Методы определения пластичности металлов
Обновлено: 17.05.2024
Цель работы: ознакомление с физическими основами пластической деформации металлов и сплавов, характеристиками пластичности и освоение методик определения технологической пластичности испытаниями на перегиб и выдавливание.
Оборудование: прибор для испытания на перегиб НГ-2, машина для испытания на выдавливание МТЛ-10Г, штангенциркуль.
Объект исследования: образцы медной проволоки.
Краткая теория: Деформация-изменение размеров и формы тела под действием внешних сил или в результате физико-механических процессов, протекающих в самом теле (Фазовых превращений, усадки и т.п.). Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. При упругой деформации атомы смещаются от положений равновесия на величину, меньшую межатомных расстояний, и после устранения внешней нагрузки под действием сил межатомного взаимодействия возвращаются в исходное положение. В результате тело приобретает первоначальную форму и размеры. При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в пластическую, при этом атомы перемещаются на значительные расстояния от исходных положений равновесия и форма и размеры тела необратимо изменяются.
Пластичность-способность металлов пластически деформироваться без макро-разрушений. Пластичность одна из важнейших характеристик металлов, которая определяет возможность получения изделий различными способами обработки давлением и от которой в значительной степени зависит надёжность изделий в процессе их эксплуатации.
Методы оценки пластичности.
Для определения пластичности металлов и сплавов широко применяется стандартное испытание на растяжение, в процессе которого образец деформируется плавно возрастающей нагрузкой до разрыва. При этом, образец удлиняется, а его поперечное сечение уменьшается.
Схема испытания на растяжение:
Пластичность характеризуется относительным удлинением
и относительным сужением:
lo и lk – начальная (расчётная) и конечная длина образца;
Fo – начальная площадь поперечного сечения образца.
Fk – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Стандартные показатели пластичности δ и ψ не учитывают реальные условия (схему напряжённого состояния, температурно-скоростные факторы), при которых происходит пластическая деформация при различных видах и операциях обработки давлением. Для большей достоверности при оценке пластичности применяют технологические пробы, моделирующие условия деформации при конкретных процессах обработки давлением. Вот некоторые из них.
1) Проба на осадку.
Применяется для определения способности металла в холодном состоянии принимать заданную по размерам и форме деформацию сжатия.
Испытания подвергают образцы, вырезанные из прутков, предназначенных для изготовления болтов, заклёпок и т.п.
2) Проба на расплющивание.
Необходима для определения способности полосового, пруткового или листового металла принимать заданное расплющивание.
3) Испытание на выдавливание. (Проба Эриксена).
Применяется для определения способности листового металла подвергаться холодной штамповке. Испытания проводят до появления 1-ой трещины в металле.
4Служит для определения способности листового металла принимать заданный по размерам и форме изгиб. Для осуществления пробы на изгиб применяют прессы или тиски.
5) Испытание на перегиб листового металла и проволоки.
Применяется для определения способности металла выдерживать повторный загиб и разгиб. Скорость испытания-60 перегибов в минуту до разрушения образца.
Технологические пробы позволяют отобрать материал, наиболее полно отвечающий заданным технологическим условиям обработки. Если после испытания на поверхности образца отсутствуют внешние дефекты в виде трещин, надрывов, расслоений и т.д., то материал считается выдержавшим испытание.
Методика испытания на перегиб листового металла и проволоки.
Испытание на перегиб проводится на приборе НГ-2, представляющем собой небольшие настольные тиски. Образец 1 в виде проволоки или ленты длиной 100-150мм зажимается с одного конца в тисках 2 между сменными губками 3 с валиками 4, а с другого конца - натяжным устройством 5. С помощью рычага 6 образец изгибают вправо и влево на угол 90º со скоростью около 60 перегибов в минуту. Испытание проводят до разрушения образца.
Схема прибора НГ-2:1-образец; 2-тиски; 3-сменные губки; 4-валики; 5-натяжное устройство;
6-изгибающий рычаг.Изменение напряжённого состояния достигается за счёт испытания образцов равных размеров или применения сменных губок с валиками различного диаметра.
Методика испытания листового металла на выдавливание.
Испытание листового металла на выдавливание проводятся на машине МТЛ-10Г, представляет собой гидравлический пресс. Образец 1 укладывается на матрицу 2 и жёстко закрепляется прижимным кольцом 3, а затем выдавливается через отверстие матрицы сферическим пуансоном 4. При этом на образце образуется лунка за счёт утонения листа. Когда пластичность металла исчерпается, наступает локализация деформации в наиболее «слабом» месте, в котором при дальнейшем внедрении пуансона происходит разрыв образца. Испытание проводится до момента появления на лунке трещины.
С 1-образец; 2-матрица; 3-прижимное кольцо; 4-пуансон.
Характеристикой штампуемости металла является глубина лунки. По характеру разрушения образца и виду поверхности лунки можно судить о качестве металла. Разрыв образца по дуге окружности лунки указывает на однородность структуры и свойств металла, т.е. на его изотропность, а разрыв по прямой линии – на полосчатость микроструктуры и анизотропию свойств или наличие металлургических дефектов. Гладкая поверхность лунки является признаком мелкозернистой структуры металла, а шероховатая поверхность- крупнозернистой структуры.
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.
Методы определения пластичности металлов
ГОСТ Р 9.317-2010
(ИСО 8401:1986)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Единая система защиты от коррозии и старения
Методы измерения пластичности
Unified system of corrosion and ageing protection. Metallic coatings. Methods of measurement of ductility
Дата введения 2012-01-01
Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"
Сведения о стандарте
1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Протектор" (ООО "Протектор") на основе официального аутентичного перевода на русский язык указанного в пункте 4 международного стандарта, находящегося в Федеральном информационном фонде
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 214 "Защита изделий и материалов от коррозии"
4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО 8401:1986* "Покрытия металлические. Методы измерения пластичности" (ISO 8401:1986 "Metallic coatings - Review of methods of measurement of ductility") путем:
- изменения его структуры. Сравнение структуры настоящего стандарта со структурой указанного международного стандарта приведено в дополнительном приложении ДА;
- введения дополнительных положений, фраз и слов для учета потребностей национальной экономики Российской Федерации и особенностей российской национальной стандартизации, выделенных в тексте настоящего стандарта курсивом**.
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей.
** В бумажном оригинале обозначения и номера стандартов и нормативных документов в разделе "Предисловие", приложении ДА и таблице ДБ.1 приложения ДБ приводятся обычным шрифтом, остальные по тексту документа выделены курсивом. - Примечание изготовителя базы данных.
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (подраздел 3.5) и ГОСТ Р 1.7-2008.
Сведения о соответствии ссылочных национальных и межгосударственных стандартов международным стандартам, использованным в качестве ссылочных в примененном международном стандарте, приведены в дополнительном приложении ДБ
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
1 Область применения
1.1 Настоящий стандарт распространяется на металлические покрытия толщиной до 200 мкм, полученные гальваническим, автокаталитическим осаждением или другими способами, и устанавливает следующие методы измерения пластичности покрытий:
- испытания на свободных покрытиях (отделенных от подложки);
- испытания покрытий на подложках.
Методы испытаний покрытий на подложках используют также для выявления охрупчивания подложки, которое может произойти после нанесения покрытия, например, водородного охрупчивания стали, покрытой цинком.
Примечание - Если в стандарты на покрытия включены конкретные методы испытаний пластичности, то они должны применяться предпочтительно перед методами, установленными в настоящем стандарте, при этом конкретные методы измерений пластичности должны быть согласованы между изготовителем покрытий и заказчиком.
1.2 Для покрытий, состоящих из более одного металлического слоя, при испытании свободных покрытий, отделенных от подложки, можно измерять пластичность составляющих слоев и определять влияние конкретного слоя на общую пластичность.
Примечание - Методы изготовления свободных покрытий приведены в приложении А.
1.3 Пластичность покрытия не зависит от размера образца, но толщина покрытия может оказывать влияние на величину относительного линейного удлинения.
Примечание - Очень тонкие слои имеют различные свойства, так как формирование первых слоев зависит от свойств подложки (эпитаксия). В первых слоях могут возникнуть большие внутренние напряжения, которые могут оказать влияние на пластичность.
Образец для испытаний должен иметь равномерную толщину, поскольку на более тонких участках может возникнуть преждевременное растрескивание.
Примечание - Плотность покрытия ниже на более тонких участках и выше на более толстых участках образцов для испытаний, полученных электроосаждением, поэтому различия в плотности тока при осаждении покрытий могут привести к различиям в пластичности. Плотность тока при осаждении покрытий должна быть одинаковой по всему испытуемому образцу, и ее величину необходимо регистрировать.
1.4 После придания образцам для испытаний требуемой формы их осматривают на наличие трещин, которые могли возникнуть при изготовлении и формировании образцов.
1.5 Для покрытий на подложках после испытаний необходимо точно определить точку начала распространения трещины в верхнем слое, а также соблюдать требования к методам обнаружения этой точки (например, невооруженным глазом или с помощью лупы), установленные в конкретных методах испытаний по настоящему стандарту.
2 Нормативные ссылки*
* Наименование раздела 2 в бумажном оригинале выделено курсивом. - Примечание изготовителя базы данных.
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты*:
* Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.
ГОСТ Р 9.905-2007 (ИСО 7384:2001, ИСО 11845:1995) Единая система защиты от коррозии и старения. Методы коррозионных испытаний. Общие требования
ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2006* Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий
* На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2009, здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.
ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) Металлы. Методы испытаний на растяжение
ГОСТ 10510-80 (ИСО 8490-86) Металлы. Метод испытания на выдавливание листов и лент по Эриксену
ГОСТ 11701-84 Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент
ГОСТ 14019-2003 (ИСО 7438:1985) Материалы металлические. Метод испытания на изгиб
ГОСТ 30003-93 Металлы. Испытание на изгиб навивкой листов и лент толщиной менее 2,5 мм
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и* определения
* Слова "Термины и" в наименовании раздела 3 в бумажном оригинале выделены курсивом. - Примечание изготовителя базы данных.
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 пластичность: Способность металлического или иного покрытия переносить как пластическое, так и упругое деформирование без разрушения или растрескивания.
Примечание - Общепринятым определением пластичности является следующее: пластичностью называется способность материала сохранять полностью или частично возникшую под действием внешних сил деформацию по прекращению действия этих сил. Однако для настоящего стандарта уместно некоторое сужение понятия пластичности применительно к покрытиям, предназначенным для сохранения защитных и декоративных свойств основного металла (сплава) и наносимым после завершения всех механических операций с основным металлом.
3.2 относительное линейное удлинение: Отношение удлинения к определенной исходной длине испытуемого образца, взятой в качестве меры пластичности, выраженной в процентах.
1 Термин "линейное удлинение" (linear elongation), приведенный в [1], в настоящем стандарте заменен на "относительное линейное удлинение", как более точно отражающий суть понятия, выраженную в его определении.
2 Пояснения относительно мер пластичности. Обычно при испытании образцы удлиняются (внешний слой образца, то есть покрытие удлиняется) [см. рисунок В.1 (приложение В)]. Однако, при испытаниях на выдавливание поверхность покрытия увеличивается, и в этом случае необходимо вычислять относительное линейное удлинение по уменьшению толщины. Использование составляющей деформации (растяжения) вдоль одной оси дает ошибочную информацию относительно пластичности покрытия [см. рисунок В.2 (приложение В)]. В этих случаях утоньшение покрытия, рассчитанное по увеличению площади поверхности, является более точной мерой пластичности покрытия (см. приложение В).
4 Методы испытаний свободных покрытий
Испытания проводят на образцах покрытия, отделенного от подложки (см. рисунок 1), при этом для испытуемых покрытий, состоящих из нескольких слоев, при необходимости определяют влияние нижних подслоев на пластичность многослойного покрытия, например, облой золота на сплавах золото-медь, а также покрытия никеля, гальванически покрытые хромом.
Рисунок 1 - Пример получения свободного покрытия
Методы получения свободных покрытий приведены в приложении А.
4.1 Испытание на растяжение
4.1.1 Сущность метода
Сущность метода заключается в определении линейного удлинения покрытия, закрепленного в захватах установки для испытания на растяжение, с последующим вычислением пластичности.
Примечание - При такой нагрузке покрытие увеличивается в длину, а его ширина и толщина уменьшаются.
4.1.2 Средства измерений и вспомогательное оборудование
Применяют обычное серийное оборудование для механических испытаний, используемое в металловедческих лабораториях, например, приведенное в ГОСТ 11701, ГОСТ 1497, или оборудование для растяжения, приспособленное для микроскопического исследования в процессе испытания.
4.1.3 Подготовка образцов для испытаний
4.1.3.1 Образцы для испытаний вырубают или вырезают из металлической фольги или изготавливают одним из следующих способов:
- фотопечатью с помощью светочувствительных лаков или пленок, которые запрессовывают в соответствующую подложку. После проявления на подложке копии испытуемого образца на него наносят окончательное покрытие (см. приложение А);
- путем химического или электрохимического фрезерования до заданной формы из фольги, на которую был нанесен кислотостойкий материал с помощью шелкографии либо с помощью нанесения фоточувствительного слоя.
4.1.3.2 Образцы для испытаний должны иметь прямоугольную форму, при этом они могут быть расширены на концах во избежание их разрушения при закреплении (см. рисунок 2).
Примечание - Некоторые методы изготовления образцов могут вызвать образование микротрещин на их краях, что приводит к преждевременному разрушению и недостоверным результатам, этого можно избежать, если для подготовки образцов использовать фотопечать или гальванопластику.
Рисунок 2 - Пример образца для испытаний (с нанесенными метками)
2. Определение характеристик пластичности
Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Под пластической деформацией понимается способность материалов изменять свою форму и размеры под действием внешних сил и сохранять эти изменения после снятия нагрузки.
Характеристики пластичности – относительные удлинение δ и сужение площади поперечного сечения ψ. Определяются при проведении испытания материалов на статическое осевое растяжение на тех же стандартных образцах и оборудовании, на которых определялись характеристики статической прочности (см. рис. 1, 2).
Относительным удлинением называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращение расчетной длины образца после разрыва (lk − l0), к его первоначальной расчетной длине l0, мм, выраженное в процентах:
, (8)
где – lk длина расчетной части стандартного образца после разрыва, мм.
Расчетная длина l0 – участок рабочей длины образца между нанесенными до испытания метками, на котором определяется удлинение (см. рис. 1).
Относительным сужением называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшение площади поперечного сечения образца после разрыва (F0 – Fk), к первоначальной площади его поперечного сечения F0, мм 2 , выраженное в процентах:
, (9)
где Fk – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва, мм 2 .
3. Определение характеристик твердости
Твердость – способность материала сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).
Наибольшее применение получили методы измерения твердости, основанные на вдавливании в испытуемый металл индентора в виде шарика, алмазного конуса и алмазной пирамиды – методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 8).
Метод Бринелля (НВ). Определение твердости производится на прессе Бринелля (твердомере типа ТШ). Сущность метода заключается в том, что шарик диаметром 10; 5; 2,5 или 1,0 мм под действием определенного усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, непрерывно вдавливается в испытуемый металл (рис. 8, а). Условия испытания регламентированы ГОСТ 9012-59. Например, измерение твердости стали проводят вдавливанием шарика D = 10 мм под нагрузкой 30 кН (3000 кгс).
Рис. 8. Схема определения твердости
по Бринеллю (а), по Роквеллу (б) и по Виккерсу (в)
После снятия усилия измеряют диаметр сферического отпечатка при помощи отсчетного микроскопа, на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими сотым долям миллиметра.
Твердость по Бринеллю обозначают буквами НВ (при применении стального шарика) или HBW (при применении шарика из твердого сплава) и рассчитывают как отношение усилия Р, действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка F, кгс/мм 2 или МПа:
, (10)
где P – усилие, действующее на шарик, Н (кгс);
F – площадь поверхности сферического отпечатка, м 2 (мм 2 );
D и d – диаметр шарика и отпечатка, мм.
Метод Бринелля рекомендуется применять для металлов с твердостью не более НВ 450 кгс/мм 2 (4500 МПа), так как стальной шарик может деформироваться, что внесет погрешность в результат испытаний. Этот метод используется в основном для измерения твердости заготовок и полуфабрикатов из неупрочненного металла.
Метод Роквелла (HR). Определение твердости производится на прессе Роквелла (твердомере типа ТК) (ГОСТ 9013-59). Сущность метода заключается в том, что индентор в виде алмазного конуса – для твердых и сверхтвердых (более HRC 70) металлов (стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм – для мягких металлов) (рис. 8, б) − под действием определенного усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, вдавливается в испытуемый металл. Твердость определяют по глубине отпечатка h. Результаты измерений, в условных единицах, определяют по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 9).
Ш
Рис. 9. Показания индикатора прибора ТК
арик и конус вдавливаются в металл под действием двух нагрузок – предварительнойР0 = 10 кгс и основной Р. Общая нагрузка равна сумме двух указанных нагрузок. После предварительного нагруже-ния по индикатору малой стрелки большая стрелка твердомера выставляется на «0» шкалы индикатора и включается основная нагрузка. В момент снятия основ-ной нагрузки большая стрелка перемещается по шкале индикатора и показывает значение твердости.
При вдавливании стального шарика основная нагрузка составляет 100 кгс, отсчет твердости производится по внутренней (красной) шкале «В» индикатора, твердость обозначают НRВ. При вдавливании алмазного конуса в испытуемый образец твердость определяется по показанию стрелки по внешней (черной) шкале «С» индикатора. Для твердых металлов основная нагрузка составляет 150 кг. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также материалов деталей малой толщины основная нагрузка принимается равной 60 кг. Обозначение твердости – НRА, например: НRC 40, НRА 90 – твердость по Роквеллу по шкале «С» − 40 условных единиц; по шкале «А» – 90.
Метод определения твердости по Роквеллу позволяет испытывать мягкие и твердые металлы, при этом отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому с помощью данного метода можно измерять твердость материала готовых деталей. Поверхность для испытания должна быть шлифованной. Измерения выполняются быстро (в течение 30 – 60 с), не требуется никаких вычислений, так как значение твердости снимается по шкале индикатора твердомера.
Метод Виккерса (HV). При испытании на твердость по методу Виккерса в шлифованную или полированную поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136º (рис. 8, в). Для определения твердости черных металлов и сплавов применяются нагрузки от 5 до 100 кгс, а для цветных металлов и их сплавов – от 2,5 до 50 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа, находящегося при приборе, измеряют диагональ отпечатка d и рассчитывают значение твердости в кгс/мм 2 или в МПа как отношение нагрузки Р, Н (кгс), к площади поверхности пирамидального отпечатка М, м 2 (мм 2 ):
, (11)
где d – длина диагонали отпечатка, мм.
Например, запись 500 HV означает, что твердость по Виккерсу составляет 500 кгс/мм 2 (5000 МПа).
Метод Виккерса позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов, а также определять твердость тонких поверхностных слоев (например, после проведения химико-термической обработки, закалки токами высокой частоты и т. п.).
Для соизмерения значений твердости, определенных различными способами, применяются переводные таблицы (табл. 1).
Для оценки механических свойств материалов и приблизительного значения предела прочности можно использовать значение твердости, определенной по испытаниям способом Бринелля. Эмпирическое соотношение предела прочности и твердости, определенной по испытаниям способом Бринелля, имеет вид:
где σв – временное сопротивление;
НВmax − максимальное значение твердости при нагрузке, с которой начинается плавное понижение твердости.
Читайте также: