RU2543682C1 - Method for comparative evaluation of properties of materials from parameters of rebound dimple in indenter trace during pendulum scribing - Google Patents
Method for comparative evaluation of properties of materials from parameters of rebound dimple in indenter trace during pendulum scribing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2543682C1 RU2543682C1 RU2013147570/28A RU2013147570A RU2543682C1 RU 2543682 C1 RU2543682 C1 RU 2543682C1 RU 2013147570/28 A RU2013147570/28 A RU 2013147570/28A RU 2013147570 A RU2013147570 A RU 2013147570A RU 2543682 C1 RU2543682 C1 RU 2543682C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- materials
- properties
- hole
- parameters
- scribing
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к способам оценки физико-механических свойств материала путем индентирования за счет приложения одиночного ударного усилия и может быть использовано для сравнительной оценки упругих и пластических (далее - упругих) свойств нескольких разных материалов, в том числе с близким модулем упругости. Изобретение не является методом определения численного значения модуля упругости, но является инструментом для ранжирования (выстраивания в ряд) нескольких сравниваемых материалов по совокупности упругих свойств, в частности по способности сопротивляться деформированию и разрушению при индентировании методом маятникового скрайбирования.The invention relates to methods for assessing the physicomechanical properties of a material by indentation due to the application of a single impact force and can be used to comparatively evaluate the elastic and plastic (hereinafter, elastic) properties of several different materials, including those with a close modulus of elasticity. The invention is not a method for determining the numerical value of the elastic modulus, but it is a tool for ranking (aligning) several compared materials by the totality of elastic properties, in particular by the ability to resist deformation and fracture during indentation by the pendulum scribing method.
При разработке новых материалов стоит необходимость определения их физико-механических свойств, в том числе упругих свойств материала. Для этого тем или другим методом обычно определяют численное значение модуля упругости (модуля Юнга), и по величине этого модуля судят о тех или иных эксплуатационных свойствах материала. При определении модуля механическим методом (как в классическом случае) для этого используют аксиому: чем больше модуль Юнга, тем меньше удлинение стержня при прочих равных условиях нагружения и, соответственно, тем выше физико-механические свойства (например, твердость, предел прочности) материала. Однако существует ряд ограничений: например, коэффициент пропорциональности (модуль Юнга) применим только для линейного участка деформации, образцы должны иметь соответствующую форму и размеры, скорость нагружения ограничена и т.д.When developing new materials, it is necessary to determine their physical and mechanical properties, including the elastic properties of the material. To do this, one or another method usually determines the numerical value of the elastic modulus (Young's modulus), and the value of this module judges one or another operational properties of the material. When determining the modulus by the mechanical method (as in the classical case), the axiom is used for this: the larger the Young's modulus, the lower the elongation of the rod, ceteris paribus, and, accordingly, the higher the physical and mechanical properties (e.g. hardness, tensile strength) of the material. However, there are a number of limitations: for example, the proportionality coefficient (Young's modulus) is applicable only to the linear section of the deformation, the samples must have the appropriate shape and dimensions, the loading speed is limited, etc.
Для специфичных материалов возникает необходимость применения немеханического метода определения модуля упругости. Так, в изобретении [патент РФ №2205358, МПК G01N 24/10. Способ определения модуля упругости углеродных жгутов] для этого используют явление электронного парамагнитного резонанса материала. В изобретении [ГОСТ 25095-82 (ИСО 3312-75) Сплавы твердые спеченные. Метод определения модуля упругости (модуля Юнга)] для этого используют измерение скорости звука при прохождении его через образец. Недостатками этих изобретений является их сложность и высокая трудоемкость.For specific materials, it becomes necessary to use a non-mechanical method for determining the elastic modulus. So, in the invention [RF patent No. 2205358, IPC G01N 24/10. The method for determining the elastic modulus of carbon bundles] for this use the phenomenon of electron paramagnetic resonance of the material. In the invention [GOST 25095-82 (ISO 3312-75) Sintered hard alloys. The method of determining the elastic modulus (Young's modulus)] for this use the measurement of the speed of sound as it passes through the sample. The disadvantages of these inventions are their complexity and high complexity.
С позиций заявляемого изобретения эти указанные изобретения являются аналогами лишь потому, что в них определяется модуль упругости материала посредством установления зависимости между искомым физико-механическим свойством (упругими свойствами) и косвенным промежуточным параметром используемого физического эффекта, измеряемым непосредственно. В первом (патент РФ №2205358) изобретении измеряют спектр электронного парамагнитного резонанса, во втором (ГОСТ 25095-82) - собственные резонансные частоты колебаний при возбуждении в материале продольных ультразвуковых колебаний. Но эти изобретения не могут быть приняты в качестве прототипа потому, что в них используются физические эффекты, напрямую не связанные с механическим видом нагружения материала.From the standpoint of the claimed invention, these indicated inventions are analogues only because they determine the elastic modulus of the material by establishing a relationship between the desired physical and mechanical property (elastic properties) and the indirect intermediate parameter of the physical effect used, measured directly. In the first (RF patent No. 2205358) invention, the spectrum of electron paramagnetic resonance is measured, in the second (GOST 25095-82), natural resonance frequencies of vibrations are excited when longitudinal ultrasonic vibrations are excited in the material. But these inventions cannot be accepted as a prototype because they use physical effects that are not directly related to the mechanical type of loading of the material.
Под механическими видами нагружения здесь понимается создание условий деформирования материала в результате динамического характера приложения силы. Например, внедрение индентора при его падении, как это имеет место в изобретении [патент РФ №2272274, МПК G01N 3/32. Способ определения модуля упругости материала. Опубликовано 22.11.2004], в котором используют нагружение свободно падающим индентором. Но это изобретение сложно, в ходе его реализации требуется выявить и использовать несколько физических моделей. Это обеспечивает точность определения модуля упругости, но сложность использования высока чрезвычайно.By mechanical types of loading here is meant the creation of conditions for the deformation of the material as a result of the dynamic nature of the application of force. For example, the introduction of the indenter when it falls, as is the case in the invention [RF patent No. 2272274, IPC G01N 3/32. A method for determining the modulus of elasticity of a material. Published November 22, 2004], in which loading is used by a freely falling indenter. But this invention is complex, in the course of its implementation it is required to identify and use several physical models. This ensures the accuracy of determining the modulus of elasticity, but the complexity of use is extremely high.
Исходя из этих условий близким к заявляемому изобретению по виду индентирования может быть принято изобретение [а.с. СССР №1497491, МПК G01N 3/30.1989 г.], в котором также используют нагружение свободно падающим индентором, измеряют время между первым и вторым соударениями индентора с образцом исследуемого материала, измеряют также диаметр отпечатка индентора и на основе полученных результатов измерений определяют модуль упругости по установленной зависимости. Но он тоже сложен и результаты его применения носят относительный характер в той части, что при оценке материалов с близким модулем упругости (например, материалы инструментального назначения) отличить материалы затруднительно в силу того, что и время между соударениями и диаметр отпечатка больше являются результатом оценки пластических свойств, чем упругих. Этот способ имеет также низкую корректность в случае применения термобработки, когда модуль упругости остается практически неизменным, а пластичность (например, у инструментальных сталей) и твердость изменяются существенно.Based on these conditions, close to the claimed invention by type of indentation, the invention can be adopted [a.s. USSR No. 1497491, IPC G01N 3 / 30.1989], which also uses loading with a freely falling indenter, measures the time between the first and second collisions of the indenter with a sample of the material being studied, the indenter’s fingerprint is also measured, and the elastic modulus is determined from the measurement results installed dependency. But it is also complex and the results of its application are relative in that part when evaluating materials with a close modulus of elasticity (for example, instrumental materials), it is difficult to distinguish materials because both the time between collisions and the diameter of the print are more the result of plastic estimates properties than elastic. This method also has low correctness in the case of heat treatment, when the elastic modulus remains almost unchanged, and ductility (for example, tool steels) and hardness vary significantly.
Каждый из указанных методов решает локальную задачу: позволяет определить модуль упругости материалов для того, чтобы судить по модулю об эксплуатационных свойствах материалов или изделий, выполненных из этих материалов и эксплуатирующихся в условиях действия законов Гука. При этом не учитывают, что при эксплуатации имеет место не только растяжение (или сжатие), но и сдвиг, кручение, для которых методы определения модуля упругости иные. Пренебрегается различиями в вязкости, пластичности, жесткости материалов и в температуре проведения испытаний.Each of these methods solves a local problem: it allows one to determine the elastic modulus of materials in order to judge modulo the operational properties of materials or products made from these materials and operated under the conditions of Hooke's laws. It does not take into account that during operation there is not only tension (or compression), but also shear, torsion, for which the methods for determining the elastic modulus are different. Neglected differences in viscosity, ductility, stiffness of materials and temperature of the test.
В производственных и исследовательских условиях часто не так важно знать величину модуля упругости (тем более, что в справочных данных редко указывается метод получения значения модуля). Важно знать, как соотносятся между собой разные материалы по своим упругим свойствам, какой материал предпочтителен перед остальными. В этом случае не нужно знать саму величину модуля упругости, чтобы по разнице в этих величинах выстроить материалы в рандометрический ряд, например по убыванию величины модуля упругости. Важнее видеть, какое место в ряду занимает тот или иной материал по своим упругим свойствам, оцененным в одинаковых (эквивалентных) условиях. И было бы хорошо, если бы это место определялось по какому-то параметру, измеренному в результате взаимодействия индентора с образцом. Например, по параметрам следа, получаемого на образце при индентировании. И было бы лучше, если бы метод индентирования воспроизводил такие условия нагружения, которые наиболее близки к условиям эксплуатации материала. Например, для материалов инструментального назначения наиболее целесообразно скрайбирование (царапание), а именно маятниковое скрайбирование, при котором в материале воспроизводятся условия деформации сжатием, сдвигом и растяжением.In production and research conditions, it is often not so important to know the magnitude of the elastic modulus (all the more so since the reference data rarely indicate the method of obtaining the modulus). It is important to know how different materials relate to each other in terms of their elastic properties, which material is preferred over the others. In this case, one does not need to know the magnitude of the elastic modulus itself in order to arrange the materials in a randometric series by the difference in these values, for example, in decreasing elastic modulus. It is more important to see what place in a row one or another material occupies by its elastic properties, evaluated under the same (equivalent) conditions. And it would be good if this place was determined by some parameter measured as a result of the interaction of the indenter with the sample. For example, according to the parameters of the trace obtained on the sample during indentation. And it would be better if the indentation method reproduced such loading conditions that are closest to the operating conditions of the material. For example, for instrumental materials, scribing (scratching), namely pendulum scribing, in which the conditions of deformation by compression, shear and tension are reproduced in the material, is most appropriate.
Возможность исследовать протяженные участки материалов методом скрайбирования обеспечена в изобретении [патент РФ №2124715, МПК G01N 19/04. Способ оценки свойств инструментальных материалов. Опубл. 10.01.1999, Бюл.№1], где осуществляли нагружение (скрайбирование) образца индентором при их взаимном перемещении с образованием сетки следов перемещений. Оценку свойств (сопротивляемость деформированию и разрушению) материала производили по результатам измерений повреждения образца в зоне следа скрайбирования. При сравнении нескольких материалов о свойствах судили по результатам измерений площади разрушения поверхности образца в ячейках сетки следов из условия: чем меньше площадь разрушения, тем выше сопротивляемость деформированию и разрушению. Для этого приходилось делать несколько нагружений и поворот образца для образования сетки следов. Это трудоемко, сложно в настройке, требует наличия соответствующих площадок на образце.The ability to study extended sections of materials by scribing is provided in the invention [RF patent No. 2124715, IPC G01N 19/04. A method for evaluating the properties of tool materials. Publ. January 10, 1999, Bull. No. 1], where loading (scribing) of the sample by the indenter was carried out during their mutual displacement with the formation of a grid of traces of displacements. Evaluation of the properties (resistance to deformation and fracture) of the material was carried out according to the results of measurements of damage to the sample in the area of the trace of scribing. When comparing several materials, the properties were judged by measuring the area of destruction of the surface of the sample in the mesh cells of the traces from the condition: the smaller the area of destruction, the higher the resistance to deformation and destruction. To do this, we had to do several loads and rotate the sample to form a trace network. It is time-consuming, difficult to configure, requires appropriate sites on the sample.
Наиболее близким к заявляемому объекту, по мнению заявителя, может быть принято решение, в котором реализован такой вид индентирования, который реализует наиболее сложные условия нагружения, в том числе, сжатие, растяжение, сдвиг и кручение, как часто это имеет место при эксплуатации, например, при механической обработке резанием. Такой вид индентирования получил название «маятниковое скрайбирование». В нем индентор перемещается по дуге качания жесткого маятника, свободно отпущенного с некоторой высоты. Один из примеров использования маятникового скрайбирования для сравнительной оценки трещиностойкости (вязкости разрушения) инструментальных материалов дан в изобретении [патент РФ №2138038. МПК G01N 19/04.Способ контроля физико-механических свойств изделий. Опубл. 10.01.1999, Бюл. №1], где контроль осуществляют с использованием метода акустической эмиссии, а сравнение (ранжирование) материалов осуществляют по величине параметра сигналов акустической эмиссии, а именно по спектру частот. Но способ тоже сложен для реализации и требует лабораторных условий с соответствующим программным обеспечением для обработки и анализа параметров сигналов акустической эмиссии.Closest to the claimed object, according to the applicant, a decision can be made in which a type of indentation is implemented that implements the most difficult loading conditions, including compression, tension, shear and torsion, as is often the case during operation, for example , by machining. This type of indentation is called “pendulum scribing”. In it, the indenter moves along the rocking arc of a rigid pendulum freely released from a certain height. One example of the use of pendulum scribing for a comparative assessment of fracture toughness (fracture toughness) of tool materials is given in the invention [RF patent No. 2138038. IPC G01N 19/04. Method for controlling the physical and mechanical properties of products. Publ. 01/10/1999, Bull. No. 1], where the control is carried out using the acoustic emission method, and the comparison (ranking) of materials is carried out by the value of the parameter of acoustic emission signals, namely, by the frequency spectrum. But the method is also difficult to implement and requires laboratory conditions with appropriate software for processing and analyzing the parameters of acoustic emission signals.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение способа оценки физико-механических свойств материала при маятниковом индентировании, а также прогнозирование эффективности применения сравниваемых материалов в идентичных условиях эксплуатации за счет обеспечения возможности их ранжирования по величине измеряемого при контроле параметра.The technical result of the claimed invention is to simplify the method of assessing the physicomechanical properties of the material during pendulum indentation, as well as predicting the effectiveness of the compared materials in identical operating conditions by providing the possibility of ranking them by the value of the parameter measured during control.
Указанный технический результат достигается за счет того, что:The specified technical result is achieved due to the fact that:
а) используется эффект пружинения поверхностного слоя испытываемого материала для воссоздания условий формирования лунки отскока в следе индентирования;a) the effect of springing of the surface layer of the test material is used to recreate the conditions for the formation of the bounce hole in the indentation trace;
б) установлена взаимосвязь упругих свойств материала с параметрами лунки отскока в следе индентирования;b) the relationship of the elastic properties of the material with the parameters of the bounce hole in the indentation trace has been established;
в) установлена протовоположенность тенденции изменения величин модуля упругости разных материалов с тенденцией изменения параметров лунки оскока;c) the proto-position of the tendency to change the elastic modulus of different materials with the tendency to change the parameters of the fragment hole was established;
г) установлено совпадение тенденции изменения величин модуля упругости разных материалов с тенденцией изменения эксплуатационных свойств материалов;d) the coincidence of the tendency of changes in the elastic modulus of different materials with the tendency to change the operational properties of materials;
г) указанные тенденции использованы для:d) the indicated trends are used for:
- ранжирования материалов по их физико-механическим (упругим) свойствам,- ranking of materials according to their physico-mechanical (elastic) properties,
- ранжирования материалов путем прогнозирования их эксплуатационных свойств.- ranking of materials by predicting their operational properties.
Таким образом, заявляемый объект, как и прототип, включает в себя:Thus, the claimed object, like the prototype, includes:
- однократное нагружение материала индентированием;- single loading of the material by indentation;
- индентирование методом маятникового скрайбирования;- indentation by pendulum scribing;
- измерение результатов скрайбирования по параметрам деформации и разрушения поверхностных слоев материала;- measurement of the results of scribing according to the parameters of deformation and destruction of the surface layers of the material;
- установление взаимосвязи измеренных результатов с исследуемыми физико-механическими свойствами материалов;- establishing the relationship of the measured results with the studied physical and mechanical properties of materials;
- прогнозирование эксплуатационных свойств сравниваемых материалов по измеренным результатам скрайбирования.- prediction of the operational properties of the compared materials according to the measured scribing results.
Однако заявляемое изобретение отличается тем, что:However, the claimed invention is characterized in that:
- используется такой режим маятникового скрайбирования, при котором индентор в начале взаимодействия с образцом формирует на его поверхности лунку;- a pendulum scribing regime is used in which the indenter at the beginning of interaction with the sample forms a hole on its surface;
- в следе, оставляемом индентором, измеряют параметры лунки и по ним судят о физико-механических и эксплуатационных свойствах сравниваемых материалов.- in the trace left by the indenter, the parameters of the hole are measured and the physical, mechanical and operational properties of the compared materials are judged by them.
На фиг.1 представлена общая схема маятникового скрайбирования, на фиг.2 показаны контуры следа взаимодействия индентора с образцом при виде сверху, на фиг.3 показан кадр съемки следа взаимодействия при слиянии лунки отскока с основной частью следа (справа на фото - лунка в виде части окружности, влево от лунки по мере движения индентора - основная часть следа). На фиг.4 представлены основные конфигурации лунки отскока: а - в форме, близкой к окружности (при пластичном материале образца и маленьком радиусе маятника с индентором, например, в виде шарика); б - в форме, близкой к овалу (сочетание упругих и пластических свойств материала); в - в сложной форме (при малопластичном материале). На фиг.5 представлены приемы идентификации и измерения параметров лунки: а - путем измерения линейных размеров; б - измерения площади; в - измерения диаметра вписанной окружности. На фиг.6 показан пример твердосплавного образца с двумя следами скрайбирования с малой глубиной внедрения индентора, расположенный в нижней части кадра след был получен при начально настроенной глубине внедрения 0,1 мм, верхний - при 0,15 мм.Figure 1 presents the general scheme of pendulum scribing, figure 2 shows the contours of the trace of the interaction of the indenter with the sample when viewed from above, figure 3 shows a shot frame of the trace of the interaction when the bounce hole merges with the main part of the trace (on the right in the photo there is a hole in the form part of the circle, to the left of the hole as the indenter moves - the main part of the trace). Figure 4 shows the main configurations of the bounce hole: a - in a shape close to a circle (with a plastic material of the sample and a small radius of the pendulum with an indenter, for example, in the form of a ball); b - in a shape close to an oval (combination of elastic and plastic properties of the material); in - in a complex form (with maloplastic material). Figure 5 presents the methods of identification and measurement of the parameters of the hole: a - by measuring linear dimensions; b - area measurements; in - measuring the diameter of the inscribed circle. Figure 6 shows an example of a carbide sample with two traces of scribing with a shallow depth of indenter penetration, the trace located in the lower part of the frame was obtained with an initial penetration depth of 0.1 mm, and the upper one at 0.15 mm.
Способ реализуют следующим образом. Индентор 1 выставляют (по его радиусу R и глубине h заглубления в материал образца с учетом массы маятника, формы рабочей части индентора, физико-механических свойств материала образца и высоты Н начального положения индентора (маятника)) относительно плоскости 2 образца так, чтобы след взаимодействия индентора с образцом при направлении В движения индентора по дуге его (маятника) качания состоял из лунки 3 отскока и основной части 4 следа. При этом лунка 3 может отстоять от основной части 4 следа на некотором расстоянии, как это показано на фиг.2а, или лунка может быть слитой с основной частью, но легко идентифицируемой, как это показано на фиг 2б или снято на микроскопе и представлено на фиг.3. След взаимодействия индентора 1 с образцом наблюдают при виде сверху через микроскоп, имеющий возможность измерять параметры следа. Если это простой оптический микроскоп, то этими параметрами при простой конфигурации, как показано на фиг.4а, лунки 3 являются ее линейные размеры, например, длина l1 и ширина l2. При более сложной конфигурации лунки, фиг.4б, тоже возможны подобные линейные измерения, но современные цифровые оптические микроскопы позволяют в качестве дополнительного или единственного параметра вычислить площадь S лунки. При более сложной конфигурации лунки или с целью упрощения измерений в качестве измеряемого параметра может быть определен диаметр d окружности, вписанной в конфигурацию лунки. По измеренным (или вычисленной площади S) параметрам лунки судят о физико-механических свойствах материала образца исходя из следующего условия: чем меньше параметры лунки при прочих равных условиях, тем выше физико-механические свойства. Это условие для большинства конструкционных сталей и сплавов, в том числе для инструментальных материалов (быстрорежущие стали и твердые инструментальные сплавы), предполагает за собой следующее:The method is implemented as follows. Indenter 1 is set (by its radius R and depth h of penetration into the sample material, taking into account the mass of the pendulum, the shape of the working part of the indenter, the physicomechanical properties of the material of the sample, and the height H of the initial position of the indenter (pendulum)) relative to the
- параметры лунки меньше тогда, когда на образце меньше повреждения, следовательно, пластическая деформация минимальна и твердость высока;- the parameters of the hole are less when the sample has less damage, therefore, plastic deformation is minimal and hardness is high;
- из двух сравниваемых материалов физико-механические свойства выше у того, у которого при равных условиях нагружения меньше повреждений, т.е. меньше размер лунки;- of the two compared materials, the physicomechanical properties are higher for the one with less damage under equal loading conditions, i.e. smaller hole size;
- лунка отсуствует (ее параметры равны нулю) тогда, когда отскока индентора нет и след индентирования состоит только из основной части 4 следа, а это возможно только тогда, когда (не учитывая особо пластичные материалы) материал образца тверд (и хрупок);- the hole is absent (its parameters are equal to zero) when there is no rebound of the indenter and the indentation trace consists only of the main part of the 4 trace, and this is possible only if (not considering especially plastic materials) the sample material is solid (and brittle);
- следовательно, при меньших параметрах лунки следует ожидать и более высокие эксплуатационные свойства материала.- therefore, with lower parameters of the hole, higher operational properties of the material should be expected.
В качестве резюме сказанного можно заключить следующее:As a summary of the above, we can conclude the following:
- если подбором режимов реализации маятникового скрайбирования удается создать след скрайбирования с лункой отскока, то это материал с более высоким значениям модуля упругости (модуля Юнга), тем, следовательно, меньше величина его разрушения (удлинения стержня при классическом методе растяжения стержня);- if the selection of the modes of implementation of the pendulum scribing makes it possible to create a trace of scribing with a bounce hole, then this is material with higher values of the elastic modulus (Young's modulus), therefore, the smaller is the value of its destruction (rod elongation with the classical method of rod extension);
- параметры лунки отскока можно использовать для оценки физико-механических свойств материалов;- parameters of the bounce hole can be used to evaluate the physicomechanical properties of materials;
- по параметрам лунок отскока сравниваемые материалы можно выстроить в рандометрический ряд для выявления предпочтительного материала, например выстроить в ряд по возрастанию площади S лунки, тогда материал с большей площадью лунки можно идентифицировать как материал, лучше сопротивляющийся разрушению при внедрении индентора;- according to the parameters of the rebound wells, the materials to be compared can be arranged in a randometric row to identify the preferred material, for example, in a row in increasing the S area of the hole, then a material with a larger hole area can be identified as a material that better resists destruction upon insertion of the indenter;
- по последовательности расположения материалов в таком рандометрическом ряду можно прогнозировать работоспособность изделий, выполенных из таких материалов, например период стойкости металлорежущего инструмента, условия эксплуатации которого близки с условиями, имитируемыми при маятниковом скрайбировании.- by the sequence of the arrangement of materials in such a range, it is possible to predict the performance of products made from such materials, for example, the durability period of a metal-cutting tool, the operating conditions of which are similar to those simulated by pendulum scribing.
Примеры, подтверждающие указанное резюме, приведены ниже. В дополнение к сказанному выше сообщаем, что реализовать режимы маятникового скрайбирования, при которых происходит формирование лунки отскока, несложно. Ясно, что режимы должны обеспечить возможность пружинения испытываемого материала. Для этого и образец, и устройство для реализации маятникового скрабирования должны быть достаточно жесткими. Нам это легко удавалось для материалов инструментальной группы: при радиусе R маятника 120 мм, его массе 200 грамм, начальной высоте Н индентора 80 мм и более (с учетом варианта индентора типовой формы) лунка образовывалась при задании глубины внедрения от 0,2 мм и более для твердого сплава и от 0,5 мм и более для быстрорежущих сталей (с учетом шероховатости поверхности образца вершины выступов после шлифования поверхности образца хорошо видны на фиг.3 в виде вертикальных чередующихся полос). Впрочем, лунка образуется и при меньших глубинах внедрения, фиг.6, но в этих случаях вычленить контуры лунки затруднительно.Examples supporting this summary are provided below. In addition to the above, we inform you that it is not difficult to implement the modes of pendulum scribing, in which the formation of the bounce hole occurs. It is clear that the modes should allow springing of the test material. For this, both the sample and the device for implementing pendulum scrubbing should be sufficiently rigid. We easily succeeded for the materials of the instrumental group: with a radius R of the pendulum of 120 mm, its mass of 200 grams, an initial height H of the indenter of 80 mm or more (taking into account the variant of the indenter of the typical shape), a hole was formed when setting the penetration depth of 0.2 mm or more for a hard alloy and from 0.5 mm and more for high-speed steels (taking into account the roughness of the sample surface, the tips of the protrusions after grinding the surface of the sample are clearly visible in Fig. 3 in the form of vertical alternating stripes). However, the hole is formed at smaller penetration depths, Fig.6, but in these cases it is difficult to isolate the contours of the hole.
Пример 1 реализации способа.Example 1 of the implementation of the method.
Брали образцы, выполненные из конструкционных сталей, а именно из стали 3, из стали 45 и из стали 30ХГСА. Для этих материалов из справочных данных брали сведения по величинам интересующих нас физико-механических свойств (в ряде справочников они названы характеристиками) материалов и эксплуатационных свойствах этих материалов или изделий, выполненных их этих материалов. Подбирали для материалов единые условия маятникового скрайбирования. Так режим скрайбирования с образованием лунки в следе взаимодействия (индентирования) для всех этих сталей обеспечивался при (с указанными выше параметрами установки) настройке установки на получение глубины Н внедрения индентора от 0,08 мм до 1,5 мм. Осуществляли скрайбирование образцов. Для исключения случайных результатов (или усреднения результатов) осуществляли по несколько нагружений каждого образца, располагая следы индентирования аналогично. Образцы помещали на микроскоп, параметры лунки следа (следов) измеряли. Образцы располагали в ряд по величине измеренных параметров. Результаты сводили в таблицу. Нас интересовала не столько сама величина параметра лунки следа, сколько интересовала связь параметров с физико-механическими свойствами материалов, т.е. выявляли тенденцию изменения параметров лунки и тенденцию изменения физико-механических свойств материалов. В результате такая взаимосвязь легко прослеживалась. Она показана в таблице 1. Анализ данных, приведенных в таблице 1, позволяет сделать следующие выводы:Samples were taken made of structural steels, namely steel 3, steel 45 and steel 30KhGSA. For these materials, information was taken from the reference data on the values of the physical and mechanical properties of interest to us (in a number of reference books they are called characteristics) of materials and the operational properties of these materials or products made of these materials. Unified conditions for pendulum scribing were selected for the materials. So, the scribing regime with the formation of a hole in the interaction (indentation) trace for all these steels was ensured when (with the above installation parameters) the setup was set up to obtain an indenter penetration depth H from 0.08 mm to 1.5 mm. Samples were scribed. To exclude random results (or averaging the results), several loads of each sample were carried out, placing traces of indentation in the same way. Samples were placed on a microscope, the parameters of the trace well (s) were measured. Samples were arranged in a row in terms of measured parameters. The results were tabulated. We were interested not so much in the value of the parameter of the trace well, but in the relationship of the parameters with the physicomechanical properties of materials, i.e. revealed a tendency to change the parameters of the hole and a tendency to change the physico-mechanical properties of materials. As a result, this relationship was easily traceable. It is shown in table 1. Analysis of the data shown in table 1, allows to draw the following conclusions:
1. Взаимосвязь свойств материалов и параметров лунки качественно характеризуется следующей установленной тенденцией: увеличение параметров лунки свидетельствует о снижении уровня физико-механических свойств материалов (самые большие размеры лунки зафиксированы у стали 3, имеющей самый низкий модуль упругости (модуль Юнга) и самую низкую твердость и, наоборот, самые маленькие размеры лунки обнаружены у стали 30ХГСА, имеющей самый высокий модуль упругости и самую высокую твердость).1. The relationship between the properties of materials and the parameters of the hole is qualitatively characterized by the following established trend: an increase in the parameters of the hole indicates a decrease in the physical and mechanical properties of materials (the largest dimensions of the hole are fixed in steel 3, which has the lowest elastic modulus (Young's modulus) and the lowest hardness and on the contrary, the smallest hole sizes were found in 30KhGSA steel, which has the highest elastic modulus and the highest hardness).
2. Установленная взаимосвязь свойств материалов и параметров лунки позволяет ранжировать (выстроить в рандометрический ряд) материалы по установленной тенденции: чем меньше размеры лунки, тем выше (лучше) физико-механические свойства материалов.2. The established relationship between the properties of materials and the parameters of the hole allows you to rank (to build in a rank line) materials according to the established trend: the smaller the size of the hole, the higher (better) the physical and mechanical properties of the materials.
3. Эта установленная связь и ранжирование материалов справедливы при использовании любого из указанных параметров лунки, а именно хоть при использовании только длины лунки, только ширины лунки, только площади лунки, только диаметра окружности, вписанной в конфигурацию лунки.3. This established connection and the ranking of materials are valid when using any of the indicated parameters of the hole, namely, at least when using only the length of the hole, only the width of the hole, only the area of the hole, only the diameter of the circle inscribed in the configuration of the hole.
4. Установленная связь и ранжирование материалов справедливы при использовании сразу нескольких параметров лунки в любом из сочетаний. Это удобно в том случае, когда сравнение по одному из параметров дает совпадающий или очень близкий результат для отдельных материалов.4. The established relationship and the ranking of materials are valid when using several parameters of the well in any of the combinations at once. This is convenient when comparing one of the parameters gives a matching or very close result for individual materials.
5. Установленная взаимосвязь может быть использована для прогнозирования эксплуатационных свойств материала. Например, по увеличению параметров лунки можно прогнозировать снижение предела прочности у сравниваемых материалов.5. The established relationship can be used to predict the operational properties of the material. For example, by increasing the parameters of the wells, one can predict a decrease in the tensile strength of the compared materials.
6. Установленная взаимосвязь может быть использована для прогнозирования эксплуатационных свойств изделий, выполненных их сравниваемых материалов (если изделия эксплуатируются в условиях, которые имитируются при маятниковом скрайбировании). Например, по увеличению параметров лунки можно прогнозировать снижение износостойкости (или периода стойкости) изделия.6. The established relationship can be used to predict the operational properties of products made of their compared materials (if the products are operated in conditions that are simulated by pendulum scribing). For example, by increasing the parameters of the wells, it is possible to predict a decrease in the wear resistance (or durability period) of the product.
Приведенные в этом примере данные позволяют заключить:The data in this example allows you to conclude:
а) установленная взаимосвязь параметров лунки с физико-механическими свойствами материала является новой и является существенным признаком разработанного изобретения;a) the established relationship of the parameters of the wells with the physico-mechanical properties of the material is new and is an essential sign of the developed invention;
б) установленная взаимосвязь параметров лунки с эксплуатационными свойствами материала или изделия является новой и является существенным признаком разработанного изобретения;b) the established relationship of the parameters of the wells with the operational properties of the material or product is new and is an essential sign of the developed invention;
в) использование того или иного параметра лунки является частным решением общего решения и может быть использовано в зависимых пунктах формулы изобретения;c) the use of one or another parameter of the hole is a particular solution of the general solution and can be used in the dependent claims;
г) заявленный технический результат достигнут, а именно предложенное изобретение без проведения длительных и сложных испытаний тех или иных физико-механических свойств (например, измерения модуля упругости методом деформации стержня растяжением или измерения твердости методом Роквелла или Викерса) позволяет простым измерением того или иного параметра лунки следа маятникового скрайбирования быстро выявить материал, наиболее эффективный из сравниваемых, путем расстановки материалов в рандометрический ряд, в том числе и в ряд по прогнозирумому результату эксплуатационных свойств.d) the claimed technical result is achieved, namely, the proposed invention without conducting lengthy and complex tests of certain physical and mechanical properties (for example, measuring the elastic modulus by tensile deformation of the rod or measuring hardness by the Rockwell or Vickers method) allows a simple measurement of a particular well parameter traces of pendulum scribing to quickly identify the material that is most effective of the compared by arranging the materials in a randometric series, including in a series according to prognosis zirumomu result of operational properties.
Вместе с этим следует отметить, что в примере 1 рассмотрены в принципе стали разных групп назначения и, соответственно, имеющие существенно разные величины сравниваемых физико-механических и эксплуатационных свойств. Необходимо проверить правомерность полученных выводов для материалов одной группы применения (смотри следующий пример).At the same time, it should be noted that in example 1, steel, in principle, of different destination groups and, accordingly, having substantially different values of the compared physical, mechanical and operational properties, are considered. It is necessary to verify the validity of the findings for materials of one application group (see the following example).
2 пример реализации способа.2 example implementation of the method.
Выбраны материалы инструментальной группы, т.е. те, из которых изготавливаются металлорежущие инструменты.The materials of the instrumental group, i.e. those from which metal-cutting tools are made.
Именно эта группа материалов выбрана потому, что метод маятникового скрайбирования (с использованием акустической эмиссии как в указанном выше патенте РФ №2138038) разработчиками ориентирован в первую очередь на оценку свойств инструментальных материалов, в частности новых разрабатываемых материалов. Это связано с тем, что маятниковое скрайбирование из всех материаловедческих методов оценки свойств материалов путем индентирования наиболее близко моделирует реальные условия эксплуатации металлорежущего инструмента. Для сравнения брали следующие инструментальные материалы:It is this group of materials that was chosen because the pendulum scribing method (using acoustic emission as in the above RF patent No. 2138038) by developers is primarily aimed at assessing the properties of tool materials, in particular, new materials being developed. This is due to the fact that pendulum scribing of all materials science methods for assessing the properties of materials by indentation most closely models the actual operating conditions of a metal cutting tool. For comparison, the following instrumental materials were taken:
а) из твердосплавных материалов брали отечественные сплавы марок ВК8, Т15К6, Т30К4, Т10К8Б и импортный (фирма Mishubisi) сплав марки TF15 (со специальным покрытием на мелкозернистой основе);a) domestic carbides of the VK8, T15K6, T30K4, T10K8B alloys and the imported (Mishubisi company) TF15 alloy (with a special coating on a fine-grained basis) were taken from carbide materials;
б) из быстрорежущих отечественных сталей марок Р18, Р9, Р6М5.b) from high-speed domestic steels of grades P18, P9, P6M5.
Из справочных данных (а для сплава TF15 - из каталогов, проспектов или экспериментальным путем) брали необходимые сведения о физико-механических свойствах материалов. В качестве эксплуатационных свойств принимали период стойкости инструмента до достижения критической величины (износ по задней грани, равный 0,8 мм) износа инструмента при условиях эксплуатации, провоцирующих превалирование хрупкого (выкрашивания, как и моделируется при маятниковом скрайбировании) разрушения материала, а именно торцевое фрезерование (элементы режима резания не указаны в связи с тем, что они не влияют на расположение материала в рандометрическом ряду, в силу этого использованы общемашиностроительные рекомендации по выбору режима резания не особо сложнообрабатываемой стали марки 40Х конкретно рассматриваемым инструментальным материалом). Результаты приведены в таблице 2.From the reference data (and for the TF15 alloy — from catalogs, brochures, or experimentally), the necessary information on the physicomechanical properties of the materials was taken. As the operational properties, we took the period of tool life until a critical value (wear along the rear face equal to 0.8 mm) of tool wear under operating conditions provoking the prevalence of brittle (chipping, as is simulated by pendulum scribing) fracture of the material, namely face milling (elements of the cutting mode are not indicated due to the fact that they do not affect the location of the material in the randometric row; therefore, general engineering recommendations for choosing Ora of the cutting mode of not particularly difficult to treat steel grade 40X specifically considered tool material). The results are shown in table 2.
Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы:Analysis of the results allows us to draw the following conclusions:
1. Взаимосвязь свойств инструментальных материалов и параметров лунки установлена. Она качественно характеризуется так же, как это следовало из таблицы 1 для обычных конструкционых материалов, а именно характеризуется установленной общей для инструментальных материалов тенденцией: увеличение параметров лунки свидетельствует о снижении уровня физико-механических свойств материалов (самые большие размеры лунки зафиксированы у стали Р6М5, имеющей самый низкий модуль упругости (модуль Юнга) и самую низкую твердость и, наоборот, самые маленькие размеры лунки обнаружены у сплава TF15, имеющего самый высокий модуль упругости и самую высокую твердость).1. The relationship between the properties of instrumental materials and the parameters of the hole is established. It is qualitatively characterized in the same way as it follows from table 1 for ordinary structural materials, namely, it is characterized by a trend common for instrumental materials: an increase in the parameters of the hole indicates a decrease in the physicomechanical properties of the materials (the largest dimensions of the hole are fixed for steel P6M5, which has the lowest elastic modulus (Young's modulus) and the lowest hardness and, conversely, the smallest dimensions of the hole are found in the TF15 alloy, which has the highest elastic modulus and the highest hardness).
Эта же взаимосвязь и ее тенденции оказались справедливы и применительно к типам материалов внутри группы инструментальных материалов, а именно:The same relationship and its trends turned out to be true with respect to the types of materials within the group of instrumental materials, namely:
- из быстрорежущих сталей Р6М5, Р9, Р18 самые большие размеры лунки зафиксированы у стали Р6М5, имеющей самый низкий модуль упругости (модуль Юнга) и самую низкую твердость и, наоборот, самые маленькие размеры лунки обнаружены у стали Р18, имеющей более высокий модуль упругости и более высокую твердость;- of high-speed steels P6M5, P9, P18, the largest hole sizes are recorded for steel P6M5, which has the lowest elastic modulus (Young's modulus) and the lowest hardness, and, conversely, the smallest hole sizes are found for steel P18, which has a higher elastic modulus and higher hardness;
- из твердых сплавов разных типов ВК и ТК самые большие размеры лунки зафиксированы у сплава типа ВК, имеющего низкий модуль упругости и низкую твердость и, наоборот, самые маленькие размеры лунки обнаружены у сплавов типа ТК, имеющего более высокий модуль упругости и более высокую твердость;- of hard alloys of different types of VK and TK, the largest hole sizes were recorded for an VK type alloy having a low elastic modulus and low hardness, and, conversely, the smallest hole sizes were found for alloys of the TK type having a higher elastic modulus and higher hardness;
- из твердых сплавов Т16К6 и Т30К4 одного типа ТК самые большие размеры лунки зафиксированы у сплава марки Т30К4, имеющего низкий модуль упругости и низкую твердость и, наоборот, самые маленькие размеры лунки обнаружены у сплава марки Т15К6, имеющего более высокий модуль упругости и более высокую твердость;- of T16K6 and T30K4 hard alloys of the same type of TK, the largest hole sizes were recorded for the T30K4 alloy having a low elastic modulus and low hardness and, conversely, the smallest hole sizes were found for an T15K6 alloy having a higher elastic modulus and higher hardness ;
2. Установленная взаимосвязь свойств инструментальных материалов и параметров лунки позволяет ранжировать (выстроить в рандометрический ряд) материалы по установленной тенденции: чем меньше размеры лунки, тем выше физико-механические свойства материалов.2. The established relationship between the properties of instrumental materials and the parameters of the hole allows you to rank (to arrange in a rank line) materials according to the established trend: the smaller the dimensions of the hole, the higher the physical and mechanical properties of the materials.
3. Эта установленная связь и ранжирование материалов справедливы при использовании любого из указанных параметров лунки, а именно хоть при использовании только длины лунки, только ширины лунки, только площади лунки, только диаметра окружности, вписанной в конфигурацию лунки.3. This established connection and the ranking of materials are valid when using any of the indicated parameters of the hole, namely, at least when using only the length of the hole, only the width of the hole, only the area of the hole, only the diameter of the circle inscribed in the configuration of the hole.
4. Установленная связь и ранжирование материалов справедливы при использовании сразу нескольких параметров лунки в любом из сочетаний. Это удобно в том случае, когда сравнение по одному из параметров дает совпадающий или очень близкий результат для отдельных материалов.4. The established relationship and the ranking of materials are valid when using several parameters of the well in any of the combinations at once. This is convenient when comparing one of the parameters gives a matching or very close result for individual materials.
5. Установленная взаимосвязь может быть использована для прогнозирования эксплуатационных свойств изделий. Например, по увеличению параметров лунки можно прогнозировать снижение работоспособности режущего инструмента, например, периода стойкости инструмента.5. The established relationship can be used to predict the operational properties of products. For example, by increasing the parameters of the hole, it is possible to predict a decrease in the working capacity of the cutting tool, for example, the tool life period.
Приведенные в этом примере данные позволяют заключить:The data in this example allows you to conclude:
а) установленная взаимосвязь параметров лунки с физико-механическими свойствами инструментальных материалов подтверждает правомерность взаимосвязи, установленной выше для конструкциооных материалов при анализе результатов таблицы 1 и является новой, в частности подтверждает существенность признаков разработанного изобретения;a) the established relationship of the parameters of the wells with the physico-mechanical properties of the tool materials confirms the validity of the relationship established above for the construction materials in the analysis of the results of Table 1 and is new, in particular, confirms the materiality of the features of the developed invention;
б) заявленный технический результат достигнут и для инструментальных материалов, а именно предложенное изобретение без проведения длительных и сложных испытаний тех или иных физико-механических свойств позволяет простым измерением того или иного параметра лунки следа маятникового скрайбирования быстро выявить наиболее эффективный из сравниваемых инструментальный материал путем их расстановки в рандометрический ряд, в том числе и в ряд по прогнозирумому периоду стойкости.b) the claimed technical result is also achieved for instrumental materials, namely, the proposed invention without conducting lengthy and complex tests of various physical and mechanical properties makes it possible to quickly identify the most effective of the compared instrumental material by simply arranging a hole in the trail of the pendulum scribing in the randometric series, including in the series for the predicted period of resistance.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013147570/28A RU2543682C1 (en) | 2013-10-24 | 2013-10-24 | Method for comparative evaluation of properties of materials from parameters of rebound dimple in indenter trace during pendulum scribing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013147570/28A RU2543682C1 (en) | 2013-10-24 | 2013-10-24 | Method for comparative evaluation of properties of materials from parameters of rebound dimple in indenter trace during pendulum scribing |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2543682C1 true RU2543682C1 (en) | 2015-03-10 |
Family
ID=53290214
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013147570/28A RU2543682C1 (en) | 2013-10-24 | 2013-10-24 | Method for comparative evaluation of properties of materials from parameters of rebound dimple in indenter trace during pendulum scribing |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2543682C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4270383A (en) * | 1978-11-15 | 1981-06-02 | National Research Development Corporation | Method and apparatus for measuring strength characteristics |
| RU2138039C1 (en) * | 1998-07-07 | 1999-09-20 | Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет | Method of test of properties and diagnostics of breakdown of articles |
| RU2138038C1 (en) * | 1998-07-07 | 1999-09-20 | Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет | Method testing physical and mechanical properties of articles |
| RU129244U1 (en) * | 2012-05-05 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" | PENDULUM DEVICE FOR MICROMECHANICAL TESTS OF MATERIALS |
-
2013
- 2013-10-24 RU RU2013147570/28A patent/RU2543682C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4270383A (en) * | 1978-11-15 | 1981-06-02 | National Research Development Corporation | Method and apparatus for measuring strength characteristics |
| RU2138039C1 (en) * | 1998-07-07 | 1999-09-20 | Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет | Method of test of properties and diagnostics of breakdown of articles |
| RU2138038C1 (en) * | 1998-07-07 | 1999-09-20 | Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет | Method testing physical and mechanical properties of articles |
| RU129244U1 (en) * | 2012-05-05 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" | PENDULUM DEVICE FOR MICROMECHANICAL TESTS OF MATERIALS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9746403B2 (en) | Method of testing a polycrystalline diamond compact cutter | |
| Susmel et al. | A novel formulation of the theory of critical distances to estimate lifetime of notched components in the medium‐cycle fatigue regime | |
| Yılmaz | The influence of testing procedures on uniaxial compressive strength prediction of carbonate rocks from Equotip hardness tester (EHT) and proposal of a new testing methodology: hybrid dynamic hardness (HDH) | |
| Gillich et al. | Reliable method to detect and assess damages in beams based on frequency changes | |
| Jezernik et al. | Numerical modelling of fatigue crack initiation and growth of martensitic steels | |
| CN105910899B (en) | Measure the tensile strength of rock material and the method for fracture toughness simultaneously | |
| Lamy et al. | Acoustic emission technique for fracture analysis in wood materials | |
| Gillich et al. | Natural frequency changes due to severe corrosion in metallic structures | |
| US20120151989A1 (en) | Nondestructive Test For Flexible Composites | |
| Lu et al. | Influence of inclusion size on S‐N curve characteristics of high‐strength steels in the giga‐cycle fatigue regime | |
| RU2543682C1 (en) | Method for comparative evaluation of properties of materials from parameters of rebound dimple in indenter trace during pendulum scribing | |
| Gromyka et al. | Method of state and residual resource assessment of excavator bucket tooth caps | |
| Taylor | Impact damage and repair in shells of the limpet Patella vulgata | |
| Ishihara et al. | Study of the fatigue lifetimes and crack propagation behaviour of a high speed steel as a function of the R value | |
| RU2539116C1 (en) | Method for comparative evaluation of materials based on ratio of total length of pendulum scribing trace to length of rebound dimple | |
| RU2543683C1 (en) | Method of comparative assessment of material properties by ratio of length of bounce hole to its width in indentor trade during pendulum scribing | |
| Jaskowska-Lemańska et al. | Impact of the direction of non-destructive test with respect to the annual growth rings of pine wood | |
| RU2539725C1 (en) | Method for comparative evaluation of properties of materials based on length between dimple and main part of indenter trace during pendulum scribing | |
| Meyer et al. | Crack interaction modelling | |
| KR102411444B1 (en) | Estimation of absorbed energy of metal specimen | |
| Henrie et al. | A semiautomated electron backscatter diffraction technique for extracting reliable twin statistics | |
| Ma et al. | An approach to determining the Brinell hardness indentation diameter based on contact position | |
| Sohi et al. | Nondestructive detection of the effect of drilling on acoustic performance of wood | |
| RU2555207C1 (en) | Method of comparative assessment of properties of materials by area of trace of pendulum scribing | |
| US10282495B2 (en) | Methods of evaluating performance of cutting elements for earth-boring tools |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151025 |