Виды механических испытаний на прочность. Механические свойства металлов и методы их испытаний. Требования к оборудованию и аппаратуре
Закон Гука
Как известно, различные металлы и сплавы имеют разные механические и технологические свойства, которые предопределяют качество деталей машин, а также обрабатываемость металла. Эти свойства металла выявляют соответствующими испытаниями на растяжение, сжатие, изгиб, твердость и др.
Испытание на растяжение. Чтобы определить прочность металла, работающего на растяжение, изготовляют образец 1 и устанавливают его в зажимы (или захваты) 2 разрывной машины. Для этих целей чаще всего используют машины с гидравлической системой передачи усилия или с винтовой системой.
Растягивающая сила F (рис. 51) создает напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превысит прочность образца, он разорвется.
Рис. 51
Результаты испытания обычно изображают в виде диаграммы. По оси абсцисс откладывают нагрузку F, по оси ординат - абсолютное удлинение?l.
Из диаграммы видно, что вначале образец удлиняется пропорционально нагрузке. Прямолинейный участок OA соответствует обратимым, упругим деформациям. При разгрузке образец принимает исходные размеры (этот процесс описывается все тем же прямолинейным участком кривой). Искривленный участок АС соответствует необратимым, пластическим деформациям. При разгрузке (штриховая прямая СВ) образец не возвращается к начальным размерам и сохраняет некоторую остаточную деформацию.
От точки С образец удлиняется без увеличения нагрузки. Горизонтальный участок СМ диаграммы называется площадкой текучести. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести.
Как показывают исследования, текучесть сопровождается значительными взаимными сдвигами кристаллов, в результате чего на поверхности образца появляются линии, наклонные к оси образца под углом 45°. Претерпев состояние текучести, материал снова обретает способность сопротивляться растяжению (упрочняется), и диаграмма за точкой М поднимается вверх, хотя гораздо более полого, чем раньше. В точке D напряжение образца достигает своей наибольшей величины, и на образце появляется резкое местное сужение, так называемая шейка. Площадь сечения шейки быстро уменьшается и, как следствие, происходит разрыв образца, что на диаграмме соответствует положению точки К. Предел прочности образца определяют по формуле о пч = F D / S, где: S пч - предел прочности;
F D - нагрузка, при которой через определенный промежуток времени наступает разрушение растянутого образца, Н (кгс); S - площадь поперечного сечения образца в исходном положении, м 2 (мм 2).
Обычно при испытании различных металлов и сплавов на растяжение определяют относительное удлинение е - отношение прироста длины образца до разрыва к начальной длине образца. Его определяют по формуле? = ?l/l 0 -100,
где: ? - относительное удлинение;
L = l 1 - I 0 - абсолютное удлинение; l 0 - начальная длина образца; l 1 - длина образца после испытания. Экспериментально было установлено, что напряжение в материале при упругой деформации возрастает пропорционально относительному удлинению образца. Эта зависимость получила название закона Г у к а.
Для одностороннего (продольного) растяжения закон Гука имеет вид о = Е-?,
где: о = F/s - нормальное напряжение; F - растягивающая сила; s - площадь поперечного сечения;
Относительное удлинение;
Е - постоянная величина, зависящая от материала стержня.
Примечание. В системе СИ единицей измерения напряжений служит Паскаль - напряжение, вызванное силой 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2 .
1 Па = 0,102 10 -4 кгс/см 2 ;
1 Па = 0,102 10 -6 кгс/мм 2 ;
1 кгс/см 2 = 9,81 10 4 Па;
1 кгс/мм 2 = 9,81 10 6 Па.
В связи с тем, что единица напряжения паскаль очень мала, приходится пользоваться более крупной единицей - мегапаскаль 1 МП а = 10 6 Па.
Госстандарт допускает к применению единицу ньютон на квадратный миллиметр (Н/мм 2). Числовые значения напряжений, выраженные в Н/мм 2 и в МПа, совпадают. Единица Н/мм 2 удобна и потому, что размеры на чертежах проставляют в миллиметрах.
Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости при растяжении или модулем Юнга. Каков физический смысл модуля упругости? Обратимся к диаграмме растяжения образца (см. рис. 51, II). Модуль упругости на ней пропорционален тангенсу угла наклона а к оси абсцисс. Значит, чем круче прямая OA, тем жестче материал, и тем большее сопротивление оказывает он упругой деформации.
Для характеристики металла важно знать не только относительное удлинение?, но и относительное сужение площади поперечного сечения, которое также позволяет характеризовать пластичность материала.
Естественно, что при растяжении образца площадь поперечного сечения уменьшается. В месте разрыва она будет наименьшей. Относительное сужение определяют по формуле? = (S 0 - S 1) / S 0 100%,
где: ? - относительное сужение;
S 0 - площадь поперечного сечения образца до испытания; S 1 - площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке).
Чем больше относительное удлинение и относительное сужение поперечного сечения образца, тем более пластичен материал.
Кроме трех рассмотренных характеристик механических свойств металлов: предела прочности (o пч), относительного удлинения (е) и относительного сужения (?), можно определить, пользуясь записанной на машине диаграммой, предел упругости (о y) и предел текучести (о m),
Испытание на сжатие. Для испытания металлов на сжатие (рис. 53) чаще всего применяют прессы, в которых сжимающая сила образуется путем увеличения гидравлического давления. При сжатии образца из пластичного материала, например малоуглеродистой стали (рис. 53, I), его поперечные размеры увеличиваются, в то время как длина значительно уменьшается. Нарушение целостности образца при этом не происходит (рис. 54). Из диаграммы сжатия (рис. 53, II) видно, что в начальной стадии нагружения деформация возрастает пропорционально нагрузке, затем деформация резко возрастает при незначительном увеличении нагрузки, далее рост деформации постепенно замедляется вследствие увеличения сечения образца.
Рис. 52
Рис. 53
Образцы из хрупких материалов при сжатии разрушаются (рис. 54, III). Например, стержень из чугуна при достижении разрушающей нагрузки распадается на части, которые сдвигаются относительно друг друга по косым площадкам (рис. 53, III).
Рис. 54
Для сжатия полностью применим закон Гука, согласно которому материалы противодействуют сжатию пропорционально приложенной силе до предела упругости. Модуль упругости при сжатии для большинства материалов равен модулю упругости при растяжении. Исключение составляют только некоторые хрупкие материалы - бетон, кирпич и т. д. Аналогия в характере напряжения сжатия с напряжением растяжения позволяет описывать эти процессы одними и теми же математическими уравнениями.
Испытание на изгиб . При испытании на изгиб образец (брус) укладывают концами на две опоры и в середине нагружают (рис. 55). О сопротивлении материала изгибу судят по величине прогиба образца.
Рис. 55
Представим теперь себе в брусе воображаемые продольные волокна. При деформации изгиба волокна одной зоны сжимаются, другой - растягиваются (рис. 55, II).
Между зонами сжатия и растяжения расположен нейтральный слой, волокна которого не подвергаются деформации, то есть их длина не изменяется. Из рис. 55 видно, что, чем больше волокна расположены от нейтрального слоя, тем большую деформацию они испытывают. Таким образом, можно сделать вывод, что при изгибе в поперечных сечениях бруса под действием внутренних сил возникают нормальные напряжения сжатия и растяжения, величина которых зависит от положения рассматриваемых точек в сечении. Наибольшие напряжения принято обозначать: в зоне сжатия - ? max , в зоне растяжения - ? m ах. В точках, расположенных на нейтральной оси, напряжения равны нулю. Нормальные напряжения, возникающие в различных по высоте точках поперечного сечения, возрастают пропорционально расстоянию от нейтрального слоя и могут быть рассчитаны по формуле? = (Е z) / р,
где: ? - нормальные напряжения;
z - расстояние от интересующего нас волокна до нейтрального слоя; Е - модуль упругости; р - радиус кривизны нейтрального слоя.
Испытание на срез. При испытании на срез (рис. 56) металлический образец 3, имеющий цилиндрическую форму, вставляют в отверстие приспособления, представляющего собой вилку 1 и диск 2. Машина вытягивает диск из вилки, вследствие чего происходит перемещение средней части образца относительно крайних его частей. Рабочая площадь S (площадь среза) равна удвоенной площади поперечного сечения образца, так как срез происходит одновременно по двум плоскостям.
Рис. 56
При срезе все точки деформируемых сечений, ограниченных плоскостями действующих сил, смещаются на равные расстояния, то есть материал в этих точках испытывает одинаковую деформацию. Это означает, что во всех точках сечения будут одинаковые действующие напряжения.
Величину напряжения определяют делением равнодействующей F внутренних (поперечных) сил на площадь поперечного сечения стержня S. Так как вектор напряжения расположен в плоскости сечения, в ней возникает касательное напряжение, определяемое по формуле r ср = F/2S, где: r ср - величина напряжения среза;
F - равнодействующая сила;
S - площадь поперечного сечения образца. Срез - это разрушение в результате сдвига одной части материала относительно другой, возникающее под действием касательных напряжений. Для деформации сдвига справедлив закон Гука: в зоне упругости напряжения прямо пропорциональны относительным деформациям. Коэффициентом пропорциональности служит величина модуля упругости при сдвиге G. Относительный сдвиг (угол сдвига) обозначается у. Таким образом, закон Гука для деформации сдвига имеет вид t = Gg, где: r = F/S - касательное напряжение; F - касательная сила; S - площадь сдвигающихся слоев; y - угол сдвига;
G - модуль сдвига, зависящий от материала тела.
Испытание на кручение. При испытании образцов на кручение один конец трубы 2 закрепляют неподвижно 1, другой вращают с помощью рычага 3 (рис. 57). Кручение характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня, вала, трубы под влиянием моментов (пар сил), действующих в этих сечениях. Если на поверхности стержня до приложения сил кручения нанести прямолинейные образующие (рис. 57, I), то после скручивания эти образующие принимают вид винтовых линий, а каждое поперечное сечение по отношению к соседнему поворачивается на некоторый угол (см. рис. 57, II). Это значит, что в каждом сечении происходит деформация сдвига и возникают касательные напряжения. Степень смещения материала при кручении определяется углами закручивания? и сдвига у. Абсолютная величина кручения определяется углом закручивания рассматриваемого сечения относительно неподвижно закрепленного сечения. Наибольший угол закручивания получается на самом большом расстоянии от закрепленного конца стержня.
Рис. 57
Отношение угла закручивания? к длине участка I, подвергающегося кручению, называют относительным углом закручивания Q = ? / Z,
где: Q - относительный угол закручивания;
Угол закручивания;
Испытание на твердость. При определении твердости материалов в заводской и лабораторной практике пользуются двумя методами: методом Бринелля и методом Роквелла.
Метод Бринелля. Этот метод основан на том, что при измерении твердости металлов стальной шарик 1 диаметром 2,5; 5 или 10 мм вдавливается в поверхность испытуемого образца 2 при заданной нагрузке 3 от 625 Н до 30 кН (62,5 до 3000 кгс). После удаления нагрузки измеряется диаметр d отпечатка, оставшегося на поверхности образца (рис. 58), который тем меньше, чем тверже металл.
Рис. 58
Примечание. Стальной шарик должен быть выполнен из термически обработанной стали твердостью не менее НВ850. Шероховатость поверхности R z не ниже параметра 0,100 по ГОСТ 2789-73. На поверхности шарика не должно быть дефектов, видимых с помощью лупы при 5-кратном увеличении.
Число твердости по Бринеллю вычисляются по формуле
D - диаметр шарика, мм;
d - диаметр отпечатка, мм.
Специальная таблица (ГОСТ 9012-59) дает возможность определить твердость наиболее распространенных металлов.
Следует отметить, что между твердостью стали по Бринеллю НВ и пределом ее прочности о пч для обычных углеродистых стилей существует соотношение, выраженное формулой о пч = 0,36 НВ.
Следовательно, зная твердость стали по Бринеллю, можно вычислить и предел прочности при растяжении.
Эта формула имеет большое практическое значение. Методом Бринелля обычно определяют твердость незакаленных сталей, чугуна, цветных металлов. Твердость же закаленных сталей измеряют на приборе Роквелла.
Метод Роквелла. При измерении твердости металлов по этому методу наконечник стандартного типа (алмазный конус для твердых металлов или стальной шарик - для более мягких) вдавливается в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной (F 0) 100 Н (10 кгс) и окончательной (F 1) 1000 Н (100 кгс) - для шарика и 1500 Н (150 кгс) - для алмазного конуса.
Под действием предварительной нагрузки конус проникает в металл на глубину h 0 (рис. 59,I); при добавлении к предварительной основной нагрузки глубина отпечатка увеличивается до h (рис. 59, II) и после снятия основной нагрузки остается равной h 1 (рис. 59, III).
Рис. 59
Глубина отпечатка h = h 1 - h 0 , полученная за счет основной нагрузки F 1 , характеризует твердость по Роквеллу. Испытания по методу Роквелла производят специальными приборами, снабженными индикатором, который показывает число твердости сразу по окончании испытания.
Индикатор имеет две шкалы: черную (С) для испытания алмазным конусом и красную (В) для испытания шариком.
Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах.
Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC50 (твердость 50 по шкале С).
Определение твердости тарированными напильниками . Твердость HRC может быть определена с помощью ряда напильников, подвергнутых термической обработке на различную твердость насечки. Обычно интервал насечек колеблется от 3 до 5 единиц HRC. Тарирование напильников производится по эталонным плиткам, твердость которых заранее точно определена на приборе.
Твердость испытуемой детали Определяется двумя напильниками с минимальным интервалом по твердости, один из которых может только скользить по детали, а второй ее слегка царапать. Если напильник с НRС62 царапает металл, а с HRC59 только скользит по поверхности детали, то твердость HRC60-61.
Практически этим способом пользуются для установления твердости инструментов (разверток, фрез и т. п.), твердость которых измерить иным способом бывает трудно.
Существуют и другие способы определения твердости (способ Виккерса, электромагнитные способы и др.), которые в данной книге не рассматриваются.
Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности. В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов.
Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.
Статическими называют испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействию постоянной силы или силы возрастающей очень медленно.
Динамическими называют такие испытания, при которых испытываемый металл подвергается воздействию удара или силы, возрастающей очень быстро.
Кроме того, существуют испытания на усталость, износ, ползучесть, которые дают более полное представление о свойствах металлов.
Испытания на растяжение. Статическое испытание на растяжение - весьма распространенный способ механических испытаний. Для статических испытаний изготавливают круглые образцы или плоские образцы для листовых материалов (рис.20 ). Образцы состоят из рабочей части и головок, предназначенных для закрепления в захватах разрывной машины. Расчетная длинаl 0 берется несколько меньше рабочей длиныl 1 . Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части круглого образца равен 20мм . Образцы других диаметров называют пропорциональными.
Рис.20. Образцы для статических испытаний металлов:
1 - круглый, 2 - плоский
Растягивающее усилие создает напряжение в испытуемом образце и вызывает его удлинение; когда напряжение превысит предел прочности, он разрывается.
На рис.21 приведена диаграмма растяжения мягкой стали, построенная в системе прямоугольных координат. По оси ординат отложено усилиеР кГ , по оси абсцисс - деформация (абсолютное удлинение образца l мм ). Эта диаграмма получается при постепенном увеличении растягивающего усилия вплоть до разрыва образца.
Рис.21. Диаграмма растяжения мягкой стали
Величина напряжения в любой точке диаграммы может быть определена путем деления усилияР на площадь поперечного сечения образца.
На диаграмме можно отметить несколько характерных точек. Участок ОА является отрезком прямой и показывает, что до точкиА удлинение образца пропорционально усилию (нагрузке); каждому приращению нагрузки соответствует и одинаковое приращение деформации. Такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой являетсязаконом пропорциональности .
При дальнейшем нагружении образца наблюдается отклонение от закона пропорциональности: на диаграмме появляется криволинейный участок. До точки В деформации у образца упругие.
Точкой С на диаграмме отмечено начало горизонтальной площадки, которая показывает, что образец удлиняется без увеличения нагрузки: металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без увеличения нагрузки продолжается деформация образца называетсяфизическим пределом текучести . Предел текучести т определяется по формуле
кГ мм 2 ,
где Р с .
Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали и для латуни некоторых марок. Высокоуглеродистые стали и другие металлы не имеют площадки текучести. Для таких металлов определяют условный предел текучести при остаточном удлинении 0.2%. Напряжение, при котором растягиваемый образец получает остаточное удлинение, равное 0.2% своей расчетной длины, называется условным пределом текучести и обозначается 0.2
кГ мм 2 .
Точка D показывает наибольшую наибольшую нагрузку, которую может выдержать образец. Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называетсяпределом прочности при растяжении (временным сопротивлением разрыву) и определяется по формуле
кГ мм 2 ,
где P .
Для точки D удлинение l 3 образца и сужение его поперечного сечения происходит равномерно по всей длине рабочей части. По достижении точкиD деформация образца сосредотачивается в месте наименьшего сопротивления и дальнейшее удлинение l 4 протекает за счет образования шейки, по которой происходит разрыв образца при нагрузкеР К .
При разрыве упругая деформация l уп исчезает и абсолютное остаточное удлинение l ост сложится из удлинения равномерного l 1 и удлинения местного l 2 , т.е.
l ост = l 1 + l 2 .
Для оценки пластичности металла важно знать относительное удлинение и относительное сужение площади поперечного сечения в процентах.
Относительное удлинение (в %) определяется по формуле
,
где l 1 -длина образца после разрыва,мм ;
l 0 -расчетная длина образца,мм ;
При удлинении одновременно уменьшается площадь поперечного сечения. В месте разрыва эта площадь будет наименьшей. Относительное сужение (в %) определяется по формуле
,
где F 0 - начальная площадь поперечного сечения образца,мм 2 ;
F 1 - площадь в месте разрыва,мм 2 .
У хрупких металлов относительное удлинение и относительной сужение близки к нулю; у пластичных металлов они достигают нескольких десятков процентов.
Таким образом, статическое испытание на растяжение дает характеристики прочности - уп , т (или 0,2 ) и характеристики пластичности - и .
Испытания на твердость .
Испытания на твердость проводятся вдавливанием твердого наконечнека.
По методу Бринелля стальной закаленный шарик диаметромD (10; 5 или 2.5мм ) вдавливается в испытуемый образец силойР (3000;1000; 750кГ или меньше). В результате на поверхности образца остается отпечаток в форме шарового сегмента диаметромd (рис.22 ). Величина отпечатка будет тем меньше, чем тверже металл. Число твердости по Бринеллю НВ вычисляется по формуле
кГ мм 2 ,
;F - величина поверхности отпечатка,мм 2 .
Рис.22. Схема испытания по Бринеллю
Для малых изделий применяют шарики меньшего диаметра при меньших усилиях вдавливания. Толщина металла под отпечатком должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до среза поверхности не меньше D .
Для испытания на твердость по Бринеллю в настоящее время применяют в основном рычажные прессы.
Как показали исследования, между пределом прочности металлов при растяжении в и твердость по БринеллюНВ существует зависимость:
для катаной и кованой стали в = 0.36НВ ;
для литой стали...................... в =(0.3-0.4) НВ :
для серого чугуна.................... в =0.1 НВ .
По методу Бринелля можно испытывать материалы с твердостью НВ до 450; если материалы тверже, то стальной шарик может деформироваться. Этот метод непригоден также для испытания тонколистового материала.
По методу Роквела испытание на твердость производится путем вдавливания в образец стального шарика диаметромD =1.58мм (116 дюйма) или алмазного конуса с углом 120 0 .
Стальной шарик применяется для испытания мягких металлов (твердость меньше 220 по шкале Бринелля) при нагрузке 100 кГ , алмазный конус - для испытания твердых металлов при нагрузке 150кГ . Образец помещают на столик 2 прибора Роквелла (рис.23 ) и вращением маховика 1 поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом 3 (или стальным шариком). Вращение маховика продолжают до тех пор пока давление конуса или шарика не станет равным 10кГ (предварительная нагрузка), что указывается малой стрелкой индикатора 4. Далее прикладывают основную нагрузку с помощью рукоятки 5. Вдавливание длится 5-6сек , затем основная нагрузка снимается. После этого большая стрелка индикатора показывает величину твердости.
Рис.23 . Пресс Роквелла
Циферблат индикатора имеет две шкалы: красную В для испытания стальным шариком и чернуюС для испытания алмазным конусом.
Твердость по Роквеллу является величиной условной, характеризующей разность глубин отпечатков. Число твердости по Роквеллу обозначается HR с добавлением индекса шкалы, по которой производилось испытание, напримерHR В илиHR С. Для испытания очень твердых материалов применяют алмазный конус при нагрузке 60кГ . Отсчет производят по черной шкале.
Метод Виккерса, позволяющий измерить твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов; он пригоден для определения твердости тонких поверхностных слоев (например при химико-термической обработке).
По этому методу в образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136 0 . Нагрузка может применяться от 5 до 120кГ. Замер отпечатка производится с помощью микроскопа, находящегося на приборе.
Число твердости определяется по формуле
кГ мм 2 ,
;F - площадь пирамидального отпечатка,мм 2
Практически величина HV берется из таблиц.
Испытания на микротвердость производят вдавливанием алмазной пирамиды с углом при вершине 136 0 под нагрузкой от 2 до 200г ; число твердости выражаетсякГ мм 2 . По этому методу можно определять твердость отдельных структурных составляющих сплавов, мелких деталей, металлических нитей, окисных пленок и т.д. Нарис.24,а показан прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость.
Столик 11 и стойка 4 тубуса опираются на станину 1 прибора. Испытуемый предмет 2 устанавливается на столик под объектив 9, через который производят наводку на фокус микроскопа и установку нитей с помощью окулярного микроскопа 6. Затем алмазная пирамида 10 вдавливается в испытуемый предмет в течении 5-7 сек. После снятия нагрузки микроскопом измеряют диагональd (рис.24,б ), совмещая пересечение нитей станачала с правым углом отпечатка (пунктирные линии), а затем с левым (сплошные линии).
По величине диагонали определяют площадь отпечатка и твердость по выше приведенной формуле (HV n ).
Прочие механические испытания .Испытания ударной нагрузкой проводят для деталей машин и механизмов испытывающих ударные (динамические) нагрузки, так как некоторые металлы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются при малых ударных нагрузках, например, сталь с крупнозернистой структурой и чугун.
Ударные испытания на изгиб проводят над образцами стандартной формы на приборах, называемых маятниковыми копрами.
Сопротивление удару называют ударной вязкостью и определяют в килограммометрах на квадратный сантиметр.
Рис.24. Прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость
Ударная вязкость а н вычисляется по формуле
кГ м см 2 ,
где А н - работа удара, затраченная на излом образца,кГ м;
F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза,см 2 .
Испытания на усталость . Многие детали машин (шатуны двигателей, коленчатые валы и др.) в процессе работы подвергаются нагрузкам, изменяющимся по величине и направлению. При таких повторно-переменных напряжениях металл постепенно из вязкого состояния переходит в хрупкое (устает). Хрупкое состояние объясняется появлением микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют металл. В результате этого разрушение наступает при напряжениях меньших, чем предел прочности.
Микротрещины появляются и развиваются с поверхности преимущественно в сечениях с резкими изломами линии контура (например, при наличии шпоночных канавок, отверстий и др.).
Испытания на усталость (выносливость ) производят на различных машинах. Наиболее распространены машины для испытания:
изгибом при вращении;
при растяжении-сжатии;
при кручении.
Для металлов, работающих в сложных условиях, испытательные машины снабжаются установками и приспособлениями, обеспечивающими испытания при повышенных и пониженных температурах, при коррозии и в других специальных условиях.
Рис.25. Испытание на выдавливание
Технологические испытания (пробы ). Они определяют возможность производить те или иные технологические операции с данным металлом.
Испытание на выдавливание служит для определения способности тонкого листового металла к холодной штамповке и вытяжке. Испытание состоит в выдавливании лунки округлой головкой 1 (рис.25 ) до появления первой трещины в пластинке 2, зажатой в кольцевой поверхности.
Глубина выдавленной лунки при появлении первой трещины и является количественной мерой пробы.
Испытание на перегиб определяет способность металла выдерживать повторные перегибы и применяется для оценки качества листового материала толщиной до 5мм , а также проволоки и прутков.
Испытание на осадку определяет способность холодного металла принимать заданную форму при сжатии. Образец-цилиндр, высота которого равна двум диаметрам, считается выдержавшим пробу, если при осадке до заданной высоты на нем не появляются трещины, надрывы и излом.
Испытание на свариваемость. Два бруска испытуемого металла сваривают и испытывают на загиб или на растяжение, после чего сравнивают результаты с теми, которые соответствуют цельному (несваренному) образцу из того же металла. При хорошей свариваемости сопротивление разрыву сварного шва должно соответствовать не менее 80% от предела прочности цельного бруска.
Методы физико-химического анализа.
Макроанализ. Для макроанализа приготовляют образец-шлиф, или излом, по которому выявляют макроструктуру-строение металла и сплава, видимое невооруженным глазом или при малом увеличении до х 5 раз.
Поготовка шлифа состоит в выравнивании и шлифовании поверхности на шлифовальном машине. Затем, шлиф травят реактивами, которые растворяют или окрашивают разные по составу или ориентации части на шлифе.
С помощью макроанализа можно обнаружить усадочные раковины и рыхлости, пустоты, трещины, неметаллические включения (шлак, графит в сером чугуне и т.д.), наличие и характер расположения некоторых вредных примесей, например серы.
Микроанализ . Шлиф для микроанализа приготовляют также, как и для макроанализа, однако после шлифования его полируют до зеркального блеска.
По шлифу с помощью металлографического микроскопа выявляют микроструктуру: наличие, количество и форму тех или иных структурных составляющих, загрязненность посторонними включениями. Наличие и размеры пор определяют по нетравленным шлифам; для выявления основной структуры шлиф подвергают травлению. Так как металлы непрозрачны, шлифы из них можно изучать только в отраженном свете с помощью металлографического микроскопа.
На рис.26 приведена схема, поясняющая видимость границ зерен протравленного шлифа однофазного металла. Под действием реактивов при травлении металл по границам зерен растворяется сильнее, вследствие чего там образуются углубления-микробородки. Лучи света в них рассеиваются, поэтому границы зерен под микроскопом темнее; лучи от плоской поверхности зерен отражаются и каждое зерно на шлифе кажется светлым, при этом часто наблюдается различная окраска зерен, что объясняется неодинаковой растворимостью вследствие анизотропности.
Рис.26. Схема отражения лучей протравленным шлифом
однофазного металла
Наряду с обычным световым микроскопом широко применяют электронный микроскоп, в котором вместо световых лучей используются электронные: эти лучи испускает раскаленная вольфрамовая спираль. Электронный микроскоп обеспечивает электронно-оптическое увеличение до десятков тысяч раз.
Рентгеноструктурный анализ дает возможность установить типы кристаллических решеток металлов и сплавов, а также их параметры. Определение структуры металлов, размещение атомов в кристаллической решетке и измерение расстояния между ними основано на дифракции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов в кристалле, так как длина волн этих лучей соизмерима с межатомными расстояниями в кристаллах. Зная длину волны ренгеновских лучей, можно вычислить расстояние между атомами в кристалле и построить модель расположения атомов.
Ренгенографический анализ (просвечивание) основан на проникновении рентгеновских лучей сквозь тела, непрозрачные для видимого света. Проходя сквозь металлы, ренгеновские лучи частично поглащаются, причем сплошным металлом лучи сильнее поглащаются, чем в тех частях, где находятся газовые и шлаковые включения или трещины. Величину, форму и род этих пороков можно наблюдать на светящемся экране, установленном по ходу лучей за исследуемой деталью. Так как рентгеновские лучи действуют на фотографическую эмульсию подобно световым, то светящийся экран можно заменить кассетой с фотопленкой и получить снимок объекта.
Таким образом, ренгеновским просвечиванием можно обнаружить внутри детали даже микроскопические дефекты.
Термический анализ сводится к выявлению критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов и сопровождается построением кривых в координатах «температура - время».
Если в металле не происходит никаких фазовых превращений, кривая охлаждения (нагревания) будет плавной без перегибов и уступов; если же при охлаждении (или нагревании) металла в нем происходят фазовые превращения, которые сопровождаются выделением (при нагревании - поглощением) тепла, на кривой появятся горизонтальные участки или изломы (т.е. изменения направления кривой). Эти изломы и горизонтальные участки позволяют определять температуры превращений.
Дилатометрический анализ (дилатометрия - от лат. расширять) основан на измерении изменений объема, происходящих в металле или сплаве при фазовых превращениях, и применяется для определения критических точек в твердых образцах. Дилатометрический анализ проводят на приборах-дилатометрах.
Дефектоскопия. Магнитная дефектоскопия применяется для выявления дефектов в деталях, подверженных высоким переменным напряжениям. Такие дефекты, как трещины, волосовины, пузыри, неметаллические включения и т.п., в условиях переменной нагрузки становятся очень опасными, так как понижают динамическую прочность деталей.
Магнитное испытание слагается из трех основных операций: намагничивания изделий, покрытия их ферромагнитным порошком, наружного осмотра и размагничивания изделий.
У намагниченных изделий с пороками магнитные силовые линии, стремясь обогнуть места пороков (ввиду их пониженной магнитной проницаемости), выходят за пределы поверхности изделия и затем входят в него, образуя неоднородное магнитное поле. Поэтому при покрытии изделий магнитным порошком частицы последнего располагаются над пороком, образуя резко очерченные рисунки (рис.27 ). По характеру этих рисунков судят о величине и форме пороков металла.
Ультразвуковая дефектоскопия позволяет испытывать любые металлы (а не только ферромагнитные) и выявлять пороки в толще металла на значительной глубине, которые не обнаруживаются магнитным методом.
Для исследования металла применяют ультразвуковые колебания с частотой от 2 до 10 млн. гц. При такой частоте колебания распространяются в металле, подобно лучам, почти не рассеиваясь по сторонам: ими можно «просвечивать» металлы на глубину свыше 1м .
Рис.27. Схема расположения магнитных силовых линий на
детали с пороком
Ультразвук отражается на поверхности раздела разнопордных сред. Поэтому, рапространяясь в металле, ультразвук не проходит через трещины, раковины, неметаллические включения, образуя, таким образом, акустическую тень (рис.28 ). Здесь,а -зона акустической тени.
Для излучения и приема ультразвука используются соответственно пьезоэлектрические излучатели и приемники.
Применение радиоактивных изотопов (меченных атомов) .В металлургии и металловедении радиоактивные изотопы применяют для разных целей. Например, в шлак вводят радиоактивные изотопы фосфора, серы, марганца и др. и изучают скорость перехода этих элементов в металл и скорость восстановления их равновесного распределения между металлом и шлаком в металлургических плавках при изменении температуры или состава шлака. Введение радиоактивного углерода в железо при цементации позволяет изучать скорость диффузии и распределение углерода в нем.
Рис.28. Схема ультразвукового исследования детали
Для выявления распределения олова в никеле в жидкий сплав добавляют радиактивное олово. Затвердевший сплав кладут на кассету с фотопластинкой и после соответствующей выдержки пластинку проявляют.
На рис.29 приведена микрорадиоавтография такого сплава, из которой (по распределению потемнений) видно, что радиактивное, а с ним и обычное олово окаймляет зерна никеля.
Рис.29. Микрорадиоавтография сплава никеля с оловом
Радиоактивные изотопы помогают следить за износом огнеупорной кладки в доменных печах или деталей машин.
Механические испытания металлов. Прочность, определение прочности металла.
Выбор металла для изготовления деталей машин и конструкций определяется конструктивными, эксплуатационными, технологическими и экономическими требованиями.
Металл должен обладать необходимой прочностью, способностью деформироваться, соответствовать условиям эксплуатации (стойкость против коррозии, тепло- и электропроводность и др.) и иметь минимальную стоимость.
Прочность — основное требование, предъявляемое к любому металлу, идущему на изготовление деталей машин и металлоконструкций.
Прочностью называется способность материала выдерживать, не разрушаясь, внешние нагрузки. За меру прочности принята нагрузка, которую выдерживает каждый квадратный миллиметр (или сантиметр) сечения детали.
Определение прочности металла производится путем растяжения образцов определенной формы и размеров на испытательной машине. При растяжении площадь поперечного сечения образца уменьшается, образец становится тоньше, а длина его увеличивается. В какой-то момент растяжение образца по всей длине прекращается и происходит только в одном месте, образуется так называемая шейка. Спустя некоторое время образец разрывается в месте образования «шейки».
Процесс растяжения протекает так только у вязких материалов, у хрупких (твердая сталь, чугун) разрыв образца происходит с незначительным удлинением и без образования «шейки».
При делении максимальной нагрузки, которую выдержал образец до разрыва (нагрузка измеряется специальным прибором — силоизмерителем, входящим в конструкцию испытательной машины), на площадь его поперечного сечения до растяжения получают основную характеристику металла, называемую пределом прочности (σ в).
Предел прочности каждого металла конструктору необходимо знать для определения размеров детали, технологу — для назначения режимов обработки.
При повышенных температурах кратковременные испытания на растяжение выполняются на обычных испытательных машинах, только в машину встраивается печь (как правило, муфельная электрическая) для нагрева образца. Печь крепится на станине машины так, чтобы ось муфеля совпала с осью машины. Внутрь печи помещается испытуемый образец. Для равномерного нагрева печь должна быть в 2—4 раза длиннее образца, и поэтому закрепление его непосредственно в захватах машины невозможно. Образец закрепляется в специальных удлинителях из жаропрочной стали, а те в свою очередь крепятся в захватах машины.
Для получения стабильных результатов необходимо, чтобы образец выдерживался при температуре испытания в течение 30 минут. На величину предела прочности нагретого металла значительное влияние оказывает скорость растяжения: чем выше скорость, тем больше значение предела прочности. Поэтому для правильной оценки теплостойкости стали продолжительность испытания на растяжение должна составлять 15—20 минут.
Под действием сил металл способен изменять свою форму и размеры, т. е. деформироваться.
Рис. 2. Виды деформаций стержня: а - растяжение;
б - сжатие; в - изгиб; г - кручение; д - срез
Деформации могут быть упругими и пластическими (остаточными). Упругие деформации исчезают после снятия нагрузки, а пластические остаются.
Величины деформаций зависят от значения действующих сил, а виды - от направления приложения сил. Наиболее часто встречаются следующие
основные виды деформаций: растяжение, сжатие, изгиб, кручение и срез. На практике металл подвергается одному или нескольким видам деформаций в зависимости от прилагаемых сил.
При выборе металла для изготовления конструкций, деталей, инструментов исходят из его механических свойств. Механическими свойствами называется совокупность качеств, характеризующих способность металлов противостоять деформации при приложении сил. К механическим свойствам относятся прочность, упругость, пластичность, твердость, вязкость, усталостная прочность (выносливость) и др. Чтобы определить механические свойства металла, его испытывают в лабораториях на специальных машинах.
Испытание металлов на растяжение. Испытание металлов на растяжение позволяет определить наиболее важные механические свойства металлов: прочность, упругость и пластичность (рис.3).
Рис. 3. Диаграмма растяжения металлов:
а - пластичных; б - хрупких
Прочность - способность металлов сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Упругость - способность металлов восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузок, вызвавших их изменение. Пластичность - способность металлов необратимо изменять свою форму и размеры, не разрушаясь под действием нагрузок. Противоположным свойством пластичности является хрупкость.
Известно, что груз приложенный к металлическому стержню, вызывает в нем растягивающие напряжения, которые определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения стержня
σ = P/F,
где σ - напряжение, Па;
F- площадь поперечного сечения, м 2 .
Сравнение прочности и упругости металлов проводят по величине предельных напряжений.
Прочность обычно определяется пределом прочности, который равен отношению максимальной (наибольшей) нагрузки, вызвавшей разрушение стержня, к площади его первоначального поперечного сечения:
σ В = Рmах / F о
F о - площадь первоначального поперечного сечения стержня, м 2 .
Предел прочности, называемый также временным сопротивлением, - важнейшая характеристика. Если напряжения в изделии, конструкции или инструменте превзойдут предел прочности, то они разрушаются.
Упругость оценивается пределом упругости, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций стержня, к площади его первоначального поперечного сечения
σ уп = Руп/Fо,
где Руп - наибольшая нагрузка, не вызывающая остаточных деформаций, Н.
Если напряжения в деталях превзойдут предел упругости, то они изменят свою форму и размеры, что может иметь катастрофические последствия.
Пластичность металлов характеризуется относительным удлинением и относительным поперечным сужением.
Относительным удлинением называется отношение приращения длины стержня после разрыва к его первоначальной длине:
ι - ι 0
δ = ──────100
где ι 0 - первоначальная длина образца, мм;
ι- длина образца после разрыва, мм;
ι - ι 0 =۵ ι - абсолютное удлинение, мм.
Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения стержня после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения:
Ψ = ────── 100
где Fо - первоначальная площадь поперечного сечения стержня;
F- площадь поперечного сечения стержня после разрыва, мм 2 ;
Fо-F = ۵F - абсолютное сужение, мм 2 .
Чем больше значение относительного удлинения и сужения, тем пластичнее металл. У хрупких металлов эти величины незначительны или равны нулю. Хрупкость металла является отрицательным свойством, а пластичность положительным.
Испытание металлов на растяжение проводят на разрывных машинах, которые обеспечивают приложение к образцам статических, т.е. постоянных или плавно возрастающих нагрузок.
Хрупкие металлы (чугун, закаленная сталь и др.), работающие на изгиб, испытывают не только на растяжение, но и на изгиб. При этом определяют предел прочности на изгиб (σ ИЗГ) по соответствующим формулам. Испытания проводят на разрывных машинах, имеющих для этого специальные приспособления в виде двух опор, на которые укладывают образец. Посредине образца создают равномерно повышающуюся нагрузку до его разрушения.
Предел прочности на изгиб - важнейшая характеристика металлов конструкций, работающих на изгиб. Испытанию на изгиб подвергают большинство судостроительных металлов.
Испытание металлов на твердость. Твердостью называется способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого материала.
В настоящее время применяют разнообразные методы испытания металлов на твердость. Наиболее распространены методы, при которых в металл под действием статической нагрузки вдавливают специальный наконечник-индентор (шарик, конус или пирамиду). Эти методы называют по фамилии их авторов: Бринелля, Роквелла и Виккерса. Твердость определяют также ударным вдавливанием шарика (метод Польди) и методом упругой отдачи бойка (метод Шора).
Приближенно твердость можно оценить и по углублениям, оставляемым чертилкой, кернером, зубилом и другими режущими инструментами. О твердости судят по глубине отпечатка, оставленного на металле наконечником или режущими инструментами. Чем больше глубина отпечатка при одинаковой нагрузке на внедряемый материал одинакового размера, тем меньше твердость и наоборот.
Испытывая металл на твердость, можно просто и быстро определить его механические свойства, причем не только в лабораториях, но и на производстве. По величине твердости можно приближенно судить и о других механических свойствах металлов: прочности, износостойкости и т.п., а также обрабатываемости. Чем металл тверже, тем его труднее обрабатывать.
В зависимости от твердости выбирают металлы для изготовления тех или иных деталей, конструкций, инструментов. Рассмотрим наиболее распространенные методы испытания металлов на твердость.
Метод Бринелля заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого образца стального шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм.
Твердость по методу Бринелля выражается в числах твердости НВ (Н - твердость, В - Бринелля).
Испытание на твердость по методу Бринелля проводится на приборах с применением плоских или круглых образцов и деталей. Для получения точных результатов на поверхности образцов не должно быть ржавчины, окалины, вмятин и т. п.
Метод Роквелла заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого металла алмазного конуса или стального закаленного шарика диаметром 1,59 мм.
В приборах (твердомерах) Роквелла в отличие от приборов Бринелля число твердости определяют непосредственно по шкале индикатора.
Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и обозначаются символом HR (Н - твердость, R - Роквелл). К символу добавляется обозначение шкалы индикатора (А, В или С), по которой измерялась твердость, и соответствующее числовое значение твердости.
По методу Роквелла можно испытывать мягкие и твердые металлы, а также готовые изделия, так как отпечатки от наконечника незначительны. Испытание занимает мало времени (не более 50 с), не требует никаких измерений; показания читаются непосредственно по шкале индикатора.
Метод Виккерса заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого металла четырехгранной алмазной пирамиды.
Метод Польди заключается во вдавливании стального шарика под действием динамической (ударной) нагрузки в поверхность испытуемого металла и эталонного образца.
По соотношению площадей или диаметров отпечатков расчетным путем по таблицам определяют твердость металла. Она будет тем меньше, чем больше отпечаток на испытуемом металле по сравнению с отпечатком на эталонном образце, и наоборот.
Испытание металлов на ударную вязкость. Ударной вязкостью (динамической прочностью) называется способность металлов оказывать сопротивление действию ударных (динамических) нагрузок.
Многие детали машин, конструкции и инструменты испытывают при эксплуатации ударные нагрузки. Например, судовые конструкции подвергаются ударам волн, льда и т. п. Поэтому при их изготовлении необходимо учитывать эту важнейшую характеристику.
Металлы, легко разрушающиеся под действием ударной нагрузки, называются хрупкими. Они непригодны для изготовления деталей, работающих в условиях ударных нагрузок. Вязкими называются металлы, разрушающиеся при значительных ударных нагрузках и значительных пластических деформациях.
Испытание металлов на ударную вязкость проводят на механизмах, называемых маятниковыми копрами. Оно заключается в ударном изломе (изгибе) маятником копра образца и в подсчете израсходованной работы на разрушение образца.
Маятник поднимают на некоторую высоту Н. С этой высоты он свободно падает разрушает образец и снова поднимается на некоторую высоту h. Работа, затраченная на разрушение образца,
А = P(H - h) или А =Pι (cosβ - cosα),
где Р - сила тяжести (вес) маятника, Н;
Н - высота подъема маятника до удара, м;
h - высота подъема маятника после удара, м;
l- длина маятника, м.
Ударную вязкость металла определяют по величине удельной ударной вязкости а H , равной отношению работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения в месте разрушения:
а H = А /F
где А - работа, затраченная на разрушение образца, Дж;
F - площадь поперечного сечения образца в месте разрушения, м 2 .
Современный маятниковый копер имеет шкалу, градуированную непосредственно в единицах работы. Если поднять маятник на некоторую высоту Н, то стрелка покажет запас энергии маятника до удара РН в джоулях. После разрушения образца маятник поднимается на некоторую высоту h, в это время стрелка покажет запас энергии-маятника Ph после удара. Таким образом, ударная вязкость
а H = (РН - Ph)/F.
Ударная вязкость зависит не только от рода металла, но и от его температуры, химического состава, структуры и т. д. Например, две марки стали, с разной структурой могут иметь совершенно, различные значения ударной вязкости, но почти одинаковые другие механические свойства.
Испытание металлов на усталостную прочность (выносливость). Многие детали машин и механизмов, некоторые конструкции и инструменты при эксплуатации подвергаются действию переменных нагрузок, т. е. меняющихся по значению, направлению или по значению и направлению одновременно. Таким нагрузкам подвергаются, например, корпуса судов детали машин (валы, оси, шатуны, коленчатые валы).
В результате длительного воздействия переменных нагрузок прочность металла уменьшается и деталь, конструкция или инструмент разрушается. Разрушение металла часто наступает при напряжениях, которые значительно меньше, чем предел прочности, а иногда даже меньше, чем предел текучести.
Способность металлов сопротивляться усталостному разрушению называется усталостной прочностью (выносливостью). Показателем ее является предел усталости (выносливости), который определяют в ходе испытания на специальных машинах. Испытания проводят на переменный изгиб, растяжение-сжатие и кручение.
Чаще всего применяют способ испытания изгибом при вращении (рис. 4). В этом случае один конец образца закрепляют в патроне, а к другому через шарикоподшипник подвешивают груз. При вращении наружные волокна образца попеременно будут испытывать растягивающие и сжимающие усилия. При достижении некоторого числа перемен (циклов) образец разрушается. Число циклов определяют по установленному на станке счетчику.
Рис. 4. Схема испытания образца на усталостную прочность: 1 - патрон станка; 2 - образец;
Подшипник качения
Пределом усталости металлов называется максимальное напряжение, при котором образец еще выдерживает неограниченное число циклов, не разрушаясь. Пределы усталости обозначают:
при изгибе - σ -1 ;
при растяжении-сжатии - σ- 1 p ;
при кручении - τ -1 .
Между пределом усталости и пределом прочности существует следующая приблизительная зависимость:
σ -1 == 0,47σ в; σ -1 p = 0,32σ в; τ -1 = 0,22σ в.
Усталостная прочность зависит от значения переменных напряжений, состояния поверхностей деталей и других факторов. Ее следует учитывать при создании, например, быстроходных судов, сверхзвуковых самолетов, космических кораблей, мощных турбин, испытывающих при эксплуатации переменные нагрузки.
Металлы, работающие в сложных условиях, испытывают при повышенных и пониженных температурах, в условиях коррозии, при истирании и т. д.
Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться технологической обработке, целью которой является придание металлам определенных форм, размеров и свойств. К ним относятся: литейные свойства, ковкость, свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием и др. Поведение металла при технологической обработке определяют по технологическим пробам.
Технологические пробы применяют главным образом для определения пригодности материала к тому или иному способу обработки. О результатах технологических испытаний судят по состоянию поверхности после испытания (отсутствие трещин, надрывов, изломов). Наиболее распространены следующие технологические пробы: на изгиб в холодном и нагретом состоянии; на перегиб и выдавливание; на осадку; на раздачу и обжатие труб; искровая.
К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: плотность, температура плавления, теплопроводность, электро-проводность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и способность намагничиваться (табл. 1).
Химические свойства - способность металлов и сплавов сопротивляться воздействию окружающей среды, которое проявляется в различных формах. Под влиянием кислорода воздуха и влаги металлы подвергаются коррозии: чугун и сталь ржавеют; бронза покрывается зеленым слоем оксида меди; сталь при нагреве в печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется.
Металлы и сплавы, стойкие против окисления при высокой температуре нагрева, называются жаростойкими или окалиностойкими. Из них изготовляют такие детали, как клапаны двигателей внутреннего сгорания и др. Золото, серебро и нержавеющие стали слабо поддаются коррозии.
§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 8). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.
Рис. 8. Виды деформаций:
а - сжатие, б - растяжение, в - кручение, г - срез, д - изгиб
Рис. 9. Диаграмма растяжения:
а - условная диаграмма в координатах Р-∆l, б – условная диаграмма напряжений и диаграмма истинных напряжений
Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение (ГОСТ 1497-73). Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат - нагрузки, приложенные к образцу.
Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность – отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности σ в (временное сопротивление) - это условное напряжение в Па (Н/м 2), соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: σ в =P max /F 0 , где P max - наибольшая нагрузка, Н; F 0 - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м 2 . Истинное сопротивление разрыву S к - это напряжение, определяемое отношением нагрузки Р к в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва F к (S к = Р к / F к).
Предел текучести (физический) σ т - это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: σ т =Р т /F 0 , где Р т - нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.
Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца: σ 0,2 =Р 0,2 /F 0 .
Упругость - способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р уп оценивают пределом пропорциональности σ пц и пределом упругости σ уп.
Предел пропорциональности σ пц - напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца σ пц =Р пц /F 0 .
Предел упругости (условный) σ 0,05 - это условное напряжение в МПа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05% от расчетной длины образца l0: σ 0,05 =P 0,05 /F 0 , где P 0,05 - нагрузка предела упругости, Н.
Пластичность , т. е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение (после разрыва) δ - это отношение приращения (l к -l 0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине l 0 , выраженное в процентах: δ=[(l к -l 0)/l 0 ]100%.
Относительное сужение (после разрыва) φ - это отношение разности начальной и минимальной площадей (F 0 -F к) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади F 0 поперечного сечения, выраженное в процентах: φ=[(F 0 -F к)/F 0 ]100%.
Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен. У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционного материала является отрицательным свойством.
Ударная вязкость , т. е. способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м 2) в месте надреза КС=W/F.
Для испытания (ГОСТ 9454-78) изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.
Определение ударной вязкости особенно важно для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем ниже порог хладноломкости, т. е. температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость - снижение ударной вязкости при низких температурах.
Циклическая вязкость - это способность материалов поглощать энергию при повторнопеременных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных деталей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.
Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностноупрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).
Способ Бринелля (ГОСТ 9012-59) основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытываемого металла. Твердость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Испытание проводят следующим образом. На поверхности образца, твердость которого нужно измерить, напильником или абразивным кругом зачищают площадку размером 3-5 см 2 . Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкосновения со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавливает шарик в испытываемый образец. На поверхности металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металл мягче.
За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диаметром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 10, а).
Рис. 10. Определение твердости металла методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)
Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптической лупы (с делениями) и по полученному значению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.
Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых результатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, например закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.
Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013-59). В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная величина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытание проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р 0 равна 100 Н.
При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и общую нагрузку P=P 0 +P 1 =1500 Н. Твердость отсчитывают по шкале «С» и обозначают HRC.
Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчитывается по шкале «В» и обозначается HRB.
При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмазный конус и общую нагрузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 - твердость 50 по шкале «С».
При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999-75) в качестве вдавливаемого в материал наконечника используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения нагрузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев металла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу – HV 500.
Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости . Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05-5 Н, а размер отпечатка 5-30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-3, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.
Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть излома 1 с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, а также машины для испытаний на растяжение – сжатие и на повторно-переменное кручение. В результате испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.
