RU2712776C1 - Method of estimating mechanical characteristics of deformed metal objects - Google Patents
Method of estimating mechanical characteristics of deformed metal objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2712776C1 RU2712776C1 RU2019114388A RU2019114388A RU2712776C1 RU 2712776 C1 RU2712776 C1 RU 2712776C1 RU 2019114388 A RU2019114388 A RU 2019114388A RU 2019114388 A RU2019114388 A RU 2019114388A RU 2712776 C1 RU2712776 C1 RU 2712776C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- deformation
- indenter
- coefficients
- degree
- deformed
- 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
- G01N3/42—Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid
- G01N3/44—Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid the indentors being put under a minor load and a subsequent major load, i.e. Rockwell system
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 Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Данное техническое решение относится к области машиностроения и может быть использовано для оценки степени деформирования металлических объектов и исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий.This technical solution relates to the field of mechanical engineering and can be used to assess the degree of deformation of metal objects and study the strength properties of solid materials by applying mechanical forces to them.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Для некоторых изделий, получаемых, например, прокаткой или вытяжкой (фольги, мембраны, сильфоны, упругие элементы) оценить степень деформации или установить характеристики прочности и пластичности в зонах переходов, резких изменений сечений экспериментальным путем не представляется возможным. Классическое измерение твердости (микротвердости) не дает ответа на вопрос степени деформации в этих зонах.For some products obtained, for example, by rolling or drawing (foils, membranes, bellows, elastic elements) it is not possible to experimentally determine the degree of deformation or establish the strength and ductility characteristics in the transition zones, and sudden changes in the cross sections. The classical measurement of hardness (microhardness) does not answer the question of the degree of deformation in these zones.
Известен способ, на который был получен патент РФ №2080581 «Способ определения прочностных характеристик металлов и их сплавов», МПК: G01N 3/48; приоритет 11.01.1993 г., опубликовано. 27.05.1997 г., авторы: Кубарев А.Е., Аннабердиев Л.Х. (RU).The known method for which the RF patent was obtained No. 2080581 "Method for determining the strength characteristics of metals and their alloys", IPC: G01N 3/48; Priority January 11, 1993, published. 05/27/1997, authors: Kubarev A.E., Annaberdiev L.Kh. (RU).
Способ заключается в том, что внедряют индентор в испытуемый объект, измеряют глубину внедрения и определяют его прочностные характеристики, при этом измеряют максимальное значение скорости внедрения индентора, время достижения им максимальной глубины. Элементы процесса проникновения индентора в образец используются в качестве факторов для построения математической модели прочностных характеристик, например в виде уравнений регрессии.The method consists in introducing the indenter into the test object, measuring the penetration depth and determining its strength characteristics, while measuring the maximum value of the indenter penetration speed, the time it reaches maximum depth. Elements of the indenter penetration into the sample are used as factors for constructing a mathematical model of strength characteristics, for example, in the form of regression equations.
Недостатком аналога является определение прочностных характеристик исследуемого объекта по глубине внедрения индентора, что для тонкостенных объектов, при глубине внедрения, соизмеримой с толщиной исследуемого объекта, может привести к несоответствию получаемых данных фактическим свойствам. Кроме того, отсутствие взаимосвязи степени деформации с физико-механическими свойствами материала приводит к невозможности прогнозирования предельной деформации, приводящей к разрушению материала. Использование данного решения не является универсальным.The disadvantage of the analogue is the determination of the strength characteristics of the investigated object by the depth of indenter penetration, which for thin-walled objects, with a penetration depth comparable with the thickness of the studied object, can lead to a discrepancy between the data obtained and the actual properties. In addition, the absence of a relationship between the degree of deformation and the physicomechanical properties of the material makes it impossible to predict the ultimate strain leading to fracture of the material. Using this solution is not universal.
В качестве прототипа был выбран патент РФ №2554306 «Способ оценки микромеханических характеристик локальных областей металлов»; МПК: G01N 3/44; приоритет 15.10.2013 г, опубликовано. 27.06.2015 г., авторы: Собко С.А., Брунеткина Е.В. (RU).As a prototype, the patent of the Russian Federation No. 2554306 was selected "Method for assessing the micromechanical characteristics of local areas of metals"; IPC: G01N 3/44;
Подбирают образцы одной марки стали, термообработанные при разных режимах. Внедряют индентор в произвольную зону образца, пошагово увеличивают нагрузку в заданном интервале, прилагают нагрузку последовательно в одну фиксированную точку поверхности произвольной зоны, по зависимости нагрузки от глубины внедрения индентора определяют коэффициенты а и n формулы P=a⋅hn. Получают уравнения зависимости механических характеристик от коэффициентов а и n. Внедряют индентор в локальную зону образца таким же образом, как в произвольную зону, по зависимости нагрузки от глубины внедрения индентора определяют коэффициенты а и n, подставляют их в полученные уравнения и рассчитывают свойства материала в локальной зоне образца.Samples of the same steel grade are selected, heat-treated under different conditions. Introduce the indenter into an arbitrary zone of the sample, incrementally increase the load in a given interval, apply the load sequentially to one fixed point on the surface of an arbitrary zone, and the coefficients a and n of the formula P = a⋅h n are determined by the dependence of the load on the indenter penetration depth. The equations of dependence of mechanical characteristics on the coefficients a and n are obtained. The indenter is injected into the local zone of the sample in the same way as in an arbitrary zone, the coefficients a and n are determined by the dependence of the load on the indenter penetration depth, substitute them into the obtained equations and calculate the material properties in the local zone of the sample.
К недостаткам данного способа можно отнести применимость только к термоупрочняемым сталям, не предусматривающую возможность оценки свойств нетермоупрочняемых сплавов, в том числе цветных металлов. Кроме того существует необходимость предварительно выбрать достаточное количество вариантов (отжиг, нормализация, закалка, низкий, средний, высокий отпуск) и режимов термической обработки исследуемой стали для обеспечения широкого интервала степени ее упрочнения. Это приводит к большому количеству затратных подготовительных операций.The disadvantages of this method include applicability only to heat-strengthened steels, which does not provide for the possibility of evaluating the properties of non-heat-strengthened alloys, including non-ferrous metals. In addition, there is a need to pre-select a sufficient number of options (annealing, normalization, hardening, low, medium, high tempering) and heat treatment modes of the investigated steel to ensure a wide range of its hardening degree. This leads to a lot of costly preparatory operations.
Также данный способ не устанавливает зависимость прочностных и пластических характеристик материала непосредственно от технологических режимов термического упрочнения.Also, this method does not establish the dependence of the strength and plastic characteristics of the material directly on the technological regimes of thermal hardening.
Раскрытие изобретенияDisclosure of Invention
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка экспериментально-расчетного алгоритма определения комплекса механических свойств исследуемых деформированных объектов не только из сталей, но и из сплавов, а так же степени их деформации и запаса деформации до разрушения по результатам микромеханических испытаний с упрощением технологии обработки на этапе подготовки образцов.The task to which the claimed invention is directed is to develop an experimental calculation algorithm for determining the complex of mechanical properties of the studied deformed objects not only from steels, but also from alloys, as well as the degree of their deformation and deformation margin before failure according to the results of micromechanical tests with simplification of technology processing at the stage of sample preparation.
Технический результат заключается в расширении области применения микромеханических испытаний для любого деформированного металлического исследуемого объекта, однотипность и упрощение подготовительных операций деформирования, возможность определения степени предельной деформации исследуемого объекта и прогнозирование запаса его деформации до разрушения.The technical result consists in expanding the scope of micromechanical testing for any deformed metal object under study, uniformity and simplification of preparatory deformation operations, the ability to determine the degree of ultimate deformation of the object under study and predicting the margin of its deformation to failure.
Технический результат достигается тем, что в способе оценки механических характеристик деформированных металлических объектов, включающем выбор образца для исследования, растяжение, определение его механических характеристик, внедрение индентора в одну фиксированную точку поверхности образца, пошаговое увеличение нагрузки на индентор в заданном интервале, определение коэффициентов а и n формулы P=a⋅hn по зависимости нагрузки от глубины внедрения индентора, получение уравнения зависимости механических характеристик от коэффициентов а и n, внедрение индентора в исследуемый объект, по зависимости нагрузки от глубины внедрения индентора определение коэффициентов а и n, подстановку их в полученные уравнения и расчет свойств исследуемого объекта, согласно изобретению, выбирают заготовку из того же материала, что и исследуемый деформированный металлический объект, которую отжигают до равновесного состояния. Из заготовки изготавливают образцы для деформации, каждый из которых деформируют через заданный шаг деформации без промежуточных отжигов до установленного предела деформации. После каждого шага деформации из каждого образца для деформации изготавливают образец для растяжения, в который перед растяжением внедряют индентор. Определяют глубину внедрения индентора, по зависимости нагрузки от глубины внедрения определяют коэффициенты а и n. Испытывают растяжением образцы для растяжения и определяют их механические характеристики, строят зависимости степени деформации и механических характеристик от коэффициентов а и n и показателей их алгебраической связи. Внедряют индентор в поверхность шлифа деформированного исследуемого объекта, определяют глубину внедрения индентора. По зависимости нагрузки от глубины внедрения индентора в объект определяют коэффициенты а, n и показатели их алгебраической связи, по которым и по построенным ранее зависимостям для образцов определяют степень деформации и механические свойства деформированного исследуемого объекта.The technical result is achieved by the fact that in the method for assessing the mechanical characteristics of deformed metal objects, including selecting a specimen for research, stretching, determining its mechanical characteristics, introducing an indenter at one fixed point on the surface of the specimen, incrementally increasing the load on the indenter in a given interval, determining the coefficients a and n of formula P = a ⋅h n depending on the load on the penetration depth of the indenter, obtaining the equations depending on the mechanical characteristics of the coefficient c a and n, the introduction of the indentor into the test object by the load depending on the depth of penetration of the indenter determination of the coefficients a and n, substituting them into equations obtained and calculation of properties of an object, according to the invention is selected workpiece from the same material as that of the analyzed deformed metal an object that is annealed to an equilibrium state. Samples for deformation are made from the workpiece, each of which is deformed through a predetermined deformation step without intermediate annealing to a specified deformation limit. After each step of deformation, a tensile specimen is made from each specimen for deformation, into which an indenter is inserted before stretching. The indenter penetration depth is determined, and the coefficients a and n are determined by the dependence of the load on the penetration depth. The samples for stretching are tested by stretching and their mechanical characteristics are determined, the dependences of the degree of deformation and mechanical characteristics are built on the coefficients a and n and the indices of their algebraic connection. The indenter is introduced into the surface of the thin section of the deformed studied object, the indenter penetration depth is determined. According to the dependence of the load on the depth of penetration of the indenter into the object, the coefficients a , n and the indicators of their algebraic connection are determined, according to which the degree of deformation and the mechanical properties of the deformed studied object are determined by the previously constructed dependences for the samples.
Совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата - расширение области применения микромеханических испытаний для любого деформированного металлического исследуемого объекта, однотипность и упрощение подготовительных операций деформирования, возможность определения фактической степени предельной деформации исследуемого объекта и прогнозирование запаса его деформации до разрушения.The combination of essential features provides a technical result - expanding the scope of micromechanical testing for any deformed metal object under study, uniformity and simplification of preparatory deformation operations, the ability to determine the actual degree of ultimate deformation of the object under study and predicting its deformation margin before failure.
Это позволяет решить задачу разработки экспериментально-расчетного алгоритма определения комплекса механических свойств исследуемых деформированных объектов не только из сталей, но и из сплавов, а также степень их деформации и запаса деформации до разрушения по данным микромеханических испытаний с упрощением технологии обработки на этапе подготовки образцов.This allows us to solve the problem of developing an experimental-computational algorithm for determining the complex of mechanical properties of the studied deformed objects not only from steel, but also from alloys, as well as the degree of their deformation and deformation margin before failure according to micromechanical tests with simplification of the processing technology at the sample preparation stage.
Глубину внедрения индентора возможно определяют по методу восстановленного отпечатка.The indenter penetration depth is possibly determined by the method of the reconstructed print.
Для прогнозирования на основе расчетных зависимостей степени предельной деформации материала возможно деформируют образцы прокаткой за один или несколько переходов без промежуточных отжигов с заданным шагом деформации или вытяжкой за один или несколько переходов без промежуточных отжигов с заданной степенью деформации до появления трещин в образце и определяют степень предельной деформации материала образцов до появления трещин в образце.To predict, based on the calculated dependences of the degree of ultimate deformation of the material, it is possible to deform samples by rolling in one or several transitions without intermediate annealing with a given deformation step or by drawing in one or several transitions without intermediate annealing with a predetermined degree of deformation until cracks appear in the sample and determine the degree of ultimate deformation material of samples before cracks appear in the sample.
Для разработки экспериментально-расчетного алгоритма определения степени деформирования, возможно, строят линейные зависимости степени деформации от коэффициентов а и n, полученные экспериментально-расчетным путем, или показателя их алгебраической связи.To develop an experimental calculation algorithm for determining the degree of deformation, it is possible to build linear dependences of the degree of deformation on the coefficients a and n, obtained experimentally by calculation, or an indicator of their algebraic relationship.
Для прогнозирования запаса деформации исследуемого объекта до его разрушения по степени расчетной деформации образца и степени предельной деформации определяют запас степени деформации объекта до разрушения.To predict the margin of deformation of the investigated object before its destruction, the margin of the degree of deformation of the object to fracture is determined by the degree of design strain of the sample and the degree of ultimate strain.
Достигаемый результат обеспечивается не только наличием известных отличительных признаков, но и зависит от взаимодействия их с другими существенными признаками заявляемого способа. Это позволяет способу расширить свои функциональные возможности и обеспечить решение задачи разработки экспериментально-расчетного алгоритма определения степени деформирования и комплекса механических свойств металлических объектов по данным микромеханических испытаний.The achieved result is ensured not only by the presence of known distinctive features, but also depends on their interaction with other essential features of the proposed method. This allows the method to expand its functionality and provide a solution to the problem of developing an experimental calculation algorithm for determining the degree of deformation and the complex of mechanical properties of metal objects according to micromechanical tests.
Расширенная функция, обеспечиваемая известными и отличительными признаками, и получение неожиданного неочевидного результата от использования этих признаков в совокупности с другими признаками, свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".The expanded function provided by the well-known and distinctive features, and the receipt of an unexpected non-obvious result from the use of these features in combination with other features, indicates that the proposed technical solution meets the criterion of "inventive step".
Краткое описание фигур чертежаBrief Description of the Drawings
На фиг. 1 показана зависимость нагрузки Р от глубины отпечатков h после индентирования образца для стали 12Х18Н10Т, деформированного на 50% с уравнением связи нагрузки Р и глубины восстановленного отпечатка h в виде формулы P=ahn, где а и n - расчетные коэффициенты.In FIG. Figure 1 shows the dependence of the load P on the imprint depth h after indentation of the sample for steel 12Kh18N10T, deformed by 50% with the equation for the relation between the load P and the depth of the restored imprint h in the form of the formula P = ah n , where a and n are the calculated coefficients.
На фиг. 2 показана зависимость нагрузки Р от глубины отпечатков h после индентирования образца из сплава меди (бронзы) БрБ2, деформированного на 50% с уравнением связи нагрузки Р и глубины восстановленного отпечатка h в виде формулы P=ahn, где а и n - расчетные коэффициенты.In FIG. Figure 2 shows the dependence of the load P on the imprint depth h after indentation of a BrB2 copper (bronze) alloy sample deformed by 50% with the equation for the relation between the load P and the restored imprint h in the form of the formula P = ah n , where a and n are the calculated coefficients.
На фиг. 3 приведены экспериментальные данные по степени деформации и механическим свойствам деформированных (до 50% с шагом 10%) образцов из стали 12Х18Н10Т, а также расчетные коэффициенты а и n, полученные по результатам микромеханических испытаний образцов на каждом шаге деформирования, и произведения коэффициентов а и n в виде показателя an, который выбран для построения зависимостей механических свойств и степени деформации от an.In FIG. Figure 3 shows the experimental data on the degree of deformation and the mechanical properties of deformed (up to 50% in 10% increments) samples of steel 12Kh18N10T, as well as the calculated coefficients a and n obtained from the results of micromechanical testing of samples at each step of deformation, and the product of the coefficients a and n in the form of an a n indicator, which is chosen to build the dependences of mechanical properties and the degree of deformation on a n.
На фиг. 4 приведены экспериментальные данные по степени деформации и механическим свойствам деформированных (до 50% с шагом 10%) образцов из сплава меди - бронзы БрБ2, а также расчетные коэффициенты а и n, а также произведение коэффициентов а и n в виде показателя an.In FIG. Figure 4 shows the experimental data on the degree of deformation and the mechanical properties of deformed (up to 50% in 10% increments) samples of an alloy of copper - BrB2 bronze, as well as the calculated coefficients a and n, as well as the product of the coefficients a and n in the form of an a n index.
На фиг. 5 показана графическая и расчетная линейная зависимость предела прочности σв стали 12Х18Н10Т от показателя an: σв=6,0937(an)-25,738 (при R2=0,9402), где R2 - величина достоверности аппроксимации линейной функцией, отражающая тесноту связи σв и показателя an. Точками показаны экспериментальные данные, а линиями - графические зависимости, аппроксимированные степенными и линейными функциями.In FIG. 5 is a graphic design and the linear dependence of the tensile strength σ of a steel 12X18H10T index a n: σ in = 6,0937 (a n) -25,738 (when R 2 = 0.9402), where R 2 - reliability value approximation a linear function, reflecting the tightness of the connection σ in and the indicator a n. The dots show the experimental data, and the lines show graphical dependences approximated by power and linear functions.
На фиг. 6 показана графическая и расчетная линейная зависимость предела прочности σв сплава меди - бронзы БрБ2 от показателя an: σв=6,0937(an)-25,738 (при R2=0,9402), где R2 - величина достоверности аппроксимации линейной функцией, отражающая тесноту связи σв и показателя an. Точками показаны экспериментальные данные, а линиями - графические зависимости, аппроксимированные степенными и линейными функциями.In FIG. 6 shows the graphic design and the linear dependence of the tensile strength σ in copper alloy - bronze BrB2 index from a n: σ in = 6,0937 (a n) -25,738 (when R 2 = 0.9402), where R 2 - reliability value approximation linear function, reflecting the tightness of the connection σ in and the exponent a n. The dots show the experimental data, and the lines show graphical dependences approximated by power and linear functions.
На фиг. 7 показана графическая и расчетная линейная зависимость относительного удлинения δ стали 12Х18Н10Т от показателя an: δ=6,2847(an)+135,75 (при R2=0,9063). Точками показаны экспериментальные данные, а линиями - графические зависимости, аппроксимированные степенными и линейными функциями.In FIG. Figure 7 shows a graphical and calculated linear dependence of the relative elongation δ of steel 12X18H10T on the index a n: δ = 6.2847 ( a n) +135.75 (at R 2 = 0.9063). The dots show the experimental data, and the lines show graphical dependences approximated by power and linear functions.
На фиг. 8 показана графическая и расчетная линейная зависимость относительного удлинения δ сплава меди - бронзы БрБ2 от показателя an: δ=6,2847(an)+135,75 (при R2=0,9063). Точками показаны экспериментальные данные, а линиями - графические зависимости, аппроксимированные степенными и линейными функциями.In FIG. Figure 8 shows a graphical and calculated linear dependence of the relative elongation δ of the alloy of copper - bronze BrB2 on the exponent a n: δ = 6.2847 ( a n) +135.75 (at R 2 = 0.9063). The dots show the experimental data, and the lines show graphical dependences approximated by power and linear functions.
На фиг. 9 показана графическая и расчетная линейная зависимость степени деформации ε стали 12Х18Н10Т от показателя an: ε=6,4344(an)-95,273 (при R2=0,897). Точками показаны экспериментальные данные, а линиями - графические зависимости, аппроксимированные степенными и линейными функциями.In FIG. Figure 9 shows a graphical and calculated linear dependence of the degree of deformation ε of steel 12X18H10T on the exponent a n: ε = 6.4344 ( a n) -95.273 (with R 2 = 0.897). The dots show the experimental data, and the lines show graphical dependences approximated by power and linear functions.
На фиг. 10 показана графическая и расчетная линейная зависимость степени деформации ε сплава меди - бронзы БрБ2 от показателя an: ε=6,4344(an)-95,273 (при R2=0,897). Точками показаны экспериментальные данные, а линиями - графические зависимости, аппроксимированные степенными и линейными функциями.In FIG. Figure 10 shows a graphical and calculated linear dependence of the degree of deformation ε of an alloy of copper - bronze BrB2 on the exponent a n: ε = 6.4344 ( a n) -95.273 (at R 2 = 0.897). The dots show the experimental data, and the lines show graphical dependences approximated by power and linear functions.
Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention
Осуществление способа рассмотрим на задаче, когда требуется определить прочностные свойства и степень фактической деформации фольги из стали 12Х18Н10Т и фольги из сплава меди (бронзы) БрБ2. Для этого выбирают заготовку в виде листа - проката из того же материала, что и деформированный металлический объект. Заготовку переводят в равновесное состояние термической обработкой (отжигом). Из заготовки изготавливают одинаковые плоские образцы с заданной толщиной, шириной и длиной для деформации.The implementation of the method will be considered on the problem when it is necessary to determine the strength properties and the degree of actual deformation of a foil made of 12X18H10T steel and a foil made of an alloy of copper (bronze) BrB2. To do this, choose a workpiece in the form of a sheet - rolled from the same material as a deformed metal object. The workpiece is transferred to the equilibrium state by heat treatment (annealing). The same flat samples with a given thickness, width and length for deformation are made from the blank.
Таким образом, проявляется технический результат - в расширении области применения микромеханических испытаний для любого деформированного металлического исследуемого объекта.Thus, the technical result is manifested - in expanding the scope of micromechanical testing for any deformed metal object under investigation.
Каждый из образцов деформируют через заданный шаг деформации 10% без промежуточных отжигов до установленного предела деформации, в данном примере - 50%. Под шагом деформации здесь понимают отношение между первоначальным размером образца и его размером после деформации, например, относительное изменение толщины, выраженное в процентах.Each of the samples is deformed through a predetermined deformation step of 10% without intermediate annealing to a specified strain limit, in this example, 50%. Here, the deformation step is understood to mean the relationship between the initial size of the sample and its size after deformation, for example, the relative change in thickness, expressed as a percentage.
Сначала первый образец деформируют за один или несколько переходов без промежуточного отжига на один шаг деформации (10%), затем второй образец деформируют за один или несколько переходов без промежуточного отжига на 2 шага (20%) и так далее. Количество шагов деформации ограничено задачей исследователя, возможностями оборудования, предельной деформацией разрушения.First, the first sample is deformed in one or more transitions without intermediate annealing by one deformation step (10%), then the second sample is deformed in one or several transitions without intermediate annealing in 2 steps (20%) and so on. The number of deformation steps is limited by the researcher’s task, equipment capabilities, ultimate fracture deformation.
Таким образом, проявляется технический результат - однотипность и упрощение подготовительных операций деформирования.Thus, the technical result is manifested - uniformity and simplification of preparatory deformation operations.
После каждого шага деформации (или после всех деформаций) из каждого деформированного образца, в том числе из исходного, недеформированного плоского образца изготавливают образцы для растяжения. Это необходимо делать, потому что после деформации образцы имеют разную форму. Для дальнейших испытаний растяжением образцам придают одинаковую форму, а толщина каждого образца для испытаний определяется исходным состоянием или степенью деформации.After each step of deformation (or after all deformations), tensile specimens are made from each deformed specimen, including the initial, undeformed flat specimen. This must be done because, after deformation, the samples have a different shape. For further tensile tests, the samples are given the same shape, and the thickness of each test sample is determined by the initial state or degree of deformation.
В каждый образец, в том числе исходный, недеформированный, перед растяжением внедряют индентор. При этом индентор внедряют в подготовленную, полированную часть образца, так называемый шлиф, на лопатке или в зоне захвата испытательной машины.An indenter is introduced into each specimen, including the initial, undeformed one, before stretching. In this case, the indenter is introduced into the prepared, polished part of the sample, the so-called thin section, on the blade or in the grip zone of the testing machine.
При микромеханических испытаниях образцов пошагово увеличивают нагрузку на индентор в заданном интервале нагрузок (в данном примере от 5 до 1000 гс). Глубину внедрения индентора определяют по методу восстановленного отпечатка. После каждого снятия нагрузки измеряют диагонали отпечатка и вычисляют его глубину, исходя из того, что глубина отпечатков по Виккерсу, с учетом углов алмазной пирамиды, в семь раз меньше его диагонали.During micromechanical testing of samples, the load on the indenter is incrementally increased in a given load interval (in this example, from 5 to 1000 gs). The indenter penetration depth is determined by the reconstructed fingerprint method. After each load removal, the diagonals of the fingerprint are measured and its depth is calculated based on the fact that the depth of the fingerprints according to Vickers, taking into account the angles of the diamond pyramid, is seven times smaller than its diagonal.
Нагрузку прикладывают последовательно в одну фиксированную точку поверхности произвольной зоны. По аналогичным измерениям в трех точках определяют средние величины глубины внедрения индентора при каждой нагрузке. Для каждого деформированного образца строят свою расчетно-экспериментальную зависимость. По зависимости нагрузки от глубины внедрения индентора определяют коэффициенты а и n:The load is applied sequentially at one fixed point on the surface of an arbitrary zone. Using similar measurements at three points, the average values of the indenter penetration depth at each load are determined. For each deformed sample, they construct their own calculated experimental dependence. According to the dependence of the load on the penetration depth of the indenter, the coefficients a and n are determined:
P=a⋅hn,P = a ⋅h n ,
где Р - нагрузка на индентор, h - глубина отпечатка.where P is the load on the indenter, h is the depth of the print.
На фиг. 1 показаны зависимости нагрузки от глубины отпечатков после индентирования образцов из стали 12Х18Н10Т, а на фиг. 2 - сплава меди (бронзы БрБ2) при степени деформации образца 50%.In FIG. 1 shows the dependences of the load on the depth of the prints after indentation of samples of steel 12X18H10T, and in FIG. 2 - copper alloy (BrB2 bronze) with a degree of deformation of the sample of 50%.
Проводят испытания растяжением образцов после всех шагов деформации и определяют (выборочно) механические характеристики прочности и пластичности, включая: предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение и т.д. На фиг. 3 приведены экспериментальные данные по степени деформации и механическим свойствам деформированных до 50% с шагом 10% образцов из стали 12Х18Н10Т, а на фиг. 4 - из бронзы БрБ2. Также приведены расчетные коэффициенты а и n, полученные по результатам микромеханических испытаний образцов на каждом шаге деформирования.Tensile tests are carried out after all deformation steps and the (mechanical) mechanical characteristics of strength and ductility are determined (selectively), including: tensile strength, yield strength, elongation, relative narrowing, etc. In FIG. 3 shows experimental data on the degree of deformation and the mechanical properties of samples deformed up to 50% in increments of 10% of steel 12X18H10T, and in FIG. 4 - from BrB2 bronze. The calculated coefficients a and n are also obtained based on the results of micromechanical testing of samples at each step of deformation.
В данном примере для выявления тесноты связи (величины достоверности аппроксимации R2) механических свойств и степени деформации от коэффициентов а и ⋅n сначала строили модельные функции Y(x), где в качестве переменной х рассматривали отдельно а и n, произведение a⋅n; частное а/n или другого показателя в виде их алгебраической связи. С учетом максимальной величины достоверности аппроксимации R2 при построении линейных функций в данном примере из рассмотренных вариантов выбрано произведение a⋅n (показатель an).In this example, to detect connection tightness (magnitude of reliability approximation R 2) mechanical properties and the degree of deformation of the coefficients a and ⋅n first built model function Y (x), where x as a variable and treated separately and n, the product of a ⋅n; quotient a / n or other indicator in the form of their algebraic connection. Given the maximum reliability of the approximation R 2, when constructing linear functions in this example, the product a ⋅n (exponent a n) is selected from the considered options.
Для построения модельных функций в данном примере выбраны наиболее значимые механические характеристики, полученные при растяжении предоставленных образцов, - предел прочности при растяжении σв и относительное удлинение δ.In order to build model functions in this example, the most significant mechanical characteristics obtained by stretching the provided samples were selected — tensile strength σ in and elongation δ.
Строят зависимости механических характеристик и степени деформации от показателя an, при этом применяют линейные зависимости.The dependences of the mechanical characteristics and the degree of deformation on the index a n are built, while linear dependencies are used.
Графические линейные зависимости предела прочности σв от показателя an и соответствующие расчетные данные показаны на фиг. 5 для стали 12Х18Н10Т, на фиг. 6 для бронзы БрБ2:Graphical linear dependences of the tensile strength σ in on the indicator a n and the corresponding calculated data are shown in FIG. 5 for steel 12X18H10T, in FIG. 6 for BrB2 bronze:
σв (сталь 12Х18Н10Т)=6,0937(an)-25,738, при R2=0,9402;σ in (steel 12X18H10T) = 6.0937 ( a n) -25.738, with R 2 = 0.9402;
σв (бронза БрБ2)=5,3746(an)+1,6081, при R2=0,9873,σ in (bronze BrB2) = 5.3746 ( a n) +1.6081, with R 2 = 0.9873,
где R2 - величина достоверности аппроксимации линейной функцией, отражающая тесноту связи σв и показателя an.where R 2 - the reliability value of the approximation by a linear function, reflecting the tightness of the connection σ in and the exponent a n.
На фиг. 7 для стали 12Х18Н10Т) и фиг. 8 для бронзы БрБ2 показаны графические и расчетные линейные зависимости относительного удлинения δ от показателя an:In FIG. 7 for steel 12X18H10T) and FIG. 8, for BrB2 bronze, graphic and calculated linear dependences of the relative elongation δ on the parameter a n are shown:
δ (сталь 12Х18Н10Т)=-6,2847(an)+135,75, при R2=0,9063;δ (steel 12X18H10T) = - 6.2847 ( a n) +135.75, with R 2 = 0.9063;
δ (бронза БрБ2)=-8,7163(an)+123,7, при R2=0,8994.δ (BrB2 bronze) = - 8.7163 ( a n) +123.7, with R 2 = 0.8994.
На фиг. 9 для стали 12Х18Н10Т и на фиг. 10 для бронзы БрБ2 показаны графические и расчетные линейные зависимости степени деформации ε от показателя an:In FIG. 9 for steel 12X18H10T and in FIG. 10, for BrB2 bronze, graphical and calculated linear dependences of the degree of deformation ε on the exponent a n are shown:
ε (сталь 12Х18Н10Т)=6,4344(an)-95,273, при R2=0,897;ε (steel 12X18H10T) = 6.4344 ( a n) -95.273, with R 2 = 0.897;
ε (бронза БрБ2)=8,1053(an)-73,465, при R2=0,9877.ε (BrB2 bronze) = 8.1053 ( a n) -73.465, with R 2 = 0.9877.
Таким образом установлены тесные корреляционные связи коэффициентов а и n эмпирических уравнений (в виде показателя an), полученных на основе микротвердометрии деформированных образцов из стали 12Х18Н10Т и сплава меди - бронзы БрБ2 разной прочности и пластичности, с механическими свойствами этих материалов.Thus, close correlation relationships between the coefficients a and n of empirical equations (in the form of an a n indicator) obtained on the basis of microhardometry of deformed samples of steel 12Kh18N10T and copper alloy Bronze BrB2 of different strength and ductility with the mechanical properties of these materials are established.
Для определения степени деформации и механических свойств деформированного исследуемого объекта изготавливают шлиф интересующей зоны после вырезки этой зоны из объекта или подготовки поверхности самого объекта.To determine the degree of deformation and the mechanical properties of the deformed studied object, a thin section of the zone of interest is made after cutting this zone from the object or preparing the surface of the object itself.
В данном примере объектом являлась нагартованная пластина малого размера (квадрат 20×20 мм толщиной 1 мм) из стали 12Х18Н10Т. После подготовки поверхности полировкой внедряют индентор в интервале нагрузок от 5 до 1000 гс, определяют глубину внедрения индентора для каждой нагрузки, строят уравнение связи нагрузки и глубины внедрения индентора по аналогии с фиг. 1. Определяют коэффициенты а и n и их произведение: а=10,038; n=1,971; an=19,785.In this example, the object was a small sized hardened plate (20 × 20 mm square, 1 mm thick) made of 12X18H10T steel. After preparing the surface by polishing, an indenter is introduced in the load interval from 5 to 1000 gs, the indenter penetration depth is determined for each load, the equation of the connection of the load and the indenter penetration depth is constructed by analogy with FIG. 1. Determine the coefficients a and n and their product: a = 10,038; n = 1.971; a n = 19.785.
По полученным ранее аналитическим линейным зависимостям (фиг. 5, фиг. 7, фиг. 9) определяют механические свойства: предел прочности 94,8 кгс/мм2, относительное удлинение 11,4% и степень деформации (32%) деформированного исследуемого объекта.The previously obtained analytical linear relationships (Fig. 5, Fig. 7, Fig. 9) determine the mechanical properties: tensile strength of 94.8 kgf / mm 2 , elongation of 11.4% and the degree of deformation (32%) of the deformed object under study.
Для определения запаса степени деформации исследуемого объекта до разрушения несколько подготовленных из заготовки стали 12Х18Н10Т плоских образцов деформируют прокаткой без промежуточного отжига до разрушения (до визуального появления трещин на поверхности образца) с определением степени предельной деформации. Сначала деформируют образец через установленный шаг деформации для определения, после какого шага деформации образовались первые трещины. Затем следующий образец деформируют до предыдущего шага и от этого шага деформируют с меньшим шагом (например, 5% или 1%) до шага, соответствующего разрушению образца и определяют, после какого дробного шага (или перехода в каждом шаге) образуются первые трещины и так далее. В данном примере степень предельной деформации составляет 87%. Для расчета запаса степени деформации исследуемого объекта из значения степени предельной деформации вычитают расчетную степень деформации исследуемого объекта (32%). Запас степени деформации исследуемого объекта до разрушения в данном примере составляет разность 87 и 32% или 55%.To determine the margin of the degree of deformation of the test object before failure, several flat samples prepared from the 12Kh18N10T steel billet are deformed by rolling without intermediate annealing until failure (until cracks appear on the surface of the sample) with the degree of ultimate deformation being determined. First, the sample is deformed through the set deformation step to determine after which deformation step the first cracks formed. Then the next sample is deformed to the previous step and from this step it is deformed with a smaller step (for example, 5% or 1%) to the step corresponding to the destruction of the sample and it is determined after which fractional step (or transition in each step) the first cracks form and so on . In this example, the degree of ultimate strain is 87%. To calculate the margin of the degree of deformation of the investigated object from the value of the degree of ultimate strain, subtract the calculated degree of deformation of the studied object (32%). The stock of the degree of deformation of the investigated object to failure in this example is the difference of 87 and 32% or 55%.
Таким образом, проявляется технический результат - возможность определения степени предельной деформации исследуемого объекта и прогнозирование запаса его деформации до разрушения.Thus, the technical result is manifested - the ability to determine the degree of ultimate deformation of the investigated object and predicting the margin of its deformation to failure.
Это позволяет решить задачу определения комплекса механических свойств исследуемых деформированных объектов, а так же степени их деформации и запаса деформации до разрушения по данным микромеханических испытаний.This allows us to solve the problem of determining the complex of mechanical properties of the studied deformed objects, as well as the degree of their deformation and the margin of deformation before failure according to micromechanical tests.
По другому варианту, при невозможности достичь разрушения с образованием трещин, степень предельной деформации определяют исходя из деформирующей мощности прокатного оборудования (или оборудования для вытяжки). В этом случае образец деформируют без промежуточного отжига за необходимое количество переходов до практически значимого прекращения деформации (усадки) и фиксируют эту предельную деформацию.According to another option, if it is impossible to achieve fracture with the formation of cracks, the degree of ultimate deformation is determined based on the deforming power of the rolling equipment (or equipment for drawing). In this case, the sample is deformed without intermediate annealing for the required number of transitions until the deformation (shrinkage) practically ceases and this ultimate strain is fixed.
Для дальнейшего определения свойств объекта по измерению микротвердости используют линейные или нелинейные графические или расчетные зависимости предела прочности σв, относительного удлинения δ и степени деформирования ε от коэффициентов an.To further determine the properties of an object by measuring microhardness, linear or nonlinear graphical or calculated dependences of the tensile strength σ in , the relative elongation δ and the degree of deformation ε on the coefficients a n are used.
Полученные линейные или нелинейные зависимости свойств и состояния материала от коэффициентов an могут быть проверены на вновь деформированном на любую степень деформации образце из того же материала. Для этого образец подвергают механическим и микромеханическим испытаниям с определением коэффициентов а и n, а также an. Если отклонение фактической деформации или определенных механических характеристик от рассчитанных, полученных при подстановке коэффициентов a⋅n в расчетную зависимость, не превышает установленного порога, то данная зависимость признается рабочей для данного материала.The obtained linear or nonlinear dependences of the properties and condition of the material on the coefficients a n can be checked on a sample of the same material that is newly deformed to any degree of deformation. For this, the sample is subjected to mechanical and micromechanical tests with the determination of the coefficients a and n, as well as a n. If the deviation of the actual deformation or certain mechanical characteristics from the calculated ones obtained by substituting the coefficients a ⋅n into the calculated dependence does not exceed the established threshold, then this dependence is recognized as working for this material.
Применение полученных зависимостей позволяет решать задачу количественной оценки механических свойств исследуемых деформированных зон металлических объектов: тонкостенных, малогабаритных, сложнопрофильных, а также степени их деформации и запаса деформации до разрушения по измерению микротвердости в рамках микромеханических испытаний.The application of the obtained dependences allows us to solve the problem of quantitatively assessing the mechanical properties of the studied deformed zones of metal objects: thin-walled, small-sized, complex, as well as the degree of their deformation and deformation margin before failure by microhardness measurement in the framework of micromechanical tests.
При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не были обнаружены аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественной всем существенным признакам данного изобретения. Это подтверждает, что заявленное изобретение соответствует требованию «новизна».When conducting analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and identifying sources containing information about analogues of the claimed invention, analogues were not found that are characterized by a combination of features that are identical to all the essential features of this invention. This confirms that the claimed invention meets the requirement of "novelty."
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Предложенное изобретение может найти применение в отраслях промышленности, где используются тонкостенные, малогабаритные и сложнопрофильные детали, полученные различными методами обработки металлов давлением. Для некоторых изделий, получаемых, например, прокаткой или вытяжкой (фольги, мембраны, сильфоны, упругие элементы) способ оценки механических характеристик деформированных объектов позволяет оценить степень деформации, а также возможность дополнительного деформирования (без отжига) до стадии разрушения или установить характеристики прочности и пластичности в локальных зонах, зонах переходов и резких изменений сечений экспериментальным путем. Способ может найти применение в приборостроении, машиностроении, металлургии специальных материалов. Способ может быть осуществлен на существующем на сегодняшний день оборудовании с применением существующих материалов, что подтверждает его промышленную применимость.The proposed invention can find application in industries where thin-walled, small-sized and complex-profile parts obtained by various methods of metal forming are used. For some products obtained, for example, by rolling or drawing (foils, membranes, bellows, elastic elements), the method of assessing the mechanical characteristics of deformed objects allows us to assess the degree of deformation, as well as the possibility of additional deformation (without annealing) to the fracture stage or to establish the strength and ductility characteristics in local zones, zones of transitions and sharp changes in cross sections experimentally. The method can find application in instrumentation, engineering, metallurgy of special materials. The method can be implemented on existing equipment using existing materials, which confirms its industrial applicability.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019114388A RU2712776C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Method of estimating mechanical characteristics of deformed metal objects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019114388A RU2712776C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Method of estimating mechanical characteristics of deformed metal objects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2712776C1 true RU2712776C1 (en) | 2020-01-31 |
Family
ID=69625473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019114388A RU2712776C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Method of estimating mechanical characteristics of deformed metal objects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2712776C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5490416A (en) * | 1994-11-04 | 1996-02-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior | Method of determining elastic and plastic mechanical properties of ceramic materials using spherical indenters |
| RU2080581C1 (en) * | 1993-01-11 | 1997-05-27 | Александр Евгеньевич Кубарев | Method of determination of strength characteristics of metals and their alloys |
| RU2128330C1 (en) * | 1997-01-08 | 1999-03-27 | Беленький Дмитрий Михалевич | Method determining technological and operational properties of materials and gear for its implementation |
| RU2324162C2 (en) * | 2006-05-06 | 2008-05-10 | Научно-исследовательский институт механики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Method for determining deformation and strength properties of materials under great deformation and non-uniform mode of deformation |
| RU2554306C2 (en) * | 2013-10-15 | 2015-06-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of assessment of micromechanical characteristics of local areas of metals |
-
2019
- 2019-05-07 RU RU2019114388A patent/RU2712776C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2080581C1 (en) * | 1993-01-11 | 1997-05-27 | Александр Евгеньевич Кубарев | Method of determination of strength characteristics of metals and their alloys |
| US5490416A (en) * | 1994-11-04 | 1996-02-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Interior | Method of determining elastic and plastic mechanical properties of ceramic materials using spherical indenters |
| RU2128330C1 (en) * | 1997-01-08 | 1999-03-27 | Беленький Дмитрий Михалевич | Method determining technological and operational properties of materials and gear for its implementation |
| RU2324162C2 (en) * | 2006-05-06 | 2008-05-10 | Научно-исследовательский институт механики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Method for determining deformation and strength properties of materials under great deformation and non-uniform mode of deformation |
| RU2554306C2 (en) * | 2013-10-15 | 2015-06-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of assessment of micromechanical characteristics of local areas of metals |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cheng et al. | Scaling, dimensional analysis, and indentation measurements | |
| Bao | Dependence of ductile crack formation in tensile tests on stress triaxiality, stress and strain ratios | |
| Leitão et al. | Determination of local constitutive properties of aluminium friction stir welds using digital image correlation | |
| KR100517857B1 (en) | Evaluating method of the residual stress determining method using the continuous indentation method | |
| Forth et al. | On generating fatigue crack growth thresholds | |
| Abspoel et al. | A new method for predicting advanced yield criteria input parameters from mechanical properties | |
| Meuwissen | An inverse method for the mechanical characterisation of metals. | |
| Bellemare et al. | A new method for evaluating the plastic properties of materials through instrumented frictional sliding tests | |
| Ramos et al. | Study of a drawing-quality sheet steel. I: Stress/strain behaviors and Lankford coefficients by experiments and micromechanical simulations | |
| Suttner et al. | A new approach for the determination of the linear elastic modulus from uniaxial tensile tests of sheet metals | |
| Zhang et al. | Experimental and numerical study on effect of forming rate on AA5086 sheet formability | |
| Moćko et al. | An influence of cyclic loading on the form of constitutive relationship for DP500 steel | |
| Zhang et al. | A novel spatio-temporal method for determining necking and fracture strains of sheet metals | |
| Chen et al. | Validation of constitutive models for experimental stress-strain relationship of high-strength steel sheets under uniaxial tension | |
| Pham et al. | Application of a graphical method on estimating forming limit curve of automotive sheet metals | |
| RU2712776C1 (en) | Method of estimating mechanical characteristics of deformed metal objects | |
| Chollacoop et al. | Experimental assessment of the representative strains in instrumented sharp indentation | |
| Farahnak et al. | Influence of thickness reduction on forming limits of mild steel DC01 | |
| Khayatzadeh et al. | Characterisation and modelling of in-plane springback in a commercially pure titanium (CP-Ti) | |
| Hosseinzadeh et al. | Measuring nonequibiaxial residual stresses and mechanical properties using knoop indentation | |
| RU2516391C1 (en) | Method to determine area of plastic deformation under fracture in sample | |
| EP4257944A1 (en) | Method for calculating residual stress | |
| Béres et al. | Prediction of stress-and strain-based forming limits of automotive thin sheets by numerical, theoretical and experimental methods | |
| Kumar et al. | Estimation of temperature-dependent yield strength and modulus of elasticity during laser bending | |
| Luo et al. | Numerical Analysis of AHSS Fracture in a Stretch‐bending Test |