Основы метода инструментального индентирования
Суть метода ИИ заключается в определении зависимости усилия на инденторе (усилия вдавливания) от глубины вдавливания (глубины проникновения индентора в материал) на различных глубинах вдавливания при постепенном возрастании усилия.
Установка серии AIS (прибор) компании Frontics позволяет определять механические характеристики материалов такие как предел прочности, предел текучести, трещиностойкость (вязкость разрушения), твердость, а также остаточные напряжения, неразрушающим методом.
В основе принципа работы данной установки лежит метод инструментального индентирования – вдавливание наконечника (индентора) в исследуемый материал. Суть метода ИИ заключается в определении зависимости усилия на инденторе (усилия вдавливания) от глубины вдавливания (глубины проникновения индентора в материал) на различных глубинах вдавливания при постепенном возрастании усилия.
Поскольку существует прямая связь между зависимостью деформации от напряжения и реакцией материала на вдавливание, цикл инструментального испытания на вдавливание, часто называют методом «частичной разгрузки», в котором используют постепенно нарастающее усилие, но делают остановки на ряде этапов, при которых усилие частично снимают для получения верхней части характеристики снятия нагрузки, необходимой чтобы определить контактную жесткость и глубину контакта (радиуса контакта) при этом усилии.
В основе принципа работы данной установки лежит метод инструментального индентирования – вдавливание наконечника (индентора) в исследуемый материал. Суть метода ИИ заключается в определении зависимости усилия на инденторе (усилия вдавливания) от глубины вдавливания (глубины проникновения индентора в материал) на различных глубинах вдавливания при постепенном возрастании усилия.
Поскольку существует прямая связь между зависимостью деформации от напряжения и реакцией материала на вдавливание, цикл инструментального испытания на вдавливание, часто называют методом «частичной разгрузки», в котором используют постепенно нарастающее усилие, но делают остановки на ряде этапов, при которых усилие частично снимают для получения верхней части характеристики снятия нагрузки, необходимой чтобы определить контактную жесткость и глубину контакта (радиуса контакта) при этом усилии.
Такое постепенное повышение и частичное снятие усилия на вдавливаемом наконечнике, позволяет получить отпечаток с широким диапазоном параметров в одном и том же месте.
Глубина отпечатка не превышает 150 мкм, а диаметр примерно равен диаметру индентора (0,5 мм), что не нарушает целостности материала конструкции и не меняет физические свойства, поэтому испытание считается неразрушающим.
Это позволяет провести действительно местное измерение реакции материала при деформации в широком диапазоне, по которому составляется диаграмма механических параметров материала – диаграмма «напряжение-деформация».
Глубина отпечатка не превышает 150 мкм, а диаметр примерно равен диаметру индентора (0,5 мм), что не нарушает целостности материала конструкции и не меняет физические свойства, поэтому испытание считается неразрушающим.
Это позволяет провести действительно местное измерение реакции материала при деформации в широком диапазоне, по которому составляется диаграмма механических параметров материала – диаграмма «напряжение-деформация».
Определяемые вдавливанием параметры прочности на растяжение можно оценить, приближая базовое уравнение к истинным точкам диаграммы «напряжение-деформация».
Возможности
Неразрушающий метод
Системы серии AIS позволяют определять основные механические характеристики материалов неразрушающим способом.
Простота
Система мобильна и проста в использовании, а полученные результаты сопоставимы с результатами, полученными в лаборатории разрушающего контроля.
Мобильность
Система применима в цеховых и полевых (производственных) условиях на действующих объектах, поскольку испытание является неразрушающим и может выполняться на рабочих деталях и конструкциях.
Эффективность
Одна система AIS (одна единица оборудования) способна измерять все основные механические характеристики, а также остаточные напряжения. Нет необходимости в содержании большого парка испытательных установок.
Автономность
Прибор может быть оснащен облегченной портативной батареей в качестве резервного источника питания, это облегчает проведение испытаний в полевых условиях.
Bluetooth соединение
Для увеличения портативности прибор можно снабдить беспроводным модулем связи и управлять им с переносного компьютера, который не требует подключения к электросети.
Преимущества
У метода инструментального индентирования есть существенные преимущества перед стандартными методами испытаний.
- Минимум подготовкиНе требуется специальная подготовка образцов для испытаний. Глубина отпечатка не превышает 150 мкм, диаметр отпечатка - до 0,5 мм, что не нарушает целостности материала конструкции и не меняет его физические свойства.
- БыстроДлительность одного испытания для получения требуемой характеристики составляет всего 3-5 минут и позволяет получить мгновенный результат измерения механических параметров, сразу после цикла испытания.
- Малая площадь испытанияСистема позволяет проводить испытания на малых площадях, сварных соединениях и в ЗТВ (зона термического влияния), что позволяет испытывать участки конструкций с высоким градиентом изменения механических свойств, а также измерять свойства материалов в локальных зонах максимальных эксплуатационных нагрузок.
- Контроль действующих объектовОдним из важнейших преимуществ инструментального испытания на вдавливание является возможность неразрушающего контроля работающих компонентов в условиях эксплуатации на действующих объектах, натурных конструкциях и деталях, когда проведение классических разрушающих испытаний невозможно.
- Без подготовки образцовМИИ реализованный в системе AIS позволяет значительно сократить время проведения всех испытаний без необходимости вырезки образцов и потребности в дополнительном оборудовании для подготовки образцов. Результаты измерения получаются непосредственно после завершения испытания.
- Экспресс-диагностикаСистема позволяет вести мониторинг - периодическую экспресс проверку и оценку механических характеристик (предел прочности, предел текучести, трещиностойкость, твердость) материала конструкции и как эти характеристики изменяются с течением времени в зависимости от условий работы конструкций и оборудования под влиянием различных производственных факторов на действующих объектах.
- Простота и компактностьВ конструкции приборов серии AIS (Frontics) сделан акцент на простоте и компактности, они имеют малый вес и габариты, что облегчает их применение в самых труднодоступных местах.
- Малый весУстановки AIS намного меньше и легче традиционных установок для измерения прочности на растяжение, что позволяет называть их по-настоящему портативными приборами.
- Остаточное напряжениеСистема для инструментального индентирования, способна измерять остаточные напряжения в поверхностных слоях материала на глубине до 150 мкм.
- ТочностьМетод инструментального индентирования отличается повышенной воспроизводимостью и точностью по сравнению с другими методами неразрушающих испытаний механических параметров материалов.
Процесс испытания
При вдавливании сферического наконечника в материал, под индентором создаются условия напряжения и соответствующей ему деформации. В ходе проведения процесса индентирования (испытания) на каждом этапе частичной разгрузки расчет параметров прочности проходит в 4 этапа:
Этапы расчета параметров*
* более подробное описание расчета параметров прочности описано в статье "Предел прочности и текучести"
1-ый этап
Определение действительной площади контакта индентора с учетом высоты пластического наплыва (\(h_{pile}\)) и глубины упругого контакта (\(h_{d}\)).
\[h_{c}=h_{max}-h_{d}+h_{pile}\] \[A_{c}=\pi\left(2Rh_{c}-h_c^2\right)\]
\[h_{c}=h_{max}-h_{d}+h_{pile}\] \[A_{c}=\pi\left(2Rh_{c}-h_c^2\right)\]
2-ой этап
Определение истинной деформации по полученному углу контакта \(\theta\), и истинного напряжения по величине усилия на инденторе (\(F_{max}\)), и истиной площади контакта \(A_{c}\) определенной на первом этапе.
\[\sigma_{T}=\frac{1}{\psi}\frac{F_{max}}{A_{c}},\] \[\epsilon_{T}=\xi\tan\theta , \left(или \sin\theta\right)\]
\[\sigma_{T}=\frac{1}{\psi}\frac{F_{max}}{A_{c}},\] \[\epsilon_{T}=\xi\tan\theta , \left(или \sin\theta\right)\]
3-ий этап
Подбор точек действительной диаграммы «напряжение-деформация» для соответствующего базового уравнения, например \(\sigma_{T}=K\epsilon_T^n\) для материалов со степенным упрочнением (область пластической деформации) или \(\sigma_{T}=a+b\epsilon_{T}\) для материалов с линейным упрочнением. a, b – постоянные корреляции.
4-ый этап
По контактной жесткости определяется модуль упругости. Так же на данном этапе определяется предел текучести по точке пересечения участков — линейного для упругой деформации (его наклон равен модулю упругости) и степенной зависимости для участка пластической деформации. И за тем определяется предел прочности на основе понятия о нестабильности при растяжении.
\[K\epsilon_y^{n_{IT}}=E_{IT}\left(\epsilon_{y}-0,002\right);\] \[F=\sigma A;\]
\[\frac{dl}{l}=-\frac{dA}{A}=d\epsilon, -\frac{dA}{A}=\frac{d\sigma}{\sigma}, \frac{d\sigma}{d\epsilon}=\sigma\]\[\epsilon_{u}=c\cdot n_{IT}\]
\(\epsilon_{u}\) - истинная однородная деформация, с – постоянная корреляции, n – показатель степени деформационного упрочнения, К – коэффициент деформационного упрочнения.
\[K\epsilon_y^{n_{IT}}=E_{IT}\left(\epsilon_{y}-0,002\right);\] \[F=\sigma A;\]
\[\frac{dl}{l}=-\frac{dA}{A}=d\epsilon, -\frac{dA}{A}=\frac{d\sigma}{\sigma}, \frac{d\sigma}{d\epsilon}=\sigma\]\[\epsilon_{u}=c\cdot n_{IT}\]
\(\epsilon_{u}\) - истинная однородная деформация, с – постоянная корреляции, n – показатель степени деформационного упрочнения, К – коэффициент деформационного упрочнения.
Метод инструментального индентирования реализованный в системе AIS позволяет значительно сократить время проведения всех испытаний до 1 дня без необходимости вырезки образцов и потребности в дополнительном оборудовании. А длительность одного испытания для получения требуемой характеристики составляет всего 3-5 минут и позволяет получить мгновенный результат измерения механических параметров.Прочность на растяжение и трещиностойкость определяются по специальным оценочным кривым из данных испытания вдавливанием, а остаточное напряжение — из диаграммы зависимости глубины погружения индентора от нагрузки, которая позволяет количественно определить остаточное напряжение материала. Эта техника отличается повышенной воспроизводимостью и точностью по сравнению с другими методами испытаний.
Получаемые результаты измерения механических характеристик сопоставимы с результатами классических испытаний, однако метод индентирования позволяет производить эти испытание неразрушающе, т.к. глубина отпечатка в месте испытания не превышает 150 мкм, а зона сжимающего напряжения под отпечатком не критична для работы конструкции т.к. не нарушает физические свойства объекта. Приборы серии AIS позволяют измерять остаточные напряжения материалов как в лабораториях, так и в полевых условиях.
Результаты измерения получаются непосредственно после завершения испытания, а модуль беспроводной связи позволяет ускорить и упростить проведение испытаний на объекте. Прибор может поставляться с облегченной портативной батареей в качестве резервного источника питания. Это основное преимущество системы позволяет производить испытание материалов и конструкций на действующих объектах в отличие от классических методов, а также позволяет проводить испытания на малых площадях сварных соединениях и в ЗТВ.
Результаты измерения получаются непосредственно после завершения испытания, а модуль беспроводной связи позволяет ускорить и упростить проведение испытаний на объекте. Прибор может поставляться с облегченной портативной батареей в качестве резервного источника питания. Это основное преимущество системы позволяет производить испытание материалов и конструкций на действующих объектах в отличие от классических методов, а также позволяет проводить испытания на малых площадях сварных соединениях и в ЗТВ.
ПРОСТОТА И ЛЕГКОСТЬ
В конструкции приборов серии AIS (Frontics) сделан акцент на простоте и компактности, что облегчает его применение в самых разных местах. AIS-3000HD намного меньше и легче традиционных установок для измерения прочности на растяжение, что позволяет называть его по-настоящему портативным прибором. Для увеличения портативности прибор можно снабдить беспроводным модулем связи и управлять им с переносного компьютера, который не требует подключения к электросети.
ПО прибора AIS основано на последних достижениях теории инструментального индентирования и хорошо известно своей надежной техникой измерения свойств материалов. Оно позволяет измерять остаточное напряжения и другие свойства материала без дополнительных справочных данных. Его оконный интерфейс пользователя позволяет сохранить условия проведения испытания для будущего использования и тем самым упростить подготовку эксперимента. Обработка данных после проведения испытания занимает не более 5 минут. Результаты обработки данных испытания выводятся на экран и сохраняются в виде графиков испытания и обработки данных. В ходе автоматической обработки данных система создает документы, которые в дальнейшем можно использовать для сравнения результатов.
ПО прибора AIS основано на последних достижениях теории инструментального индентирования и хорошо известно своей надежной техникой измерения свойств материалов. Оно позволяет измерять остаточное напряжения и другие свойства материала без дополнительных справочных данных. Его оконный интерфейс пользователя позволяет сохранить условия проведения испытания для будущего использования и тем самым упростить подготовку эксперимента. Обработка данных после проведения испытания занимает не более 5 минут. Результаты обработки данных испытания выводятся на экран и сохраняются в виде графиков испытания и обработки данных. В ходе автоматической обработки данных система создает документы, которые в дальнейшем можно использовать для сравнения результатов.
Другие статьи
Узнайте больше
Наш технический специалист проконсультирует вас по всем вопросам, связаннми с системами экспресс-диагностики Frontics
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь c политикой конфиденциальности.
