Розглянуто можливість використання методу мікроударного індентування для оцінки фізико-механічних характеристик чавуну з використанням приладу ІФМХ-Ч, розробленого в ІПФ НАН Білорусі. Встановлено, що метод і прилад дозволяють контролювати такі параметри, як твердість по Брінеллю в діапазоні 100-500 НВ, модуль пружності від 40 до 200 МПа, а також визначати межа міцності і марку чавуну від СЧ10 до СЧ35 для сірого чавуну і від ВЧ35 до ВЧ70 для високоміцного. Показана можливість використання приладу для оперативного неруйнівного контролю безпосередньо деталей і виробів в умовах виробництва.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Крень А.П., Рудницький В.А., Ланцман Г. А., Делендік М.Н., Зінькевич Н.В.


TESTING OF THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF CAST IRON WITH THE HELP OF IFMH-C DEVICE

The possibility of the application of impact microindentation method for testing the physic and mechanical properties of cast iron using the IFMH-C instrument developed at the Institute of applied physics of the National Academy of Sciences of Belarus was tested. It was established that the method and the instrument allow to estimate such parameters as Brinell hardness in the range of 100-500 HB, elastic modulus from 40 to 200 MPa, as well as to determine the tensile strength of the flake and spheroidal graphite cast irons . The possibility of using the instrument for non-destructive test directly of parts and products in the manufacturing environments is shown.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Лиття і металургія

    Наукова стаття на тему 'Контроль фізико-механічних характеристик чавуну приладом іфмх-ч'

    Текст наукової роботи на тему «Контроль фізико-механічних характеристик чавуну приладом іфмх-ч»

    ?А КМДА ^ г: Г1ТГГ / СБ

    -3, 2019 /

    https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-3-65-69 Надійшла 29.05.2019

    УДК 620.179 Received 29.05.2019

    КОНТРОЛЬ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК чавуну ПРИЛАДОМ ІФМХ-Ч

    А. П. КРЕНЬ, В. А. РУДНИЦЬКИЙ, Г. А. Ланцман, ГНУ Інститут прикладної фізики НАНБеларусі, м.Мінськ, Білорусь, вул. Академічна, 16. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., М. Н. ДЕЛЕНДІК, Філія Білоруського національного технічного університету «Міжгалузевий інститут підвищення кваліфікації та перепідготовки кадрів з менеджменту та розвитку персоналу», м.Мінськ, Білорусь. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.,

    Н. В. Зінькевич, Е. В. ГНУТЕНКО, ДНУ «Інститут прикладної фізики НАН Білорусі», м.Мінськ, Білорусь, вул. Академічна, 16. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розглянуто можливість використання методу мікроударного індентування для оцінки фізико-механічних характеристик чавуну з використанням приладу ІФМХ-Ч, розробленого в ІПФ НАН Білорусі. Встановлено, що метод і прилад дозволяють контролювати такі параметри, як твердість по Брінеллю в діапазоні 100-500 НВ, модуль пружності від 40 до 200 МПа, а також визначати межу міцності і марку чавуну від СЧ10 до СЧ35 для сірого чавуну і від ВЧ35 до ВЧ70 для високоміцного. Показана можливість використання приладу для оперативного неруйнівного контролю безпосередньо деталей і виробів в умовах виробництва.

    Ключові слова. Чавун, індентування, твердість, модуль пружності, межа міцності, неруйнівного контролю. Для цитування. Крень, А. П. Контроль фізико-механічних характеристик чавуну приладом ІФМХ-Ч / А. П. крень, В. А. Рудницький, Г. А. Ланцман, М. Н. Делендік, Н. В. Зінькевич, Е. В . Гнутенко // Лиття і металургія. 2019. № 3. С. 65-69. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-3-65-69.

    TESTING OF THE PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF CAST IRON WITH THE HELP OF IFMH-C DEVICE

    A. P. KREN, V. A. RUDNITSKY, G. A. LANTSMAN, Institute of applied Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, 16, Akademicheskaya str., E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.,

    M. N. DELENDIK, Branch of the Belarusian National Technical University «Intersectoral Institute for Staff Training and Retraining on Management and Personnel Development», Minsk, Belarus. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.,

    N. V. ZINKEVICH, E. V. HNUTSENKA, Institute of applied Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, 16, Akademicheskaya str. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    The possibility of the application of impact microindentation methodfor testing the physic and mechanical properties of cast iron using the IFMH-C instrument developed at the Institute of applied physics of the National Academy of Sciences of Belarus was tested. It was established that the method and the instrument allow to estimate such parameters as Brinell hardness in the range of100-500 HB, elastic modulus from 40 to 200 MPa, as well as to determine the tensile strength of the flake and spheroidal graphite cast irons. The possibility of using the instrumentfor non-destructive test directly ofparts and products in the manufacturing environments is shown.

    Keywords. Cast iron, indentation, hardness, elastic module, ultimate strength, non-destructive test.

    For citation. Kren A. P., Rudnitsky V. A., Lantsman G. A., Delendik M. N., Zinkevich N. V., Hnutsenka E. V. Testing of the physical and mechanical properties of cast iron with the help of IFMH-C device. Foundry production and metallurgy, 2019, no. 3, pp. 65-69. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-3-65-69.

    Чавунне лиття широко застосовується на вітчизняних і зарубіжних промислових підприємствах. Чавун є одним з основних конструкційних матеріалів і використовується у всіх галузях промисловості: автомобілебудуванні (для виготовлення блоків циліндрів і колінчастих валів), залізничному транспорті (гальмівні колодки), верстатобудуванні (станини), нафтової промислово-

    FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY

    UUI 3, 2019-

    сти (труби). Завдяки наявності графітових включень чавун добре гасить вібрацію, може застосовуватися при низьких температурах. У той же час при виготовленні різних виробів виникають складнощі з їх контролем, оскільки часто необхідно не тільки визначити структуру сформованого чавуну (як правило, розділити сірий (СЧ) і високоміцний (ВЧ)), але і чітко встановити фізико-механічні характеристики: межа міцності св, твердість по Брінеллю HB, модуль пружності Еу, а в оптимальному випадку встановити марку чавуну.

    Механічні характеристики чавуну регламентуються відповідними стандартами. Для СЧ-це ГОСТ 1412-85 «Чавун з пластинчастим графітом для виливків. Марки », для ВЧ - ГОСТ 7293-85« Чавун з кулястим графітом для виливків. Марки ». Згідно з даними стандартам марка визначається в першу чергу значенням межі міцності на розрив. Крім того, для високоміцного чавуну для кожної марки регламентується значення умовної межі текучості, твердості і відносного подовження. Для сірого чавуну лише для довідки наводяться значення модуля пружності і твердості.

    В даний час в 100% випадків для визначення s на підприємствах використовують руйнують методи контролю - за допомогою розривних машин. Це довго, незручно і дорого: необхідно виготовити і випробувати спеціальні зразки-свідки, властивості яких не завжди збігаються з властивостями безпосередньо вироби. При цьому вирізка зразків з вироби веде до неможливості його подальшої експлуатації. Більш оперативним контролем є вимір твердості по Бринеллю HB, значення якої визначається в основному властивостями металевої основи. Однак якщо використовувати стаціонарні твердоміри, то контроль безпосередньо великогабаритних виробів не завжди можливий. У той же час застосування портативних динамічних твердомірів є, на нашу думку, невиправданим, оскільки може призводити до великих погрішностей вимірів. Ці похибки будуть викликані впливом на процес удару модуля пружності [1], що не враховується в використовуваних в даних приладах градуювання.

    Важливою характеристикою чавуну є і модуль пружності Еу. Відомо [2], що Еу чавуну практично не залежить від структури металевої основи на відміну від твердості і визначається в основному графитной складової. При цьому для ВЧ він знаходиться в діапазоні 130-180 ГПа, а для СЧ-в межах 50-130 ГПа, змінюючись навіть в межах однієї марки на 20-50% (чим вище межа міцності, тим менше це зміна).

    Також важливою для контролю є встановлена ​​і багаторазово перевірена зв'язок між міцністю, модулем пружності і твердістю [2]:

    s = kEyHB, (1)

    де k - коефіцієнт, що залежить від виду чавуну: для сірого k «1,15, для високоміцного k« 1,62.

    Таким чином, можна стверджувати, що для підтвердження якості отриманого чавуну з точки зору його відповідності необхідним фізико-механічними показниками необхідно визначити будь-які дві з вхідних в формулу (1) величини, а третю отримати розрахунком з урахуванням того, що модулі пружності сірого і високоміцного чавуну лежать в різних діапазонах.

    Поділ чавунів на сірий і високо вже успішно проводиться за допомогою ультразвукових приладів, які реєструють швидкість ультразвукової хвилі в матеріалі, яка пов'язана з модулем пружності за допомогою відомих формул [3, 4]. Перевага методу в тому, що не потрібно підготовка поверхні. У той же час він поки не дозволяє c достатньою точністю визначити твердість і межа міцності широкого кола чавунів, а значить, і їх марку.

    У даній роботі була вивчена можливість застосування для цих цілей методу динамічного індентування (МДІ) [5] і приладу ІФМХ-Ч (рис. 1), що реалізує даний метод. Прилад був розроблений в ІПФ НАН Білорусі та являє собою датчик-твердомер, що дозволяє контролювати твердість сталей за шкалами HB, HRC і HV, і електронний блок, який обробляє додаткову інформацію для встановлення фізико-механічних характеристик чавуну. При цьому датчик-твердомер внесений до Держреєстру засобів вимірювальної техніки як твердомер Т ПЦ-7 під номером РБ 03 03 6414 17.

    Сутність МДІ, розробленого в ІПФ НАН Білорусі, полягає в нанесенні одноразового мікроудари з фіксованою предударний енергією, що визначається масою индентора m і предударний швидкістю Vj. Відмінною особливістю методу є можливість реєстрації всього процесу навантаження (рис. 2) у вигляді діаграм «контактне зусилля P - переміщення h», а також залежностей P = f (t), h = f (t), V = f (t) в широкому діапазоні зміни сил і переміщень [6].

    А ВІДПОВІДНО ДО ЖОДНОЇ І ГОТШГ ГГИ ІВ7

    -3, 2019 / і »

    Мал. 1. Зовнішній вигляд приладу для контролю характеристик чавуну: 1 - датчик-твердомер ТПЦ-7; 2 - електронний блок; 3 -

    зразок

    в г

    Мал. 2. Характерні залежності ударного процесу: а, б, в - залежно глибини впровадження індентора, швидкості і контактного зусилля від часу; г - діаграма динамічного індентування

    б

    а

    Реєстрація параметрів hp, hmax, ротах, tai,? Уд, Ко, Кп і ін. (Рис. 2), дозволяє використовувати положення розробленого ІПФ НАН Білорусі Державного стандарту СТБ 2495-2017 «Контроль неруйную ющий. Визначення фізико-механічних характеристик конструкційних матеріалів методами ін-дентірованія »для розрахунку модуля пружності матеріалу Еу, а також точних значень твердості НВ за даними ударного контакту.

    Це в корені відрізняє метод і обладнання від існуючих звичайних динамічних твердомірів, які реєструють тільки ставлення швидкості відскоку индентора Vо до швидкості підльоту Vп. Це відношення носить назву твердості по Лібу нь [7] і залежить як від твердості матеріалу, так і його модуля пружності. Якщо для сталей модуль пружності змінюється у вузькому діапазоні 190-210 ГПа, то це зміна можна не враховувати. Для чавунів, як було сказано раніше, Еу змінюється в широкому діапазоні, тому навіть коли в звичайному твердомере присутні градуювання для чавуну, то це не є коректним і може привести до значних похибок.

    Як доказ наведемо результати власних досліджень. На рис. 3, а показані дані вимірювань НВ за допомогою динамічного твердоміра, проградуированного виходячи з значень твердості, отриманих на стаціонарному твердомере Бринелля, і твердості по Лібу на сірих і високоміцних чавунах. Градуювання проводили на зразках у вигляді паралелепіпедів товщиною 15-35 мм і площею 70-100 см2 з вимірюванням спочатку нь, а потім в цій же точці НВ на твердомере Бринелля. Точки, за якими проводили градуювання, показані на рис. 3, а окремо. Надалі цю градуювання використовували для контролю більш широкого кола зразків, а також реальних виробів (решта точки на графіку). Всього було випробувано понад 200 образів. Як видно з рис. 3, а, похибка вимірювання НВ при використанні такої градуювання (що і робиться більшістю виробників) може

    ІFOUNDRV PRODUCTЮN ПND М € ТШі1ЮУ

    I 3, 2019-

    а б

    Мал. 3. Дані вимірювання твердості по Бринеллю: а - градуювання за значеннями твердості по Лібу; б - вимірювання за допомогою приладу ІФМХ-Ч

    досягати до 100 од., що неприпустимо для оцінки якості. На рис. 3, б для порівняння наведені результати випробувань тих же чавунів, але вже за допомогою приладу ІФМХ-Ч, який враховує вплив модуля пружності на значення динамічної твердості при перекладі її в одиниці НВ. В даному випадку похибка не перевищує 10-15 од., Що є хорошим результатом навіть при вимірюванні твердості сталей після градуювання за мірками твердості 2-го розряду.

    У таблиці наведено результати вимірювань фізико-механічних характеристик приладом ІФМХ-Ч в порівнянні з отриманими на стандартному обладнанні.

    Таблиця

    Номер зразка а, МПа (за даними виробника) Еу, ГПА (ІФМХ-Ч) Твердість, НВ а, МПа (ІФМХ-Ч) Марка чавуну (ІФМХ-Ч)

    твердомер Бринелля ІФМХ-Ч

    1 108 92 141 152 131 СЧ10

    2 160 110 142 142 165 СЧ15

    3 211 113 171 177 229 СЧ21

    4 253 115 219 228 272 СЧ25

    5 320 135 214 214 319 СЧ30

    6 350 137 233 233 354 СЧ35

    7 357 172 185 187 357 ВЧ35

    8 430 172 198 208 422 ВЧ40

    9 460 175 206 214 451 ВЧ45

    10 180 350 359 674 ВЧ60

    11 177 356 366 780 ВЧ70

    12 123 441 421 576 відбілити

    13 163 423 430 802 відбілити

    14 163 375 382 716 відбілити

    15 181 401 407 797 відбілити

    Дані випробувань приладу (див. Таблицю) говорять про можливість не просто виміряти з достатньою точністю основні фізико-механічні характеристики і не просто розмежувати чавун по виду (СЧ або ВЧ), але і встановити марку чавуну, а також виділити зразки, на поверхні яких утворився «вибілений» шар. Слід зазначити, що коефіцієнт пропорційності між твором ЕуНБ і ав для всіх чавунів становить приблизно 1,08 на відміну від зазначених у формулі (1) значень. В даному випадку необхідно враховувати, що модуль пружності, визначений за МДІ, може дещо відрізнятися від статичного модуля, проте в даному випадку це не грає будь-якої ролі.

    З таблиці видно, що для проведених випробувань похибка вимірювання НВ не перевищила 15 од., А межі міцності (для зразків, за якими були відомості) склала не більше 5%.

    _А до ГТ ^ г: ггетш? ГГК рр / з

    -3, 2019 / "в

    Таким чином, прилад ІФМХ-Ч успішно зарекомендував себе при контролі фізико-механічних характеристик чавуну. Він дозволяє достовірно виміряти твердість в діапазоні 90-450 HB, модуль пружності в діапазоні 70-220 ГПа, межа міцності в діапазоні 100-900 МПа. Датчик і електронний блок приладу пов'язані між собою бездротовим зв'язком, що дає можливість проводити дистанційний контроль. При промисловому застосуванні контроль може здійснюватися в окремих важливих точках вироби. Також прилад може допомогти значно скоротити обсяг руйнують випробувань на виробництві.

    ЛІТЕРАТУРА

    1. Maki S. Computer Simulation of Micro Rebound Hardness Test / S. Maki, T. Yamamoto // Procedia Engineering. 2014. Vol. 81. P. 1396-1401.

    2. Шерман А. Д. Чавун: Справ. / А. Д. Шерман. М .: Металургія, 1991. 576 с.

    3. OrJowicz W. Evaluation of ductile iron casting material quality using ultrasonic testing / W. Orlowicz, M. Tupaj, M. Mroz, E. Guzik // Journal of Materials Processing Technology. 2010. Vol. 210, No 11. P. 1493-1500.

    4. Майоров А. Л. Результати використання індикаторів структури високоміцного чавуну типу ИЧ в умовах виробництва / А. Л. Майоров, А. Р. Баєв, Г. Е. Коновалов, Н. Н. Гіль // Лиття і металургія. 2006. № 2. Ч. 1. С. 102-105.

    5. Рудницький В. А. Оцінка пластичності металевих матеріалів методом динамічного індентування / В. А. Рудницький, А. П. Крень, Г. А. Ланцман // Лиття і металургія. 2017. № 2. С. 81-87.

    6. Abetkovskaia S. O. Evaluation of viscoelastic properties of materials by nanoindentation. / S. O. Abetkovskaia, S. A. Chizhik, V. A. Rudnitsky, A. P. Kren // Journal of Friction and Wear. 2010. Vol. 31. No 3. P. 180-183.

    7. Leeb D. Dynamic hardness testing of metallic materials / D. Leeb // NDT International. 1979. Vol. 12, No 6. P. 274-278.

    REFERENCES

    1. Maki S., Yamamoto T. Computer Simulation of Micro Rebound Hardness Test // Procedia Engineering, 2014 року, vol. 81, pp. 1396-1401.

    2. Sherman A. D. Chugun: Spravochnik [Cast iron: Handbook]. Moscow, Metallurgija Publ, 1991. 576 p.

    3. OrJowicz W., Tupaj M., Mroz M., Guzik E. Evaluation of ductile iron casting material quality using ultrasonic testing. Journal of Materials Processing Technology 2010, vol. 210, no 11, pp. 1493-1500.

    4. Majorov A. L., Bajev A. R., Konovalov G. E., Gil N. N. The results of using of indicators of the high-test cast iron of type ICH structure in conditions of production. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2006, no. 2, vol. 1, pp. 102-105 (in Russian).

    5. Rudnitsky V. A., Kren A. P., Lantsman G. A. Evaluation of metallic materials plasticity by dynamic indentation method. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy 2017, no. 2, pp. 81-87 (in Russian).

    6. Abetkovskaia S. O., Chizhik S. A., Rudnitsky V. A., Kren A. P. Evaluation of viscoelastic properties of materials by nanoindentation. Journal of Friction and Wear 2010, vol. 31, no. 3, pp. 180-183.

    7. Leeb D. Dynamic hardness testing of metallic materials. NDT International, 1979, vol. 12, no. 6, pp. 274-278.


    Ключові слова: ЧАВУН /індентування /ТВЕРДІСТЬ /МОДУЛЬ ПРУЖНОСТІ /МЕЖА МІЦНОСТІ /НЕРУЙНІВНИЙ КОНТРОЛЬ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити