RU2758685C1 - Способ определения прочности материалов - Google Patents
Способ определения прочности материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2758685C1 RU2758685C1 RU2020140586A RU2020140586A RU2758685C1 RU 2758685 C1 RU2758685 C1 RU 2758685C1 RU 2020140586 A RU2020140586 A RU 2020140586A RU 2020140586 A RU2020140586 A RU 2020140586A RU 2758685 C1 RU2758685 C1 RU 2758685C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hardened layer
- hardened
- hardness
- strength
- destruction
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating And Analyzing Materials By Characteristic Methods (AREA)
Abstract
Изобретение относится к исследованию прочностных свойств металлических материалов, в частности к определению усилия, вызывающего разрушение поверхностно упрочненных стальных изделий. Сущность: определяют толщину и площадь упрочненного слоя и устанавливают функциональную зависимость изменения твердости по сечению упрочненного слоя, осуществляют ее интегрирование, где в качестве интегрирующей величины выступает толщина упрочненного слоя, и определяют усилие, вызывающее разрушение поверхностно упрочненных стальных изделий, используя уравнение, учитывающее значения усилия, вызывающего разрушение поверхностно упрочненной детали, площади упрочненного слоя, площади основного металла, толщины упрочненного слоя, функциональной зависимости изменения твердости по сечению упрочненного слоя, коэффициента, для стали равного 0,345, и твердости основы металла детали. Технический результат: возможность объективно судить о прочности изделия, в том числе и после поверхностного упрочнения, и прогнозировать их надежность и долговечность в эксплуатации. 3 ил.
Description
Изобретение относится к исследованию прочностных свойств металлических материалов, в частности к определению усилия, вызывающего разрушение поверхностно упрочненных стальных изделий.
Известен способ определения прочности металлических материалов, по которому специально изготовленный образец подвергается испытанию на растяжение, и по диаграмме растяжения определяется наибольшее усилие, вызывающее его разрушение [1].
Способ [1] направлен на определение прочности и пластичности металла, используемого для изготовления изделий различного функционального назначения, но не позволяет спрогнозировать усилие, вызывающее разрушение поверхностно упрочненных стальных изделий.
Известен способ [2] определения прочности металлических материалов базирующийся на использовании уравнения Бринелля, в котором предел прочности (σв) стали устанавливают по твердости металла (НВ) с применением зависимости: σв (МПа) = 9,81⋅К⋅НВ, где коэффициент К = 0,34 при НВ<175 и К = 0,36 при НВ>175. Способ позволяет определить временное сопротивление, а соответственно и усилие, вызывающее разрушение материала [2].
Недостатком данного способа [2] является невозможность определения усилия, вызывающего разрушение стальных изделий, у которых присутствует поверхностный упрочненный слой, сформированный в результате химико-термической обработки или поверхностной закалки с нагрева ТВЧ и другими методами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ определения механических свойств поверхностно упрочненной стали после испытания на растяжение стандартных образцов, предварительно прошедших химико-термическую обработку, в частности азотирование. По результатам испытания азотированных образцов на растяжение судят о прочностных и пластических свойствах упрочненных изделий [3].
К недостаткам данного способа [3] следует отнести высокую трудоемкость определения прочности поверхностно упрочняемой стали, связанной с необходимостью изготовления стандартных образцов, их упрочнении и испытании на специальном оборудовании. Кроме того, способ не позволяет определить наибольшее усилие, вызывающее разрушение непосредственно самого поверхностно упрочненного изделия.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение является определение усилия, вызывающего разрушение поверхностно упрочненных стальных изделий.
Решение поставленной задачи по определению усилия, вызывающего разрушение поверхностно упрочненных стальных изделий, базируется на экспериментальных данных, полученных при металлографических исследованиях упрочненных деталей, а именно, на результатах по глубине упрочненного слоя, твердости сердцевины детали и распределению микротвердости по сечению упрочненного слоя. Обязательным условием, при этом, является применение программного продукта, в частности программы «Excel», для установления функциональной зависимости изменения микротвердости по глубине упрочненного слоя и выполнения математического анализа в виде операции интегрирования данной зависимости.
Конструкционная прочность - это комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и обеспечивают долговечность и надежность работы материала в условиях эксплуатации. На конструкционную прочность существенное влияние оказывает состояние материала в поверхностном слое, что вызывает необходимость повышения его свойств. Упрочнение поверхности стальных изделий различными методами эффективно сказывается на показателях эксплуатационных свойств, но все же требует оценки прочности готовой детали. Прогнозирование свойств готовой детали по результатам испытаний стандартных образцов с поверхностно упрочненным слоем является недостаточным условием, так как не учитывается масштабный фактор и условия нагруженности детали в работающем механизме. Благодаря IT технологиям появилась возможность более эффективной реализации результатов экспериментальных исследований, что позволяет выполнять необходимые расчеты и более объективно судить о прочности изделия, в том числе и после поверхностного упрочнения, и прогнозировать их надежность и долговечность в эксплуатации.
О прочности изделия обычно судят по прочности наименьшего его сечения и оценивают по величине твердости с использованием зависимости σв = К⋅НВ, где К - коэффициент, зависящий от марки сплава; НВ - твердость по Бринеллю. Такой подход можно применять только в тех случаях, когда изделие имеет однородную твердость по всему сечению. При наличии упрочненного слоя на поверхности изделия его прочность складывается из двух составляющих - прочности непосредственно упрочненного слоя и прочности основной части детали. В отличие от однородной твердости, наблюдаемой в основе детали, твердость упрочненного слоя, сформированного при химико-термической обработке (ХТО), не одинаковая и изменяется по его сечению (Фиг. 1).
Определение долевого участия основы металла средней части детали в суммарную прочность не вызывает затруднения, а для оценки вклада упрочненного слоя в этот показатель свойств необходим сложный и трудоемкий математический расчет. Согласно этому расчету, прочность упрочненного слоя представляет собой сумму величин прочности вносимых отдельными тонкими слоями (i) с определенной твердостью, а именно:
Чем больше количество i- слоев в пределах упрочненного слоя (Фиг. 1), тем точнее будет определена его прочность.
Для определения усилия (Р), вызывающего разрушение упрочненного слоя дополнительно учитывают его площадь. Расчет ведут по формуле:
где S1 (SN) - площадь 1го (N) слоя; , - прочность 1го слоя определяемая следующим образом , где HB1 - твердость.
В предлагаемом техническом решении по заявляемому изобретению предусмотрено определение толщины и площади упрочненного слоя и установление функциональной зависимости изменения твердости по сечению упрочненного слоя у = f (х) с последующим ее интегрированием, где в качестве интегрирующей величины выступает толщина упрочненного слоя. Для определения усилия, вызывающего разрушения изделия, используют уравнение:
Р - усилие вызывающее разрушение поверхностно упрочненной детали, кг;
S1 - площадь упрочненного слоя, мм2;
S2 - площадь основного металла, мм2;
τ - толщина упрочненного слоя, мм;
у = f (х) - функциональная зависимость изменения твердости по сечению упрочненного слоя, где у - твердость НВ, кг/мм2, а x - расстояние от поверхности, мм;
К- коэффициент, для стали равный 0,345;
НВсердц - твердость основы металла детали, кг/мм.
Пример выполнения заявляемого способа.
Апробирование заявляемого способа проводилось на шаровых пальцах, изготовленных из стали 12ХН3А после их химико-термической обработки. Детали подвергались цементации в газовой атмосфере при 930°С в течение 8 часов с последующей закалкой с 870°С в масло МЗМ-26 и отпуском при 180°С. После ХТО выполнены металлографические исследования для оценки глубины упрочненного слоя и изменения твердости по его сечению (Фиг. 2). Дополнительно оценивали структуру поверхностного слоя и твердость сердцевины детали.
Используя результаты экспериментальных исследований, и пользуясь программным продуктом «Excel», установлена функциональная зависимость изменения твердости по сечению упрочненного слоя детали, которая имеет вид:
где y - твердость (HV-HB), кг/мм2; x - расстояние от поверхности, мм.
По результатам металлографических исследований глубина упрочненного (цементованного) слоя составляла 1,4 мм, а твердость в сердцевине детали - 263 НВ.
Определение усилия (Р), вызывающего разрушение упрочненного шарового пальца проводилось по наиболее нагруженному в эксплуатации сечению - 0 30 мм (Фиг. 3).
Где К - коэффициент, для стали равный 0,345;
S1 - площадь упрочненного слоя, равная
S2 - площадь неупрочненного сечения, равная
τ - толщина (глубина) упрочненного слоя, мм;
НВсердц - твердость основного металла, кг/мм2;
Использованные источники
1. ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытания на растяжение. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1984.
2. Морозов А.С, Ремнева В.В, Тонких Г.П. Организация и проведение обследования технического состояния строительных конструкции зданий и сооружений - Москва, 2001. - 212 с. (с. 109).
3. Патент РФ №2522922 С2, МПК С23С 8/26, С232С 8/80 Способ внутреннего азотирования ферритной коррозионно-стойкой стали. Авт. Никуллин С.А., Рожнов А.Б., Рогачев C.O., Хаткевич В.М., Белов В.А., Нечайкина Т.А., заявка №2012143262/02 от 10.10.2012, опубликовано 20.04.2014, Бюл. №20.
Claims (9)
- Способ определения прочности материалов поверхностно упрочненных стальных стандартных образцов, заключающийся в определении толщины и площади упрочненного слоя, и установлении функциональной зависимости изменения твердости по сечению упрочненного слоя у=f (х), где у - твердость НВ, кг/мм2; а x - расстояние от поверхности, мм, с последующим ее интегрированием, где в качестве интегрирующей величины выступает толщина упрочненного слоя, и определении усилия, вызывающего разрушения поверхностно упрочненных стальных изделий, используя уравнение:
- Р - усилие, вызывающее разрушение поверхностно упрочненной детали, кг;
- S1 - площадь упрочненного слоя, мм2;
- S2 - площадь основного металла, мм2;
- τ - толщина упрочненного слоя, мм;
- y=f (x) - функциональная зависимость изменения твердости по сечению упрочненного слоя, где у - твердость НВ, кг/мм2, а x - расстояние от поверхности, мм;
- К - коэффициент, для стали равный 0,345;
- НВсердц - твердость основы металла детали, кг/мм2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020140586A RU2758685C1 (ru) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | Способ определения прочности материалов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020140586A RU2758685C1 (ru) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | Способ определения прочности материалов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2758685C1 true RU2758685C1 (ru) | 2021-11-01 |
Family
ID=78466762
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020140586A RU2758685C1 (ru) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | Способ определения прочности материалов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2758685C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2820510C1 (ru) * | 2023-12-28 | 2024-06-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Способ определения прочности и твердости материалов |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2075744C1 (ru) * | 1993-08-02 | 1997-03-20 | Самарская государственная архитектурно-строительная академия | Способ оценки механических свойств арматурной стали |
RU2234692C1 (ru) * | 2003-06-23 | 2004-08-20 | Беленький Дмитрий Михелевич | Способ определения физического критерия прочности материалов |
JP2010271150A (ja) * | 2009-05-20 | 2010-12-02 | Sanko Techno Co Ltd | 試験機支持台、締結具の引張試験方法、引張試験用ユニット、建築構造物への器物取付施工方法 |
RU2408001C1 (ru) * | 2009-12-17 | 2010-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) | Способ определения прочности порошкового покрытия |
RU2698474C1 (ru) * | 2018-11-30 | 2019-08-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Способ определения твердости покрытия на изделии |
-
2020
- 2020-12-08 RU RU2020140586A patent/RU2758685C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2075744C1 (ru) * | 1993-08-02 | 1997-03-20 | Самарская государственная архитектурно-строительная академия | Способ оценки механических свойств арматурной стали |
RU2234692C1 (ru) * | 2003-06-23 | 2004-08-20 | Беленький Дмитрий Михелевич | Способ определения физического критерия прочности материалов |
JP2010271150A (ja) * | 2009-05-20 | 2010-12-02 | Sanko Techno Co Ltd | 試験機支持台、締結具の引張試験方法、引張試験用ユニット、建築構造物への器物取付施工方法 |
RU2408001C1 (ru) * | 2009-12-17 | 2010-12-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) | Способ определения прочности порошкового покрытия |
RU2698474C1 (ru) * | 2018-11-30 | 2019-08-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Способ определения твердости покрытия на изделии |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2820510C1 (ru) * | 2023-12-28 | 2024-06-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Способ определения прочности и твердости материалов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bandara et al. | Full range S–N curves for fatigue life evaluation of steels using hardness measurements | |
Ghahremani et al. | Fatigue testing and analysis of peened highway bridge welds under in-service variable amplitude loading conditions | |
Nolan et al. | Estimation of fracture toughness of nitride compound layers on tool steel by application of the Vickers indentation method | |
Terres et al. | Fatigue life evaluation of 42CrMo4 nitrided steel by local approach: Equivalent strain-life-time | |
Wasim et al. | Failure analysis of structural steel subjected to long term exposure of hydrogen | |
Li et al. | Corrosion induced degradation of fatigue strength of steel in service for 128 years | |
Roumina et al. | Mechanical behavior of a compositionally graded 300M steel | |
Pessard et al. | Microstructural heterogeneities and fatigue anisotropy of forged steels | |
Tariq et al. | Stress–strain curves and mechanical properties of corrosion damaged super ductile reinforcing steel | |
da Silva et al. | Mean stress effect in stress-life for hard steels | |
RU2758685C1 (ru) | Способ определения прочности материалов | |
Elghazal et al. | Microplasticity characteristics obtained through nano-indentation measurements: application to surface hardened steels | |
Link et al. | Experimental investigation of fracture toughness scaling models | |
Sakai et al. | Statistical fatigue properties of SCM435 steel in ultra-long-life regime based on JSMS database on fatigue strength of metallic materials | |
Jang et al. | Instrumented microindentation studies on long-term aged materials: work-hardening exponent and yield ratio as new degradation indicators | |
Podgornik et al. | Analysis and prediction of residual stresses in nitrided tool steel | |
JP6973193B2 (ja) | 耐水素脆化特性評価方法 | |
Sundaram et al. | Hydrogen diffusivity in Aermet® 100 at room temperature under galvanostatic charging conditions | |
RU2354957C1 (ru) | Способ оценки склонности к коррозионному растрескиванию сплавов | |
RU2554306C2 (ru) | Способ оценки микромеханических характеристик локальных областей металлов | |
Karthik et al. | Small specimen test techniques for estimating the tensile property degradation of mod 9Cr-1Mo steel on thermal aging | |
Motte et al. | An Overview of Estimations for the High-Cycle Fatigue Strength of Conventionally Manufactured Steels Based on Other Mechanical Properties | |
CN111638148A (zh) | 一种测试同类金属材料s-n曲线的方法 | |
RU2570237C1 (ru) | Способ определения вязкости металлических материалов | |
Zinger et al. | Predicting steel mechanical properties using computer modeling in Deform 3D |