Методы определения прочности металла
Обновлено: 16.05.2024
Методы определения механических свойств металлов разделяют на:
- статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
- динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
- циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).
1.2.2.1 Испытание на растяжение
При испытании на растяжение определяют предел прочности (sв), предел текучести (sт), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (y). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.
Предел прочности (sв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/F0).
Рисунок 1 – Диаграмма растяжения
Необходимо отметить, что при растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение Fо образца остается неизменным.
Предел текучести (sт) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Рт / F0). Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел текучести (s0,2) - напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Выбранное значение 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.
К характеристикам материала относят также предел упругости (sпр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, s0,05 = Рпр / F0 (Рпр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).
Предел пропорциональности sпц = Рпц / F0 (Рпц – максимальная нагрузка, при действии которой еще выполняется закон Гука).
Пластичность характеризуется относительным удлинением (d) и относительным сужением (y ):
где lk - конечная длина образца; lo и F0 - начальные длина и площадь поперечного сечения образца; Fk - площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.
1.2.2.2 Испытания на твердость
Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора (рис.2).
Определение твердости по Бринеллю проводится путем вдавливания в металл стального шарика. При этом на поверхности металла образуется сферический отпечаток, диаметр которого зависит от твердости металла. Диаметр шарика (Д) и нагрузки (Р) выбирают в зависимости от металла, который исследуют. При испытании стали и чугунов выбирают Д = 10 мм и Р = 30 кН, при испытании меди и её сплавов - Д = 10 мм и Р = 10 кН, а при испытании очень мягких металлов (алюминия, баббита и др.) - Д = 10 мм и Р = 2,5 кН.
Рисунок 2 – Схемы определения твердости по Бринеллю(а),
Роквеллу(б) и Виккерсу(в)
Твердость металла по Бринеллю указывается буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 · 10 6 , на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ · К, Па.
Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для сталей с твердостью свыше НВ 450 и цветных металлов с твердостью более 200 НВ.
Для различных материалов установлена корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости НВ: sв » 3,4 НВ - для горячекатаных углеродистых сталей; sв » 4,5 НВ - для медных сплавов, sв » 3,5НВ - для алюминиевых сплавов.
Определение твердости методом Роквелла осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах.
При измерении твердости по методу Виккерса производят вдавливание в поверхность металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV. Перевод числа твердости HV в систему СИ производится аналогично переводу числа твердости НВ.
При измерении твердости по методу Шора шарик с индентором падает на образец, перпендикулярно его поверхности, а твердость определяется по высоте отскока шарика и обозначается HS.
Твердость металла в малых объемах оценивают путем определения микротвердости. Прибор для измерения – это механизм для вдавливания индентора (алмазной пирамиды) и металлографический микроскоп. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка на образце, который должен быть подготовлен как микрошлиф. Метод применяют для определения микротвердости тонких упрочненных поверхностных слоев после химико-термической обработки (например, борированных), отдельных структурных составляющих и т.п.
1.2.2.3 Испытание на ударную вязкость
Ударная вязкость характеризует способность материала оказывать сопротивление динамическим нагрузкам и проявляющейся при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре (рис.3). По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м 2 .
Для обозначения ударной вязкости применяют буквы КС и добавляют третью, которая указывает на вид надреза на образце: U, V, T. Запись KCU означает ударную вязкость образца с U-подобным надрезом, KCV - с V-подобным надрезом, а KCT - с трещиной, созданной в основании надреза. Работа разрушения образца при проведении ударных испытаний содержит две составляющие: работу зарождения трещины (Аз) и работу распространения трещины (Ар).
Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.
Рисунок 3 – Схема маятникового копра и ударного образца
При проведении ударных испытаний образцов с надрезом при низких температурах определяют порог хладноломкости, который характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. При переходе от вязкого к хрупкому разрушению наблюдается резкое снижение ударной вязкости в интервале температур, который имеет название температурный порог хладноломкости. При этом изменяется строение излома от волокнистого матового (вязкое разрушение) к кристаллическому блестящему (хрупкое разрушение). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tв.– tхр.) или одной температурой t50, при которой в изломе образца наблюдается 50% волокнистой составляющей или же величина ударной вязкости снижается в два раза.
О пригодности материала к работе при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, который определяется по разнице между температурой эксплуатации и переходной температурой хладноломкости, и чем он больше, тем надежнее материал.
1.2.2.4 Испытания на трещиностойкость
Сопротивление материала распространению трещин или его трещиностойкость характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений К1С. Значение К1С определяют экспериментально на образцах с надрезом, на дне которого инициирована усталостная трещина. Для расчета К1С при нагрузке образца фиксируют усилие в момент подрастания трещины на некоторую величину и перехода к её нестабильному распространению.
Величина К1С характеризует сопротивление развитию вязкой трещины, и чем она больше, тем выше сопротивление материала разрушению, то есть его надежность. Коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины в момент разрушения К1С дополняет параметры s0,2 и модуль Юнга Е при расчетах на прочность деталей, изготовленных из высокопрочных сталей с sв > 1500 МПа, титановых (sв > 800 МПа) и алюминиевых (sв > 450 МПа) сплавов. Он позволяет определить безопасный размер трещины при известном напряжении или безопасное напряжение при известном размере дефекта.
1.2.2.5 Испытания на усталость
Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, которые приводят к образованию трещин и разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.
Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости.
Предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения. За максимальное smax или минимальное smin напряжение цикла принимают наибольшее или наименьшее по алгебраической величине напряжение. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии R = smin /smax. Если R=-1, то цикл называют симметричным, если smin и smax не равны по величине, то цикл считается асимметричным. Предел выносливости обозначается sR, где R - коэффициент асимметрии цикла.
Для определения предела выносливости проводят испытания не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только при одном напряжении до разрушения или при базовом числе циклов. Базовое число циклов должно быть не ниже 10 7 нагружений (для стали) и 10 8 (для цветных металлов).
По результатам испытаний отдельных образцов строят кривые усталости в логарифмических координатах. С уменьшением smax долговечность возрастает и напряжение, не вызывающее разрушения при базовом числе циклов (горизонтальный участок на кривой усталости), соответствует пределу выносливости sR (рис.4).
Многие металлы (обычно цветные и их сплавы) не имеют горизонтального участка на кривой усталости и в этом случае определяют ограниченный предел выносливости, т. е. наибольшее напряжение, которое выдерживает металл в течение заданного числа циклов нагружения.
Если образование трещин или полное разрушение происходит при 5×10 4 , то такая усталость называется малоцикловой и она имеет большое значение для штампового инструмента, сосудов высокого давления, деталей самолета и т. д.
Для многих сталей отношение предела выносливости к пределу прочности при растяжении приблизительно равно 0,5, но для высокопрочных сталей это отношение уменьшается, поскольку из-за снижения пластичности затрудняется релаксация напряжений у вершины трещины и ускоряется её развитие.
Важной характеристикой конструкционной прочности является живучесть при циклическом нагружении, под которой понимают продолжительность эксплуатации детали от момента зарождения первой макроскопической усталостной трещины размером 0,5…1 мм до окончательного разрушения. Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безаварийная работа которых поддерживается путем раннего обнаружения и предотвращения дальнейшего развития усталостных трещин.
Методы определения прочности металла
Нужен полный текст и статус документов ГОСТ, СНИП, СП?
Попробуйте профессиональную справочную систему
«Техэксперт: Базовые нормативные документы» бесплатно
ГОСТ 1497-84
(ИСО 6892-84)
Методы испытаний на растяжение
Metals. Methods of tension test
Дата введения 1986-01-01
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством черной металлургии СССР
В.И.Маторин, Б.М.Овсянников, В.Д.Хромов, Н.А.Бирун, А.В.Минашин, Э.Д.Петренко, В.И.Чеботарев, М.Ф.Жембус, В.Г.Гешелин, А.В.Богачева
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 16.07.84 N 2515
4. Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 471-88 и соответствует ИСО 6892-84* по сущности метода, проведению испытаний и обработке результатов испытаний металлов и изделий из них наименьшим размером в поперечном сечении 3,0 мм и более
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.
5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
Обозначение НТД, на который дана ссылка
Номер пункта, приложения
6. Ограничение срока действия снято по протоколу N 5-94 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС N 11-12-94)
ВНЕСЕНЫ поправки, опубликованные в ИУС N 7, 2014 год; ИУС N 11, 2014 год
Поправки внесены изготовителем базы данных
Настоящий стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов и изделий из них номинальным диаметром или наименьшим размером в поперечном сечении 3,0 мм и более для определения при температуре (20) °C характеристик механических свойств:
предела текучести физического;
предела текучести условного;
* Поправкой (ИУС 7-2014) по всему тексту стандарта заменены слова "временное сопротивление" на "предел прочности";
** Поправкой (ИУС 11-2014) по всему тексту стандарта заменены слова "предел прочности" на "временное сопротивление". - Примечание изготовителя базы данных.
относительного равномерного удлинения;
относительного удлинения после разрыва;
относительного сужения поперечного сечения после разрыва.
Стандарт не распространяется на испытания проволоки и труб.
Стандарт соответствует СТ СЭВ 471-88 и ИСО 6892-84 по сущности метода, проведению испытаний и обработке результатов испытаний металлов и изделий из них наименьшим размером в поперечном сечении 3,0 мм и более.
Термины, применяемые в настоящем стандарте, и пояснения к ним приведены в приложении 1.
(Измененная редакция, Изм. N 2, 3).
1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ
1.1. Вырезку заготовок для образцов проводят на металлорежущих станках, ножницах, штампах путем применения кислородной и анодно-механической резки и другими способами, предусматривая припуски на зону металла с измененными свойствами при нагреве и наклепе.
Места вырезки заготовок для образцов, количество их, направление продольной оси образцов по отношению к заготовке, величины припусков при вырезке должны быть указаны в нормативно-технической документации на правила отбора проб, заготовок и образцов или на металлопродукцию.
1.2. Образцы рекомендуется изготовлять на металлорежущих станках.
При изготовлении образцов принимают меры (охлаждение, соответствующие режимы обработки), исключающие возможность изменения свойств металла при нагреве или наклепе, возникающих в результате механической обработки. Глубина резания при последнем проходе не должна превышать 0,3 мм.
1.3. Плоские образцы должны сохранять поверхностные слои проката, если не имеется иных указаний в нормативно-технической документации на правила отбора проб, заготовок и образцов или на металлопродукцию.
Для плоских образцов стрела прогиба на длине 200 мм не должна превышать 10% от толщины образца, но не более 4 мм. При наличии указаний в нормативно-технической документации на металлопродукцию допускается рихтовка или иной вид правки заготовок и образцов.
1.4. Заусенцы на гранях плоских образцов должны быть удалены механическим способом без повреждения поверхности образца. Кромки в рабочей части образцов допускается подвергать шлифовке и зачистке на шлифовальном круге или шлифовальной шкуркой.
1.5. При отсутствии других указаний в нормативно-технической документации на металлопродукцию значение параметров шероховатости обработанных поверхностей образцов должно быть не более 1,25 мкм - для поверхности рабочей части цилиндрического образца и не более 20 мкм - для боковых поверхностей в рабочей части плоского образца.
Требования к шероховатости поверхности литых образцов и готовых изделий должны соответствовать требованиям к шероховатости поверхности литых заготовок и металлопродукции, испытываемой без предварительной механической обработки.
(Измененная редакция, Изм. N 3).
1.6. При наличии указаний в нормативно-технической документации на правила отбора проб, заготовок и образцов или на металлопродукцию допускается испытывать сортовой прокат, литые образцы и готовые изделия без предварительной механической обработки с учетом допусков на размеры, предусмотренных для испытываемых изделий.
1.7. Испытания проводят на двух образцах, если иное количество не предусмотрено в нормативно-технической документации на металлопродукцию.
1.8. Для испытания на растяжение применяют пропорциональные цилиндрические или плоские образцы диаметром или толщиной в рабочей части 3,0 мм и более с начальной расчетной длиной . Применение коротких образцов предпочтительнее.
Литые образцы и образцы из хрупких материалов допускается изготовлять с начальной расчетной длинойПри наличии указаний в НТД на металлопродукцию допускается применять и другие типы образцов, в том числе и непропорциональные, для которых начальная расчетная длина устанавливается независимо от начальной площади поперечного сечения образца .
(Измененная редакция, Изм. N 2).
1.9. Типы и размеры пропорциональных цилиндрических и плоских образцов приведены в приложениях 2 и 3.
Тип и размеры образца должны указываться в нормативно-технической документации на правила отбора проб, заготовок и образцов или на металлопродукцию.
Допускается применение при испытании пропорциональных образцов других размеров.
Для плоских образцов соотношение между шириной и толщиной в рабочей части образца не должно превышать 8:1.
1.10. Форма и размеры головок и переходных частей цилиндрических и плоских образцов определяются способом крепления образцов в захватах испытательной машины. Способ крепления должен предупреждать проскальзывание образцов в захватах, смятие опорных поверхностей, деформацию головок и разрушение образца в местах перехода от рабочей части к головкам и в головках.
1.11. Предельные отклонения по размерам рабочей части цилиндрических и плоских образцов приведены в приложениях 2 и 3.
Для литых механически обработанных цилиндрических образцов предельные отклонения по диаметру удваиваются.
Предельные отклонения по толщине плоских образцов с механически не обработанными поверхностями должны соответствовать предельным отклонениям по толщине, установленным для металлопродукции.
Предельные отклонения по толщине плоских образцов с механически обработанными поверхностями - ±0,1 мм.
1.12. Рабочая длина образцов должна составлять:
от - для цилиндрических образцов,
от - для плоских образцов.
При разногласиях в оценке качества металла рабочая длина образцов должна составлять:
Примечание. При использовании тензометров допускается применение образцов с другими рабочими длинами , величина которых больше указанных.
1.13. Образцы маркируют вне рабочей длины образца.
2. АППАРАТУРА
2.1. Разрывные и универсальные испытательные машины должны соответствовать требованиям ГОСТ 28840.
2.2. Штангенциркули должны соответствовать требованиям ГОСТ 166.
Микрометры должны соответствовать требованиям ГОСТ 6507.
Допускается применение и других измерительных средств, обеспечивающих измерение с погрешностью, не превышающей указанную в п.3.1.
2.3. Тензометры должны соответствовать требованиям НТД.
При определении предела пропорциональности и пределов текучести условных с допусками на величину пластической или полной деформации при нагружении или остаточной деформации при разгружении до 0,1% относительная цена деления шкалы тензометра не должна превышать 0,005% от начальной расчетной длины по тензометру ; при определении предела текучести условного с допуском на величину деформации от 0,1 до 1% - не должна превышать 0,05% от начальной расчетной длины по тензометру .
Методы испытания механических свойств металлов
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.
Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов
МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ
Design calculation and strength testing. Methods of mechanical testing of metals. Method of compression testing
Дата введения 1999-07-01
1 РАЗРАБОТАН Воронежской государственной лесотехнической академией (ВГЛТА), Всероссийским институтом легких сплавов (ВИЛС), Центральным научно-исследовательским институтом строительных конструкций (ЦНИИСК им. Кучеренко), Всероссийским научно-исследовательским институтом стандартизации и сертификации в машиностроении (ВНИИНМАШ) Госстандарта РФ
ВНЕСЕН Госстандартом России
2 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол N 12 от 21 ноября 1997 г.)
За принятие проголосовали:
Наименование национального органа по стандартизации
Госстандарт Республики Казахстан
Главная государственная инспекция Туркменистана
3 Постановлением Комитета Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации от 30 июня 1998 г. N 267 межгосударственный стандарт ГОСТ 25.503-97 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 июля 1999 г.
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает методы статических испытаний на сжатие при температуре 20 °С для определения характеристик механических свойств черных и цветных металлов и сплавов.
Стандарт устанавливает методику испытания образцов на сжатие для построения кривой упрочнения, определения математической зависимости между напряжением течения и степенью деформации и оценки параметров степенного уравненияМеханические характеристики, кривая упрочнения и ее параметры, определяемые в настоящем стандарте, могут быть использованы в случаях:
- выбора металлов, сплавов и обоснования конструктивных решений;
- статистического приемочного контроля нормирования механических характеристик и оценки качества металла;
- разработки технологических процессов и проектирования изделий;
- расчета на прочность деталей машин.
Требования, установленные в разделах 4, 5 и 6, являются обязательными, остальные требования - рекомендуемыми.
2 Нормативные ссыпки
В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 18957-73* Тензометры для измерения линейных деформаций строительных материалов и конструкций. Общие технические условия
* На территории Российской Федерации отменен.
3 Определения
3.1 В настоящем стандарте применяют следующие термины с соответствующими определениями:
3.1.1 диаграмма испытаний (сжатия): График зависимости нагрузки от абсолютной деформации (укорочения) образца;
3.1.2 кривая упрочнения: График зависимости напряжения течения от логарифмической деформации;
3.1.3 осевая сжимающая нагрузка: Нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания;
3.1.4 условное номинальное напряжение : Напряжение, определяемое отношением нагрузки к начальной площади поперечного сечения;
3.1.5 напряжение течения : Напряжение, превышающее предел текучести, определяемое отношением нагрузки к действительной для данного момента испытаний площади поперечного сечения образца при равномерном деформировании;
3.1.6 предел пропорциональности при сжатии : Напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и абсолютным укорочением образца достигает такого значения, при котором тангенс угла наклона, образованного касательной к диаграмме
3.1.7 предел упругости при сжатии : Напряжение, при котором относительная остаточная деформация (укорочение) образца () достигает 0,05% первоначальной расчетной высоты образца;
3.1.8 предел текучести (физический) при сжатии : Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения сжимающей нагрузки;
3.1.9 условный предел текучести при сжатии : Напряжение, при котором относительная остаточная деформация (укорочение) образца достигает 0,2% первоначальной расчетной высоты образца;
3.1.10 предел прочности при сжатии : Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению;
4 Форма и размеры образцов
4.1 Испытания проводят на образцах четырех типов: цилиндрических и призматических (квадратных и прямоугольных), с гладкими торцами I-III типов (рисунок 1) и торцевыми выточками IV типа (рисунок 2).
Читайте также: