pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2025-16-3-222-234pimi-976Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsКонтроль механических характеристик чугуна методом микроударного индентированияControl of Cast Iron Mechanical Properties Using Microimpact Indentation MethodКреньА. П.KrenA. P.

Адрес для переписки:Крень А. П. - Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси,ул. Академическая, 16,г. Минск 220072, Беларусь e-mail: alekspk@iaph.bas-net.by

 

 

Address for correspondence:Kren A.P. - Institute of Applied Physics of the National Academy of Scienceof Belarus,Akademicheskaya str., 16, Minsk 220072, Belarusalekspk@iaph.bas-net.by

alekspk@iaph.bas-net.byЛанцманГ. А.LantsmanG. A.

ул. Академическая, 16, г. Минск 220072

Akademicheskaya str., 16, Minsk 220072

НикифоровА. В.NikiforovА. V.

пр-т Независимости, 4, г. Минск 220030

Nezavisimosty Ave., 4, Minsk 220030

ТурсуновН. К.TursunovN. K.

ул. Темирйулчилар, 1, г. Ташкент 100167

Temiryolchilar str., 1, Tashkent 100167

УразбаевТ. Т.UrazbaevT. T.

ул. Темирйулчилар, 1, г. Ташкент 100167

Temiryolchilar str., 1,Tashkent 100167

Институт прикладной физики Национальной академии наук БеларусиБеларусьInstitute of Applied Physics of the National Academy of Science of BelarusBelarusБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarusТашкентский государственный транспортный университетУзбекистанTashkent State University of transportUzbekistan202502102025163222234Copyright © Крень А.П., Ланцман Г.А., Никифоров А.В., Турсунов Н.К., Уразбаев Т.Т., 20252025Крень А.П., Ланцман Г.А., Никифоров А.В., Турсунов Н.К., Уразбаев Т.Т.Kren A.P., Lantsman G.A., Nikiforov А.V., Tursunov N.K., Urazbaev T.T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/976

Инструментальное индентирование является одним из эффективных методов измерения физико-механических свойств различных материалов. В настоящей работе рассматриваются особенности контроля чугуна, имеющего различную форму графитовых включений: пластинчатую, шаровидную, вермикулярную и др., и модели, позволяющие на основании данных диаграммы микроударного нагружения материала рассчитать твёрдость по Бринеллю HBW, модуль упругости E и предел прочности σв чугунов различных марок. Показано, что использование в расчётах комплекса параметров позволяет устранить грубые ошибки при оценке HBW, вызванные влиянием графитовой структуры на значения модуля упругости и динамической твёрдости. На основании экспериментальных данных продемонстрировано, что измерение твёрдости чугуна с использованием значений коэффициента восстановления скорости приводит к погрешности измерения до 75 единиц, в связи с чем такой контроль с помощью стандартных динамических твердомеров является недостоверным. Также подтверждена устойчивая связь между пределом прочности и произведением твёрдости и модуля упругости. Показана возможность установления марки чугуна (серый или высокопрочный) по данным однократного измерения. Предложенная методика даёт возможность осуществить контроль непосредственно изделий на промышленных предприятиях, производящих чугунное литье. Проведенные исследования доказывают, что разработанные алгоритмы могут применяться для оперативной диагностики твёрдости чугуна с использованием динамических портативных твердомеров при их определённой модернизации.

Instrumental indentation is one of the effective methods for measuring the physical and mechanical properties of various materials. This paper discusses the features of testing cast iron with various forms of graphite inclusions: flake-like structure, spherical, vermicular, etc., and models that allow, based on the data of the micro-impact loading diagram of the material, to calculate the Brinell hardness HBW, the elastic modulus E and the tensile strength σ of cast iron of various grades. It is shown that the use of a set of different parameters in the calculations allows eliminating gross errors in assessing HBW caused by the influence of the graphite structure on the values of the elastic modulus and dynamic hardness. Based on experimental data, it is demonstrated that measuring the hardness of cast iron using the values of the restitution coefficient leads to a measurement error of up to 75 units. In this connection, such testing using standard dynamic hardness testers is unreliable. A stable relationship between the tensile strength and the product of hardness and elastic modulus is also confirmed. The possibility of establishing the cast iron grade (grey or spheroidal graphite iron) based on a single measurement is shown. The proposed method makes it possible the nondestructive testing of parts at industrial enterprises producing iron castings. The carried out studies prove that the developed algorithms can be used for express diagnostics of cast iron hardness using dynamic portable hardness testers with their certain modernization.

чугундинамическое индентированиетвёрдость по Бринеллюпредел прочностиcast irondynamic indentationBrinell hardnesstensile strengthРабота выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований. Конкурс БРФФИ– МИРРУ 2023. Проект Т23УЗБ-035 «Изучение процессов структурообразования и локального деформирования чугунов с целью создания их улучшенных марок, методик и средств неразрушающего контроля физико-механических характеристик».The work was done with the support of Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research. Contest BRFFR-MIRRU 2023. Project Т23УЗБ-035 «Study of structure forming processes and local deformation of cast iron aiming at creating their improved grades, methods and tools of nondestructive testing of their physical and mechanical properties».ReferencesБаев А. Р. [и др.] Возможности контроля структуры чугунных и стальных изделий по данным ультразвуковых измерений. Литье и металлургия. 2004;(2):85-89.Bajev V .R. [et al.]. Possibilities of the structure control of the cast-iron and steel articles by data of ultrasonic measuring. Foundry production and metallurgy. 2004;(2):85-89. (In Russ.).Ghaemi, M. Material, Structure and Hardness Testing of Cast-Iron Safety Parts by NDT Methods. 10th European Conference on Non-Destructive Testing, Moscow 2010, June 7-11. https://www.ndt.net/?id=9347Ghaemi M. Material, Structure and Hardness Testing of Cast-Iron Safety Parts by NDT Methods. 10th European Conference on Non-Destructive Testing, Moscow 2010, June 7-11. https://www.ndt.net/?id=9347Анисович, А. Г. Микроструктуры черных и цветных металлов / А. Г. Анисович, А. А. Андрушкевич // Минск: Белорусская наука, 2015. – 131 с.Anisovich A. G, Andrushkevich A. A. Microstructures of ferrous and non-ferrous metals. Minsk: Belarusian Science, 2015;131 p. (In Russ.).Jian Weng, Rebecka Lindvall, Kejia Zhuang, JanEric Ståhl, Han Ding, Jinming Zhou A machine learning based approach for determining the stress-strain relation of grey cast iron from nanoindentation // Mechanics of Materials, Vol. 148, 2020, 103522. DOI: 10.1016/j.mechmat.2020.103522Jian Weng, Rebecka Lindvall, Kejia Zhuang, Jan-Eric Ståhl, Han Ding, Jinming Zhou A machine learning based approach for determining the stress-strain relation of grey cast iron from nanoindentation. Mechanics of Materials. 2020;148;103522. DOI: 10.1016/j.mechmat.2020.103522A. Kren, M. Delendik, A. Machikhin Non-destructive evaluation of metal plasticity using a single impact microindentation // International Journal of Impact Engineering. – 2022. – № 162. – p. 104141. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2021.104141Kren A., Delendik M., Machikhin A. Non-destructive evaluation of metal plasticity using a single impact microindentation. International Journal of Impact Engineering. 2022;(162):104141 p. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2021.104141Johnson K. L. Contact Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press; 1985:448-452.Johnson K.L. Contact Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press. 1985:448-452.Chang, Chao, Garrido, M.A., Ruiz-Hervias, J., Zhang, Zhu, Zhang, Le-le, Representative Stress-Strain Curve by Spherical Indentation on Elastic-Plastic Materials, Advances in Materials Science and Engineering, 2018, 8316384, 9 pages, 2018. DOI: 10.1155/2018/8316384Chang Chao, Garrido M.A., Ruiz-Hervias J., Zhang Zhu, Zhang Le-le. Representative Stress-Strain Curve by Spherical Indentation on Elastic-Plastic Materials, Advances in Materials Science and Engineering.2018;8316384, 9 pages. DOI: 10.1155/2018/8316384D. Tabor. Hardness of Metals. Clarendon Press, Oxford, 1951.Tabor D. Hardness of Metals. Clarendon Press, Oxford, 1951.Чугун : справочник / А. Д. Шерман и др.; Под ред. А.Д. Шермана, А. А. Жукова // М.: Металлургия, 1991, 576 с.Sherman A. D. [et al.]. Cast iron: a reference book. Edited by A.D., Sherman, A.A., Zhukov. M.: Metallurgy, 1991, 576 p. (In Russ.).Динник А. Н. Избранные труды. – Киев: АН УССР, 1952. – Т. 1. – 151 с.Dinnik A. N. Selected works. Kyiv: Academy of Sciences of the Ukrainian SSR. 1952;1:151 p. (In Russ.).Anthony C. Fischer-Cripps. Introduction to Contact Mechanics Springer New York, NY, 226 р. DOI: 10.1007/978-0-387-68188-7Anthony C. Fischer-Cripps. Introduction to Contact Mechanics Springer New York, NY, 226. DOI: 10.1007/978-0-387-68188-7Kren, A. P. Determination of the Strain-Hardening Exponent of a Metallic Material by Low-Speed Impact Indentation / A. P. Kren, V. A. Rudnitskii // Russian Metallurgy (Metally). – 2019. – №. 4. – P. 478–483. DOI: 10.1134/S0036029519040220Kren A. P., Rudnitskii V. A. Determination of the Strain-Hardening Exponent of a Metallic Material by LowSpeed Impact Indentation. Russian Metallurgy (Metally). 2019;(4):478–483. DOI: 10.1134/S0036029519040220Kren A. P., Naumov A. O. Determination of the relaxation function for viscoelastic materials at low velocity impact // International Journal of Impact Engineering, Vol. 37, Iss. 2, 2010, P. 170-176. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2009.08.001Kren A. P., Naumov A. O. Determination of the relaxation function for viscoelastic materials at low velocity impact. International Journal of Impact Engineering. 2010;37(2):170-176. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2009.08.001

The authors declare that there are no conflicts of interest present.