Испытания на упругость металла
Обновлено: 04.10.2024
Механические свойства металлов (прочность, упругость, пластичность, вязкость), как и другие свойства, являются исходными данными при проектировании и создании различных машин, механизмов и сооружений.
Методы определения механических свойств металлов делятся на следующие группы:
· статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
· динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
· циклические, когда нагрузка многократно изменяется (испытание на усталость);
· технологические — для оценки поведения металла при обработке давлением (испытания на изгиб, перегиб, выдавливание).
Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) проводятся на стандартных образцах круглого или прямоугольного сечения. При растяжении под действием плавно возрастающей нагрузки образец деформируется до момента разрыва. Во время испытания образца снимают диаграмму растяжения (рис. 1.36, а), фиксирующую зависимость между действующей на образец силой Р, и вызванной ею деформацией Δl (Δl — абсолютное удлинение).
Рис. 1.36. Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали (а) и зависимость между напряжением и относительным удлинением (б)
Вязкость (внутреннее трение) — способность металла поглощать энергию внешних сил при пластической деформации и разрушении (определяется величиной касательной силы, приложенной к единице площади слоя металла, подлежащего сдвигу).
Пластичность — способность твердых тел необратимо деформироваться под действием внешних сил.
При испытании на растяжение определяют:
· σв — границу прочности, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рb — наибольшая нагрузка; F0 — начальная площадь сечения образца;
· σпц — границу пропорциональности, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Pпц — нагрузка, соответствующая границе пропорциональности;
· σпр — границу упругости, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рпр — нагрузка, соответствующая границе упругости (при σпр остаточная деформация соответствует 0,05-0,005 % начальной длины);
· σт — границу текучести, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рт — нагрузка, соответствующая границе текучести, Н;
· δ — относительное удлинение, %:
где l0 — длина образца до разрыва, м; l1 — длина образца после разрыва, м;
· ψ — относительное сужение, %:
где F0 — площадь сечения до разрыва, м 2 ; F — площадь сечения после разрыва, м 2 .
Испытания на твердость
Твердость — это сопротивление материала проникновению в него другого, более твердого тела. Из всех видов механического испытания определение твердости является самым распространенным.
Испытания по Бринеллю (ГОСТ 9012-83) проводятся путем вдавливания в металл стального шарика. В результате на поверхности металла образуется сферический отпечаток (рис. 1.37, а).
Твердость по Бринеллю определяется по формуле:
где P — нагрузка на металл, Н; D — диаметр шарика, м; d — диаметр отпечатка, м.
Чем тверже металл, тем меньше площадь отпечатка.
Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от исследуемого металла, его твердости и толщины. При испытании стали и чугуна выбирают D = 10 мм и P = 30 кН (3000 кгс), при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и P = 10 кН (1000 кгс), а при испытании очень мягких металлов (алюминия, баббитов и др.) D = 10 мм и P = 2,5 кН (250 кгс). При испытании образцов толщиной менее 6 мм выбирают шарики с меньшим диаметром — 5 и 2,5 мм. На практике пользуются таблицей перевода площади отпечатка в число твердости.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450 (4500 МПа), поскольку шарик может деформироваться, что исказит результаты испытаний.
Испытания по Роквеллу (ГОСТ 9013-83). Проводятся путем вдавливания в металл алмазного конуса (α = 120°) или стального шарика (D = 1,588 мм или 1/16", рис. 1.37, б). Прибор Роквелла имеет три шкалы — В, С и А. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы С и А), а шарик — для испытания мягких материалов (шкала В). Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной Р0 и общей Р:
где Р1 — основная нагрузка.
Предварительная нагрузка Р0 = 100 Н (10 кгс). Основная нагрузка составляет 900 Н (90 кгс) для шкалы В; 1400 Н (140 кгс) для шкалы С и 500 Н (50 кгс) для шкалы А.
Рис. 1.37. Схема определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Рoквеллу; в — по Виккерсу
Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принимают величину, которая соответствует осевому перемещению наконечника на расстояние 0,002 мм.
Твердость по Роквеллу вычисляют следующим способом:
НR = 100 – e (шкалы А и С); НR = 130 – e (шкала В).
Величину e определяют по формуле:
где h — глубина проникновения наконечника в металл под действием общей нагрузки Р (Р =Р0+ Р1); h0 — глубина проникновения наконечника под действием предварительной нагрузки Р0.
В зависимости от шкалы твердость по Роквеллу обозначают НRВ, НRС, НRА.
Испытания по Виккерсу (ГОСТ 2999-83). В основе метода — вдавливание в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды (α = 136°) (рис. 1.37, в). Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.
Твердость по Виккерсу:
где Р — нагрузка на пирамиду, Н; d — среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеренных после снятия нагрузки, м.
Число твердости по Виккерсу определяют по специальным таблицам по диагонали отпечатка d. При измерении твердости применяют нагрузку от 10 до 500 Н.
Микротвердость (ГОСТ 9450-84). Принцип определения микротвердости такой же, как и по Виккерсу, согласно соотношению:
Метод применяется для определения микротвердости изделий мелких размеров и отдельных составляющих сплавов. Прибор для измерения микротвердости — это механизм вдавливания алмазной пирамиды и металлографический микроскоп. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же тщательно, как микрошлифы.
Испытание на ударную вязкость
Для испытания на удар изготавливают специальные образцы с надрезом, которые затем разрушают на маятниковом копре (рис. 1.39). Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на подъем маятника после его разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника отнять часть, которая тратится на подъем (взлет) после разрушения образца, получим работу разрушения образца:
K = Рl(соs β – соs α), Дж (кг·м),
де P — масса маятника, Н (кг); h1 — высота подъема центра масс маятника до удара, м; h2 — высота взлета маятника после удара, м; l — длина маятника, м; α, β — углы подъема маятника соответственно до разрушения образца и после него.
Рис. 1.39. Испытание на ударную вязкость: 1 — маятник; 2 — нож маятника; 3 — опоры
Ударную вязкость, т. е. работу, затраченную на разрушение образца и отнесенную к поперечному сечению образца в месте надреза, определяют по формуле:
где F — площадь поперечного сечения в месте надреза образца, м 2 (см 2 ).
Для определения KС пользуются специальными таблицами, в которых для каждого угла β определена величина работы удара K. При этом F = 0,8 · 10 –4 м 2 .
Для обозначения ударной вязкости добавляют и третью букву, указывающую на вид надреза на образце: U, V, Т. Запись KСU означает ударную вязкость образца с U-образным надрезом, KСV — с V-образным надрезом, а KСТ — с трещиной (рис. 1.40).
Рис. 1.40. Виды надрезов на образцах для испытания на ударную вязкость:
а — U-образный надрез (KCU); б — V-образный надрез (KСV); в — надрез с трещиной (KСТ)
Испытание на усталость (ГОСТ 2860-84). Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называется усталостью металла. При разрушении металла вследствие усталости на воздухе излом состоит из двух зон: первая зона имеет гладкую притертую поверхность (зона усталости), вторая — зона долома, в хрупких металлах она имеет грубокристаллическое строение, а в вязких — волокнистое.
При испытании на усталость определяют границу усталости (выносливости), т. е. то наибольшее напряжение, которое может выдержать металл (образец) без разрушения заданное число циклов. Самым распространенным методом испытания на усталость является испытание на изгиб при вращении (рис. 1.41).
Рис. 1.41. Схема испытания на изгиб при вращении:
1 — образец; Р — нагрузка; Мвиг — изгибающий момент
Применяют следующие основные виды технологических испытаний (проб).
Проба на изгиб (рис. 1.42) в холодном и горячем состоянии — для определения способности металла выдерживать заданный изгиб; размеры образцов — длина l = 5а + 150 мм, ширина b = 2а (но не менее 10 мм), где а — толщина материала.
Рис. 1.42. Технологическая проба на изгиб: а — образец до испытания; б — загиб до определенного угла; в — загиб до параллельности сторон; г — загиб до соприкосновения сторон
Проба на перегиб предусматривает оценку способности металла выдерживать повторный изгиб и применяется для проволоки и прутков диаметром 0,8—7 мм из полосового и листового материала толщиной до 55 мм. Образцы сгибают попеременно направо и налево на 90° с равномерной — около 60 перегибов в минуту — скоростью до разрушения образца.
Проба на выдавливание (рис. 1.43) — для определения способности металла к холодной штамповке и вытягиванию тонкого листового материала. Состоит в продавливании пуансоном листового материала, зажатого между матрицей и зажимом. Характеристикой пластичности металла является глубина выдавливания ямки, что соответствует появлению первой трещины.
Рис. 1.43. Испытание на выдавливание: 1 — лист; h — мера способности материала к вытяжке
Проба на навивку проволоки диаметром d ≤ 6 мм. Испытание состоит в навивке 5—6 плотно прилегающих по винтовой линии витков на цилиндр заданного диаметра. Выполняется только в холодном состоянии. Проволока после навивки не должна иметь повреждений.
Проба на искру используется при необходимости определения марки стали при отсутствии специального оборудования и маркировки.
3.1 Методы определения механических свойств
Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропроводность. Они имеют характерный металлический блеск.
Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для металлических сплавов, особенно конструкционных, большое значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.
Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают напряжение и деформация. Напряжение это нагрузка (сила), отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца.
Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Деформация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается.
В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.
Прочность – способность металлов оказывать сопротивление деформации или разрушению статическим, динамическим или знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.
Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.1). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.
Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.1), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.
Рис. 3.1. Кривая деформации
Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.
При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.
Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании. Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).
Представленная зависимость ОАВ (см. рис. 3.1) между приложенным извне напряжением (σ) и вызванной им относительной деформацией (ε) характеризует механические свойства металлов.
· наклон прямой ОА показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;
· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию:
· напряжение, которое называется пределом пропорциональности (σпц), соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;
· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (σ0,2). Это напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия;
· максимальное напряжение (σв) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности.
Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (δ) или относительное сужение (ψ), они характеризуют пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.
При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.2) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца, в результате этого получают так называемые диаграммы деформации.
Рис. 3.2. Диаграмма «усилие (напряжение) – удлинение»
Деформация образца при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму. Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие, в конечном счете, к полному разрушению образца в целом.
Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:
1) пределом прочности на разрыв;
2) пределом пропорциональности;
3) пределом текучести;
4) пределом упругости;
5) модулем упругости;
6) пределом текучести;
7) относительным удлинением;
8) относительным равномерным удлинением;
9) относительным сужением после разрыва.
Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) σв, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке РВ предшествующей разрушению образца:
Эта характеристика является обязательной для металлов.
Предел пропорциональности (σпц) – это условное напряжение Рпц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости мости между деформацией и нагрузкой. Он равен:
Значения σпц измеряют в кгс/мм 2 или в МПа.
Предел текучести (σт) – это напряжение (Рт) при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Вычисляется по формуле:
Предел упругости (σ0,05) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Предел упругости σ0,05 вычисляют по формуле:
Модуль упругости (Е) – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Он равен:
где ∆Р – приращение нагрузки; l0 – начальная расчетная длина образца; lср – среднее приращение удлинения; F0 – начальная площадь поперечного сечения.
Предел текучести (условный) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.
Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.
Относительное удлинение (после разрыва) – одна из характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения расчетной длины образца после разрушения (lк) к начальной расчетной длине (l0) в процентах:
Относительное равномерное удлинение (δр) – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.
Относительное сужение после разрыва (ψ), как и относительное удлинение – характеристика пластичности материала. Определяется как отношение разности F0 и минимальной (Fк) площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F0), выраженное в процентах:
Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость – свойство, обратное пластичности.
Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом – измерением твердости.
Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т.е., по сути дела, твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.3, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть нагрузка (Р), деленная на площадь сферической поверхности отпечатка (диаметром d).
Рис. 3.3. Испытание на твердость:
а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
При измерении твердости методом Виккерса (рис. 3.3, б) вдавливается алмазная пирамида. Измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (HV) материала.
При измерении твердости методом Роквелла (рис. 3.3, в) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Число твердости – это значение, обратное глубине вдавливания (h). Имеются три шкалы: А, В, С (табл. 3.1).
Методы Бринелля и Роквелла по шкале B применяют для мягких материалов, а метод Роквелла по шкале C – для твердых, а метод Роквелла по шкале A и метод Виккерса – для тонких слоев (листов). Описанные методы измерения твердости характеризуют среднюю твердость сплава. Для того чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100 – 400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка. Полученная характеристика (Н) называется микротвердостью, и характеризует твердость определенной структурной составляющей.
Методики испытаний механических свойств
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.
По характеру изменения во времени действующей нагрузки механические испытания могут быть статическими (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамическими (на ударный изгиб) и циклическими (на усталость).
По воздействию температуры на процесс их делят на испытания при комнатной температуре, низкотемпературные и высокотемпературные (на длительную прочность, ползучесть).
Статические испытания проводятся при воздействии на образец с определенной скоростью постоянно действующей нагрузки. Скорость деформации составляет от 10 - 4 до 10 - 1 с - 1 . Статические испытания на растяжение относятся к наиболее распространенным. Свойства, определяемые при этих испытаниях, приведены в многочисленных стандартах по техническим условиям на материалы. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение.
Динамические испытания характеризуются приложением к образцу ударной нагрузки и значительной скоростью деформации. Длительность испытания не превышает сотен долей секунды. Скорость деформации составляет около 10 2 с - 1 . Динамические испытания чаще всего проводят по схеме ударного изгиба образцов с надрезом.
Циклические испытания характеризуются многократными изменениями нагрузки по величине и по направлению. Примером испытаний являются испытания на усталость, они длительны и по их результату определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжения. В конечном итоге находят предельные напряжения, который образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.
Простейшим механическим свойством является твердость. Методы определения твердости в зависимости от скорости приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по способу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.
Твердость - это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.
При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы испытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и некоторые другие.
При испытании материалов на твердость не изготавливают стандартных специальных образцов, однако к размерам и поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.
Твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) устанавливают путем вдавливания в металл индентора - алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под действием постоянной нагрузки Р: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой в течение 10-15 с. Для определения твердости черных металлов и сплавов используют нагрузки от 5 до 100 кгс, медных сплавов - от 2,5 до 50 кгс, алюминиевых сплавов - от 1 до 100 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора находят длину диагонали отпечатка, а твердость HVрассчитывают по формуле
Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и длины диагонали. Поэтому на практике вычислений не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HVизмеряется в кгс/мм 2 , Н/мм 2 или МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс.
По методу Бриннелля вдавливают в образец или изделие стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием нагрузок 3000, 1000, 750, 500, 250, 62,5 кгс и др. (ГОСТ 9012-59, рис. 1.). Полученный круглый отпечаток на образце измеряют под лупой и по таблицам находят величину твердости по Бринеллю, значение которой не превышает 450 НВ. Твердость по Бринеллю почти совпадает со значениями твердости по Виккерсу.
Твердость по Бринеллю НВ (по умолчанию) имеет размерность кгс/мм 2 , например, твердость алюминиевого сплава равна 70 НВ. При нагрузке, определяемой в ньютонах, твердость по Бринеллю измеряется в МПа. Например, твердость отожженной стали равна 207 НВ при нагрузке 3000 кгс, диаметре шарика 10 мм, диаметре отпечатка 4,2 мм или, учитывая коэффициент перевода: 1 Н = 9,8 кгс,
По методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В).
При этом определяют твердость, соответственно, HRA, HRC и HRB. В настоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Роквелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после снятия основной нагрузки.
Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок - предварительной Р0 и основной Р1 которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р0 + Р1 После выдержки в течение нескольких секунд основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предварительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно деление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.
На рис. 2 представлена схема измерения твердости по методу Роквелла алмазным или твердосплавным конусом. При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором - алмазным конусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как
На практике значения твердости по Роквеллу не рассчитываются по формулам, а считываются с соответствующей (черной или красной) шкалы прибора. Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB -для низкой. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой.
Испытание на растяжение материалов проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение». Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения при температуре 20 °С пределов пропорциональности, упругости, текучести, временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и относительного сужения, модуля упругости.
Для испытаний применяют плоские и цилиндрические образцы, вырезанные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов регламентированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому подобию и могут быть короткими и длинными. Для цилиндрического образца берется соотношение начальной рабочей длины l0 и исходного диаметра d0 : l0= 5d0- короткий образец, l0= 10d0 - длинный образец. Для плоского образцаберется соотношение рабочей длины l0 и площади поперечного сечения F0:
l0= 5,65√F0 - короткий образец, l0= 11,3√F0 - длинный образец. Цилиндрические образцы изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной l0 и головок, форма и размер которых соответствуют захватам машины (рис. 3).
Растяжение образца проводят на специальных машинах, позволяющих фиксировать величину прилагаемой нагрузки и изменение длины образца при растяжении. Эти же машины дают возможность записывать изменение длины образца при увеличении нагрузки (рис. 4), т.е. первичную диаграмму испытания на растяжение в координатах: нагрузка Р, Н, кН; и абсолютное удлинение образца А, мм.
Измеряя величину нагрузки в характерных точках диаграммы испытаний на растяжение (рис.4), определяют следующие параметры механических свойств материалов:
Значения 0,05 и 0,2 в записи предела упругости и текучести соответствуют величине остаточной деформации ∆l в процентах от l0 при растяжении образца. Напряжения при испытании на растяжение вычисляют путем деления нагрузки Р, соответствующей характерной точке на диаграмме, на площадь первоначального поперечного сечения F0 рабочей части испытуемого образца:
Предел пропорциональности и предел упругости определяют с помощью тензометра (прибор для определения величины деформации). Предел текучести физический и условный рассчитывают, находя нагрузку по диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести, то для вычисления условного предела текучести необходимо провести графические построения на диаграмме (рис. 1.5). Вначале находят величину остаточной деформации, равную 0,2 % от l0, далее отмечают отрезок на оси деформации, равный 0,2 % от l0, и проводят линию, параллельную пропорциональному участку диаграммы растяжения, до пересечения с кривой растяжения.
Нагрузка P0,2 соответствует точке их пересечения. Физический и условный предел текучести характеризуют способность материала к началу пластической деформации, т.е. сопротивление малой пластической деформации.
Предел прочности можно подсчитать, используя показания силоизмерителя, по максимальной нагрузке Рmax при разрыве либо найти Рmax (Рв) по первичной диаграмме растяжения. Характер деформации при растяжении вязких и хрупких материалов существенно различается.
Хрупкие материалы после достижения максимальной нагрузки быстро разрушаются без значительной пластической деформации, поэтому σв для
хрупких материалов является характеристикой сопротивления разрушению, а для пластичных - характеристикой сопротивления деформации.
Напряжение разрушения определяют как истинное. При этом нагрузку разрушения делят на конечную площадь поперечного сечения образца после разрушения FK:
Пластичность, т.е. способность деформироваться без разрушения, характеризуется изменениями размеров образца. При испытании на разрыв определяют следующие характеристики пластичности:
где lк, Fк — соответственно, длина рабочей части и площадь поперечного сечения образца после разрыва.
Ударная вязкость характеризует удельную работу, затрачиваемую на разрушение при ударе образца с надрезом. Ударная вязкость испытывается на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах». Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и устанавливает метод испытания при температурах от -100 до +1000 °С. Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентратором напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе К, или ударную вязкость КС.
Используют образцы прямоугольной формы с концентратором типа U, V, Т (усталостная трещина). Наиболее распространенными образцами являются образцы размерами 55x10x10 мм с U-концентратом 2x2 мм (рис. 6).
На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает двигаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, затрачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения. По величине этого угла и определяют работу удара К или работу, затраченную на разрушение образца. Работу разрушения К относят к площади поперечного сечения образца Soв месте излома и тем самым находят КС - ударную вязкость:
Механические свойства металлов
Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, жесткостью, вязкостью). Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).
Механические свойства металлов при статическом нагружении.В результате испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.
Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.
Испытания на растяжение. Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетная длина образца равна десяти- или пятикратному диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. Результаты испытаний отражают на диаграмме растяжения.
На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 13, а) можно выделить три участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; ВС – соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.
От начала деформации (точка О) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА – прямая линия. Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, поэтому его часто называют пределом упругости металла.
 |
Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичных металлов:
а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести
При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка текучести АА¢. В этом случае напряжение, отвечающее этой площадке, sт называют физическим пределом текучести. Физический предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести (σ0,2).
Участок А¢В (см. рис 13, а) соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (точка В), предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности при растяжении σв. Это характеристика статической прочности:
где Рmax – наибольшая нагрузка (напряжение), предшествующая разрушению образца, МПа;
F0 – начальная площадь поперечного сечения образца, м 2 .
У пластичных металлов, начиная с напряжения σв, деформация сосредоточивается (локализуется) в одном участке образца, где появляется сужение, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется множество вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности. Сливаясь, они образуют трещину, которая распространяется в поперечном направлении растяжению, и образец разрушается (точка С). Кривая растяжения образца без площадки текучести показана на рис. 13, б.
Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. После испытания металла на растяжение эти же образцы измеряют и определяют характеристики пластичности. Показатели пластичности – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.
Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l – l0), к его первоначальной расчетной длине l0, выраженное в процентах:
где l0 – первоначальная длина образца, мм;
l – длина образца после разрыва, мм.
Относительным сужением y называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (Fо – F), к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:
где F0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ;
F – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм 2 .
Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.
Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, размер которого характеризует твердость.
Существует множество методов определения твердости металлов. Но лишь некоторые из них нашли широкое применение в машиностроении. Все они названы в честь своих создателей.
Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм (рис. 14, а). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой каждому диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и получится искаженный результат. Этот метод в основном используется для измерения твердости неупрочненного металла заготовок и полуфабрикатов.
Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120° – для твердых и сверхтвердых (более HRC70) металлов (рис. 14, б).
Шарик и конус вдавливаются в металл нагрузкой 60, 100 или 150 кг. Отсчет результатов измерений определяется по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 15, а). После включения нагрузки стрелка перемещается по шкале индикатора твердомера (рис. 15, б) и указывает значение твердости (рис. 15, в).
Рис. 15. Показания индикатора прибора ТК
При вдавливании стального шарика нагрузка – 100 кг (отсчет по внутренней (красной) шкале индикатора), твердость обозначают как НRВ. При вдавливании алмазного конуса отсчет твердости осуществляется по показанию стрелки на наружной (черной) шкале индикатора (см. рис. 15, в). Нагрузка 150 кг – для твердых металлов. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также мелких деталей нагрузка – 60 кг, обозначение твердости – НRА.
Определение твердости по Роквеллу дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы, а отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому можно измерять твердость готовых деталей. Измерения не требуют никаких вычислений – число твердости читается на шкале индикатора твердомера. Поверхность для испытания должна быть шлифованной.
Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50, 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют величину диагонали отпечатка (рис. 16). Зная нагрузку на пирамиду и величину диагонали отпечатка, по таблицам определяют твердость металла, обозначаемую как HV.
Этот метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроцементации и т. п.). Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, но чем больше нагрузка, тем точнее получаемый результат.
Прочность при динамическом нагружении(испытания на ударную вязкость – на удар).В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб. В результате определяют ударную вязкость – характеристику динамической прочности.
Для определения ударной вязкости применяют 20 типов образцов (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 17, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 17, б). Работа удара К (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:
К = G (h1 – h2), (6)
где G – вес маятника, Н;
h1 – высота подъема маятника до разрушения образца, м;
h2 – высота подъема маятника после разрушения, м.
Ударная вязкость обозначается КС (прежнее обозначение – aн) и подсчитывается как отношение работы, затраченной на разрушение образца К, к площади поперечного сечения образца в месте надреза F, МДж/м 2 :
КС (aн) = К / F. (7)
Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вязкости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква V (КСV). Например, KCU = 1 кгс×м/см 2 = 98 кДж/м 2 .
 |
Определение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки способности металлов, имеющих объемно центрированную кубическую решетку, к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью.
Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до минус 100°С). Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания». Температура, при которой происходит падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости. Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит из вязкого состояния в хрупкое.
Прочность при циклическом нагружении(испытания на усталость). Многие детали (валы, рессоры, рельсы, шестерни) в процессе работы подвергаются повторно-переменным нагрузкам. Разрушение таких деталей при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется уста-лостью. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.
Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках. Она характеризуется наибольшим напряжением s-1, которое выдерживает металл при бесконечно большом числе циклов нагружения не разрушаясь и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для углеродистой конструкционной стали предел усталости принимается равным (0,4 – 0,5) sв.
Значение предела выносливости зависит от целого ряда факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.
Разрушение металлов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленное движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получает только та, которая имеет наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположена по отношению к действующему напряжению.
Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и она перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается, пока не произойдет мгновенное разрушение. Таким образом, для усталостного излома характерно, как минимум, наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2 (рис. 18).
Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.
Живучесть – это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины. Она измеряется числом циклов нагружения до разрушения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.
Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими или химико-термическими).
3. металлические сплавы
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами, представляющие собой сочетание какого-либо металла (основа сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди (металл) с цинком (металл), сталь – сплав железа (металл) с углеродом (неметалл). Большинство сплавов получают путем сплавления, т. е. соединения компонентов сплава в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, металлокерамические сплавы образуются путем спекания из порошков.
Методы испытания механических свойств при нормальных, высоких и низких температурах
Методом статических испытаний на растяжение при комнатной (20±5°) температуре по ГОСТ 1497—84 определяют: пределы пропорциональности σпц, упругости σуп, условный σ0,2и физический σт пределы текучести, временное сопротивление разрыву σв, относительное удлинение б и сужение Ψпосле разрыва. Основной тип образца — цилиндрический с рабочим диаметром 10 мм, применяют также образцы других диаметров — d0 (часто диаметром 5 мм), плоские образцы толщиной 0,5 мм и более. Начальная расчетная длина l0 должна составлять 5,65√F0 или 11,3√F0 , где F0— площадь поперечного сечения рабочей части образца до разрыва. Рабочая длина цилиндрических образцов должна быть в пределах от l0 + 0,5d0 до l0 + 2d0, плоских образцов толщиной 4 мм и более — от l0 + 1,5√F0 до l0 + 2,5√F0.
При арбитражных испытаниях рабочая длина образцов должна соответствовать верхним из указанных пределов. Основные требования, предъявляемые к установке образцов: способ крепления не должен допускать проскальзывания образцов в захватах, смятия опорных поверхностей, деформацию головок и разрушение образца в местах перехода от рабочей части к головкам и в головках. Разметку расчетной длины образца следует выполнять с точностью до 1%.,
Измерение образцов до испытания проводят не менее чем в трех местах (в середине образца и по краям рабочей части), площадь поперечного сечения вычисляют по наименьшим из полученных размеров. При проведении испытаний необходимо соблюдать надежное центрирование образца в захватах испытательной машины плавность нагружения. Скорость перемещения подвижного захвата не должна превышать 0,1 при испытании до предела текучести и за пределом текучести быть не менее 0,4 длины расчетной части образца при выражении ее в миллиметрах в минуту. Могут быть предложены и другие скорости. При определении пределов упругости и текучести с помощью тензометров цена деления шкалы приборов не должна превышать 0,002 и 0,02 мм соответственно. Точность отсчета нагрузки при испытании — одно наименьшее деление шкалы силоизмерителя. Порядок проведения испытаний и расчет показателей механических свойств регламентированы в ГОСТ 1497—84.
Кратковременные статические испытания на растяжение при повышенных температурах (до 1200 °С) проводят в соответствии с ГОСТ 9651—84. Определяют: предел текучести (σ t 0,2) временное сопротивление разрыву (σв),относительное удлинение (δ t ) и сужение (Ψ t )- Методика испытаний аналогична испытаниям при нормальной температуре. Отличие состоит в форме и размерах образца, наличии соответствующего нагревательного устройства и оборудования для контроля и поддержания заданного температурного режима испытаний. Для «горячих» испытаний применяются пропорциональные цилиндрические образцы с резьбовыми головками и с расчетной длиной рабочей части l0 = 5,65√F0 (короткий) и l0 = 11,3√F0 (длинный).
Нагревательное устройство (печь) должно обеспечивать равномерный нагрев до заданной температуры по всей рабочей длине образца и сохранять температуру в установленных пределах на протяжении всего испытания. Температуру измеряют одной термопарой, установленной в средней части образца, и приборами класса точности не ниже 0,5%. Приборы подлежат систематической поверке в соответствии с инструкциями Госстандарта СССР. Допустимые отклонения от заданной температуры приведены ниже:
Продолжительность нагрева до температуры испытания не должна превышать 1 ч, а время выдержки 20—30 мин, если нет других указаний в НТД. Запись диаграмм выполняют в масштабе по оси деформации 12 : 1 или более подробном. Испытания на растяжение при отрицательных температурах проводятся сравнительно редко.
осуществляют на стандартных образцах пяти типов (рис. 1), в основном применяют тип 1. Образцы клеймят номером плавки и порядковым номером на боковых сторонах или на стороне,противоположной надрезу. Расстояние клейма от торца—не более 15 мм. К испытаниям не допускают образцы с дефектами изготовления (размеры, следы обработки на поверхности надреза в виде поперечных рисок, трещины, заусенцы на ребрах, клеймо на опорной поверхности) и металла. В термически обработанных образцах канавки прорезают после термообработки. Образец помещают на опоры станины маятникового копра надрезом внутрь, правильность установки проверяют специальным шаблоном. Расстояние между опорами должно составлять 404:0,5 мм, а между осями ножа и надреза образца — не превышать 0,2 мм. Перед каждой серией испытаний копер проверяется на свободном полете маятника от верхнего и нижнего положений. Показатель работы в обоих случаях должен соответствовать нулю с точностью до 1 Дж (точность определения работы удара). Скорость ножа маятника в момент удара должна быть в пределах 4—7 м/с, что соответствует его подъему на высоту 0,8—2,5 м (для копров с максимальной энергией в 300 Дж). После испытаний оценивают структуру излома.
Для испытаний при повышенных (до 1200 °С) температурах используют трубчатые печи, которые устанавливают так, чтобы направляющий желоб трубки вплотную подходил к опорам копра и находился на одном уровне с ними. Горизонтальное положение ограничителя должно фиксировать такое положение образца, при котором он после нагрева в печи надежно встанет в установленное до испытания положения. После проверки установки ограничителя образец помещают в нагретую до заданной температуры печь, а ограничитель продвигают вплотную к направляющему желобу опоры копра. По истечении 10-мин выдержки образец с помощью металлического стержня выталкивается из печи на опоры копра до упора задней стенки ограничителя в фиксатор. Время от извлечения образца до удара маятника практически не превышает 5 с. Испытание образцов из сильно окисляющихся сталей проводят в нейтральных средах.
Для испытания при пониженных (до кипения жидкого азота) температурах вблизи копра устанавливают термостат для охлаждения образцов. Вся партия образцов, испытываемых при одной и той же температуре, должна подаваться на копер в одинаковых условиях. Перед испытанием один образец из партии с заточенным торцом устанавливают к фиксатору так, чтобы ось надреза образца и ось ножа маятника совпадали. Ограничитель фиксируется в положении образца, при котором последний после охлаждения в термостате встанет в установленное для испытаний положение.
После установки ограничителя на копре эталонный образец и всю сверенную с ним партию (2—10 шт.) помещают в термостат заточенными торцами в одну сторону, а ограничитель вплотную придвигают к направляющему желобу опоры копра. Хладоагентом в термостате является смесь спирта с жидким азотом или один жидкий азот. В связи с некоторым повышением температуры смеси после закладки образцов в термостат необходимо небольшими порциями при непрерывном помешивании доливать жидкий азот, пока температура не достигнет заданной. Отрицательные температуры измеряют платиновым пирометром сопротивления, работающим в паре с электронным мостом. После достижейия температуры термостата образец выдерживают 15 мин и затем быстро переносят в направляющий желоб заточенным торцом вперед. С помощью металлического стержня образец выталкивается на опоры до упора задней стенки органичителя в фиксатор, время от извлечения образца из термостата до удара маятника не должно превышать 5 с. Все испытания на ударную вязкость должны проводиться в течение од-го удара маятника.
Сопряжение головки и рабочей части образца должно быть плавным. Допустимое отклонение в величине площади поперечного сечения по всей расчетной длине образца ±0,5%; допустимое биение рабочей части поверхности образцов при проверке в центрах, а также отклонение от номинального диаметра — не более 0,03 мм. При испытаниях должны обеспечиваться постоянство нагрузки в течение всего времени испытания, плавность нагружения и разгружения, надежное центрирование и равномерный нагрев образца до заданной температуры и ее сохранение на протяжении всего испытания. Отклонение от заданной нагрузки на образец не должно превышать ±1%.
Контроль температуры образца осуществляется тремя термопарами, две из которых прикрепляют к концам рабочей части образца, а третью (регулирующую) — к верхнему захвату машины. В процессе испытаний температура непрерывно записывается электронными потенциометрами класса точности 0,5%; кроме того, ежечасно замеряют температуру с помощью переносного потенциометра того же класса точности и не реже одного раза в 15 мин контролируют работу каждой группы машин. Результаты измерений и наблюдений заносят в операционные карты, составляемые на каждый образец, и в операционный журнал. Контрольные термопары систематически проверяются с помощью образцовой термопары II разряда, их заменяют через каждые 500 ч работы при температурах испытания 500—800 °С; при испытаниях до 850—1000 °С термопары заменяются через каждые 100 ч.
Отклонения от заданной температуры не должны превышать ±3 °С при температуре испытания до 600 и ±4 °С при испытании в диапазоне 600—900 °С. Для лучшей организации работы по измерению температуры в ЛКИ должен быть участок КИП. Время испытания, проведенного при температурах с отклонениями более допустимых, исключают из общей продолжительности испытания. При вынужденном перерыве испытания образец необходимо разгрузить, устранить причину перерыва, снова нагреть до заданной температуры, выдержать при ней и плавно нагрузить. В этом случае результаты испытаний считаются действительными, если суммарная продолжительность их под нагрузкой при заданной температуре не ниже требований НТД. Результаты считаются недействительными при разрыве образца в галтели (за исключением случая, когда продолжительность испытания достигла значений, соответствующих требованиям НТД) и при разрыве образца по дефектам металлургического происхождения.
Испытание металла на ползучесть — это разновидность испытаний на длительную прочность. Оно служит для определения нарастания деформации образца во времени при постоянных нагрузке и температуре. Применяют образцы: цилиндрические d0 = 10,/ = 100 и 200 мм с резьбой М16; плоские — шириной 15, /о = 100 мм и толщиной, соответствующей толщине листа. Требования к качеству образцов, аппаратуре и машинам, порядку проведения испытания на ползучесть и точности измерений температуры в целом аналогичны рассмотренным. Отличие состоит в том, что после нагрева и выдержки в течение 1 ч к образцу плавно прилагают нагрузку в размере 10% общей нагрузки и снимают показания для измерения деформации (приборы для измерения деформации должны обеспечивать точность отсчета не менее 0,002 мм). Если температура и деформация остаются в течение 5 мин постоянными, прилагают остальную нагрузку и ступенями — через каждые 5, 10, 15 (чаще — через 60) мин ведут отсчет деформации. Продолжительность, температуру и степень деформации устанавливают НТД. По окончании испытания образец разгружают до величины предварительной нагрузки и определяют абсолютную величину остаточного удлинения.
предназначено для оценки технологической пластичности металла при температурах до 1200 °С (иногда — выше) по двум показателям — числу скручиваний образца до его разрушения и максимальному крутящему моменту, выраженному в ньютонах, умноженных на метр. Применяются цилиндрические образцы do=10 мм и /0 = 40 мм. Головки образца имеют резьбу Ml6. Испытательные машины снабжают потенциометрами, обеспечивающими контроль температуры образца (класс точности — 0,5%), замер крутящего момента и числа скручиваний. Во время испытания недопустимо продольное перемещение образца и его биение. Частота вращения активного захвата — не менее 60 об/мин. Обмеренный с точностью до 0,1 мм образец монтируют в удлинителях, помещают в нагретую печь, закрепляют в захватах машины и нагревают (прогрев 30, выдержка 10—15 мин). Машину включают после окончания нагрева. По диаграмме на шлейфе потенциометра определяют величину крутящего момента с точностью до 10 Нм и число скручиваний с точностью до 0,5 оборота. Для обеспечения правильной работы испытательной машины и надежности результатов по специальной методике для различных марок или групп марок стали строятся тарировочные графики: крутящий момент — в ньютонах, умноженных на метр (он же — в единицах шкалы потенциометра).
Основные требования к условиям проведения этих испытаний изложены в ГОСТ 2860—65. Определяют предел усталости путем воздействия на вращаемый образец одной или двух изгибающих сил, вызывающих в образце напряжения (растяжение, сжатие), изменяющиеся по симметричному циклу. Для испытаний используют машины типа НУ с частотой вращения образца 3000 об/мин. База испытания — 10 млн. циклов. Предел усталости новых марок стали, а также любых сталей, для которых необходимо установить действительный предел выносливости, определяют на шести образцах и более. Для испытания первого образца подсчитывают постоянное напряжение, равное 0,6% предела прочности при растяжении. Для второго и последующих образцов напряжение каждый раз повышается или понижается на 20 или 40 МПа в зависимости от числа циклов, разрушивших первый образец. Если первый образец не разрушился, на последующих образцах делается прирост напряжения на одну и ту же величину (20 или 40 МПа) до разрыва образца. Разность между напряжениями для двух последних образцов (разрушившегося и неразрушившегося) не должна превышать 20 МПа. Испытывают образцы с do, равными 7,5 и 10 мм, с надрезом или без него (рис. 19), последнее определяется НТД. Размеры образцов проверяют с помощью инструментального микроскопа с коническими щупами с точностью 0,01 мм. Конусность цилиндрического образца не должна превышать 0,005 мм, биение в центрах 0,03 мм. Если в процессе испытания машина отключалась, то это испытание считается несостоявшимся. Повторно образец не испытывают.
Испытание на изгиб хрупких материалов проводят с целью определения склонности стали и других материалов к хрупкому разрушению. Дисковые образцы диаметром 60 и высотой 10 мм или образцы прямоугольного сечения (10х10х60 мм) испытывают на гидравлической машине (например, типа «Амслер») со шкалами нагрузок 100 или 200 кН. Образцы устанавливаются на две опоры, расстояние между которыми равно 40 мм, и подвергают действию медленно возрастающей нагрузки (~2 мм/мин). Определяют наибольшую нагрузку в момент разрушения образца (Р) и подсчитывают сопротивление изгибу по следующим формулам:
где l — расстояние между опорами; В — ширина прямоугольного образца; h— высота прямоугольного образца; d— диаметр дискового образца. С помощью прогибомера измеряют стрелу прогиба (точность 0,5 мм), по внешнему виду образцов определяют характер разрушения.
В соответствии с ГОСТ 7268—67 чувствительность стали к механическому старению определяют сравнением ударной вязкости образцов стали в исходном состоянии и подвергнутых деформации и последующему нагреву по специальным режимам. Из отобранных по ГОСТ 7564—73 заготовок вырезают две полосы, одна из которых предназначена для деформирования, другая — для изготовления ударных образцов в исходном состоянии. Полосу с нанесенной на нее расчетной длиной 120 или 160 мм деформируют растяжением для получения 10±0,5% остаточного удлинения. Расстояние от захватов до расчетной длины должно быть не менее 10 мм. Из деформированной полосы вырезают заготовки для ударных образцов так, чтобы место вырезки не выходило за пределы расчетной длины полосы. Форма и размеры ударных образцов соответствуют ГОСТ 9454—78. Готовые деформированные образцы подвергают равномерному нагреву при 250±10 °С с выдержкой 1 ч и охлаждению на воздухе. Нормативно-технической документацией на металлопродукцию может предусматриваться другой режим старения и количество испытуемых образцов. Если такое указание отсутствует, то испытывают шесть образцов: три — в состоянии поставки металла и три — после старения. Показатель чувствительности определяют по формуле, %:
где (ан)исх — среднее арифметическое значение ударной вязкости в исходном состоянии; (ан)ст — то же, после старения.
Испытание на изгиб полосовой и другой стали служит для определения способности металла выдерживать заданную пластическую деформацию, характеризуемую изломом изгиба, или для оценки предельной пластичности при изгибе. В соответствии с ГОСТ 14019—80 испытанию на изгиб подвергают ленты полосового, широкополосного, листового, сортового фасонного и периодического профилей, прокат из металлов и сплавов, а также поковки и отливки. Места вырезки заготовок для изготовления образцов определяются
ГОСТ 7564—73. При испытании сортовой стали толщиной до 35 мм поперечное сечение образцов должно быть равно поперечному сечению проката. При испытании стали более крупных профилей изготавливают цилиндрические образцы диаметром 25 мм с сохранением полоски поверхности проката или простроганные с одной стороны образцы толщиной 20 и шириной не менее 30 мм. Качество поверхности образца должно соответстовать классу 4 по ГОСТ 2789—73. Испытание полосовой, широкополосной и листовой стали проводят на плоских образцах. При толщине проката до 30 мм образцы изготавливают с сохранением поверхностных слоев проката. Ширина образцов должна быть не менее двух толщин проката. Из проката толщиной более 30 мм изготавливают простроганные образцы толщиной 20 и шириной не менее 30 мм также с сохранением на одной стороне поверхности проката, которая при изгибе должна находиться снаружи. Общая длина образца для испытания на изгиб должна составлять 160—170 мм.
изгиб на двух горизонтальных параллельных опорах до заданного угла между одной стороной образца и продолжением другой (рис. 20, а);
изгиб на двух горизонтальных параллельных опорах до появления первой трещины, видимой невооруженным глазом (рис. 20, б). Угол измеряют после снятия нагрузки;
изгиб до параллельности сторон, предварительно образец загибают на угол не менее 150°, затем устанавливают прокладку и образец догибают до соприкоснования с ней (рис. 20, в);
изгиб до соприкосновения сторон образца с образованием петли, предварительный загиб — на угол не менее 150° (рис. 20, г).
Результаты испытаний определяют по НТД. Если специальных указаний нет, годными признаются образцы, не имеющие излома, расслоений, надрывов и трещин, видимых невооруженным глазом.
Перечисленные методы испытаний являются традиционными и наиболее распространенными при определении механических показателей качества металлопродукции [44]. На металлургических и машиностроительных предприятиях применяют также ряд других испытаний, вт. ч. испытание сварных соединений на растяжение и загиб (ГОСТ 6996—66), определение предела прочности огнеупорных изделий сжатием (ГОСТ 4071—89), испытание металла на кручение (ГОСТ 3565—80), на срез (по отраслевым нормам), сжатие (ГОСТ 1497—84), устойчивость при высоких температурах (ГОСТ 9651—84), твердость (ГОСТ 9012—59, ГОСТ 9013—59, ГОСТ 2999—75). Развитие машиностроения вызвало необходимость разработки новых методов испытания механических свойств по целому ряду нетрадиционных характеристик, связанных с оценкой прочности деталей и конструкций, работающих в весьма широком диапазоне температур, деформаций и в агрессивных средах. Методы испытаний в этих и других условиях приводят в НТД и специальных руководствах. Получают распространение комплексные синергетические методы.
Читайте также: