнических свойств материала поверхностного слоя образца;Figure 3 - diagram of the contacting of the tool indenter with the surface of the sample to assess the tribological properties of the material of the surface layer of the sample;
Фиг.4 - схема контактирования инструмента с поверхностью образца для оценки шероховатости;4 is a diagram of the contacting of the tool with the surface of the sample to assess the roughness;
Фиг.5 - схема контактирования инструмента с поверхностью образца для оценки волнистости;5 is a diagram of the contacting of the tool with the surface of the sample to assess the waviness;
Фиг.6 - функциональная схема измерительной и исполнительной систем устройства;6 is a functional diagram of the measuring and Executive systems of the device;
Фиг.7 - вид спереди устройства;7 is a front view of the device;
Фиг.8 - разрез А-А устройства;Fig - section aa device;
Фиг.9 - разрез Б-Б устройства;Fig.9 is a section bB of the device;
Фиг.10 - продольный вертикальный разрез механизмов поворота образца в вертикальной плоскости, механизма тангенциального перемещения образца;Figure 10 is a longitudinal vertical section through the mechanisms of rotation of the sample in a vertical plane, the mechanism of tangential movement of the sample;
Фиг.11 - механизмы установки и перемещения инструмента;11 - mechanisms for installing and moving the tool;
Фиг.12 - блок-схема алгоритма реализации операций способа определения прочностных характеристик материала (общий алгоритм);12 is a flowchart of an implementation of operations of a method for determining the strength characteristics of a material (general algorithm);
Фиг.13 - то же, частный алгоритм «А»;Fig - the same, a private algorithm "A";
Фиг.14 - то же, частный алгоритм «Б»;Fig - the same, a private algorithm "B";
Фиг.15 - то же, частный алгоритм «В»;Fig - the same, a private algorithm "B";
Фиг.16 - то же, частный алгоритм «Г»;Fig - the same, a private algorithm "G";
Фиг.17 - то же, частный алгоритм «Д»;Fig - the same, a private algorithm "D";
Фиг.18 - то же, частный алгоритм «Е»;Fig - the same, a private algorithm "E";
Фиг.19 - то же, частный алгоритм «Ж».Fig - the same, a private algorithm "G".
Используемая литератураUsed Books
1. Патент РФ №2166745. Способ оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя, деформированного трением / Д.Г. Громаковский, Е.В. Беленьких, И.Д. Ибатуллин и др. Опубл. 10.05.2001.1. RF patent №2166745. The method of evaluating the activation energy of the destruction of the material of the surface layer deformed by friction / D.G. Gromakovsky, E.V. Belenkikh, I.D. Ibatullin et al. Publ. 05/10/2001.
2. Патент РФ №2080581. Способ определения прочностных характеристик металлов и их сплавов / А.Е. Кубарев, Л.Х. Аннабердиев. Опубл. 27.05.1997, бюл. №15.2. RF patent No. 2080581. A method for determining the strength characteristics of metals and their alloys / A.E. Kubarev, L.Kh. Annaberdiev. Publ. 05/27/1997, bull. No. 15.
3. Патент РФ №2277232. Способ определения прочностных характеристик материала и устройство для его осуществления / М.Б. Бакиров, С.Ю. Ганигин, Д.Г. Громаковский, В.В. Дикоп, А.В. Дынников, И.Д. Ибатуллин и др. Опубл. 27.05.2006, бюл №15.3. RF patent No. 2277232. A method for determining the strength characteristics of a material and a device for its implementation / M.B. Bakirov, S.Yu. Ganigin, D.G. Gromakovsky, V.V. Dikop, A.V. Dynnikov, I.D. Ibatullin et al. Publ. 05/27/2006, bull. No. 15.
4. Патент РФ №2093814. Устройство для контроля технического состояния обода железнодорожного колеса / Бернар Като, Валерио Дель Фабро, Ги Стевено, Опубл. 20.10.1997, бюл. №29.4. RF patent No. 2093814. Device for monitoring the technical condition of the rim of a railway wheel / Bernard Kato, Valerio Del Fabro, Guy Steveno, Publ. 10/20/1997, bull. No. 29.
5. Патент РФ №2067753. Устройство для определения твердости шпилек паровых турбин / И.А. Пермитин, Г.А. Бологов, А.А. Азнабаев, В.А.Агафонов. Опубл. 10.10.1996, бюл. №28.5. RF patent No. 2067753. A device for determining the hardness of the studs of steam turbines / I.A. Permitin, G.A. Bologov, A.A. Aznabaev, V.A. Agafonov. Publ. 10/10/1996, bull. No. 28.
6. Матюнин В.М. Методы и средства безобразцовой экспресс-оценки механических свойств конструкционных материалов. Учебное пособие по курсу «Диагностика структурно-механического состояния металла»/ Под ред. В.Г.Борисова. - М.: Изд-во МЭИ. 2001. - 94 с. С.77-78, рис.7.12.6. Matyunin V.M. Methods and means of an exemplary rapid assessment of the mechanical properties of structural materials. Textbook for the course "Diagnostics of the structural-mechanical state of metal" / Ed. V.G. Borisov. - M.: Publishing House MPEI. 2001 .-- 94 p. S.77-78, Fig. 7.12.
Claims (8)
где tэксп - длительность наработки материала в единицах времени; U0,
where t exp - the duration of the time the material in units of time; U 0
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011113065/28A RU2499246C2 (en) | 2011-04-05 | 2011-04-05 | Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011113065/28A RU2499246C2 (en) | 2011-04-05 | 2011-04-05 | Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011113065A RU2011113065A (en) | 2012-10-10 |
RU2499246C2 true RU2499246C2 (en) | 2013-11-20 |
Family
ID=47079243
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011113065/28A RU2499246C2 (en) | 2011-04-05 | 2011-04-05 | Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2499246C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2564055C2 (en) * | 2013-12-27 | 2015-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ") | Material control complex |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109752244A (en) * | 2019-03-21 | 2019-05-14 | 扬州大学 | Nano-composite gel class material hardness stretches automatic tester and its application method |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6301956B1 (en) * | 1998-12-14 | 2001-10-16 | Edison Hard Co., Ltd. | Hardness tester |
RU2277232C1 (en) * | 2005-01-18 | 2006-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет | Method and device for measuring strength properties of material |
RU2327137C2 (en) * | 2005-08-26 | 2008-06-20 | Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш") | Method of surface layer material destruction activation energy estimation |
RU2373515C1 (en) * | 2008-06-16 | 2009-11-20 | ГОУ ВПО "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) | Facility for evaluating hardness of material by method of scratching |
-
2011
- 2011-04-05 RU RU2011113065/28A patent/RU2499246C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6301956B1 (en) * | 1998-12-14 | 2001-10-16 | Edison Hard Co., Ltd. | Hardness tester |
RU2277232C1 (en) * | 2005-01-18 | 2006-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет | Method and device for measuring strength properties of material |
RU2327137C2 (en) * | 2005-08-26 | 2008-06-20 | Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш") | Method of surface layer material destruction activation energy estimation |
RU2373515C1 (en) * | 2008-06-16 | 2009-11-20 | ГОУ ВПО "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) | Facility for evaluating hardness of material by method of scratching |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2564055C2 (en) * | 2013-12-27 | 2015-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ") | Material control complex |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011113065A (en) | 2012-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4852397A (en) | Field indentation microprobe for structural integrity evaluation | |
KR101117661B1 (en) | Apparatus for Indentation Test Involving Micom and Evaluating Method of Residual Stress using The Same | |
CA1325895C (en) | Determining plane strain fracture toughness and the j-integral for solid materials using stress field modified miniature specimens | |
US9897523B2 (en) | Contact mechanic tests using stylus alignment to probe material properties | |
EP3076153B1 (en) | Method for calculating an indenter area function and quantifying a deviation from the ideal shape of an indenter | |
Wang et al. | Early fatigue damage detecting sensors—A review and prospects | |
EP2952866A1 (en) | Method for evaluating residual stress by using instrumented indentation test technique, storage medium storing computer program including same, and indentation test apparatus for performing instrumented indentation test by operating storage medium | |
KR20030079471A (en) | Apparatus for determining residual stress, method for determining residual stress data using it, residual stress determining method using it and recording medium thereof | |
CN111458243B (en) | Experimental method for measuring mechanical properties of metal by using indentation instrument | |
RU2499246C2 (en) | Method to determine strength characteristics of material and device for its realisation | |
Lord et al. | 25 year perspective Aspects of strain and strength measurement in miniaturised testing for engineering metals and ceramics | |
Burlakova et al. | Mechanical properties and size effects of self-organized film | |
KR100965226B1 (en) | Evaluating method of the residual stress determining method using the continuous indentation method | |
Huang et al. | Mechanical characterization of thin film materials with nanoindentation measurements and FE analysis | |
Pawlus et al. | Profilometric measurements of wear scars: A review | |
Muzyka et al. | Procedure and instruments for the material damage assessment by the LM-hardness method on the in-service scratching of structure element surfaces | |
Dutta et al. | Table top experimental setup for electrical contact resistance measurement during indentation | |
Charitidis et al. | A study on time dependent properties of aluminum alloy by nanoindentation technique | |
CA2916042C (en) | Contact mechanic tests using stylus alignment to probe material properties | |
RU2327137C2 (en) | Method of surface layer material destruction activation energy estimation | |
Prakash et al. | Investigation of material fatigue behavior through cyclic ball indentation testing | |
Davies | High temperature nanoindentation characterisation of P91 and P92 steel | |
CN219201233U (en) | Device for collecting mechanical parameters of equipment materials | |
Salemi Najafabadi | Analysis Of The Cyclic Behavior And Fatigue Damage Of Low Alloy Steels | |
Henry et al. | Tapered test specimen for rapid damage precursor identification |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140406 |