способ определения твердости металла тонкостенных оболочек

Формула изобретения

Способ определения твердости металла тонкостенных оболочек, например сосудов давления и трубопроводов, заключающийся в том, что измеряют отношение скоростей отскока и падения бойка твердомера от исследуемой оболочки V/V_н, отличающийся тем, что в зависимости от кривизны и толщины оболочки определяют отношение скорости отскока бойка от эталонной меры твердости с механическими свойствами, такими же, как и у исследуемой оболочки, к скорости отскока бойка от исследуемой оболочки V₀/V, на основании которого определяют величину условной твердости HL₀, соответствующую данной эталонной мере твердости, аналогичные величины условной твердости определяют для еще нескольких мер твердости, на основании которых осуществляют тарировку твердомера, посредством которого определяют твердость исследуемой оболочки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к измерению твердости материалов, преимущественно металлов, тонкостенных оболочек, например сосудов давления и трубопроводов.

Известен способ определения твердости металла, основанный на измерении отношения скорости отскока и падения бойка твердомера (см. “VDI-Bericht”, №308, с.123-128, 1978 г).

Недостатком указанного способа является ограниченный диапазон толщин оболочек при определении твердости металла, из которого они изготовлены.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ определения твердости металла оболочек, например сосудов давления и трубопроводов, основанный на измерении отношения скорости отскока и падения бойка твердомера (см. патент Российской Федерации №2041458 от 1993 г.).

Недостатком этого способа также является ограниченный диапазон толщин оболочек при определении твердости металла, из которого они изготовлены, а также невозможность определения твердости металла при исследовании тонкостенных оболочек.

Предложен способ определения твердости металла тонкостенных оболочек, например сосудов давления и трубопроводов, основанный на измерении отношения скорости отскока и падения бойка твердомера, отличающийся тем, что создают математическую модель (например, на основе метода конечных элементов), описывающую процесс динамического взаимодействия бойка твердомера с оболочкой с учетом ее жесткости и условий закрепления, строят номограммы, устанавливающие связь между скоростью отскока бойка от оболочки и от эталонной меры твердости, по которым в зависимости от геометрических параметров оболочки определяют значение твердости металла.

Предложенный способ лишен указанных для аналога и прототипа недостатков и позволяет определять твердость металла тонкостенных оболочек.

Для пояснения описываемого способа на фиг.1 показаны конечноэлементные модели: а) цилиндрической оболочки и бойка и б) плоской оболочки и бойка; на фиг.2 изображена номограмма изменения отношения скоростей отскока бойка от эталонной меры твердости и оболочки в зависимости от ее (оболочки) кривизны.

Как видно из фиг.1, математическую модель, описывающую процесс динамического взаимодействия бойка 1 твердомера (на фиг. не показан) с оболочкой 2, создают с использованием метода конечных элементов 3, в соответствии с которым рассматриваемые тела - боек и оболочку - на основании данных их фактических геометрических размеров разбивают на конечные элементы 3 (фиг.1а) и б)). К модели прикладывают необходимые граничные условия по перемещениям, определяемые характером закрепления оболочки 2, и начальные условия по скорости к бойку 1. Задают также механические свойства металла оболочки и бойка: модуль упругости, плотность и диаграмму упругопластического деформирования. Последнее для оболочки. Расчетным путем определяют все основные характеристики процесса взаимодействия бойка и оболочки при ударе, включая скорость отскока бойка, величина которой зависит от потерь начальной кинетической энергии бойка на работу упругопластических деформаций и колебательные процессы, возникающие в оболочке и бойке.

Аналогичные расчеты выполняют для случая соударения бойка с пластиной (фиг.1б), притертой к жесткому массивному основанию, моделирующей эталонную меру твердости, свойства материала которой задаются такими же, как и для материала (металла) оболочки.

На основании серии расчетов устанавливают зависимости между скоростью отскока бойка от оболочки и ее геометрическими параметрами для оболочек различных размеров (диаметров и толщины стенок), а также между скоростью отскока бойка от пластины для различных уровней механических свойств материала оболочки и пластины.

Используя данные зависимости для различных значений толщины стенки оболочки при фиксированной массе бойка и его начальной скорости V_H, строят номограммы V₀/V-1/R (где V₀ и V - соответственно полученные расчетным путем скорости отскока бойка от эталонной меры твердости (пластины) и оболочки с одинаковыми механическими свойствами; 1/R - кривизна оболочки), см. фиг.2. Как следует из расчетов, данные номограммы не зависят от уровня механических свойств металла оболочек в диапазоне значений, характерных для сталей. Определена область их корректного применения, в пределах которой условия закрепления оболочек не влияют на получаемые результаты.

Описываемый способ определения твердости металла оболочек реализуется следующим образом.

По регистрируемому твердомером отношению скорости отскока бойка от оболочки к его начальной скорости удара вычисляют значение условной твердости

HL=1000V/V_H.

Зная кривизну (диаметр) оболочки и ее толщину стенки по номограмме на фиг.2, определяют отношение

V₀/V=HL/HL₀,

где HL₀ - условная твердость эталонной меры твердости.

Отсюда находят величину условной твердости HL₀=1000V₀/V_H, соответствующую эталонной мере твердости с механическими свойствами, идентичными металлу оболочки. Используя результаты предварительно выполненной тарировки твердомера на эталонных мерах твердости, по которым построены зависимости, связывающие условную твердость, например, с твердостью по Бринеллю или Роквеллу (HL₀-НВ или HL₀-HR), определяют величину твердости металла оболочки в единицах выбранной шкалы твердости.

Рассмотрим конкретный пример реализации описанного способа.

Для оболочки (цилиндрическое изделие) радиусом R=0,1 м и толщиной стенки 5 мм по данным замера твердости динамическим твердомером с бойком массой 6 г при начальной скорости удара V_H=2,85 м/с устанавливают условную твердость HL=400. В соответствии с номограммой на фиг.2 (для соответствующих параметров бойка) находят V₀/V=HL/Hl₀=0,8, откуда HL₀=HL/0,8=400/0,8=500. Данному значению HL₀ по тарировочному графику HL₀-НВ соответствует НВ=232.

Способ эффективен при определении твердости металла тонкостенных оболочек с различной кривизной - цилиндрических, сферических, эллиптических, а также с плоскими стенками толщиной менее 10 мм.