RU2769646C1 - Method for determining the hardness of metallic materials - Google Patents

Method for determining the hardness of metallic materials Download PDF

Info

Publication number
RU2769646C1
RU2769646C1 RU2021120782A RU2021120782A RU2769646C1 RU 2769646 C1 RU2769646 C1 RU 2769646C1 RU 2021120782 A RU2021120782 A RU 2021120782A RU 2021120782 A RU2021120782 A RU 2021120782A RU 2769646 C1 RU2769646 C1 RU 2769646C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hardness
indenter
hardening
account
deformation
Prior art date
Application number
RU2021120782A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Викторович Удалов
Андрей Александрович Удалов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет"
Priority to RU2021120782A priority Critical patent/RU2769646C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2769646C1 publication Critical patent/RU2769646C1/en

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 Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

FIELD: materials science.
SUBSTANCE: invention relates to the field of materials science and can be used to study the mechanical characteristics of materials, in particular to determine the hardness of metallic materials by the method of inserting an indenter at a given load. The yield strength of the non-hardened material is determined, the hardness is determined taking into account the hardening of the material in the indenter penetration zone, the deformation resistance of the material is determined taking into account the hardening in the indenter penetration zone, and the material hardness is determined without taking into account the hardening in the indenter penetration zone according to the proposed formula.
EFFECT: increasing the accuracy of determining the hardness of the material, expanding the functionality and scope of the proposed method.
1 cl, 2 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области материаловедения и предназначено для определения твердости металлических материалов путем внедрения индентора. Изобретение может быть использовано в машиностроении и металлургии.The invention relates to the field of materials science and is intended to determine the hardness of metallic materials by introducing an indenter. The invention can be used in mechanical engineering and metallurgy.

Известен способ определения твердости, заключающийся во внедрении в поверхность образца алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды и определении длины диагоналей отпечатка (ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007. Металлы и сплавы. Измерение твердости по Виккерсу. Часть 1. Метод измерения).A known method for determining hardness, which consists in introducing a diamond tip into the surface of the sample in the form of a regular tetrahedral pyramid and determining the length of the diagonals of the imprint (GOST R ISO 6507-1-2007. Metals and alloys. Vickers hardness measurement. Part 1. Measurement method).

Недостатком является упрочнение материала в зоне внедрения индентора. Данное обстоятельство значительно снижает точность способа, поскольку фактически измерение твердости производится не исходного, а упрочненного в результате индентирования материала. Кроме того, интенсивность упрочнения разных металлических материалов сильно различается, что приводит в итоге к значительным погрешностям при сопоставлении значений твердости и дополнительному снижению точности измерения.The disadvantage is the hardening of the material in the zone of introduction of the indenter. This circumstance significantly reduces the accuracy of the method, since, in fact, the hardness measurement is performed not on the original, but on the material strengthened as a result of indentation. In addition, the intensity of hardening of different metal materials varies greatly, which ultimately leads to significant errors in comparing hardness values and an additional decrease in measurement accuracy.

Известен способ определения твердости методом внедрения в материал шарика под действием испытательной нагрузки в течение определенного времени с измерением диаметра отпечатка после снятия нагрузки (ГОСТ 9012-59 (ИСО 410-82, ИСО 6506-81). Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю).A known method for determining the hardness by the method of penetration into the material of the ball under the influence of a test load for a certain time with the measurement of the diameter of the print after removing the load (GOST 9012-59 (ISO 410-82, ISO 6506-81). Metals. Brinell hardness measurement method).

Основным недостатком данного способа также является упрочнение материала в зоне внедрения индентора с соответствующим снижением точности определения твердости. Кроме этого, при различных глубинах внедрения шарика отсутствует геометрическое подобие возникающих очагов деформации под индентором, поэтому измерение твердости разных материалов будет осуществляться при различных степенях деформации и упрочнения, что дополнительно снижает точность данного способа. Снижению точности способа способствует и анизотропия свойств материалов в пределах одного образца, которая даже при постоянных значениях испытательной нагрузки приводит к различным глубинам внедрения шарика.The main disadvantage of this method is also the hardening of the material in the zone of indenter penetration with a corresponding decrease in the accuracy of hardness determination. In addition, at different depths of penetration of the ball, there is no geometric similarity of the resulting deformation centers under the indenter, therefore, the measurement of the hardness of different materials will be carried out at different degrees of deformation and hardening, which further reduces the accuracy of this method. The decrease in the accuracy of the method is also facilitated by the anisotropy of the properties of materials within the same sample, which, even at constant values of the test load, leads to different penetration depths of the ball.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения твердости методом внедрения в поверхность образца конусного или сферического индентора под действием последовательно прилагаемых предварительного и основного усилий и в определении глубины внедрения индентора после снятия основного усилия (ГОСТ 9013-59 (ИСО 6508-86). Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу).The closest in technical essence to the invention is a method for determining hardness by introducing a conical or spherical indenter into the sample surface under the action of sequentially applied preliminary and main forces and in determining the depth of penetration of the indenter after removing the main force (GOST 9013-59 (ISO 6508-86). Metals Rockwell hardness method.

При использовании сферического индентора данный способ имеет такие же недостатки, что и предыдущий. Кроме того, при использовании конического индентора также происходит упрочнение материала в зоне внедрения индентора, но уже с другой степенью деформации, что также способствует снижению точности измерения твердости. Дополнительно при использовании сферического и конического индентора твердость выражается в условных единицах, соответствующих некоторому осевому перемещению наконечника, что в значительной степени затрудняет сопоставление шкалы Роквелла со стандартными шкалами имеющих размерность давления. При этом невысокая точность определения осевого перемещения наконечника приводит к значительному разбросу значений твердости и снижению точности измерения.When using a spherical indenter, this method has the same disadvantages as the previous one. In addition, when using a conical indenter, the material is also hardened in the indenter penetration zone, but with a different degree of deformation, which also contributes to a decrease in the accuracy of hardness measurement. Additionally, when using a spherical and conical indenter, the hardness is expressed in conventional units corresponding to some axial movement of the tip, which makes it difficult to compare the Rockwell scale with standard pressure scales. At the same time, the low accuracy of determining the axial displacement of the tip leads to a significant spread in hardness values and a decrease in measurement accuracy.

Кроме того, наличие у данного способа различных шкал, использующих разные по форме и размерам инденторы, а также испытательные нагрузки приводит и к различной степени деформации и упрочнения материала под индентором, что также затрудняет сопоставление полученных результатов и фактически способствует снижению точности измерения твердости.In addition, the presence of different scales in this method, using indenters of different shapes and sizes, as well as test loads, leads to varying degrees of deformation and hardening of the material under the indenter, which also makes it difficult to compare the results obtained and actually contributes to a decrease in the accuracy of hardness measurement.

В заявленном способе достигается технический результат, заключающийся в повышении точности определения твердости исследуемого материала, расширении функциональных возможностей и области применения способа путем увеличения числа факторов, которые учитываются при определении механических характеристик материалов методом внедрения индентора.In the claimed method, a technical result is achieved, which consists in increasing the accuracy of determining the hardness of the material under study, expanding the functionality and scope of the method by increasing the number of factors that are taken into account when determining the mechanical characteristics of materials by the method of introducing an indenter.

Технический результат достигается за счет того, что в способе определения твердости металлических материалов, включающем определение предела текучести неупрочненного материала, приготовление шлифов материала для зон внедрения индентора, внедрение индентора в материал с заданной силой нагружения, определение размеров отпечатков на шлифах после снятия нагрузки, определение твердости с учетом упрочнения материала в зоне внедрения индентора, определение сопротивления деформации материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора, отличающийся тем, что значение твердости металлического материала без учета упрочнения в зоне внедрения индентора определяется по формулеThe technical result is achieved due to the fact that in the method for determining the hardness of metallic materials, including the determination of the yield strength of a non-hardened material, the preparation of sections of the material for the zones of indenter penetration, the introduction of the indenter into the material with a given loading force, the determination of the size of prints on sections after the load is removed, the determination of hardness taking into account the hardening of the material in the zone of penetration of the indenter, the determination of the resistance to deformation of the material, taking into account the hardening in the zone of penetration of the indenter, characterized in that the value of the hardness of the metal material without taking into account the hardening in the zone of penetration of the indenter is determined by the formula

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где

Figure 00000002
- твердость материала без учета упрочнения в зоне внедрения индентора;where
Figure 00000002
- hardness of the material without regard to hardening in the zone of indenter penetration;

Figure 00000003
- твердость материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора;
Figure 00000003
- hardness of the material, taking into account the hardening in the zone of penetration of the indenter;

Figure 00000004
- предел текучести неупрочненного материала;
Figure 00000004
- yield strength of non-hardened material;

Figure 00000005
- сопротивление деформации материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора.
Figure 00000005
- resistance to deformation of the material, taking into account hardening in the zone of penetration of the indenter.

Известно, что сопротивление деформации в результате пластического формоизменения материала изменяется пропорционально твердости (Удалов А.В., Паршин С.В., Удалов А.А. Определение сопротивления деформации металлов и сплавов методом внедрения индентора // Деформация и разрушение материалов. 2019. № 4. С. 40-44. DOI: 10.31044/1814-4632-2019-4-40-44.)It is known that the resistance to deformation as a result of plastic deformation of the material changes in proportion to the hardness (Udalov A.V., Parshin S.V., Udalov A.A. Determination of the deformation resistance of metals and alloys by the method of indentation // Deformation and destruction of materials. 2019. No. 4. P. 40-44. DOI: 10.31044/1814-4632-2019-4-40-44.)

Figure 00000006
;
Figure 00000006
;

где

Figure 00000007
- предел текучести неупрочненного материала;where
Figure 00000007
- yield strength of non-hardened material;

Figure 00000005
- сопротивление деформации упрочненного материала;
Figure 00000005
- deformation resistance of the hardened material;

Figure 00000008
и
Figure 00000009
- твердость по Виккерсу неупрочненного и упрочненного материала соответственно.
Figure 00000008
and
Figure 00000009
- Vickers hardness of non-hardened and hardened material, respectively.

После преобразований из данного выражения получается формула для определения твердости материала без учета упрочнения в зоне внедрения индентораAfter transformations, from this expression, a formula is obtained for determining the hardness of the material without taking into account hardening in the indenter penetration zone

Figure 00000010
.
Figure 00000010
.

Предлагаемая формула позволяет определять значение твердости материала без учета упрочнения в зоне внедрения индентора. При этом учитываются предел текучести неупрочненного материала (неупрочненного индентированием), значение твердости материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора, сопротивление деформации материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора , что в результате повышает точность способа, расширяет его функциональные возможности и область применения.The proposed formula makes it possible to determine the value of the material hardness without taking into account the hardening in the indenter penetration zone. This takes into account the yield strength of the non-hardened material (not hardened by indentation), the hardness value of the material, taking into account hardening in the indenter penetration zone, the deformation resistance of the material, taking into account hardening in the indenter penetration zone, which as a result increases the accuracy of the method, expands its functionality and scope.

Способ иллюстрируется рисунками на фиг. 1 и фиг. 2, а также в табл. 1 и табл. 2.The method is illustrated in the drawings in Fig. 1 and FIG. 2, as well as in table. 1 and table. 2.

На фиг. 1 представлена схема очага деформации, возникающего при внедрении индентора в исследуемый материал в плоскости,

Figure 00000011
и проекция отпечатка на плоскость
Figure 00000012
с основными геометрическими параметрами.In FIG. 1 shows a diagram of the deformation zone that occurs when an indenter is introduced into the material under study in a plane,
Figure 00000011
and the projection of the imprint on the plane
Figure 00000012
with basic geometric parameters.

На фиг. 2 представлена схема нагружения цилиндрического образца при осадке.In FIG. 2 shows the scheme of loading a cylindrical sample during upsetting.

В табл. 1 представлены значения сопротивления деформации стали 20, рассчитанные на основе экспериментально определенной твердости в различных точках сечения образцов (фиг. 2) по результатам испытания на осадку.In table. 1 shows the values of the resistance to deformation of steel 20, calculated on the basis of experimentally determined hardness at various points in the section of the samples (Fig. 2) according to the results of the upset test.

В табл. 2 представлены значения твердости

Figure 00000013
и
Figure 00000014
для стали 20 после осадки с различной степенью деформации.In table. 2 shows hardness values
Figure 00000013
and
Figure 00000014
for steel 20 after upsetting with various degrees of deformation.

Сущность предлагаемого способа поясняется на примере определения твердости материала лабораторных образцов изготовленных из стали 20 с различной степенью упрочнения. В качестве индентора использовалась четырехгранная пирамида Виккерса (фиг. 1). Упрочнение лабораторных образцов осуществлялось осадкой до требуемой степени деформации (фиг. 2).The essence of the proposed method is illustrated by the example of determining the hardness of the material of laboratory samples made of steel 20 with varying degrees of hardening. A tetrahedral Vickers pyramid was used as an indenter (Fig. 1). Hardening of laboratory samples was carried out by upsetting to the required degree of deformation (Fig. 2).

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:In FIG. 1 adopted the following designations:

1 - индентор (четырехгранная пирамида Виккерса);1 - indenter (tetrahedral Vickers pyramid);

2 - исследуемый материал образца;2 - sample material under study;

3 - линии главных напряжений сдвига;3 - lines of principal shear stresses;

4 - конус скольжения;4 - slip cone;

5 - отпечаток;5 - imprint;

Figure 00000015
- нормаль к граням четырехгранной пирамиды;
Figure 00000015
- normal to the faces of a tetrahedral pyramid;

Figure 00000016
- испытательная нагрузка.
Figure 00000016
- test load.

Процесс внедрения индентора сопровождается формированием локального очага пластической деформации, в котором исследуемый материал образца находится в условиях всестороннего неравномерного сжатия, получая при этом значительную степень деформации и соответствующее упрочнение. В данных условиях значение твердости фиксируется фактически не исходного материала (неупрочненного индентированием), а материала упрочненного в зоне внедрения индентора. Данное обстоятельство и объясняет необходимость определения значения твердости без учета упрочнения материала в зоне внедрения индентора, но с учетом предела текучести неупрочненного материала (неупрочненного индентированием), значения твердости материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора, сопротивления деформации материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора.The process of penetration of the indenter is accompanied by the formation of a local center of plastic deformation, in which the sample material under study is under conditions of all-round uneven compression, while receiving a significant degree of deformation and corresponding hardening. Under these conditions, the hardness value is actually fixed not of the original material (not hardened by indentation), but of the material hardened in the zone of indentation penetration. This circumstance explains the need to determine the hardness value without taking into account the hardening of the material in the indenter penetration zone, but taking into account the yield strength of the non-hardened material (not hardened by indentation), the hardness value of the material, taking into account the hardening in the indenter penetration zone, the deformation resistance of the material, taking into account the hardening in the indenter penetration zone .

Контуры геометрического очага деформации возникающего при внедрении индентора в исследуемый материал определяются с использованием приближенной модели распространения пластической деформации [Удалов А.В., Паршин С.В., Удалов А.А. Определение сопротивления деформации металлов и сплавов методом внедрения индентора // Деформация и разрушение материалов. 2019. № 4. С. 40-44. DOI: 10.31044/1814-4632-2019-4-40-44.] в соответствии с которой очаг деформации под индентором представляет собой конус скольжения.The contours of the geometric deformation zone arising from the introduction of an indenter into the material under study are determined using an approximate model of the propagation of plastic deformation [Udalov A.V., Parshin S.V., Udalov A.A. Determination of resistance to deformation of metals and alloys by the method of indentation // Deformation and destruction of materials. 2019. No. 4. P. 40-44. DOI: 10.31044/1814-4632-2019-4-40-44.] according to which the deformation zone under the indenter is a slip cone.

Конус скольжения образуется линиями главных напряжений сдвига, которые проводят под углом

Figure 00000017
к нормалям
Figure 00000018
из точек
Figure 00000019
и
Figure 00000020
периметра (фиг. 1), ограничивающего поверхность контакта индентора и исследуемого материала. В данном случае фигура
Figure 00000021
является сечением конуса скольжения в плоскости
Figure 00000022
. Внутри конуса скольжения исследуемый материал находится в условиях неравномерного всестороннего сжатия.The slip cone is formed by lines of principal shear stresses, which are drawn at an angle
Figure 00000017
to normal
Figure 00000018
from points
Figure 00000019
and
Figure 00000020
perimeter (Fig. 1), limiting the contact surface of the indenter and the material under study. In this case, the figure
Figure 00000021
is a section of the slip cone in the plane
Figure 00000022
. Inside the slip cone, the test material is under conditions of uneven all-round compression.

Основными характеристиками очага деформации и остаточного отпечатка являются следующие геометрические параметры (фиг. 1):The main characteristics of the deformation zone and the residual imprint are the following geometric parameters (Fig. 1):

Figure 00000023
- глубина внедрения индентора;
Figure 00000023
- depth of penetration of the indenter;

h - глубина распространения пластической деформации в материале при внедрении в него индентора (равна высоте конуса скольжения);h is the depth of propagation of plastic deformation in the material when an indenter is introduced into it (equal to the height of the slip cone);

Figure 00000024
- угол между противоположными гранями на вершине четырехгранной пирамиды;
Figure 00000024
- the angle between opposite faces at the top of a tetrahedral pyramid;

Figure 00000025
- среднеарифметическое значение длин диагоналей отпечатка четырехгранной пирамиды;
Figure 00000025
- arithmetic mean value of the lengths of the diagonals of the imprint of a tetrahedral pyramid;

Figure 00000026
- размер стороны отпечатка;
Figure 00000026
- the size of the side of the print;

Figure 00000027
- угол наклона линий главных напряжений сдвига;
Figure 00000027
- the angle of inclination of the lines of the main shear stresses;

Figure 00000028
- угол при основании четырехгранной пирамиды.
Figure 00000028
- angle at the base of a tetrahedral pyramid.

Статическая сила индентирования F направлена по нормали к поверхности исследуемого материала.The static indentation force F is directed along the normal to the surface of the material under study.

Определение значения твердости материала в соответствии с предлагаемым способом выполняется в следующей последовательности:The determination of the material hardness value in accordance with the proposed method is performed in the following sequence:

1) определение предела текучести неупрочненного материала -

Figure 00000029
(до измерения твердости);1) determination of the yield strength of a non-hardened material -
Figure 00000029
(before hardness measurement);

2) построение и аппроксимация кривой упрочнения материала неупрочненного внедрением индентора;2) construction and approximation of the hardening curve of the material not hardened by the introduction of an indenter;

3) определение твердости

Figure 00000030
и сопротивления деформации материала
Figure 00000031
с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора (в очаге деформации при индентировании);3) determination of hardness
Figure 00000030
and material deformation resistance
Figure 00000031
taking into account hardening in the zone of penetration of the indenter (in the deformation zone during indentation);

4) определение значения твердости материала без учета упрочнения в зоне внедрения индентора по предлагаемой формуле4) determination of the value of the hardness of the material without taking into account the hardening in the zone of penetration of the indenter according to the proposed formula

Figure 00000032
.
Figure 00000032
.

Твердость материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора

Figure 00000030
зависит от конкретных условий индентирования (например, от формы индентора и используемой шкалы твердости) и в данном примере определяется аналогично шкалам Бринелля и Виккерса по формулеThe hardness of the material, taking into account hardening in the zone of indenter penetration
Figure 00000030
depends on the specific indentation conditions (for example, on the shape of the indenter and the hardness scale used) and in this example is determined similarly to the Brinell and Vickers scales by the formula

Figure 00000033
,
Figure 00000033
,

где F - испытательная нагрузка;where F is the test load;

А - площадь поверхности отпечатка после снятия испытательной нагрузки.A is the surface area of the imprint after removing the test load.

Определение предела текучести неупрочненного материала -

Figure 00000029
(до измерения твердости).Determination of the yield strength of an unhardened material -
Figure 00000029
(before hardness measurement).

В качестве исходной заготовки для изготовления лабораторных образцов использовалась калиброванная холоднотянутая сталь круглого сечения (по ГОСТ 7417-75) диаметром

Figure 00000034
. Из заготовки изготовлялись лабораторные образцы высотой
Figure 00000035
(фиг. 2). Материал образцов - сталь 20 соответствующая ГОСТ 1050 - 88. Перед испытаниями исходные лабораторные образцы подвергались отжигу при температуре
Figure 00000036
в течение 20 минут и дальнейшим охлаждением с печью. Предел текучести неупрочненных лабораторных образцов определен методом испытания на сжатие в соответствии с ГОСТ 25.503-97 и составил
Figure 00000037
.As an initial workpiece for the manufacture of laboratory samples, calibrated cold-drawn steel of round section (according to GOST 7417-75) with a diameter of
Figure 00000034
. From the workpiece, laboratory samples were made with a height
Figure 00000035
(Fig. 2). The material of the samples is steel 20 corresponding to GOST 1050 - 88. Before testing, the initial laboratory samples were annealed at a temperature
Figure 00000036
for 20 minutes and further cooling with an oven. The yield strength of non-hardened laboratory samples was determined by the compression test method in accordance with GOST 25.503-97 and amounted to
Figure 00000037
.

Построение и аппроксимация кривой упрочнения материала неупрочненного внедрением индентора.Construction and approximation of the hardening curve of a material not hardened by the introduction of an indenter.

Кривая упрочнения необходима для установления функциональной связи между сопротивлением деформации и величиной деформации материала

Figure 00000038
. В процессе внедрения индентора материал в очаге деформации находится в условиях неравномерного всестороннего сжатия, поэтому в качестве базового процесса при построении кривой упрочнения использовался процесс с аналогичной схемой нагружения - осадка.The hardening curve is necessary to establish a functional relationship between the resistance to deformation and the amount of deformation of the material
Figure 00000038
. During the introduction of the indenter, the material in the deformation zone is under conditions of uneven all-round compression, therefore, as the basic process in constructing the hardening curve, a process with a similar loading scheme - settlement was used.

Упрочнение материала подготовленных лабораторных образцов выполнялось методом осадки до достижения требуемой степени деформации (фиг. 2). Осадка образцов выполнялась на универсальной испытательной машине УМ-5. Использовалось по три образца для каждой ступени нагружения. С целью уменьшения трения на торцовые поверхности образцов наносилась пластичная смазка.Hardening of the material of the prepared laboratory samples was carried out by upsetting until the required degree of deformation was reached (Fig. 2). The sedimentation of the samples was carried out on a universal testing machine UM-5. Three samples were used for each loading stage. In order to reduce friction, plastic lubricant was applied to the end surfaces of the samples.

Затем неупрочненные и упрочненные лабораторные образцы разрезались пополам вдоль оси и, в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007, выполнялась подготовка шлифов поверхности среза для внедрения индентора. В данном случае процесс внедрения индентора (четырехгранной пирамиды) фактически являлся измерением твердости по Виккерсу с учетом упрочнения материала в зоне внедрения индентора. Измерение твердости и размера диагонали отпечатка

Figure 00000039
выполнялось на твердомере Виккерса ТВМ 1000 (по ГОСТ 23677-79) при испытательной нагрузке
Figure 00000040
в шести точках (1-6) сечения образцов (фиг. 2) для учета неравномерности распределения твердости.Then, non-hardened and hardened laboratory samples were cut in half along the axis and, in accordance with the requirements of GOST R ISO 6507-1-2007, sections of the cut surface were prepared for the introduction of the indenter. In this case, the process of insertion of an indenter (a tetrahedral pyramid) was actually a measurement of Vickers hardness, taking into account the hardening of the material in the zone of insertion of the indenter. Measurement of hardness and diagonal size of an indentation
Figure 00000039
was carried out on a Vickers hardness tester TVM 1000 (according to GOST 23677-79) with a test load
Figure 00000040
at six points (1-6) of the section of the samples (Fig. 2) to take into account the uneven distribution of hardness.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения:In FIG. 2, the following designations are adopted:

Figure 00000041
- наружный диаметр неупрочненного образца;
Figure 00000041
- outer diameter of the non-hardened sample;

Figure 00000042
и
Figure 00000043
- высота неупрочненного и упрочненного образцов, соответственно;
Figure 00000042
and
Figure 00000043
- height of non-hardened and hardened specimens, respectively;

Figure 00000044
- абсолютная деформация образца в процессе осадки;
Figure 00000044
- absolute deformation of the sample during upsetting;

Figure 00000045
- сила сжатия образца
Figure 00000045
- sample compression force

В этом случае, исходными данными для определения сопротивления деформации упрочненного материала, в соответствующей точке сечения, являются предел текучести материала неупрочненного образца

Figure 00000046
, твердость неупрочненных образцов (при
Figure 00000047
)
Figure 00000048
в различных точках сечения (табл. 1), сила индентирования
Figure 00000040
, устанавливаемая перед измерением твердости по Виккерсу, и размер диагонали отпечатка
Figure 00000049
определяемый по таблицам (по ГОСТ Р ИСО 6507 - 4 - 2009) или в процессе измерения по показаниям твердомера Виккерса ТВМ 1000. При этом фиксируются значения твердости с учетом упрочнения материала в зоне внедрения индентора
Figure 00000050
(табл. 1).In this case, the initial data for determining the deformation resistance of the hardened material, at the corresponding section point, are the yield strength of the material of the non-hardened sample
Figure 00000046
, hardness of non-strengthened specimens (at
Figure 00000047
)
Figure 00000048
at various points of the section (Table 1), indentation force
Figure 00000040
, set before measuring the Vickers hardness, and the size of the diagonal print
Figure 00000049
determined according to the tables (according to GOST R ISO 6507 - 4 - 2009) or in the process of measurement according to the readings of the Vickers hardness tester TVM 1000. In this case, the hardness values are fixed taking into account the hardening of the material in the zone of penetration of the indenter
Figure 00000050
(Table 1).

Определение сопротивления деформации упрочненного осадкой материала, в соответствующей точке сечения, выполняется по формулеDetermination of the deformation resistance of the material hardened by upsetting, at the corresponding point of the section, is carried out according to the formula

Figure 00000051
,
Figure 00000051
,

где

Figure 00000037
- предел текучести неупрочненных осадкой лабораторных образцов;where
Figure 00000037
- yield strength of laboratory samples not hardened by upsetting;

Figure 00000048
- твердость неупрочненных лабораторных образцов (при
Figure 00000047
) в различных точках сечения (табл. 1).
Figure 00000048
- hardness of non-hardened laboratory samples (at
Figure 00000047
) at different points of the section (Table 1).

Результаты замеров твердости

Figure 00000052
и соответствующие им значения сопротивления деформации упрочненного материала
Figure 00000053
, определяемые по данной формуле, представлены в табл. 1.Hardness test results
Figure 00000052
and the corresponding values of deformation resistance of the hardened material
Figure 00000053
, determined by this formula, are presented in table. one.

В соответствии с результатами измерения твердости исходного и упрочненного образцов, изменение среднего значения сопротивления деформации

Figure 00000054
в зависимости от степени деформации
Figure 00000055
аппроксимированы степенной зависимостью видаIn accordance with the results of measuring the hardness of the original and hardened samples, the change in the average value of the resistance to deformation
Figure 00000054
depending on the degree of deformation
Figure 00000055
approximated by a power dependence of the form

Figure 00000056
,
Figure 00000056
,

где

Figure 00000057
= 280 МПа - предел текучести неупрочненной стали 20;where
Figure 00000057
= 280 MPa - yield strength of non-hardened steel 20;

Figure 00000058
- истинная деформация;
Figure 00000058
- true deformation;

Figure 00000059
и
Figure 00000060
- эмпирические коэффициенты, зависящие от свойств и напряженного состояния материала (по результатам аппроксимации экспериментальных средних значений
Figure 00000053
получены значения
Figure 00000061
и
Figure 00000062
).
Figure 00000059
and
Figure 00000060
- empirical coefficients depending on the properties and stress state of the material (according to the results of approximation of experimental average values
Figure 00000053
received values
Figure 00000061
and
Figure 00000062
).

Таким образом, функция кривой упрочнения

Figure 00000038
получена.Thus, the function of the hardening curve
Figure 00000038
received.

Определение твердости

Figure 00000063
и сопротивления деформации
Figure 00000031
с учетом упрочнения материала в зоне внедрения индентора (в очаге деформации при индентировании).Determination of hardness
Figure 00000063
and deformation resistance
Figure 00000031
taking into account the hardening of the material in the zone of penetration of the indenter (in the deformation zone during indentation).

Значения твердости с учетом упрочнения материала в зоне внедрения индентора

Figure 00000064
приведены в табл. 1. Например, при
Figure 00000065
получено значение твердости
Figure 00000066
(среднее значение диагонали отпечатка
Figure 00000067
). Сопротивление деформации материала упрочненного в зоне внедрения индентора при измерении твердости определяется для каждой ступени нагружения образцов принятых при осадке (табл. 1).Hardness values taking into account the hardening of the material in the area of indenter penetration
Figure 00000064
are given in table. 1. For example, when
Figure 00000065
obtained hardness value
Figure 00000066
(average print diagonal
Figure 00000067
). The resistance to deformation of the material hardened in the zone of penetration of the indenter when measuring hardness is determined for each stage of loading of the samples taken during upsetting (Table 1).

С учетом полученных значений коэффициентов

Figure 00000061
и
Figure 00000062
сопротивление деформации с учетом упрочнения материала в зоне внедрения индентора (в очаге деформации при индентировании) после снятия нагрузки определяется выражениемTaking into account the obtained values of the coefficients
Figure 00000061
and
Figure 00000062
resistance to deformation, taking into account the hardening of the material in the zone of penetration of the indenter (in the deformation zone during indentation) after the removal of the load, is determined by the expression

Figure 00000068
,
Figure 00000068
,

где

Figure 00000031
- сопротивление деформации с учетом упрочнения материала в зоне внедрения индентора (в очаге деформации при индентировании);where
Figure 00000031
- resistance to deformation, taking into account the hardening of the material in the zone of penetration of the indenter (in the deformation zone during indentation);

Figure 00000069
- суммарная степень деформации материала;
Figure 00000069
- total degree of deformation of the material;

где

Figure 00000070
- истинная деформация полученная при испытании на сжатие образца;where
Figure 00000070
- true deformation obtained during the compression test of the sample;

Figure 00000071
- истинная деформации материала полученная при измерении твердости индентированием.
Figure 00000071
- true deformation of the material obtained by measuring the hardness by indentation.

Истинная деформации

Figure 00000072
материала при индентировании определяется выражением (Патент RU 2703808, МПК G01N 3/42, №2018138017, заяв. 29.10.2018, опубл. 22.10.2019. Бюл. № 30. Способ определения сопротивления деформации металлических материалов / Удалов А. А., Удалов А. В.)true strain
Figure 00000072
material during indentation is determined by the expression (Patent RU 2703808, IPC G01N 3/42, No. 2018138017, application 10/29/2018, publ. 10/22/2019. Bull. No. 30. Method for determining the resistance to deformation of metallic materials / Udalov A. A., Udalov A.V.)

Figure 00000073
,
Figure 00000073
,

Figure 00000074
- истинная деформация при индентировании.
Figure 00000074
- true deformation during indentation.

С учетом геометрических параметров индентора Виккерса и очага деформации под индентором (

Figure 00000075
,
Figure 00000076
и
Figure 00000077
) истинная деформация является постоянной величиной равной
Figure 00000078
.Taking into account the geometric parameters of the Vickers indenter and the deformation zone under the indenter (
Figure 00000075
,
Figure 00000076
and
Figure 00000077
) the true strain is a constant equal to
Figure 00000078
.

Значения суммарной степени деформации

Figure 00000079
и соответствующие ей значения сопротивления деформации
Figure 00000080
материала представлены в табл. 2.Values of the total degree of deformation
Figure 00000079
and the corresponding values of resistance to deformation
Figure 00000080
material are presented in table. 2.

Определение значения твердости без учета упрочнения материала в зоне внедрения индентора.Determination of the hardness value without taking into account the hardening of the material in the zone of penetration of the indenter.

В соответствии с предлагаемым способом значения твердости

Figure 00000081
без учета упрочнения материала в зоне внедрения индентора определяется по формулеIn accordance with the proposed method, the hardness values
Figure 00000081
without taking into account the hardening of the material in the zone of penetration of the indenter is determined by the formula

Figure 00000032
.
Figure 00000032
.

В приведенном примере процесс внедрения индентора (четырехгранной пирамиды) фактически являлся измерением твердости по Виккерсу. Таким образом,

Figure 00000082
, где
Figure 00000083
- твердость по Виккерсу полученная с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора.In the given example, the process of introducing an indenter (a tetrahedral pyramid) was actually a measurement of Vickers hardness. Thus,
Figure 00000082
, where
Figure 00000083
- Vickers hardness obtained taking into account hardening in the zone of penetration of the indenter.

На этом основании твердость без учета упрочнения в зоне внедрения индентора представим в видеOn this basis, the hardness without taking into account hardening in the zone of indenter penetration can be represented as

Figure 00000084
.
Figure 00000084
.

Результаты расчетов по определению

Figure 00000085
представлены в табл. 2. Значения
Figure 00000086
в отличии от
Figure 00000083
растут менее интенсивно в зависимости от деформации
Figure 00000087
и в большей степени соответствуют истинным.Calculation results by definition
Figure 00000085
are presented in table. 2. Values
Figure 00000086
Unlike
Figure 00000083
grow less intensively depending on the strain
Figure 00000087
and are more in line with reality.

В практике проектирования машин фактически завышенные значения

Figure 00000088
приведут к переоценке эксплуатационных возможностей деталей (работающих, например, в условиях повышенного износа) и как следствие к незапланированному отказу механизма.In the practice of machine design, in fact, overestimated values
Figure 00000088
will lead to a reassessment of the operational capabilities of parts (operating, for example, in conditions of increased wear) and, as a result, to an unplanned failure of the mechanism.

Аналогичное исследование процесса измерения твердости может быть проведено для любого материала с индентором любой формы, а результаты использованы для оптимизации технологии изготовления деталей машин.A similar study of the process of measuring hardness can be carried out for any material with an indenter of any shape, and the results are used to optimize the manufacturing technology of machine parts.

Дополнительно в качестве примера использования предлагаемой формулыAdditionally, as an example of using the proposed formula

Figure 00000089
Figure 00000089

исследовано определение сопротивления деформации

Figure 00000031
по формуле [Удалов А.В., Паршин С.В., Удалов А.А. Определение сопротивления деформации металлов и сплавов методом внедрения индентора // Деформация и разрушение материалов. 2019. № 4. С. 40-44. DOI: 10.31044/1814-4632-2019-4-40-44.]investigated the definition of resistance to deformation
Figure 00000031
according to the formula [Udalov A.V., Parshin S.V., Udalov A.A. Determination of resistance to deformation of metals and alloys by the method of indentation // Deformation and destruction of materials. 2019. No. 4. S. 40-44. DOI: 10.31044/1814-4632-2019-4-40-44.]

Figure 00000090
Figure 00000090

где

Figure 00000091
- твердость по Виккерсу при испытательной нагрузке
Figure 00000092
измеренная внутри конуса скольжения
Figure 00000093
(фиг. 1), в пределах которого происходит упрочнение материала в процессе измерения твердости по Виккерсу при нагрузке
Figure 00000094
;where
Figure 00000091
- Vickers hardness under test load
Figure 00000092
measured inside the slip cone
Figure 00000093
(Fig. 1), within which the hardening of the material occurs in the process of measuring Vickers hardness under load
Figure 00000094
;

Figure 00000095
- твердость по Виккерсу измеренная на достаточно большом расстоянии (не менее
Figure 00000096
, где
Figure 00000097
получено при
Figure 00000094
) от конуса скольжения
Figure 00000093
(твердость материала неупрочненного внедрением индентора).
Figure 00000095
- Vickers hardness measured at a sufficiently large distance (not less than
Figure 00000096
, where
Figure 00000097
received at
Figure 00000094
) from the slip cone
Figure 00000093
(hardness of the material not hardened by the introduction of the indenter).

Выбор меньшего значения испытательной нагрузки (

Figure 00000098
) обусловлен размерами отпечатка, который должен разместиться в пределах конуса скольжения
Figure 00000093
возникающего при внедрении индентора с нагрузкой
Figure 00000094
. Данная методика определения
Figure 00000031
использована на образцах неупрочненных осадкой, т.е. имеющих
Figure 00000065
. Для трех таких образцов сначала измерялась твердость
Figure 00000099
. В итоге получено среднее значение
Figure 00000066
.Choosing a smaller value of the test load (
Figure 00000098
) is determined by the size of the imprint, which must be located within the slip cone
Figure 00000093
arising from the introduction of an indenter with a load
Figure 00000094
. This method of determining
Figure 00000031
used on samples not hardened by upsetting, i.e. having
Figure 00000065
. For three such samples, the hardness was first measured
Figure 00000099
. As a result, the average value is obtained
Figure 00000066
.

Перед измерением твердости

Figure 00000091
и
Figure 00000095
выполняется подготовка шлифов в осевом сечении
Figure 00000100
очага деформации (фиг. 1), возникающего при внедрении индентора с нагрузкой
Figure 00000094
. По результатам измерений среднее значение твердости неупрочненного материала равно
Figure 00000101
. Среднее значение твердости материала внутри конуса скольжения (т.е. внутри очага деформации возникающего при измерении твердости
Figure 00000102
) примерно равно
Figure 00000103
.Before hardness measurement
Figure 00000091
and
Figure 00000095
preparation of thin sections in axial section
Figure 00000100
deformation zone (Fig. 1), which occurs during the introduction of an indenter with a load
Figure 00000094
. According to the results of measurements, the average value of the hardness of the unhardened material is
Figure 00000101
. The average value of the hardness of the material inside the slip cone (i.e. inside the deformation zone that occurs when measuring hardness
Figure 00000102
) is approximately equal to
Figure 00000103
.

С учетом полученных значений сопротивление деформации материала упрочненного в зоне внедрения индентора равноTaking into account the obtained values, the deformation resistance of the material hardened in the indenter penetration zone is equal to

Figure 00000104
Figure 00000104

В соответствии с предлагаемым способом значения твердости

Figure 00000081
без учета упрочнения материала в зоне внедрения индентора определяется по формулеIn accordance with the proposed method, the hardness values
Figure 00000081
without taking into account the hardening of the material in the zone of penetration of the indenter is determined by the formula

Figure 00000105
.
Figure 00000105
.

Но в рассматриваемом примере твердость материала образцов определяется по Виккерсу, поэтому предлагаемую формулу представим в видеBut in the example under consideration, the hardness of the sample material is determined by Vickers, so the proposed formula can be represented as

Figure 00000106
Figure 00000106

где

Figure 00000107
- твердость материала без учета упрочнения в зоне внедрения индентора.where
Figure 00000107
is the hardness of the material without taking into account hardening in the zone of indenter penetration.

Для образцов неупрочненных осадкой (при

Figure 00000065
), твердость материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора равна
Figure 00000108
, а твердость без учета упрочнения равна
Figure 00000109
. Значение
Figure 00000110
в отличии от
Figure 00000111
в большей степени соответствует истинному.For specimens not hardened by upsetting (at
Figure 00000065
), the hardness of the material, taking into account hardening in the zone of penetration of the indenter, is equal to
Figure 00000108
, and the hardness without hardening is equal to
Figure 00000109
. Meaning
Figure 00000110
Unlike
Figure 00000111
more in line with reality.

Таким образом, сопротивление деформации материала

Figure 00000031
с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора (в очаге деформации при индентировании) может быть определено различными методами, выбор которых зависит от конкретных условий индентирования (в частности от возможности нарушения целостности материала образца).Therefore, the deformation resistance of the material
Figure 00000031
taking into account hardening in the indenter penetration zone (in the deformation zone during indentation) can be determined by various methods, the choice of which depends on the specific indentation conditions (in particular, on the possibility of violating the integrity of the sample material).

Figure 00000112
Figure 00000112

Figure 00000113
Figure 00000113

Figure 00000114
Figure 00000114

Claims (6)

Способ определения твердости металлических материалов, включающий определение предела текучести неупрочненного материала, приготовление шлифов материала для зон внедрения индентора, внедрение индентора в материал с заданной силой нагружения, определение размеров отпечатков на шлифах после снятия нагрузки, определение твердости с учетом упрочнения материала в зоне внедрения индентора, определение сопротивления деформации материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора, отличающийся тем, что значение твердости металлического материала без учета упрочнения в зоне внедрения индентора определяется по формуле A method for determining the hardness of metallic materials, including determining the yield strength of a non-hardened material, preparing sections of material for indenter penetration zones, inserting an indenter into a material with a given loading force, determining the size of imprints on sections after removing the load, determining hardness taking into account material strengthening in the indenter penetration zone, determination of the resistance to deformation of the material, taking into account hardening in the zone of indentation penetration, characterized in that the value of the hardness of the metal material without taking into account hardening in the zone of penetration of the indenter is determined by the formula
Figure 00000115
,
Figure 00000115
 , где
Figure 00000116
– твердость материала без учета упрочнения в зоне внедрения индентора;where
Figure 00000116
is the hardness of the material without taking into account hardening in the zone of indenter penetration;
Figure 00000117
– твердость материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора;
Figure 00000117
is the hardness of the material, taking into account hardening in the area of indenter penetration;
Figure 00000118
– предел текучести неупрочненного материала;
Figure 00000118
is the yield strength of the unhardened material;
Figure 00000119
– сопротивление деформации материала с учетом упрочнения в зоне внедрения индентора.
Figure 00000119
is the resistance to deformation of the material, taking into account hardening in the zone of indentation penetration.
RU2021120782A 2021-07-14 2021-07-14 Method for determining the hardness of metallic materials RU2769646C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021120782A RU2769646C1 (en) 2021-07-14 2021-07-14 Method for determining the hardness of metallic materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021120782A RU2769646C1 (en) 2021-07-14 2021-07-14 Method for determining the hardness of metallic materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2769646C1 true RU2769646C1 (en) 2022-04-04

Family

ID=81076136

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021120782A RU2769646C1 (en) 2021-07-14 2021-07-14 Method for determining the hardness of metallic materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2769646C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100281963A1 (en) * 2006-12-22 2010-11-11 California Institute Of Technology. Nanoindenter tip for uniaxial tension and compression testing
EP2420816A2 (en) * 2006-10-17 2012-02-22 Petrotest Instruments GmbH & Co. KG Assembly for measuring the hardness of semi-solid materials
RU2724353C1 (en) * 2019-08-30 2020-06-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" (ВятГУ) Method of determining resistance of deformation of metal materials when indented by a cone
RU2731034C1 (en) * 2019-08-30 2020-08-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" (ВятГУ) Method of determining resistance of deformation of metal materials when indenting with tetrahedral pyramid

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2420816A2 (en) * 2006-10-17 2012-02-22 Petrotest Instruments GmbH & Co. KG Assembly for measuring the hardness of semi-solid materials
US20100281963A1 (en) * 2006-12-22 2010-11-11 California Institute Of Technology. Nanoindenter tip for uniaxial tension and compression testing
RU2724353C1 (en) * 2019-08-30 2020-06-23 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" (ВятГУ) Method of determining resistance of deformation of metal materials when indented by a cone
RU2731034C1 (en) * 2019-08-30 2020-08-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" (ВятГУ) Method of determining resistance of deformation of metal materials when indenting with tetrahedral pyramid

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cheng et al. Scaling, dimensional analysis, and indentation measurements
CN112730056B (en) Method for predicting non-uniform mechanical property of brittle solid material
KR101407405B1 (en) Yield strength and Tensile strength Calculation Method of strain-hardening metal using Instrumented Spherical Indentation Technique
Chang et al. Representative Stress‐Strain Curve by Spherical Indentation on Elastic‐Plastic Materials
Ivanytskyj et al. Influence of 65G steel microstructure on crack faces friction factor under mode II fatigue fracture
Arunkumar A review of indentation theory
RU2769646C1 (en) Method for determining the hardness of metallic materials
Gothivarekar et al. Effect of bending process on the fatigue behaviour of high strength steel
JP6543019B2 (en) Evaluation method of corrosion fatigue life of steel
Bisrat et al. Residual stress measurement by Hertzian indentation
Kermouche et al. Local identification of the stress–strain curves of metals at a high strain rate using repeated micro-impact testing
RU2599069C1 (en) Method of determining endurance limit of material at tension-compression
RU2724353C1 (en) Method of determining resistance of deformation of metal materials when indented by a cone
RU2731034C1 (en) Method of determining resistance of deformation of metal materials when indenting with tetrahedral pyramid
Lim et al. Effect of ring indentation on fatigue crack growth in an aluminum plate
KR101631747B1 (en) Measuring apparatus and method of elastic modulus for diagnosing material damages
RU2703808C1 (en) Method of determining deformation resistance of metal materials
Buciumeanu et al. Influence of wear damage on the fretting fatigue life prediction of an Al7175 alloy
Kren et al. Impact indentation of metals in the transition region from the elastic to plastic state
Szymczak Investigations of material behaviour under monotonic tension using a digital image correlation system
RU2700328C2 (en) Method for determining the limit of endurance of material in bending
Matyunin et al. Characteristics of the deformed zone around Vickers indentations in metals
Purnowidodo et al. The crack growth behavior after overloading on rotating bending fatigue
RU2756376C1 (en) Method for determining yield strength of material during crushing
RU2712776C1 (en) Method of estimating mechanical characteristics of deformed metal objects