Определение кривых упрочнения металлов методом внедрения трех конических инденторов

Определение механических свойств материалов микроиндентированием. Построение кривой упрочнения, на основе которой можно дать оценку напряженно-деформированного состояния при моделировании процесса изготовления деталей. Кривые сопротивления деформации.

Рубрика Физика и энергетика
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 27.10.2018
Размер файла 259,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение кривых упрочнения металлов методом внедрения трех конических инденторов

Коновалов Д. А.,

Смирнов С.В.

Кривая упрочнения является важной характеристикой свойств металла. На ее основе можно найти механические характеристики материала, дать оценку напряженно-деформированного состояния при моделировании процесса изготовления деталей. Для определения кривой упрочнения в основном применяют стандартные методы испытаний такие как растяжение, сжатие или кручение образцов. Однако, не всегда можно вырезать из конструкции часть материала для изготовления образцов для испытаний. Например, это касается мостов, корпусов ракет, различных ферм и др. В этом случае необходимо применять неразрушающие методы проведения испытаний.

Перспективным является метод, основанный на внедрении в поверхность изделия конических инденторов [1, 2], который в отличии от классического определения числа твердости по отпечатку использует диаграмму вдавливания, представляющую зависимость усилия внедрения от глубины внедрения индентора . Эта зависимость хорошо описывается законом Кика [3]

.(1)

Здесь коэффициент зависит от угла индентора и упругопластических свойств материала, в который вдавливается индентор, и практически не зависит от глубины вдавливания. Из формулы 1 следует, что напряженно-деформированное состояние при вдавливании конического индентора в упругопластическое полупространство обладает свойством подобия. Т.е. форма распределения напряженно-деформированного состояния в очаге деформации будет одинаковым для всех глубин вдавливания

От закона Кика можно перейти к определению числа твердости по формуле

.(2)

Для большинства металлов с явно выраженным пределом текучести кривую упрочнения достаточно точно можно аппроксимировать трехпараметрической степенной зависимостью

, (3)

где - предел текучести; - степень деформации сдвига; и - эмпирические коэффициенты.

Для разработки методики определения параметров кривой упрочнения по результатам индентирования коническими инденторами необходимо выполнить компьютерное моделирование процесса вдавливания конического индентора в упруго-пластическое полупространство, проверить адекватность результатов моделирования по экспериментальным данным и получить необходимый объем расчетных данных для выбранной совокупности значений параметров кривой упрочнения. Моделирование вдавливания конического индентора в упругопластическое полупространство выполнили методом конечных элементов с помощью компьютерной программы, разработанной в Институте машиноведения УрО РАН.

Из экспериментов на осадку были получены истинные кривые упрочнения для стали 08Х18Н10Т, Стали 3 и меди. Металлы прошли соответствующую термическую обработку для выравнивания структуры, снятия наклепа. Результаты испытаний приведены на рис. 1. Кривые упрочнения после площадки текучести аппроксимировали кубическим сплайном вида

, =1, 2, 3, (4)

.

Рис. 1. Кривые сопротивления деформации: 1 - сталь 08Х18Н10Т; 2 - Cталь 3; 3 - медь.

В программу задавались значения сплайна 4 и решалась осесимметричная задача по внедрению конического индентора с углом конусности 94о, 120о и 143о для трех металлов. Индентор представили абсолютно жестким телом. На поверхности среды, контактирующей с индентором, задали закон трения Прандтля-Ильюшина [4], который объединяет законы трения Амонтона-Кулона и Зибеля. Коэффициенты трения в последних задали соответственно равными 0, 1 и 0, 4. На рис. 2 показана первоначальная геометрия конечно-элементной сетки. Сетку задавали регулярную размерностью 70х70 ячеек и с переменным шагом.

Рис. 2 Сетка конечно-элементного моделирования

Для трех металлов была проведена серия экспериментов по внедрению. Каждый индентор внедрялся три раза. Внедрение осуществлялось таким образом, чтобы зона пластической деформации не выходила за границы образца. Критерием проверки адекватности моделирования выступала кривая вдавливания и профиль наплыва металла, образующегося в процессе индентирования. На рис. 3 для примера сплошными и пунктирными линиями приведены экспериментальные усредненные и расчетные диаграммы вдавливания для Стали 3. Из экспериментальных кривых по формуле 2 были определены числа твердости для трех инденторов и различных металлов.

Геометрию наплыва в двух взаимоперпендикулярных направлениях от центра лунки промеряли высокоточным оптическим профилометром WYKO NT1100. На рис. 4 для Стали 3 показаны экспериментальные усредненные профили буртиков (сплошные линии) и расчетные (пунктирные линии) для инденторов 94о и 120о. Близость кривых вдавливания и профилей буртиков свидетельствует о достаточно точных результатах компьютерного моделирования. Это позволяет перейти к решению обратной задачи.

Рис. 3. Экспериментальные (сплошные линии) и расчетные (пунктирные линии) кривые вдавливания для Стали 3: 1 - б = 94о, 2 - б =120о, 3 - б =143о.

Рис. 4. Измеренные в экспериментах (сплошные линии) и рассчитанные (пунктирные линии) профили наплывов: 1, 2 - б = 94о, 3, 4 - б = 120о.

Для определения функциональной зависимости твердости от параметров кривой упрочнения методом конечных элементов многократно решалась задача по внедрению конического индентора в упруго-пластическую среду. При моделировании, свойства металла задавались уравнением 3. Параметры варьировались в диапазоне, приведенном в табл. 1.

При этом металлы разделялись на классы по значению модуля Юнга . Таким образом, был насчитан массив данных значений твердостей по диаграмме вдавливания для сталей (Е = 210ГПа) и меди (Е = 110ГПа) для конических инденторов с углом при вершине 94о, 120о и 143о. В результате анализа данных для трех различных углов индентора была получена система трех нелинейных уравнений вида

, = 1, 2, 3, (5)

где

;

;

,

в которой индекс определяет значения коэффициентов для соответствующего угла конуса.

Для разных классов материалов она имеет одинаковый вид. Разница заключается в численных коэффициентах , которые будут иметь отличные значения как для классов металлов, так и для различных инденторов. Таким образом, получая из эксперимента кривые вдавливания для трех инденторов, пересчитывая по ним твердости и подставляя эти значения в систему 5, можно определить кривую упрочнения металла, в который происходит внедрение.

На рис. 5 показаны экспериментальные и полученные в соответствии с методикой кривые упрочнения для трех металлов. Кривые лежат достаточно близко друг к другу на интервале до степени деформации = 0, 8. Это объясняется тем, что максимальная средняя по очагу деформации под индентором величина не превышает данного значения. Таким образом, разработанный метод можно использовать для определения кривых упрочнения металлов с явно выраженным пределом текучести для значений степени деформации до 0, 8. В табл. 2 приведены экспериментальные значения предела текучести и параметров кривой упрочнения для трех металлов.

Рис. 5. Экспериментальные (пунктирные линии) и аппроксимированные (сплошные линии) кривые упрочнения для Стали 3 (а),стали 08Х18Н10Т (б) и меди (в).

Таблица 1 Диапазон изменения параметров кривой упрочнения

Металлы

, МПа

, МПа

Стали

200

600

30

300

0, 1

0, 6

Медь

50

200

30

200

0, 1

0, 5

Таблица 2 Значения параметров кривой упрочнения

Металлы

, МПа

, МПа

Сталь 3

243

253

102

0, 22

Сталь

08Х18Н10Т

232

218

41

0, 49

Медь

78

66

79

0, 39

сопротивление деформация микроиндентирование напряженный

Литература

1. С. В. Смирнов, В. К. Смирнов, А. Н. Солошенко, В. П. Швейкин. Определение сопротивления деформации по результатам внедрения конического индентора. Кузнечно-штамповочное производство. 2000, №8, с. 3 -6.

2. N. Ogasawara, N. Chiba, Xi Chen. Measuring the plastic properties of bulk

materials by single indentation test. Scripta Materialia. 2006, 54, р. 65-70.

3. С. А. Федосов, Л. Пешек. Определение механических свойств материалов микроиндентированием: Современные зарубежные методики. М.: Физический факультет МГУ. 2004, с 100.

4. А. А. Ильюшин. Вопросы теории течения пластического вещества по поверхностям. ПММ. 1954, т.18, вып.3, с. 321-329.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Особенности и суть метода сопротивления материалов. Понятие растяжения и сжатия, сущность метода сечения. Испытания механических свойств материалов. Основы теории напряженного состояния. Теории прочности, определение и построение эпюр крутящих моментов.

    курс лекций [1,3 M], добавлен 23.05.2010

  • Рассматриваются особенности расчета напряженно-деформированного состояния воздухоопорной оболочки методами теории открытых систем (OST) и методами безмоментной теории оболочек (MTS). Сравнение результатов данных расчетов с экспериментальными данными.

    контрольная работа [849,2 K], добавлен 31.05.2012

  • Изучение топографии инженерных поверхностей. Определение упругого состояния и деформации. Конструирование кривой Коха (von Koch). Характеристика случайной фрактальной кривой. Броуновское движение на отрезке. Анализ функций Вейерштрасса-Мандельброта.

    реферат [783,3 K], добавлен 23.12.2015

  • Изучение характеристик модели, связанных с инфильтрацией воздуха через материал. Структура материалов тела. Анализ особенностей механизма диффузии. Экспериментальное исследование диффузии, а также методика расчета функции состояния системы с ее учетом.

    научная работа [1,3 M], добавлен 11.12.2012

  • Кривые объема и площадей. Определение емкости водохранилища без учета потерь и с учетом потерь стока. Характерные уровни и емкости водохранилища. Обеспеченность гидрологических характеристик. Построение теоретической кривой по методу Крицкого-Менкеля.

    реферат [494,1 K], добавлен 24.07.2012

  • Методы получения наноразмерных объектов и контроля их характеристик. Изменение механических, электрических, магнитных, оптических и химических свойств металлов при переходе в наносостояние. Определение характеристик наноразмерных частиц в суспензиях.

    реферат [1,2 M], добавлен 26.06.2010

  • Методическое указание по вопросам расчётов на прочность при различных нагрузках и видах деформации. Определение напряжения при растяжении (сжатии), определение деформации. Расчеты на прочность при изгибе, кручении. Расчетно-графические работы, задачи.

    контрольная работа [2,8 M], добавлен 15.03.2010

  • Определение начального сверхпереходного тока и тока установившегося короткого замыкания. Определение токов трехфазного короткого замыкания методом типовых кривых. Расчет и составление схем всех несимметричных коротких замыканий методом типовых кривых.

    курсовая работа [2,5 M], добавлен 21.05.2012

  • Особенности использования магнитомягких материалов для постоянных и низкочастотных полей. Определение свойств ферритов и магнитодиелектриков. Применение магнитострикционных материалов для изготовления сердечников электромеханических преобразователей.

    реферат [25,2 K], добавлен 30.08.2010

  • Создание технических средств метрологического обеспечения контроля качества полупроводниковых материалов. Анализ установки по измерению удельного электрического сопротивления четырехзондовым методом. Измерение сопротивления кремния монокристаллического.

    дипломная работа [1,2 M], добавлен 24.07.2012

  • Изучение процесса разрушения твердых тел при распространении трещины. Возникновение метода конечных элементов. Введение локальной и глобальной нумерации узлов. Рассмотрение модели трещины в виде физического разреза и материального слоя на его продолжении.

    курсовая работа [2,7 M], добавлен 26.12.2014

  • Определение и построение естественных электромеханических и механических характеристик исследуемого двигателя. Схема реостатного регулирования двигателя независимого возбуждения. Вычисление добавочного тормозного сопротивления, ограничивающего ток якоря.

    контрольная работа [2,3 M], добавлен 08.12.2014

  • Расчет напряженно-деформированного состояния ортотропного покрытия на упругом основании. Распределение напряжений и перемещений в ортотропной полосе на жестком основании. Приближенный расчет напряженного состояния покрытия из композиционного материала.

    курсовая работа [3,3 M], добавлен 13.12.2016

  • Построение периодических и непериодических В-сплайнов 3 порядка по 4 и 6 точкам. Сравнение полученных сплайнов. Построение кривой Безье, функции сопряжения для периодического и непериодического сплайнов. Использование базисных многочленов Бернштейна.

    лабораторная работа [369,2 K], добавлен 22.11.2015

  • Определение аналитическим путём и методом расчетных кривых начального значения периодической составляющей тока. Расчет величины тока при несимметричном коротком замыкании. Построение векторных диаграммы токов и напряжений в точке короткого замыкания.

    практическая работа [2,5 M], добавлен 20.10.2010

  • Изучение теорий каустик, оптических свойств кривых и поверхностей на примере моделирования оптических систем в СКM Maple. Понятие каустики в рамках геометрической оптики, ее образования. Построение модели каустики, написание программных процедур.

    дипломная работа [1,6 M], добавлен 16.06.2017

  • Определение цветовой температуры кинопроекционной лампы, напряжение на которой меняется с помощью переменного резистора. Снятие показаний фотоэлемента для синего и красного фильтров. Построение зависимости цветовой температуры лампы от напряжения.

    лабораторная работа [241,0 K], добавлен 10.10.2013

  • Определение размеров поперечных сечений стержней, моделирующих конструкцию робота-манипулятора. Вычисление деформации элементов конструкции, линейного и углового перемещения захвата. Построение матрицы податливости системы с помощью интеграла Мора.

    курсовая работа [255,7 K], добавлен 05.04.2013

  • Рассмотрение правил получения серии однослойных образцов металлов и их сплавов, напылённых на подложки с варьируемой толщиной слоя. Изучение влияние толщины напылённого слоя на соотношение характеристических полос испускания в рентгеновских спектрах.

    дипломная работа [1,2 M], добавлен 20.07.2015

  • Гипотезы сопротивления материалов, схематизация сил. Эпюры внутренних силовых факторов, особенности. Три типа задач сопротивления материалов. Деформированное состояние в точке тела. Расчёт на прочность бруса с ломаной осью. Устойчивость сжатых стержней.

    курс лекций [4,1 M], добавлен 04.05.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.