Спосіб визначення залишкових напружень

1. Спосіб визначення залишкових напружень, який включає вдавлювання пірамідального індентора в поперечний переріз покриття або шару матеріалу до отримання відбитку твердості при орієнтації його діагоналей ортогонально напряму дії залишкових напружень, при цьому реєструють зусилля вдавлювання, вимірюють після розвантаження геометричні параметри 2 (19) 1 3 площині (7x55мм). В результаті цього відбувається зменшення товщини покриття на одній стороні і як наслідок досягається порушення рівноваги, що призводить к деформуванню зразка шляхом згину. В процесі стравлювання виміряють деформацію зразка, а залишкові напруження визначають із залученням відомого модуля Юнга з урахуванням стріли прогинання, що реєструється. Зазначений спосіб має наступні недоліки: низьку точність, що зумовлена зміною напруженого стану частини покриття, яка залишилась при видаленні частини покриття в результаті стравлення; неможливість визначення залишкових напружень з урахуванням діючих в покритті структурних напружень; високу трудомісткість і низьку технологічність, яка зумовлена великою тривалістю випробувань (~4-8 годин) та утрудненням підбору режиму травлення внаслідок високої корозійної стійкості більшості матеріалів, які використовують для захисних поверхневих шарів (наприклад: карбідів, нітридів, боридів тощо); високу токсичність, яка зумовлена присутністю в складі речовини для травлення концентрованих кислот, лугів досягаємим ефектом За технічною суттю та тощо. найбільш близьким до заявки є спосіб визначення залишкових напружень [Бякова А.В., Горбач В.Г. Власов А.А., Грушевский Я.Л. Патент России, МКИ 5 G 01 N 3/00, №2032162, 11.10.91, БИ №9, опубл. 27.03.95], за яким в поперечному перерізі покриття, яке випробується, статично вдавлюють гострий пірамідальний індентор при ортогональній орієнтації його діагоналей відносно напрямку дії залишкових напружень до утворення відбитку твердості з крихкими тріщинами, які розповсюджуються від його верхівок. Після розвантаження виміряють геометричні параметри відбитку, а геометричні параметри тріщин виміряють окремо в двох взаємно перпендикулярних напрямках, оцінюють їх топологію, визначають рівноважне КІС та ефективне KІСеф значення в'язкості руйнування відповідно паралельно та перпендикулярно дії залишкових напружень і розраховують значення σ з урахуванням дійсних лінійних розмірів зерна покриття. Для побудови епюри, величину залишкових напружень визначають в декількох точках поперечного перерізу покриття на різній відстані "Y" від його зовнішньої границі, а величину залишкових напружень в точці, яку отримують за умови Y=0, визначають з урахуванням значення KІСеф, отриманого при використовуватися Спосіб може вдавлюванні індентора в для проведення іспитів в поверхневих шарах з міцних поверхню покриття. матеріалів з відношенням E≥200ГПа; G≥50ГПа; G/E*≥0,24; E(1 - m ) [E* = ]; m £ 0,33; Hm E £ 0,01. (1 + m)(1 - 2m) Недоліками способу є: неможливість досягнення утворення відбитку твердості з крихкими тріщинами при вдавлюванні індентора в металеві покриття та шари матеріалу; неможливість отримання відбитку твердості з крихкими тріщинами при вдавлюванні індентора в поперечний переріз тонких керамічних покриттів та шарів матеріалу (10-2мм); велика трудомісткість способу, яка зумовлена: необхідністю визначення 82882 4 лінійного розміру дійсного зерна покриття методами кількісного металографічного аналізу; низька точність, що зумовлена утрудненням визначення положення кінця тріщин, які розповсюджуються від верхівок відбитку твердості в керамічному матеріалі, що може призвести до помилки при визначенні їх топології за співвідношення с/а (де а - половина довжини діагоналі відбитку індентора Вікерса, с - довжина тріщини від центру відбитку до її кінця), яке необхідно для правильного вибору розрахункових формул при визначенні рівноважного КІС та ефективного KІСеф значень в'язкості руйнування, що входять в кінцеве співвідношення для розрахунку залишкових напружень σ. Таким чином, існуючий натепер рівень техніки не дозволяє коректно визначати залишкові напруження в процесі вдавлювання пірамідального індентора в покриття. Задачею винаходу „Спосіб визначення залишкових напружень", який пропонується, є розширення функціональних можливостей способу, зниження трудомісткості та підвищення його точності за рахунок проведення випробувань з застосуванням пірамідального індентора Кнупа з основою у вигляді ромбу, вдавлюванні індентора в двох сусідніх точках поперечного перерізу покриття або шару матеріалу при зусиллі вдавлювання, яке перевищує критичне значення Рс, отримання двох відбитків при орієнтації їх діагоналей ортогонально напрямку дії залишкових напружень і взаємно перпендикулярною орієнтацією довгих діагоналей, з урахуванням виконаних вимірів, визначають значення твердості HK за відбитками, в яких довга діагональ зорієнтована відповідно паралельно (HK1) та перпендикулярно (HK2) напряму дії залишкових напружень, величину залишкових напружень s знаходять геометричним чином за різністю значень твердості (HK1 та HK2) з використанням нормувального графіку, який побудовано незалежним методом в координатах (HK1 - HK2) Величину залишкових напружень визначають s. з урахуванням значень твердості, які отримують в декількох перерізах шару матеріалу або покриття, які знаходяться на різний відстані один від одного. Суть винаходу полягає в тому, що у знаному способі, за яким в поперечний переріз покриття статично вдавлюють пірамідальний індентор до моменту утворення відбитку твердості при орієнтації його діагоналей ортогонально напрямку дії залишкових напружень, реєструють зусилля вдавлювання та виміряють після розвантаження геометричні параметри відбитку, з урахуванням яких визначають залишкові напруження, згідно винаходу випробування проводять з використанням стандартного пірамідального індентора Кнупа з основою у вигляді ромбу, вдавлювання індентора здійснюють в двох сусідніх точках покриття або шару матеріалу при зусиллі вдавлювання, яке перевищує критичне значення Рс, отримують відбитки твердості з взаємо перпендикулярною орієнтацією довгих діагоналей, і, з урахуванням виконаних вимірів, визначають значення твердості (HK) за відбитками, в яких 5 довга діагональ орієнтована відповідно паралельно (HK1) та перпендикулярно (HK2) напряму дії залишкових напружень, а величину залишкових напружень а знаходять геометрично за різницею між значеннями твердості (HK1 та HK2) з використанням нормувального графіку, побудованого незалежним методом в координатах (HK1-HK2)- s . Окрім того, розподіл залишкових напружень по перерізу товстих покриттів або шарів матеріалу находять с урахуванням значень твердості (HK1 та HK2), які отримують в декілька перерізах, що знаходяться на різній відстані (Y) один від одного. Спосіб, що заявляється, реалізують наступним чином. Випробування виконують на зразках з покриттями та/або поверхневими і внутрішніми шарами, що утворились будь яким знаним способом, в яких залишкові напруження з'являються за рахунок фазових перетворень, утворення морфологічної текстури, а також виникають в результаті термічних та/або механічних впливів. В поперечному перерізі такого зразка виготовляють металографічний шліф шляхом шліфування частки матеріалу і наступного полірування та/або електрополірування. Далі в поперечному перерізі покриття або шару матеріалу виконують вдавлювання індентора Кнупа та реєструють зусилля вдавлювання P. Механічні випробування здійснюють на стандартних мікротвердомірах типу ПМТ-3 або металографічних мікроскопах, наприклад, мікроскопі „Neophot’’, який оснащено відповідним пристроєм для випробувань на мікротвердість. В процесі випробувань зразок розташовують таким чином, що у відбитку твердості, який отримують після вдавлювання індентора і розвантаження, діагоналі були зорієнтовані ортогонально діючим залишковим напруженням s , наприклад, в поперечному перерізі зразку з плоско паралельними поверхнями - ортогонально його зовнішній границі таким чином, як це наведено на схемі навантаження при випробуванні (Фіг.1). При цьому, спочатку зразок розташовують таким чином, щоб в одній групі відбитків твердості довга діагональ була розташована паралельно діючим залишковим напруженням s . При такому варіанті випробувань розмір довгої діагоналі відбитку індентора, який отримано при прийнятому зусиллі вдавлювання, контролюється структурним станом покриття або шару матеріалу. Потім зразок повертають таким чином, щоб в іншій групі відбитків довга діагональ була розташована перпендикулярно діючим залишковим напруженням s . При такому розташуванні зразка розмір довгої діагоналі відбитку індентора додатково контролюється залишковими напруженнями, які діють в покритті. Невиконання умов ортогональності, при якому довга діагональ відбитку індентора Кнупа зорієнтована по відношенню до напряму дії залишкових напружень s під деяким кутом a, призводить до порушення вісісиметричності поля контактних напружень в області заглиблення 82882 6 індентора і, як наслідок, довикривлення форми відбитка, знижуючи точність способу. Попередньо проводять дві серії випробувань зразку при ступінчастому зростанні зусилля P (Р1