Контрольные вопросы

1. Укажите особенности обработки искаженной делительной сетки при поэтапных методах исследования деформированного состояния.

2. Назовите поэтапные методы исследования деформированногосостояния.

3. В чем сущность модернизированного метода Пашкова?

4. Можно ли применять модернизированный метод Пашкова для анализа конечных деформаций?

Лабораторная работа №4

Использование тарировочных графиков для оценки интенсивности напряжений и деформаций

Цель работы

Применение метода измерения твердости при исследовании деформированного состояния тела.

Теоретические сведения

Метод исследования деформированного состояния по измерению твердости деформируемого тела основан на широко известном факте существенного изменения физико-механических свойств металлов при их пластическом формоизменении. Это изменение обусловлено работой, затраченной на пластическое деформирование металла. Так, при холодной обработке металлов давлением способность металлов сопротивляться последующей пластической деформации возрастает, а способность их деформироваться снижается. В частности, это связано с упрочнением, вызванным пластической деформацией, и такая характеристика физико-механических свойств металла, как твердость, вследствие этого может служить мерой работы, затраченной на пластическое формоизменение металла. Располагая установленной для конкретного металла зависимостью между показателями напряженно-деформированного состояния (интенсивностями напряжений и деформаций) и твердостью, замеряя твердость в различных точках деформируемого тела, можно оценить напряженно-деформированное состояние в них.

Г.Д. Делем экспериментально было установлено существование для каждого металла единой зависимости между твердостью и интенсивностью напряжений для различных схем напряженного состояния и путей нагружения.

Поскольку между интенсивностью напряжений и интенсивностью деформаций существует связь, определяемая кривой течения (кривой истинных напряжений), которая также практически не зависит от схемы напряженно-деформированного состояния для большинства обрабатываемых давлением материалов (гипотеза единой кривой течения), то по определенному значению твердости можно судить и о деформированном состоянии в точке тела.

Типичная зависимость между твердостью, интенсивностью напряжений и интенсивностью деформаций, называемая тарировочным графиком, показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1

Следует указать, что метод измерения твердости дает возможность получить объективную информацию при анализе не очень малых и не очень больших деформаций, поскольку при анализе малых деформаций большой разброс исходной твердости материала вносит существенную погрешность, а при анализе больших деформаций, при которых материал уже мало упрочняется, твердость остается практически постоянной и не может характеризовать деформированное состояние.

При исследовании напряженно-деформированного состояния пользуются различными способами определения твердости. Выбор способа измерения твердости зависит от размеров образца или области пластической деформации, неравномерности распределения деформаций.

Условия испытаний по определению твердости регламентированы ГОСТ 9012-84 (по Бриннелю), ГОСТ 2999-84 (по Виккерсу), ГОСТ 9013-84 (по Роквеллу) и ГОСТ 9450-76 (микротвердость).

Несмотря на то, что между микро- и макротвердостью существует вполне определенная связь, считается целесообразным использовать измерение микротвердости лишь в крайних случаях, например при малых размерах пластической области и большой неравномерности распределения деформаций. Это связано с серьезными трудностями измерения микротвердости.

Для получения стабильных результатов измерения твердости поверхность, на которой производятся замеры, должна быть хорошо отшлифована (9, 10-й класс чистоты). Наиболее надежную информацию получают, используя метод Бриннеля (для больших областей пластической деформации) и метод Виккерса (для небольших областей пластической деформации).

При испытаниях по Бриннелю рекомендуется выдерживать расстояние от центра отпечатка до края образца не мене (диаметр отпечатка), а расстояние между центрами двух соседних отпечатков – не менее . У мягких металлов с эти расстояния должны быть соответственно не менее и . Толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка.

При замерах твердости по Виккерсу минимальная толщина образцов из стали должна быть больше диагонали отпечатка в 1,2 раза и в 1,5 раза при испытании цветных металлов. Расстояние между центрами отпечатков и от края образца должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка.

Недостатком способа замера твердости по Роквеллу является невысокая стабильность получаемых результатов.

Для построения тарировочного графика интенсивность напряжений – твердость – интенсивность деформаций необходимо измерять твердость при различной величине деформации образца, напряженно-деформированное состояние которого известно. Обычно тарирование проводят путем испытания образца на растяжение или сжатие. В обоих случаях интенсивность напряжений определяют по выражению

, (4.1)

где - деформирующее усилие; - диаметр продеформированного образца.

Интенсивность деформации определяют по выражению

, (4.2)

где и - длина образца после и до деформирования при растяжении, и высота образца до и после деформирования при сжатии.

При построении тарировочного графика из опытов на сжатие изготавливается серия одинаковых образцов, испытанием одного из которых определяется твердость материала в недеформированном состоянии, а остальные осаживаются до различных степеней деформации. Осаженные образцы разрезают по меридиональному сечению и полученную поверхность шлифуют, после чего на этой поверхности проводят замеры твердости в нескольких точках. Осредненное значение твердости принимают за твердость, соответствующую данному напряженно-деформированному состоянию. Испытания на сжатие ограничиваются началом бочкообразования, при котором вследствие неравномерности деформаций твердость в меридиональном сечении имеет большой разброс.

При построении тарировочного графика из опытов на растяжение образцы растягиваются до различных степеней деформации (некоторые образцы доводят до разрушения). На деформированных образцах выполняют лыски, в различных точках которых измеряют твердость. Надежные результаты получают до момента образования шейки, после чего напряженное состояние перестает быть линейным и для его определения необходимо вводить известные поправки, например поправку Давиденкова – Спиридоновой.

Для уменьшения погрешности, связанной с возможным различием между исходной твердость исследуемого тела и твердостью тарировочных образцов, тарировочный график рекомендуют строить в координатах интенсивность деформации – приращение твердости.

Для определения по тарировочному графику интенсивности напряжений и деформаций в области пластической деформации исследуемого тела необходимо знать распределение твердости в этой области. Обычно исследуемое тело после деформирования (или этапа деформирования) разрезают. Слой материала, получившего упрочнение в результате этой операции, удаляют. Для этого после чистового строгания или точения испытуемую поверхность шлифуют для измерения макротвердости или полируют для измерения микротвердости. Рекомендуют 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. Обычно для этого наносят изосклеры – линии равной твердости. По поверхности из тарировочного графика определяют соответствующую каждой изосклере величину интенсивности напряжений и деформаций.

В некоторых случаях полученной информации достаточно для определения компонентов тензора-девиатора деформаций. Чаще же метод измерения твердости используют в комбинации с геометрическими методами исследования деформации.