Способ и устройство для определения твердости и модуля упругости конструкционного материала

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ И МОДУЛЯ УПРУГОСТИ КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Крень Александр Петрович Рудницкий Валерий Аркадьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(56) РУДНИЦКИЙ В.А. и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1995. - Т .61. -11. - С. 59-61. РУДНИЦКИЙ В.А. и др. Испытание эластомерных материалов методами индентирования. - Минск Белорусская наука, 2007. - С. 188-190, 198.20071516, 2009.3955 , 2007.10472 1, 2008.953520, 1982.1434318 1, 1988.2005/0154540 1.2008/268022 . КРЕНЬ А.П. и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2007. Т. 73. -10. - С. 59-63.(57) 1. Способ определения твердости и модуля упругости конструкционного материала,согласно которому наносят удар жестким индентором со сферическим наконечником с заданной кинетической энергией по испытуемым образцам получают зависимости значений контактной силыот глубины вдавливания индентораопределяют по полученным 15935 1 2012.06.30 зависимостямобразец с наименьшим значением максимальной контактной силы Рмакс 1 при ударе выбирают значение контактной силы Рв, равное максдля произвольного ис 3 пытуемого образца по его зависимостиопределяют значение глубины вдавливания индентора 1 на активной стадии удара и значение глубины вдавливания индентора 2 на пассивной стадии удара, соответствующие выбранному значению контактной силы Рв, и значение остаточной глубины отпечатка ост, образованного после окончания удара, и определяют твердостьи модуль упругостив соответствии с выражениями в( ост 2 ) 2 2 где- диаметр сферического наконечника индентора- коэффициент Пуассона. 2. Устройство для определения твердости и модуля упругости конструкционного материала способом по п. 1, содержащее корпус, основной поворотный рычаг, на конце которого закреплен индентор со сферическим наконечником с вмонтированным основным постоянным магнитом, катушку индуктивности, охватывающую основной постоянный магнит, прикрепленную к корпусу, соединенную с вычислительным блоком и блоком индикации, причем в плоскости вращения основного поворотного рычага расположен дополнительный поворотный рычаг с дополнительным постоянным магнитом, намагниченный противоположно полю основного постоянного магнита, а над основным поворотным рычагом расположен прикрепленный к корпусу ограничитель угла поворота. Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к определению физико-механических характеристик конструкционных материалов (металлов, полимеров,композитов), и может быть использовано для контроля непосредственно изделий без их разрушения. Известны способ и устройство определения твердости материалов 1. Способ заключается в нанесении удара жестким индентором по испытуемому объекту, измерении скорости отскока и скорости падения, по отношению которых судят о твердости материала. Однако этот способ не может быть применен для определения твердости пластиков или твердых полимеров ввиду сильной зависимости результатов измерений от модуля упругости полимеров, величина которого не является постоянной величиной, как, например, для стали, а сильно зависит от технологических режимов изготовления. Устройство для определения твердости содержит индентор с вмонтированным постоянным магнитом, который разгоняется за счет действия сжатой пружины в направляющей втулке. Устройство снабжено катушкой индуктивности, соединенной с блоком обработки и блоком индикации. Недостатком устройства является невысокая точность измерения из-за неизбежного отклонения индентора от направления, задаваемого направляющей втулкой, и касания им стенок втулки во время его свободного движения, особенно при испытании наклонно расположенных изделий. Наиболее близким способом к заявляемому изобретению является способ определения твердости и модуля упругости путем использования непрерывной диаграммы вдавливания в процессе удара в виде зависимости контактной силы от глубины вдавливания, определения на диаграмме максимальных значений силы и глубины вдавливания, и по их отношению определяется твердость, а по углу наклона кривой разгрузки определяют модуль 2 15935 1 2012.06.30 упругости 2. Недостатком этого способа является низкая точность определения твердости при контроле полимеров из-за сильного влияния упругой деформации на результат измерения твердости. Прототип устройства 3 содержит индентор с вмонтированным постоянным магнитом, закрепленный на конце поворотного рычага, катушку индуктивности, прикрепленную к корпусу, охватывающую постоянный магнит и электрически связанную с вычислительным блоком и блоком индикации. Недостатком прибора является невозможность контролировать изделия, расположенные произвольным образом в пространстве,поскольку разгон осуществляется под действием силы тяжести. Техническая задача изобретения заключается в обеспечении возможности измерять с высокой точностью свойства материалов объектов, различным образом ориентированных в пространстве. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем наносят удар жестким индентором со сферическим наконечником с заданной кинетической энергией по испытуемым образцам получают зависимости значений контактной силыот глубины вдавливанияопределяют по полученным зависимостямобразец с наименьшим значением максимальной контактной силы макс при ударе выбирают значение контактной силы в, равное 1/3 макс для произвольного испытуемого образца по его зависимости определяют значение глубины вдавливания индентора 1 на активной стадии удара и значение глубины вдавливания индентора 2 на пассивной стадии удара, соответствующие выбранному значению контактной силы в, и значение остаточной глубины отпечатка ост, образованного после окончания удара, и определяют твердостьи модуль упругости Е в соответствии с выражениями в(ост 2 )2 4 2 где- диаметр сферического наконечника индентора- коэффициент Пуассона. Новым является выбор контактного усилия для использования при определении глубин вдавливания на активной и пассивной стадиях ударного процесса и вычисления твердости и модуля упругости. Это дает возможность оценить твердость полимера как функцию только пластической деформации, а модуль упругости как функцию только упругой деформации, что позволяет решить поставленную выше техническую задачу. Сущность устройства для определения твердости и модуля упругости конструкционного материала заключается в том, что оно содержит корпус, основной поворотный рычаг,на конце которого закреплен индентор со сферическим наконечником с вмонтированным основным постоянным магнитом, катушку индуктивности, охватывающую основной постоянный магнит, прикрепленную к корпусу, соединенную с вычислительным блоком и блоком индикации. За основным поворотным рычагом в плоскости его вращения расположен дополнительный поворотный рычаг с дополнительным постоянным магнитом на конце, намагниченный противоположно полю основного постоянного магнита. Над основным поворотным рычагом к корпусу прикреплен ограничитель угла его поворота. Новым является использование дополнительного поворотного рычага с дополнительным постоянным магнитом, взаимодействие которого с основным постоянным магнитом обеспечивает разгон индентора, тем самым обеспечивая возможность с высокой точностью измерять свойства объектов, различным образом ориентированных в пространстве. На фиг. 1 представлена схема устройства для определения твердости и модуля упругости. 3 15935 1 2012.06.30 На фиг. 2 представлена зависимость контактной силыот глубины вдавливания . На фиг. 1 представлена схема устройства для определения твердости и модуля упругости, включающая индентор 1 со сферическим наконечником с вмонтированным основным постоянным магнитом 2, закрепленный на свободном конце основного поворотного рычага 3, максимальный угол поворота которого ограничивается ограничителем угла поворота 4. Индуктивная катушка 5, охватывающая основной постоянный магнит 2, неподвижно закреплена на корпусе 6 устройства и соединена с вычислительным блоком 7 и блоком индикации 8. Дополнительный поворотный рычаг 9 содержит дополнительный постоянный магнит 10, поле которого направлено противоположно основному постоянному магниту 2. Испытуемый полимерный материал обозначен позицией 11. На фиг. 2 представлена зависимость контактной силыот глубины вдавливания . Активная стадия ударапредставляет стадию нагружения, а- стадию разгрузки или пассивную стадию удара. Выбранной величине контактной силы в соответствуют значения глубины вдавливания 1 на активной стадии удара и 2 на пассивной стадии удара ост обозначает остаточную деформацию или глубину вдавливания непосредственно после окончания удара. Предлагаемый способ поясняется работой устройства. Нажимают на свободный конец дополнительного поворотного рычага 9 (фиг. 1), поднимая при этом дополнительный постоянный магнит 10. Поле дополнительного постоянного магнита 10 взаимодействует с полем основного постоянного магнита 2 и поворачивает основной поворотный рычаг 3,поднимая при этом индентор 1 до момента его касания ограничителя угла поворота 4. Продолжая нажим на дополнительный поворотный рычаг 9, дополнительный постоянный магнит 10 проходит нейтральное положение, после чего основной постоянный магнит 2 попадает в зону сильного отталкивания от дополнительного постоянного магнита 10, направленного вниз. Под действием этой силы индентор 1 ускоряется и ударяет по испытуемому образцу 11. Во время движения индентора 1 с постоянным магнитом 2 в индуктивной катушке 5 наводится сигнал, пропорциональный скорости индентора. После калибровки сигнала и проведения операций дифференцирования и интегрирования в вычислительном блоке 7 производится обработка сигнала, в результате чего получаем зависимость контактной силыот глубины вдавливания . Выбирают значение контактной силы в, для чего производят измерения на объектах, подлежащих контролю, определяют образец с наименьшим значением максимальной контактной силы макс и находят в 1/3 макс (для нашего случая в 20 ), и теперь по зависимостидля произвольного образца находим значения 154 мкм и 2111 мкм (фиг. 2). Кроме этого, из зависимостимы определяем остаточную деформацию ост 77 мкм. Теперь с помощью значений в, 1, 2 и ост определим твердость по формуле в 111,7 МПа ,( 21 ) где- диаметр сферического наконечника индентора, в нашемслучае 1 мм, а модуль упругости определяем по формуле 3 12 в( ост 2 )2 2 где- коэффициент Пуассона (для жестких полимеров 0,4). Предлагаемый способ и устройство позволяют с высокой точностью определять твердость и модуль упругости конструкционных материалов в изделиях, произвольным образом ориентированных в пространстве. 15935 1 2012.06.30 Источники информации 1. Патент Великобритании 1485218, МПК 01 3/52. Способ определения материалов на твердость и устройство для его осуществления. 2. Рудницкий В.А., Дякович В.В. Оценка модуля упругости металлических материалов методом динамического вдавливания индентора // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 1995. -11. - С. 59-61. 3. А.с. СССР 1138696, МПК 01 3/48. Прибор для определения твердости материалов // Бюл.5. - 1985. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5