G01N3 / 28 - дослідження пластичності, наприклад при визначенні придатності листового металу для глибокої витяжки або видавлювання
Власники патенту RU 2393454:
Державна освітня установа вищої професійної освіти Нижегородський державний технічний університет ім. Р.А. Алексєєва (ГОУВПО НГТУ) (RU)
Винахід відноситься до механічних випробувань, що застосовуються для оцінки надійності металів, зокрема сталей різних класів, марок, структурного стану. Технічним результатом заявленого винаходу є підвищення точності кількісної оцінки в'язкості металу. Спосіб визначення в'язкості металу включає: фіксування до проведення випробування початкової довжини і вихідної площі поперечного перерізу зразка; реєстрацію в процесі випробування діаграми розтягування, абсолютного пружного і абсолютного пластичного подовження і максимального навантаження; фіксування кінцевої довжини зразка і визначення після випробування в'язкості металу по формулі а = (Ау + Ап) / (FΔLK), де Ay - робота для здійснення абсолютного пружного подовження; Aп - робота для здійснення абсолютного пластичного подовження; F - вихідна площа поперечного перерізу випробуваного зразка; ΔLK - кінцеве абсолютне подовження по діаграмі. 2 мул. 1 табл.
Винахід відноситься до механічних випробувань, що застосовуються для оцінки надійності металів, зокрема стали різних класів, марок, структурного стану.
В'язкість металу характеризує роботу зовнішніх сил, яку потрібно зробити для того, щоб зробити певну деформацію (роботу деформації). В'язкість більшою мірою, ніж інші поширені механічні показники (міцність, пластичність), чутлива до впливу несприятливих прояву таких факторів, як зниження температури механічного впливу або дефектність структури металу.
Тому визначення в'язкості як характеристики надійності приділяється все більша увага в оцінках службових якостей металу.
Відомий спосіб визначення в'язкості металу випробуванням ударним вигином призматичних зразків, виконаних з надрізом - визначення ударної в'язкості [ГОСТ 9454].
Однак даний спосіб має недоліки, які знижують ефективність оцінки металу.
1. Визначення ударної в'язкості передбачає використання зразків певної конфігурації - з певною площею навантажувати перетину (10 × 8 мм) і певною формою надрізу, наявного на одній з граней. При неможливості виконання цієї умови (наприклад, в випробуванні плоских зразків, товщина яких менше 10 мм, круглих зразків, надріз яких виконується по всьому периметру, зразків сталі з поверхневим зміцненням, виконуваних без надрізу) зіставлення ударної в'язкості в різних випробуваннях може бути лише умовним і віднесено виключно до використовуваної конфігурації зразків.
У зв'язку з цим знижується універсальність ударної в'язкості як характеристики, придатної для ранжирування металу по в'язкості в випробуванні зразків з різною конфігурацією.
2. Досить пластичний метал в випробуванні вигином може бути не доведений до руйнування. Тому повна в'язкість такого металу в даному випробуванні не визначається.
Відомий спосіб (розтягнення), в якому зразок будь-якого металу доводиться до руйнування і визначаються універсальні характеристики, придатні для ранжирування металу з силових показників (граничним напруженням) та показниками пластичності (подовжена) [ГОСТ 1497].
Однак в даному способі не передбачено визначення в'язкості.
Відомий спосіб, який використовує для визначення в'язкості (роботи деформації) величину площі під діаграмою розтягування [Золоторевскій, B.C. Механічні властивості металів / B.C.Золоторевскій. - М. Металургія, 1983, с.183].
Однак характеристики механічних властивостей, пропоновані в ньому для визначення площі є чисто теоретичними, що не стандартизованими, придатними лише для вузьких досліджень і неприйнятні в практичних випробуваннях металу.
За даним способу зразок піддають розтягуванню до розриву з фіксуванням до проведення випробування початкової довжини lн і площі поперечного перерізу F, реєструванням в процесі випробування діаграми розтягування, навантаження, завершальній пружне подовження Ру. максимально досягається навантаження Рм. реєструванням після випробування кінцевої довжини lK. Використовуючи ці величини, в'язкість, як площа під діаграмою розтягування, визначається за формулою
в якій межа плинності σт = Py / F, межа міцності σb = Pм / F, справжнє граничне подовження ε перед = ln (1 + δ), відносне подовження δ = Δl / lH = (lK -lH) / lH.
Фактично величина W висловлює питому роботу деформації - повну роботу A, що характеризується площею під діаграмою, віднесену до деформованість в випробуванні обсягом зразка V, тобто величину
Тим самим отримують характеристику механічних властивостей металу, що не залежить
від деформованого об'єму випробуваного зразка (при певній початковій довжині lH). Даний спосіб визначення в'язкості також має суттєві недоліки, пов'язані з проявом наступних факторів.
1. Фактично величина W є не тільки наближеним (зменшеним) поданням площі під діаграмою, але і не включає площу, яка характеризує роботу, необхідну для здійснення пружного розтягування. Таке уявлення площі під діаграмою не завжди може бути виправданим. Перш за все, це відноситься до випробування високоміцного металу, для якого частка загальної роботи, що відноситься до вчинення пружного розтягування, є значною.
2. Розрахунок відносного подовження δ викликає необхідність фіксування початкової довжини зразка lH яка становить лише частину повної довжини зразка. На практиці вибір lH визначається геометричними параметрами випробуваного зразка, зв'язується з площею поперечного перерізу F і регламентується спеціальними стандартами по ГОСТ 1497, а також стандартами за якістю різних видів металовиробів. Фактично величина lH може коливатися в широких межах: у випробуванні циліндричних зразків lH = 15 ÷ 125 мм (в залежності від робочого діаметру); у випробуванні плоских зразків lH = 90 ÷ 310 мм (в залежності від робочої товщини).
Тому величина а, що визначається в даному способі, крім того, що не володіє точністю, не бути універсальною характеристикою механічних властивостей, так як не дозволяє зіставляти результати при різних величинах (в різних випробуваннях) початкової довжини випробуваного зразка.
Завданням цього винаходу є вдосконалення способу визначення в'язкості металу.
Технічний результат - більш точна кількісна оцінка в'язкості металу.
Технічний результат досягається тим, що використовується спосіб випробування, за яким зразок піддають розтягуванню до розриву з фіксуванням до проведення випробування початкової довжини і вихідної площі поперечного перерізу, в процесі випробування реєструють діаграму розтягування і максимальне навантаження, після випробування реєструють кінцеву довжину зразка, в якому в процесі випробування додатково реєструють абсолютне пружне і абсолютне пластичне подовження, і після випробування визначають в'язкість металу по формулі
в якій Ay - робота для здійснення абсолютного пружного подовження, яка може бути обчислена за формулою
де Ру - навантаження, завершальна пружне абсолютне подовження, ΔLy - абсолютне пружне подовження;
Ап - робота для здійснення абсолютного пластичного подовження, яка може бути обчислена за формулою
де ΔLп - абсолютне пластичне подовження по діаграмі, а 0. а1. А2 ... an - коефіцієнти, кількість яких (n) має забезпечувати достовірну апроксимацію графіка діаграми розтягування у вигляді многочлена n-го ступеня;
F - вихідна площа поперечного перерізу випробуваного зразка;
ΔLk - кінцеве абсолютне подовження по діаграмі.
Величина Ау відповідає площі поля діаграми, розташованого під її прямолінійним відрізком.
Формула для визначення Ап виходить в результаті обчислення інтеграла
де РΔL - зусилля, необхідне для здійснення абсолютного подовження ΔL, ΔLK - кінцеве абсолютне подовження.
Даний інтеграл є точним вираженням площі під криволінійним ділянкою діаграми.
Використання при визначенні площі під діаграмою величини ΔLк. що не залежить від початкової довжини зразка, означає, що результат визначення величини А також не залежить від початкової довжини lн.
Використовуючи в оцінці в'язкості величини а замість А, отримуємо характеристику механічних властивостей металу, яка не залежить від деформованого об'єму випробуваного зразка і при цьому не залежить також і від початкової довжини lн.
Розглянута процедура апроксимування графіка діаграми дозволяє ефективно використовувати сучасні інформаційні технології в проведенні механічних випробувань.
При цьому величина А в пропонованому способі може визначатися і без використання даної математичної процедури. Наприклад, складові роботи Ау і Ап можуть бути отримані в результаті геометричних вимірів, вироблених за допомогою відомого вимірювального приладу - планиметра, і таким чином в цілому (з огляду на використання вимірювальних інструментів у визначенні початкової і кінцевої довжини випробуваного зразка) завдання визначення величини А буде вирішуватися чисто технічним методом.
Визначення величини А із застосуванням апроксимації діаграми включає в себе також такі процедури.
1. Масштабування осей первинної діаграми подовження зразка: осі Р - в одиницях зусилля, що прикладається до випробуваному зразку (за максимальною зафіксованої навантаженні Рмакс); осі ΔL - в одиницях подовження безпосередньо зразка (за кінцевим абсолютному подовженню Δl = Lк -lH. зафіксованому на випробуваному зразку).
2. Відбір точок первинної діаграми, координати яких, виражені в масштабі реального подовження і зусилля, повинні забезпечувати достовірну апроксимацію графіка діаграми у вигляді многочлена.
3. Комп'ютерне визначення коефіцієнтів в апроксимується многочлене і далі величин А і а.
Приклад виконання способу
Визначалася в'язкість стали марки 30 (ГОСТ 1050), що знаходиться в різних структурних станах: варіант перший - в стані поставки на волочіння; варіант другий - після волочіння з обтисненням 50%. Визначення в'язкості виробляли в випробуванні розтягуванням по ГОСТ тисяча чотиреста дев'яносто сім на циліндричних зразках з робочим діаметром 8 мм двома способами - відповідно до прототипу і відповідно до винаходу.
Розтягування виконували на універсальної випробувальної машині УМЕ-10Т доведенням зразків до розриву з попередніми фіксуванням початкової довжини lH і площі поперечного перерізу зразків F, реєструванням діаграм розтягування з фіксуванням на них навантажень, які будуть доповнювати пружне подовження Ру. і максимальної Рм. абсолютних пружного і пластичного і кінцевого подовжень, реєструванням кінцевої довжини зразка.
У визначенні в'язкості відповідно до винаходу використовували формулу
де Ау = Py ΔLy. в якій Ру - навантаження, завершальна пружне подовження; Ап = a0 ΔLп + a1 (ΔLп) 2/2 + a2 (ΔLп) 3/3 + ... + an (ΔLп) n + 1 / (n + 1), ΔLу і ΔLп - абсолютні пружне і пластичне подовження, ΔLп - абсолютна пластичне подовження (що визначаються за діаграмі).
Діаграми розтягування зразків стали представлені на фіг.1 і 2.
Розрахунки за визначенням в'язкості виробляли з використанням комп'ютера (таблиця).
Як видно з таблиці, в'язкість, визначена згідно з прототипу, значно менше, ніж за пропонованого винаходу. Різниця зростає в випробуванні більш міцної сталі.
Виявлене протиріччя знаходить природне пояснення: фактично у визначенні в'язкості по прототипу враховується виключно робота для здійснення абсолютного пластичного подовження і не враховується робота для здійснення абсолютного пружного подовження. Причому площа, яка характеризує цю роботу пластичного подовження (яка надається як площа прямокутника), виявляється меншою, ніж фактична площа під ділянкою діаграми, що відноситься до абсолютного пластичного подовження (фіг.1 і 2).
На фіг.1 і 2 наведені діаграми розтягування зразка в станах стали, які відповідають першим та другим варіантами. Заштрихованими прямокутниками позначена площа, що враховується в випробуванні по прототипу, тоді як за пропонованим способом враховується повна площа під діаграмою.
Розглянутий приклад свідчить про підвищення точності і достовірності визначення в'язкості металу при використанні заявляється способу, і придатності його для ранжирування металу за цим показником.
Спосіб визначення в'язкості металу, за яким зразок піддають розтягуванню до розриву, з фіксуванням до проведення випробування початкової довжини і вихідної площі поперечного перерізу, в процесі випробування реєструють діаграму розтягування і максимальне навантаження, після випробування реєструють кінцеву довжину зразка, який відрізняється тим, що в процесі випробування додатково реєструють абсолютне пружне і абсолютне пластичне подовження, і після випробування визначають в'язкість металу по формулі
а = (Ау + Ап) / (FΔLк),
в якій Ay - робота для здійснення абсолютного пружного подовження;
Aп - робота для здійснення абсолютного пластичного подовження;
F - вихідна площа поперечного перерізу випробуваного зразка;
ΔLк - кінцеве абсолютне подовження по діаграмі.
Винахід відноситься до машинобудування, зокрема до способів визначення властивостей матеріалу деталей при зміцненні пластичним деформуванням.
Винахід відноситься до випробувальної техніки і може бути використано для асиметричного двухосного (плоского) навантаження хрестоподібних зразків матеріалів при їх випробуваннях.
Винахід відноситься до випробувальної техніки і може бути використано в випробуваннях по визначенню в'язкопластичних властивостей матеріалів.
Винахід відноситься до листовому штампуванні.
Винахід відноситься до випробувальної техніки і може бути використано при визначенні характеристик механічних властивостей листових матеріалів в умовах двовісного розтягування в машинобудуванні, автомобілебудуванні, авіабудуванні та інших галузях промисловості.
Винахід відноситься до листовому штампуванні.
Винахід відноситься до галузі машинобудування.
Винахід відноситься до листовому штампуванні.
Винахід відноситься до галузі дослідження механічних характеристик матеріалів, що піддаються обробці металів тиском, зокрема, оцінюють пластичні властивості.
Винахід відноситься до області випробувальної техніки і може бути використане для проведення механічних випробувань, зокрема випробувань на тривалу міцність і повзучість зразків досліджуваних матеріалів в ядерному реакторі.
Винахід відноситься до листовому штампуванні