Спосіб визначення фізико-механічних властивостей матеріалу та пристрій для його здійснення

1 Спосіб визначення фізико-механічних властивостей матеріалу, який полягає в тому, що поверхню матеріалу обробляють різанням за допомогою індентора, що знаходиться під навантаженням, вимірюють і реєструють силу різання, а також частоту утворення ВІДКОЛКІВ елементів стружки, проводять обробку даних і визначають фізико-механічні властивості матеріалу, який відрізняється тим, що здійснюють невільне різання поверхні матеріалу шляхом його стругання індентором із трьома різальними кромками, а як інформативні параметри додатково приймають опір деформації і руйнування, фізико-механічні і геометричні параметри подряпини і стружки, та за сукупністю параметрів судять про фізико-механічні властивості матеріалу 2 Пристрій для визначення фізико-механічних властивостей матеріалу, що містить індентор з позитивним переднім кутом, а також з позитивним головним і допоміжним задніми кутами, датчики і блок реєстрації та обробки даних, зв'язаний з індентором, який відрізняється тим, що індентор має додатковий позитивний головний задній кут, а передня поверхня індентора виконана у вигляді зрізаного рівнобедреного трикутника, що містить дві головні і поперечну різальні кромки, при цьому кут між головними різальними кромками не перевищує 180° Група винаходів відноситься до області дослідження фізико-механічних властивостей матеріалів, зокрема методом мікрорізання за допомогою мікрозонда механічних властивостей - індентора, і може бути використана в будь-якій області техніки для визначення твердості, ЗНОСОСТІЙКОСТІ, пластичності, МІЦНОСТІ і т п різних матеріалів Відомий спосіб визначення твердості матеріалу, що полягає в нанесенні подряпини на поліровану поверхню зразка алмазним чи твердосплавним вістрям наконечника, що знаходиться під навантаженням, реєстрації сукупності параметрів і їхній обробці (див , наприклад, И Г Дондик Механические испытания металлов Справочник Издательство АН УССР-Киев-1962, С 134-135) Як параметри твердості приймають наступні показники величина вертикального навантаження, при якій досягається задана ширина подряпини, ширина подряпини при заданому навантаженні, величина, обернено пропорційна ширині подряпини, величина, обернено пропорційна квадрату ширини подряпини (при визначенні мікротвердості по Бірбауму), відношення вертикального навантаження до площі проекції контакту наконечника з випробуваним тілом Загальними ознаками відомого і способів, що заявляється, є здійснення подовжнього мікрорізання матеріалу індентором, що знаходиться під навантаженням, реєстрація сукупності параметрів і їхня обробка Недоліком відомого способу є його складність, мала інформативність і велика погрішність унаслідок деформації матеріалу при його дряпанні, що знижує точність оцінки фізико-механічних властивостей матеріалу Найбільш близьким по технічній сутності до способу, що заявляється, є обраний як прототип відомий спосіб визначення оброблюваності металів різанням, при якому проточують досліджувану поверхню за допомогою індентора, вимірюють силу різання (див авт свид СРСР № 1510983 АІ на винахід, МПК4 В 23 В 1/00, заявл 15 0189, опубл ЗО 09 1989, бюл №36) 3 метою підвищення точності визначення оброблюваності за рахунок реєстрації миттєвих значень тангенціальної складової сили різання, вимірюють довжину стружки, (О 00 ^ о ю 50486 визначають частоту сколів елементів стружки і ного різання поверхні матеріалу шляхом його струбудують графік спектральної ЩІЛЬНОСТІ СИЛИ різангання індентором із трьома ріжучими кромками і ня, по площі під кривою спектральної площі якої в реєстрація додаткових інформативних параметрів, інтервалі частот від нуля до частоти утворення а також особливостей конструктивної форми індеелементів стружки судять про оброблюваність нтора, дозволяє при використанні забезпечити металів зниження погрішності вимірів і підвищення інформативності, у результаті чого підвищується точУ способу визначення фізико-механічних вланість, а також розширюються функціональні можстивостей матеріалу, що заявляється, й обраного ливості способу прототипу загальними є такі суттєві ознаки поверхню матеріалу обробляють різанням за допомогою Поставлена задача досягається тим, що в індентора, що знаходиться під навантаженням, способі визначення фізико-механічних властивосвимірюють і реєструють силу різання, а також частей матеріалу, який полягає в тому, що поверхню тоту утворення сколів елементів стружки, провоматеріалу обробляють різанням за допомогою дять обробку даних і визначають фізико-механічні індентора, що знаходиться під навантаженням, властивості матеріалу вимірюють і реєструють силу різання, а також частоту утворення сколів елементів стружки, провоДо недоліків відомого способу визначення обдять обробку даних і визначають фізико-механічні роблюваності металів різанням, обраного як провластивості матеріалу, ВІДПОВІДНО ДО винаходу, тотип, варто віднести значну погрішність оцінки здійснюють невільне різання поверхні матеріалу унаслідок використання проточки досліджуваної шляхом його стругання індентором із трьома ріжуповерхні, при якій має місце значний ступінь дечими кромками, а як інформативні параметри доформації шару, що зрізується, і значне утворення датково приймають опір деформації і руйнування, напливів, а також недостатня інформативність фізико-механічні і геометричні параметри подряспособу пини і стружки, та по сукупності параметрів судять Відомий пристрій для визначення твердості про фізико-механічні властивості матеріалу матеріалу, що містить різець для нанесення подряпини на поверхні шліфа матеріалу і реєстратор Від прототипу спосіб визначення фізикотріботехнічних характеристик, зв'язаний з різцем механічних властивостей матеріалу, що заявля(див авт свид СРСР № 1188579 на винахід, МПК4 ється, відрізняється тим, що здійснюють невільне G 01 N 3/46, заявл 20 02 81, опубл 30 10 85, різання поверхні матеріалу шляхом його стругання бюл № 40) індентором із трьома ріжучими кромками, а як інформативні параметри додатково приймають опір Загальними ознаками відомого і пристрою для деформації і руйнування, фізико-механічні і геомевизначення фізико-механічних властивостей матричні параметри подряпини і стружки, та по сукутеріалу, що заявляється, є різець і блок реєстрації пності параметрів судять про фізико-механічні та обробки даних, зв'язаний з різцем властивості матеріалу Недоліком відомого пристрою є низька точність за рахунок впливу значних напливів та струПоставлена задача досягається також тим, що жки матеріалу, утворених в процесі дряпання в пристрої для визначення фізико-механічних властивостей матеріалу, що містить індентор з позиНайбільш близьким по технічній сутності до тивним переднім кутом, а також з позитивним гопристрою, що заявляється, є обраний як прототип ловним і допоміжним задніми кутами, датчики і відомий пристрій для оцінки зміни фізикоблок реєстрації та обробки даних, зв'язаний з інмеханічних властивостей матеріалу, що містить дентором, ВІДПОВІДНО до винаходу, індентор має різець для нанесення подряпини на поверхні шлідодатковий позитивний головний задній кут, а пефа матеріалу і реєстратор тріботехнічних характередня поверхня індентора виконана у виді усіченористик, зв'язаний з різцем Для підвищення точного рівнобедреного трикутника, що містить дві голості за рахунок зниження впливу стружки матеріалу, вні і поперечну ріжучі кромки, при цьому кут між утвореної в процесі дряпання, різець виконаний з головними ріжучими кромками не перевищує 180° позитивним переднім кутом (див авт свид СРСР № 1492238 на винахід, МПН7 G 01 N 3/58, заявл Від прототипу пристрій для визначення фізико15 06 87, опубл 07 07 1989, бюл № 25) механічних властивостей матеріалу, що заявляється, відрізняється тим, що індентор має додатУ пристрою для здійснення способу визначенковий позитивний головний задній кут, а передня ня фізико-механічних властивостей матеріалу, що поверхня індентора виконана у виді усіченого рівзаявляється, й обраного прототипу загальними є нобедреного трикутника, що містить дві головні і наступні суттєві ознаки індентор з позитивним поперечну ріжучі кромки, при цьому кут між голопереднім кутом, а також з позитивним головним і вними ріжучими кромками не перевищує 180° допоміжним задніми кутами, датчики і блок реєстрації та обробки даних, зв'язаний з індентором У результаті спільного використання групи винаходів, що заявляються, забезпечується одерДо недоліків відомого пристрою по прототипу жання технічного результату, що полягає в зниварто віднести недостатню точність і інформативженні погрішності визначення фізико-механічних ність оцінки унаслідок впливу форми передньої властивостей матеріалу і підвищенні інформативповерхні індентора, що створює однобічну подряності При цьому пристрій для визначення фізикопину зі значними напливами, що заважає ОЦІНЦІ механічних властивостей матеріалу, що заявляпараметрів подряпини і виміру її характеристик ється, забезпечує поліпшення контакту індентора з В основу групи винаходів поставлена задача поверхнею матеріалу та знижує появу напливів удосконалення способу визначення фізикомеханічних властивостей матеріалу і пристрою Між суттєвими ознаками способу визначення для його здійснення, при яких здійснення невільфізико-механічних властивостей матеріалу, що 50486 заявляється, і технічним результатом, що досягависновок про ВІДПОВІДНІСТЬ критерію винахідницьється, існує наступний причинно-наслідковий зв'який рівень" зок Група винаходів, що заявляється, може бути За рахунок того, що при різанні здійснюють багаторазово використана при іспитах матеріалів з невільне стругання поверхні матеріалу індентором одержанням технічного результату, що полягає в із трьома ріжучими кромками, досягається менша зниженні погрішності визначення фізиков порівнянні з прототипом ступінь деформації шамеханічних властивостей матеріалу і підвищенні ру, що зрізується При цьому матеріал не мнеться і інформативності Це дозволяє зробити висновок не здавлюється, а відбувається вільне пружнепро ВІДПОВІДНІСТЬ винаходу критерію "промислова пластичне руйнування - відділення шару, що зрізупридатність" ється, що значно знижує появу напливів Це дає Сутність групи винаходів, що заявляється, поможливість у порівнянні з прототипом вибрати для яснюється за допомогою графічних матеріалів, на визначення фізико-механічних властивостей маяких схематично зображено на фіг 1 - загальний теріалу додаткові інформативні параметри, а савид (блок-схема) пропонованого пристрою для ме опір деформації і руйнування, фізико-механічні здійснення способу визначення фізико-механічних і геометричні параметри подряпини і стружки, і по властивостей матеріалу, що заявляється, на фіг 2 сукупності параметрів судити про фізико-механічні - геометричні параметри індентора, на фіг 3 - розвластивості матеріалу Тим самим знижується поріз по А-А, на фіг 4 -розріз по В-В, на фіг 3 - розріз грішність оцінки, що приводить до підвищення топоС-С чності й інформативності оцінки способу На приведених кресленнях позиціями позначені наступні елементи Між суттєвими ознаками пропонованого пристрою для здійснення способу визначення фізико1 - індентор, механічних властивостей матеріалу, що заявля2 - датчики виміру деформації, ється, і технічним результатом, що досягається, 3 - блок реєстрації та обробки даних, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок 4 - робоча передня поверхня індентора, 5,6 - дві головні ріжучих кромки, За рахунок нових конструктивних особливостей індентора, а саме того, що індентор має дода7 - поперечна ріжуча кромка тковий позитивний головний задній кут, а передня Датчики виміру деформації 2 з'єднані з блоком поверхня індентора виконана у виді усіченого рівреєстрації та обробки даних 3, наприклад ПЕВМ, нобедреного трикутника, що містить дві головні і що зв'язаний з індентором 1 поперечну ріжучі кромки, при цьому кут між голоІндентор, виконаний з надтвердого матеріалу, вними ріжучими кромками не перевищує 180°, донаприклад, з надтвердого гексаниту-Р і т п сягається можливість одержання визначеного одНа ріжучій частині індентора, що зрізує стружнакового профілю шару, що зрізується, (трикутної ку, є передня робоча поверхня 4, по якій сходить форми) При цьому усічена форма рівнобедреного стружка, і задні, звернені до поверхні досліджуватрикутника передньої поверхні індентора забезпеного матеріалу Для визначення кутів ріжучої часчує надійний поверхневий, а не крапковий контакт, тини індентора, які визначають його геометричну що забезпечує поліпшення контакту індентора з форму, як відомо, установлені наступні координаповерхнею матеріалу Наявність у індентора додатні і СІЧНІ площини різання і основна, а також готкового позитивного головного заднього кута у ловна і допоміжна січна площини У ВІДПОВІДНІСТЬ З сукупності з іншими теж сприяє усуванню наплицим прийняті наступні кути вів Усе це дозволяє знизити погрішність, що при- у - позитивний передній кут - визначається в водить до підвищення точності й інформативності СІЧНІЙ площині А-А, В-В, С-С між ЛІНІЄЮ перетинаноцінки Це дає можливість визначити фізиконя цієї січний площини з передньою поверхнею механічні і геометричні параметри не тільки стружіндентора і площиною, рівнобіжної основний і мики, сколів її елементів, а і подряпини, а також опір наючий через поперечну ріжучу кромку 6 При деформації і руйнування, тобто всі складові сили цьому, у >0 (наприклад, для металів у = різання й ІНШІ показники Унаслідок цього підвищу5 10°)(див фіг 3,4,5), ється точність і об'єктивність визначення фізико- ои- позитивний головний задній кут, визнамеханічних властивостей матеріалу Крім того, чається в СІЧНІЙ площині В-В між ЛІНІЯМИ перетирозширюється діапазон досліджуваних матеріалів нання цієї площини з задньою поверхнею (під гоУсе вищевикладене свідчить про наявність ловною ріжучою кромкою 6) і площиною різання Э причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю сут(див фіг 4), тєвих ознак групи винаходів, що заявляється, і - аг - позитивний головний задній кут, визнатехнічним результатом, що досягається чається в СІЧНІЙ площині С-С між ЛІНІЯМИ перетиЗа наявними в заявника відомостями сукупнання цієї площини з головною задньою поверхність суттєвих ознак, що характеризують сутність нею (під ГОЛОВНОЮ ріжучою кромкою 5) і площиною групи винаходів, що заявляється, не відома з рівня різання Z (див фіг 5), техніки, що дозволяє зробити висновок про ВІДПО- аз - позитивний допоміжний задній кут, виВІДНІСТЬ критерію "новизна" значається в СІЧНІЙ площині А-А між ЛІНІЯМИ переНа думку заявника, для фахівця в області матинання цієї площини з поверхнею (під поперетеріалознавства сутність групи винаходів, що зачною ріжучою кромкою 7) і площиною різання Д являється, не випливає явно з відомого рівня тех(див фігЗ) При цьому, наприклад, для металів аз ніки, тому що з нього не виявляється нова = 15 20° сукупність суттєвих ознак і її вплив на технічний Індентор має позитивний передній кут - у, а тарезультат, який досягається, що дозволяє зробити 50486 кож позитивний головний - ои і допоміжний задній аз кути, при цьому він має додатковий позитивний головний задній кут - a-z Робоча передня поверхня 4 індентора виконана у виді усіченого рівнобедреного трикутника, що містить дві головні 5 і поперечну 6 ріжучих кромки, при цьому кут між головними ріжучими кромками не перевищує 180° Пропонований спосіб визначення фізикомеханічних властивостей матеріалу здійснюють таким чином Зразок випробуваного матеріалу, наприклад зі сталі 40Х, встановлюють у затискний пристрій За допомогою індентора 1 здійснюють невільне різання поверхні матеріалу шляхом його прямолінійного або криволінійного стругання трьома ріжучими кромками індентора при різних швидкостях його руху і різних значень навантаження в залежності від типу матеріалу Наприклад, при наступному режимі t = 0,04мм, V = 0,2, 1,0, 10,0мм/хв при навантаженні 500г При цьому в роботі одночасно бере участь три сполучених ріжучих кромки, що мають різний напрямок Одночасно за допомогою датчиків виміру деформації 2 вимірюють усі складові сили різання і реєструють за допомогою блока реєстрації та обробки даних 3, у тому числі тангенціальну складову сили різання й опір деформації і руйнування Одержують випадковий часовий ряд вимірюваних параметрів Потім отримані дані реєструють, обробляють, наприклад за допомогою ПЕВМ, і одержують графік спектральної ЩІЛЬНОСТІ миттєвих значень тангенціальної складової сили різання При струганні відбирають зразки стружок, що піддають фізико-механічному дослідженню і геометричному виміру По ЗМІНІ поперечного переріза і довжини елементів стружки визначають пластичність і крихкість матеріалу Визначають також параметри, що характеризують процес утворення сколів стружки Тобто визначають найменшу частоту утворення сколов елементів стружки, попередньо виміривши довжини стружок, наприклад металографічним методом Потім із графіка спектральної ЩІЛЬНОСТІ віднімають ділянку, що відповідає частотам від найменшого утворення сколів елементів стружки і до найбільшої можливої частоти По частині графіка, що залишилася, судять про фізико-механічні властивості досліджуваного матеріалу (твердості, міцносних властивостей матеріалу, якості покриття та інше) Потім визначають геометричні параметри подряпини довжину, ширину, глибину, наприклад за допомогою оптичного мікроскопа У сукупності як інформативні параметри вибирають наступні параметри частоту утворення сколів елементів стружки, фізико-механічні і геометричні параметри стружки, усі складові сили різання, опір деформації і руйнування, фізикомеханічні і геометричні параметри подряпини 8 При цьому по фізико-механічних і геометричних параметрах подряпини визначають твердість і МІЦНОСНІ властивості матеріалу, а по фізикомеханічних і геометричних параметрах стружки судять про пластичність і крихкість матеріалу Потім за результатами вимірів параметрів проводять обробку й аналіз сукупності параметрів, у результаті чого визначають фізико-механічні властивості матеріалу Зіставлення сукупності показників заявленого і способу по прототипу, доводить більш високий технічний результат винаходу, що заявляється У цілому спосіб визначення фізико-механічних властивостей матеріалу, що заявляється, дозволяє об'єктивно провести аналіз фізико-механічних властивостей будь-яких матеріалів При здійсненні способу, що заявляється, пристрій для способу визначення фізико-механічних властивостей матеріалу працює таким чином Індентору 1, який закріплений у тримачу 2, надають руху в напрямку дії сили різання з різними швидкостями, заданими для даного матеріалу, а також різними значеннями навантаження При цьому індентор 1 своїми трьома ріжучими кромками 5,6,7 врізається в матеріал, спричиняючи його пластичну деформацію Потім відбувається сколювання матеріалу й утворення стружки, що вилучається з зони за рахунок форми індентора Під ДІЄЮ СИЛИ різання пружні елементи передають силу різання на датчики 2 виміру деформації, а потім - на блок реєстрації та обробки даних З, зв'язаний з індентором 1 При цьому реєструють опір деформації і руйнування Завдяки спеціальній формі індентора 1 практично усувається поява напливів, а утворена стружка потім піддається дослідженню Дані металографічного аналізу цілком підтвердили одержання подряпини чіткої визначеної форми При цьому знижується погрішність при визначенні фізико-механічних властивостей матеріалу, тим самим підвищується точність оцінки Заявлена група винаходів при його використанні дозволяє за рахунок зниження погрішності оцінки підвищити точність і інформативність контролю фізико-механічних властивостей матеріалу По заявленому винаходу виготовлені ДОСЛІДНІ зразки, що пройшли випробування ВІДПОВІДНО ДО запропонованого способу визначення фізикомеханічних властивостей матеріалу, що підтвердили одержання очікуваного позитивного ефекту Пропонований винахід має велике практичне значення і може бути використано в різних галузях народного господарства при експрес-контролі фізико-механічних властивостей будь-яких матеріалів і покрить, наприклад металів і сплавів, лакофарбових і оздоблювальних матеріалів, полімерів, косметики і засобів особистої ГІГІЄНИ, склоемалів, каучуку й ш 50486 10