МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

I. Выбор материала и размеров модели.Возможности моделирования процессов пластической деформации весьма ограничены. Согласно теории подобия процессы дефор­мирования модели и натуры должны описываться одними и теми же дифференциальными уравнениями и иметь гео­метрическое подобие граничных условий. Для этого необходимо достаточно близкое совпадение кривых течения материалов модели и натуры. Указанным требованиям легко удовлетворить, измеряя твердость непосредственно на объекте исследования.

Материал модели должен быть достаточно однородным в макрообъеме — изменение твердости в окрестности одной точки не должно быть скачкообразным. При изме­рении макротвердости указанному требованию удовлетво­ряют практически все пластичные металлы — стали, медь, алюминий, латунь и т. д. Труднее удовлетворить этому условию при измерении микротвердости. При нагрузке 200 г лучшие результаты получают на отожженных ста­лях Х18Н9Т, ШХ15, 15, латуни ЛС59-1, меди Ml. Следует иметь в виду, что в данном случае по микротвердости оценивается макронеоднородность. Поэтому размер диаго­нали отпечатка в случае испытания структурно неоднородного материала должен существенно превосходить раз­меры отдельных структурных составляющих.

При исследовании напряженного состояния требование однородности свойств по объему всей модели не является обязательным. Это очевидно и распространяется на определение деформаций, если исходная неоднородность яв­ляется следствием пластического деформирования. Если незначительная неоднородность является следствием тер­мической обработки, можно пользоваться одним тариро-вочным графиком для всей модели, так как расхождение кривых «интенсивность напряжений — твердость» материалов с достаточно близкими свойствами не является значительным. Требование однородности материала мо­дели является обязательным, если материал натуры однороден.

Измерением твердости можно определить напряженно-деформированное состояние и в тех случаях, когда модель состоит из резко отличающихся по своим свойствам мате­риалов (например, спай меди и алюминия). Для этого необходимо располагать тарировочными графиками каждого из материалов и знать границу, в пределах которой применим тот или иной тарировочный график.

При определении деформированного состояния по твердости требование идентичности свойств изучаемого тела и его модели обычно не является столь жестким, как при определении напряжений, — при обработке ме­таллов обычно задается кинематика процесса, поэтому деформированное состояние практически не зависит от свойств металла. В этом случае модель следует изготовлять из более упрочняющихся материалов (нержавеющие и жаропрочные стали, латунь).

Предполагается, что твердость деформированного тела не изменяется во времени (во всяком случае, за промежуток времени между деформированием модели и измерением ее твердости). Этому условию при температурах, близких к комнатной, удовлетворяют все стали, латунь, медь, дюралюминий и др. Из рассмотрения исключаются легкоплавкие металлы — свинец, олово, цинк и сплавы на их основе. Чрезвычайно затруднено определение напря­жений и в особенности деформаций при исследовании деталей из титановых сплавов.

При выборе размеров модели следует стремиться к наи­большим размерам, чтобы иметь возможность измерять твердость под большой нагрузкой или при заданной на­грузке получить большее число отпечатков.

2. Построение тарировочного графика.Для построения тарировочного графика «интенсивность напряжений — твердость — интенсивность деформаций» необходимо изме­рять твердость при различной величине деформации тела, напряженно-деформированное состояние которого изве­стно. Обычно тарирование производят путем испытания материала модели на растяжение или сжйтие.

Тарирование кручением затруднено необходимостью испытания пары образцов для надежного определения напряжений, а также погрешностью измерения твердости на цилиндрической поверхности. Измерения же в поперечных сечениях связаны с необходимостью испытания значительного числа образцов.

При построении тарировочного графика путем испытания на растяжение образцы растягиваются до различных степеней деформации (некоторые образцы доводятся до разрушения). У деформированных образцов снимают лыски, в различных точках которых измеряют твердость. Интенсивность напряжений и деформаций определяют по следующим соотношениям:

(6.6)

где Р – сжимающая сила, D – диаметр сжатого образца, и - высота образца после деформации и до деформации.

Изложенная методика дает хорошие результаты при сравнительно небольших деформациях (в этой области и происходит наиболее интенсивное изменение твердости). С появлением шейки напряженное состояние уже не является линейным, что следует учитывать при определении интенсивности напряжений.

Методика упрощается при растяжении достаточно длинных полос. В этом случае тарирование может быть выполнено на одном образце, а количество измерений твердости практически не ограничено.

Наибольшее распространение получила методика по­строения тарировочного графика путем испытания на осевое сжатие, позволяющая установить зависимость между напряжением, твердостью и деформацией в области

<0,60,8. При необходимости достижения еще больших деформаций целесообразно периодически обтачивать образцы по наружному диаметру.

Недостатком методики является ненадежное определение предела текучести при сжатии, что затрудняет исследование напряженного состояния в области сравнительно небольших деформаций.

В области больших деформаций (при > 0,2) правая ветвь тарировочного графика должна удовлетворять уравнению огибающей для примененного способа измерения твердости.

Для уменьшения погрешности, связанной с возможным различием исходной твердости исследуемого тела и тарировочных образцов, тарировочный график при определении деформаций следует строить в координатах «интенсивность деформации — приращение твердости».

3. Выбор условий измерения твердости.В предыдущем параграфе изложена методика выбора условий измерения, при которых достигается наибольшая точность определения интенсивности напряжений и деформаций по твердости. Однако необходимость в таком статистическом исследовании возникает не часто. Опыт таких исследований показывает, что наиболее употребительными являются измерения микротвердости, твердости по Виккерсу и Бринеллю. При этом следует стремиться к возможно большей нагрузке на индентор (в пределах, допускаемых градиен­том деформации). Так, если при измерениях микротвер­дости и твердости по Виккерсу получается достаточное количество отпечатков в исследуемой области, то предпо­читают способ Виккерса.

4. Определение интенсивности напряжений и дефор­маций.Чтобы определить распределение твердости по объему исследуемого тела, обычно необходимо производить разрезку. Слой материала, наклепанного при этой операции, необходимо удалить. Для этого после чистового строгания или точения следует шлифовать испытуемую поверхность при последующем измерении макротвердо­сти и полировать при измерении микротвердости. Хорошо сочетать механическое полирование с травлением и элек­трополированием. Технология обработки испытуемых поверхностей тарировочных образцов и исследуемого тела должна быть примерно одинаковой.

После измерения твердости в различных точках поверх­ности результаты наносят на эскиз этой поверхности и статистически обрабатывают. Для этого желательно проводить изоскляры — линии равной твердости. По твердости из тарировочного графика опре­деляют соответствующую каждой изоскаляре величину интенсивности напряжений и деформаций.