ОЦЕНКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПО ДИАГРАММЕ ВДАВЛИВАНИЯ СФЕРИЧЕСКОГО ИНДЕНТОРА ДЛЯ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ3-1

Грачев М.В.

ORCID: 0000-0002-1933-1403, Заведующий лабораторией, Соискатель, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ)

ОЦЕНКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПО ДИАГРАММЕ ВДАВЛИВАНИЯ СФЕРИЧЕСКОГО ИНДЕНТОРА ДЛЯ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ3-1

Аннотация

Проведено исследование титанового сплава по диаграмме вдавливания сферического индентора. Рассмотрена типовая диаграмма вдавливания индентора. На диаграмме показаны типовые области, характеризующие процесс: нагружения, паузы и разгружения. Рассмотрены математические зависимости, применяемые для расчета диаграммы вдавливания. Показана принципиальная схема установки для записи диаграммы вдавливания сферического индентора. Приведены результаты вдавливания и расчета различных показателей, характеризующих поверхностный слой для титанового сплава. Показана эффективность данного метода.

Ключевые слова: титан, технология, диаграмма вдавливания, индентор.

Grachev M.V.

ORCID: 0000-0002-1933-1403, Head of Laboratory, External doctorate student, Moscow Aviation Institute (National Research University) (MAI)

EVALUATION OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE SURFACE LAYER ON THE INDENTATION DIAGRAM OF A SPHERICAL INDENTOR FOR A TITANIUM ALLOY VT3-1

Abstract

A study of the titanium alloy on the indentation diagram of a spherical indenter is carried out, considering a typical indentation diagram. The diagram shows typical areas characterizing the process: loading, pausing and unloading. Mathematical dependencies used to calculate the indentation diagram are considered.A flowchart diagram of the installation for recording the indentation diagram of a spherical indenter is shown. The results of indentation and calculation of various parameters characterizing the surface layer for a titanium alloy are presented, the effectiveness of this method is shown as well.

Keywords: titanium, technology, indentation diagram, indentor.

Введение

Современные тенденции в развитии материаловедения и технологий по модифицированию поверхностных слоев направлены на получение заданных физико-механических параметров с учетом условий эксплуатации деталей. Особую значимость это приобретает, в частности, в современном авиа - двигателестроении, где задачи обеспечения износостойкости, усталостной прочности, фреттингостойкости, коррозионной стойкости и т.п. являются актуальными. Правильное их решение основано не только на обоснованном выборе режимов и методов технологического воздействия (нанесение покрытий, химико-термическая обработка и т.д.), но и возможностях достоверной оценки и прогнозирования такого воздействия.

Цель исследования Целью исследования является определение характеристик поверхностного слоя для титанового сплава с различными покрытиями по диаграмме вдавливания сферического индентора.

Методика исследований

Традиционными методами определения механических свойств материалов являются испытания на растяжение, сжатие, оценка твердости и микротвердости и т.п.. Определенный интерес представляет метод, основанный на непрерывной регистрации нагрузки и глубины внедрения индентора в испытуемый образец.

Типовая диаграмма вдавливания представлена на рис. 1.

В данном случае участок 0-1-2 описывается следующими формулами:

h_∑I – текущая глубина внедрения индентора при нагружении;

Pi – текущая сила вдавливания индентора;

n – показатель

a - коэффициент, зависящий от физико-механических свойств материала и размеров индентора.

Участок кривой 3-4 – участок разгружения. В ходе процесса разгружения происходит релаксация энергии. Этот участок описывается следующими зависимостями:

где bj-коэффициент, зависящий от физико-механических свойств материала и размеров индентора;

h_рi-текущее значение глубины внедрения при разгружении;

h_oj-остаточная глубина внедрения, соответствующая конечной (j-ой) точке при нагружении;

m-показатель.

Рис. 1 - Типовая диаграмма вдавливания сферического индентора

Определяются константы a, b, c, n, m, и r, которые подсчитываются по следующим зависимостям:

где N-количество точек на соответствующих кривых, взятых для расчета; (для b, c, m, и r – формулы аналогичны).

 - модуль Юнга исследуемого материала, где, е₁- упругая константа индентора.

Средние контактные давления при нагружении и разгружении определяются по следующим формулам:

Величину контактных давлений целесообразно рассматривать в зависимости от степени деформации в отпечатке e, которая, в отличие от конуса и пирамиды, при вдавливании сферического индентора переменна из-за нарушения геометрического подобия лунки. Кроме того, степень деформации для сравнительной оценки удобна тем, что она безразмерна. Степень деформации определяется при нагружении и разгружении следующим образом.

Результаты исследований

Для записи диаграммы вдавливания сферического индентора применялась специальная установка.

Она позволяет вдавливать индентор 1 и перемещать образец 2 в тангенциальном направлении с непрерывной регистрацией силы вдавливания P  от 0 до 800 Н, глубины внедрения h, силы трения Fтр, величины смещения в тангенциальном направлении z.

 

Таблица 1 - Результаты испытаний по диаграмме вдавливания

 

Установка включает в себя три основных кинематических узла : механизм нагружения (узел 1), механизм опускания и подъема индентора (узел 2) и механизм тангенциального перемещения (узел 3). Установка работает следующим образом. Образец-2 из исследуемого материала закрепляется на столе -3. Закрепление необходимо для избежания ошибки измерений из-за возможных угловых микросмещений при действии нагружающей силы. Каретка -6, в которой на тарельчатых пружинах-5 подвешен шток-10 с индуктивным преобразователем -7, упругим элементом-8 и индентором -1, пере­мещается вертикально. Электродвигатель Д1 и Д4 обеспечивают соответственно ускоренное и медленное движения. При достижении необходимой силы касания P_кас (в экспериментах она составляла 1…1, 02 Н), которая оценивалась по величине деформации тарельчатых пружин 5 с наклеенными на них тензорезисторами-9 (рис. 4.4), происходит останов каретки и ее фиксация электромагнитами -ЭМ.

Для исключения погрешности измерений из-за податливости в стыке образец-стол индуктивный преобразователь жестко крепился на штоке, а индентор, в качестве которого служили выглаживатели со сферической рабочей частью из природных и синтетических (АСПК-3) алмазов, соединен со штоком посредством резьбового соединения. При этом сила затяжки выбиралась так, чтобы она обеспечивала натяг на торце штока больший, чем может возникнуть от максимальной силы при вдавливании.

Вдавливание индентора (нагружение - разгружение (узел 1) обеспечивалось перемещением пиноли -11 от электродвигателей Д3 и Д2 (Д2- для ускоренного подвода, Д3- непосредственно для нагружения). Скорость нагружения определялась изменением частоты вращения Д3, а также жесткостью упругого элемента -8. Тангенциальное перемещение образца (узел 3) может осуществляться бесступенчато от электродвигателя Д5.

Для измерения и фиксации исследуемых параметров установка оснащена тензоусилителем ТА5 (измерение сил), системой электронной измерительной 214ПС (измерение глубины внедрения) и самопишущими двух координатными потенциометрами ПДС-021.

Силы оценивали по деформации упругих элементов 8, 9, 12 с наклеенными на них тензорезисторами. Для исключения влияния силы P  на показания F_тр дополнительно установлена тензобалка -13, имеющая гибкую связь-14 со столом-3 и не воспринимающая по этой причине растягивающих напряжений в отличие от упругих элементов 12. Запись тангенциального перемещения z образца 2 производилась на потенцио­метре по изменению напряжения на резисторе, включенного в электрическую цепь по схеме делителя напряжения. При этом ползунок резистора был жестко связан со столом. Функционирование установки в полуавтоматическом режиме обеспечивалось электросхемой.

Образцы изготавливались в виде пластин толщиною не менее 8 мм, что давало основания рассматривать их как упруго-пластическое полупространство. После нагружения осуществлялась выдержка в течение 10... 15 секунд, задаваемая с помощью реле времени, затем производилась разгрузка. В каждом случае выполнялось не менее 3-х опытов с последующим осреднением результатов. Для исключения взаимного влияния соседних отпечатков они располагались на расстоянии, превышающим их диаметр в 5 раз. Результаты тарировки обрабатывались по методу наименьших квадратов.

Для проверки правильности показаний приборов использовалась мера твердости HV5-424 к прибору ТП-2 (в дальнейшем эталон), рабочая поверхность которой обработана в пределах Ra= 0,12...0,02 мкм.

Скорость нагружения составляла 10... 40 Н/с, а ее изменение в указанном интервале практически не сказывалось на получаемых результатах. Результаты расчетов по диаграмме вдавливания сферического индентора представлены в таблице 1.

Выводы

Можно констатировать, что оценка физико-механических свойств поверхностного слоя по диаграмме вдавливания сферического индентора, является эффективным способов исследования поверхностного слоя материалов.

Список литературы / References

1. Хворостухин Л. А. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением /Л.А. Хворостухин, С.В. Шишкин, А.П. Ковалев и др. - М.: Машиностроение, 1988.
2. Булычев С. И. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора / С.И. Булычев, В.П. Алехин - М.: Машиностроение, 1990.
3. Григорович В. К. Твердость и микротвердость металлов / В.К. Григорович - М.: Наука. 1976.
4. Ковалев А. П. Оценка несущей способности поверхностного слоя деталей вдавливанием сферического индентора / А.П. Ковалев //Технология машиностроения. - 2007. - № 9. - С. 50 -53.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Hvorostuhin L. A. Povyshenie nesushhej sposobnosti detalej mashin poverhnostnym uprochneniem [Increasing the bearing capacity of machine parts surface hardening] /L.A. Hvorostuhin, S.V. Shishkin, A.P. Kovalev and others. - M.: Mashinostroenie, 1988. [in Russian]
2. Bulychev S. I. Ispytanie materialov nepreryvnym vdavlivaniem indentora [Materials testing continuous indentation] / S.I. Bulychev, V.P. Alehin - M.: Mashinostroenie, 1990. [in Russian]
3. Grigorovich V. K. Tverdost' i mikrotverdost' metallov [Hardness and micro-hardness of metals] / V.K. Grigorovich - M.: Nauka. 1976. [in Russian]
4. Kovalev A. P. Ocenka nesushhej sposobnosti poverhnostnogo sloja detalej vdavlivaniem sfericheskogo indentora [Evaluation of the bearing capacity of the surface layer parts indentation spherical indenter] / A.P. Kovalev // Tekhnologiya Mashinostroeniya - 2007. - № 9. - P 50-53. [in Russian]