Механические свойства и методы испытания металлов. Испытание металлов на прочность Испытания металлов и сплавов
Расчеты и испытания на прочность в машиностроении МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ
Методы испытаний на усталость
Strength analysis and testing in machine ГОСТ 23026-78
building. Methods of metals mechanical и ГОСТ 2860-65
testing. Methods of fatigue testing в части 6Л и 6.2
МКС 77.040.10 ОКП 00 2500
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 30 ноября 1979 г. № 4146 дата введения установлена
Ограничение срока действия снято по протоколу № 2-92 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 2-93)
Настоящий стандарт устанавливает методы испытаний образцов металлов и сплавов на усталость:
при растяжении - сжатии, изгибе и кручении;
при симметричных и асимметричных циклах напряжений или деформаций, изменяющихся по простому периодическому закону с постоянными параметрами;
при наличии и отсутствии концентрации напряжений;
при нормальной, повышенной и пониженной температурах;
при наличии или отсутствии агрессивной среды;
в много- и малоцикловой упругой и упругопластической области.
Термины, определения и обозначения, применяемые в стандарте, - по ГОСТ 23207-78.
Стандарт не устанавливает специальные методы испытаний образцов, используемые при отработке прочности высоконапряженных конструкций.
Разделы 2-4 стандарта и приложения могут быть использованы для испытаний на усталость элементов машин и конструкций.
1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ
1.1. Испытание металлов на усталость проводят на гладких образцах круглого сечения типов I (черт. 1, табл. 1) и II (черт. 2, табл. 2), а также прямоугольного сечения типов III (черт. 3, табл. 3) и IV (черт. 4, табл. 4).
Издание официальное
Перепечатка воспрещена
★
Издание с Изменением № 1, утвержденным в декабре 1985 г. (ИУС 3-86).
Рабочая часть образца типа I
Таблица 1 мм
Рабочая часть образца типа II
G- 2
Таблица 2 мм
Рабочая часть образца типа IV
Таблица 4 мм
1.2. Чувствительность металла к концентрации напряжений и влиянию абсолютных размеров определяют на образцах типов:
V - с V-образной кольцевой выточкой (черт. 5, табл. 5-8);
Рабочая часть образца типа У
Таблица 5
При изгибе |
|||||||
Таблица 6
При растяжении-сжатии |
|||||||
Таблица 7
При кручении |
|||||||
Таблица 8
При растяжении-сжатии |
кручении |
|||||||
VI - с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля (черт. 6, табл. 9);
Рабочая часть образца типа VI
Таблица 9
VIII - с кольцевой выточкой кругового профиля (черт. 8, табл. 11); Рабочая часть образца типа VIII
При растя- | ||||||
кручении |
||||||
IX - с двумя симметрично расположенными отверстиями (черт. 9, табл. 12);
Рабочая часть образца типа IX
X - с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля (черт. 10, табл. 13).
Рабочая часть образца типа X
Размеры образцов выбирают таким образом, чтобы параметр подобия усталостного разрушения
(L - периметр рабочего сечения образца или его часть, прилегающая к зоне повышенной напряженности; G - относительный градиент первого главного напряжения).
При изгибе с вращением, кручении и растяжении - сжатии образцов типов I, II, V, VIII
L ж" d,
при изгибе в одной плоскости образцов типов III, IV, VI, а также при растяжении - сжатии образцов типа VI L = 2Ь;
при растяжении - сжатии образцов типов III, IV, VII, IX, X L = 2h.
1.3. Для испытания на малоцикловую усталость применяют образцы типов II и IV, если отсутствует опасность продольного изгиба.
Допускается применять образцы типов I и III.
1.4. Рабочая часть образцов должна быть изготовлена по точности не ниже 7-го квалитета ГОСТ 25347-82.
1.5. Параметр шероховатости поверхности рабочей части образцов Ra должен быть 0,32- 0,16 мкм по ГОСТ 2789-73.
Поверхность не должна иметь следов коррозии, окалины, литейных корок и цветов побежалости ит. п., если это не предусмотрено задачами исследования.
1.6. Расстояние между захватами испытательной машины выбирают так, чтобы исключить продольный изгиб образца и влияние усилий в захватах на напряженность в его рабочей части.
1.7. Вырезка заготовок, маркирование и изготовление образцов не должны оказывать существенного влияния на усталостные свойства исходного материала. Нагрев образца при изготовлении не должен вызывать структурных изменений и физико-химических превращений в металле; припуски на обработку, параметры режима и последовательность обработки должны сводить к минимуму наклеп и исключать местный перегрев образцов при шлифовании, а также трещины и другие дефекты. Снятие последней стружки с рабочей части и головок образцов проводят с одной установки образца; заусенцы на боковых гранях образцов и кромках надрезов должны быть удалены. Заготовки вырезают в местах с определенной ориентацией по отношению к макроструктуре и напряженному состоянию изделий.
1.8. В пределах намеченной серии испытаний технология изготовления образцов из однотипных металлов должна быть одинаковой.
1.9. Измерение размеров рабочей части изготовленных образцов до испытаний не должно вызывать повреждения ее поверхности.
1.10. Рабочую часть образца измеряют с погрешностью не более 0,01 мм.
2.1. Машины для испытаний на усталость должны обеспечивать нагружение образцов по одной или нескольким схемам, приведенным на черт. 11-16. Машины для испытаний на усталость, обеспечивающие также проведение статистических испытаний на разрыв, должны соответствовать требованиям ГОСТ 1497-84.
2. АППАРАТУРА
Чистый изгиб при вращении образцов типов I, II, V, VIII
Поперечный изгиб при вращении образцов типов I, II, V, VHI при консольном нагружении
Чистый изгиб в одной плоскости образцов типов I-VIII
Рабочее сечение образца
Поперечный изгиб в одной Повторно-переменное растяжение
плоскости образцов типов I-VIII сжатие образцов типов I-X
при консольном нагружении
Рабочее сечение
| Образец |
Черт. 14 Черт. 15
Повторно-переменное кручение образцов типов I, II, У, VIII
2.2. Суммарная погрешность нагружения в процессе испытания образцов зависит от типа машин и частоты нагружения и не должна превышать в интервале 0,2-1,0 каждого диапазона нагружения в процентах измеряемой величины:
± 2 % - при /< 0,5 Гц;
± 3 % - при 0,5 < 50 Гц;
± 5 % - при/> 50 Гц.
При испытании на гидропульсационных и резонансных машинах без тензометрического силоизмерения в интервале 0-0,2 каждого диапазона нагружения погрешность измерения нагрузки не должна превышать ± 5 % задаваемых напряжений.
2.3. Погрешность измерений, поддержания и записи деформаций при малоцикловых испытаниях не должна превышать ± 3 % измеряемой величины в интервале 0,2-1,0 каждого диапазона нагружения.
2.4. Абсолютная погрешность измерения, поддержания и регистрации нагрузок и деформаций в интервале 0-0,2 каждого диапазона не должна превышать абсолютных погрешностей в начале этого диапазона нагружения.
2.5. Нагрузки (при мягком нагружении) или деформации (при жестком нагружении) должны соответствовать 0,2-0,8 применяемого диапазона измерений.
2.6. При испытании на малоцикловое растяжение или сжатие и растяжение - сжатие дополнительные деформации изгиба образца от несоосности нагружения не должны превышать 5 % деформаций растяжения или сжатия.
2.7. При испытаниях на малоцикловую усталость должно быть обеспечено непрерывное измерение, а также непрерывная или периодическая регистрация процесса деформирования рабочей части образца.
2.8. Допускается калибровка испытательного оборудования при статических режимах (в том числе и на несоосность нагружения) с оценкой динамической составляющей погрешности расчетным или косвенным способами.
3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
3.1. При испытании образцов допускается мягкое и жесткое нагружение.
3.2. В пределах намеченной серии испытаний все образцы нагружают одним способом и испытывают на однотипных машинах.
3.3. Испытания образцов проводят непрерывно до образования трещины заданного размера, полного разрушения или до базового числа циклов.
Допускаются перерывы в испытаниях с учетом условий их проведения и обязательной оценкой влияния перерывов на результаты испытаний.
(Измененная редакция, Изм. № 1).
3.4. В процессе испытания образцов контролируют стабильность задаваемых нагрузок (деформаций).
3.5. Испытание серии одинаковых образцов при асимметричных циклах проводят:
либо при одинаковых для всех образцов средних напряжениях (деформациях) цикла;
либо при одинаковом для всех образцов коэффициенте асимметрии цикла.
3.6. Для построения кривой распределения долговечности и оценки среднего значения и среднеквадратического отклонения логарифма долговечности на заданном уровне напряжений испытывают серию объемом не менее 10 одинаковых образцов до полного разрушения или образования макротрещин.
3.7. Испытания на многоцикловую усталость
3.7.1. Основными критериями разрушения при определении пределов выносливости и построении кривых усталости являются полное разрушение или появление макротрещин заданного размера.
3.7.2. Для построения кривой усталости и определения предела выносливости, соответствующего вероятности разрушения 50 %, испытывают не менее 15 одинаковых образцов.
В интервале напряжений 0,95-1,05 от предела выносливости, соответствующего вероятности разрушения 50 %, должны быть испытаны не менее трех образцов, при этом не менее половины из них не должны разрушаться до базы испытаний.
3.7.3. База испытаний для определения пределов выносливости принимается:
10 10 6 циклов - для металлов и сплавов, имеющих практически горизонтальный участок на кривой усталости;
100 10 6 циклов - для легких сплавов и других металлов и сплавов, ординаты кривых усталости которых по всей длине непрерывно уменьшаются с ростом числа циклов.
Для сравнительных испытаний база для определения пределов выносливости соответственно принимается 3 10^ и 10 10^ циклов.
3.7.4. Для построения семейства кривых усталости по параметру вероятности разрушения, построения кривой распределения предела выносливости, оценки среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости испытывают серии объемом не менее 10 одинаковых образцов, на каждом из 4-6 уровней напряжения.
3.7.5. От 10 до 300 Гц частота циклов не регламентируется, если испытания проводят в обычных атмосферных условиях (по ГОСТ 15150-69) и если температура рабочей части образца при испытаниях не выше 50 °С.
Для образцов из легкоплавких и других сплавов, обнаруживающих изменения механических свойств до температуры 50 °С, допускаемую температуру испытания устанавливают особо.
3.8. Испытания на малоцикловую усталость (при долговечности до 5 1(И циклов*)
3.8.1. Основным видом нагружения при испытаниях является растяжение - сжатие.
3.8.2. Верхний уровень частот испытаний ограничивается значениями, исключающими само-разогрев образца свыше 50 °С для легких сплавов и свыше 100 °С для сталей.
Во всех случаях частоту циклов указывают при представлении результатов испытаний.
Для регистрации диаграмм деформирования допускается в процессе испытаний переход на более низкие частоты, соответствующие требуемой разрешающей способности и точности приборов измерения и регистрации циклических напряжений и деформаций.
3.8.3 При испытании на растяжение - сжатие образцов типов II и IV измерение деформаций следует проводить в продольном направлении.
При испытании образцов типов I и III допускается измерять деформации в поперечном направлении.
П римечание. Для приближенного пересчета поперечной деформации в продольную используют формулу
Е прод - ^ (е у) попер ^ (Е р) попер’
где (Еу) попер - упругая составляющая поперечной деформации;
(Ер) попер - пластическая составляющая поперечной деформации.
3.9. Испытания при повышенной и пониженной температурах
3.9.1. Испытания при повышенной и пониженной температурах проводят при тех же видах деформации и тех же образцах, что и при нормальной температуре.
* Число циклов 5 ■ 10 4 является условной границей мало- и многоцикловой усталости. Это значение для пластичных сталей и сплавов характеризует среднее число циклов для зоны перехода от упругопластического к упругому циклическому деформированию. Для высокопластичных сплавов переходная зона смещается в сторону больших долговечностей, для хрупких - в сторону меньших.
3.9.3. Температуру испытания образцов контролируют по данным динамической тарировки температурного перепада между образцом и печным пространством. Температурную тарировку проводят с учетом влияния длительности испытания. При тарировке термопары закрепляют на образце.
3.9.4. Термопары поверяют как до испытания, так и после него по ГОСТ 8.338-2002. При испытании на базах более 10 7 циклов производят, кроме того, промежуточные поверки термопар.
3.9.5. Неравномерность распределения температуры по длине рабочей части при испытании гладких образцов типов II и IV не должна превышать 1 % на 10 мм заданной температуры испытания. При испытании гладких образцов типов I, III и образцов с концентраторами напряжений неравномерность распределения температуры регламентируется на расстоянии ± 5 мм от минимального сечения образца. Отклонение от заданной температуры не должно превышать 2 %.
3.9.6. В процессе испытания допускаемые отклонения температуры на рабочей части образца в °С не должны выходить за пределы:
до 600 включ..........±6;
св. 601 до 900 »............±8;
» 901 » 1200 »............±12.
3.9.7. Нагружение образцов проводят после установившегося теплового режима системы «образец-печь» при достижении заданной температуры образца.
3.9.8. Базу испытаний принимают в соответствии с п. 3.7.3 настоящего стандарта.
3.9.9. Для сопоставимости результатов испытания данной серии образцов проводят при одинаковой частоте и базе, если целью испытаний не является исследование влияния частоты нагружения. В протоколах испытания указывают не только число пройденных циклов, но и полное время испытания каждого образца.
3.10. Испытания в условиях агрессивной среды
3.10.1. Испытания в условиях агрессивной среды проводят при тех же видах деформации и на тех же образцах, что и при отсутствии агрессивной среды. Допускается одновременное испытание группы образцов с регистрацией момента разрушения каждого.
3.10.2. Образец должен непрерывно находиться в газовой или жидкостной агрессивной среде.
3.10.3. При испытаниях в агрессивной среде должна быть обеспечена стабильность параметров агрессивной среды и ее взаимодействия с поверхностью образца. Требования к периодичности контроля состава агрессивной среды определяются составом среды и задачами исследования.
3.10.4. Для сопоставимости результатов испытания данной серии образцов проводят при одинаковой частоте и базе, если целью испытаний не является исследование влияния частоты нагружения.
3.9-3.9.9,3.10-3.10.4. (Введены дополнительно, Изм. № 1).
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
4.1. По результатам испытаний на усталость проводят:
построение кривой усталости и определение предела выносливости, соответствующих вероятности разрушения 50 %;
построение диаграмм предельных напряжений и предельных амплитуд;
построение кривой усталости в малоцикловой области;
построение диаграмм упругопластического деформирования и определение их параметров;
построение кривых усталости по параметру вероятности разрушения;
определение предела выносливости для заданного уровня вероятности разрушения;
определение среднего значения и среднеквадратического отклонения логарифма долговечности на заданном уровне напряжений или деформаций;
определение среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости.
Указанные характеристики сопротивления усталости металлов определяют для различных стадий развития макротрещин и (или) полного разрушения.
4.2. Обработка результатов испытаний на многоцикловую усталость
4.2.1. Исходные данные и результаты каждого испытания образца фиксируют в протоколе испытания (приложения 1 и 2), а результаты испытания серии одинаковых образцов - в сводном протоколе испытания (приложения 3 и 4).
4.2.2. Кривые усталости строят в полулогарифмических координатах (o max ; lgN или о а; lg/V) или двойных логарифмических координатах (lg o max ; lg/V или lg о а; lg/V).
4.2.3. Кривые усталости при асимметричных циклах строят для серии одинаковых образцов, испытанных при одинаковых средних напряжениях или при одинаковых коэффициентах асимметрии.
4.2.4. Кривые усталости по результатам испытаний ограниченного объема образцов (п. 3.7.2) строят методом графического интерполирования экспериментальных результатов или по способу наименьших квадратов.
4.2.5. Для построения кривых распределения долговечности и пределов выносливости, оценки средних значений и среднеквадратических отклонений, а также построения семейства кривых усталости по параметру вероятности разрушения результаты испытаний подвергают статистической обработке (приложения 5-7).
4.2.6. Диаграммы предельных напряжений и предельных амплитуд строят с помощью семейства кривых усталости, полученных по результатам испытания не менее трех-четырех серий одинаковых образцов при разных для каждой серии средних напряжениях или коэффициентах асимметрии цикла напряжений.
4.3. Обработка результатов испытаний на малоцикловую усталость
4.3.1. Обработку результатов проводят, как указано в п. 4.2.4.
4.3.2. Исходные данные и результаты испытаний каждого образца фиксируют в протоколе испытания, а результаты испытания серии одинаковых образцов - в сводном протоколе испытания (приложения 8 и 9).
4.3.3. По результатам испытаний образцов при жестком нагружении строят кривые усталости в двойных логарифмических координатах (черт. 17):
амплитуда полной деформации Е а - число циклов до образования трещины N T или до разрушения N;
амплитуда пластической деформации г ра - число циклов, соответствующее половине числа циклов до образования трещины N T или до разрушения N.
Пр имечания:
1. Амплитуду пластической деформации Е ра определяют как половину ширины петли упругопластического гистерезиса г р или как разность между задаваемой амплитудой полной деформации и амплитудой упругой деформации, определяемой по измеренной нагрузке, соответствующему ей напряжению и модулю упругости материала.
2. Амплитуду пластической деформации Е ра при числе циклов, соответствующем половине числа циклов, до образования трещины или до разрушения определяют интерполяцией значений амплитуд при предварительно выбранных числах циклов, близких к ожидаемым.
Кривые усталости при жестком нагружении Кривая усталости при мягком нагружении
Че Р т - 17 Черт. 18
4.3.4. По результатам испытаний при мягком нагружении строят:
кривую усталости в полулогарифмических или двойных логарифмических координатах: амплитуда напряжений о а - число циклов до образования трещины N T или до разрушения N (черт. 18);
зависимость амплитуды пластических деформаций (половина ширины петли гистерезиса) г ра от числа полуциклов нагружения К по параметру амплитуды напряжения при выбранном коэффициенте асимметрии цикла напряжений (черт. 19).
Зависимость амплитуды пластических деформаций от числа полуциклов нагружения
а - для циклически разупрочняющегося материала; б для циклически стабилизирующегося материала; в - для циклически упрочняющегося материала
ПРОТОКОЛ
испытания образца (приложение к сводному протоколу №__)
Назначение испытания_
Машина: тип_, №_
Напряжения цикла:
максимальное_, среднее_, амплитудное_
Нагрузки (число делений по шкале нагрузок):
максимальная_, средняя_, амплитудная_
Показания приборов, регистрирующих аксиальность нагрузки или биение образца:
в начале испытания_
в конце испытания_
Число пройденных циклов_
Частота нагружения_
Критерий разрушения_
Испытания проводил _
Начальник лаборатории _
испытания образца (приложение к сводному протоколу №_)
Назначение испытания_
Образец: шифр_, поперечные размеры_
Машина: тип_, №_
Деформация цикла:
максимальная_, средняя_, амплитудная _
Число делений по индикатору деформации: максимальное_
среднее_, амплитудное_
Показания приборов, регистрирующих аксиальность нагрузки:_
прибор № 1_, прибор № 2_, прибор № 3
Показания счетчика (дата и время):
в начале испытания_
в конце испытания_
Число пройденных циклов_
Частота нагружения_
Критерий разрушения_
Испытания проводил
Начальник лаборатории
Цель испытаний___
Материал:
марка и состояние_
направление волокна_
Условия испытаний:
вид нагружения_
база испытаний__
частота нагружения_
Критерий разрушения_
Тип образцов и номинальные размеры их поперечного сечения
Состояние поверхности_
Испытательная машина:
Дата испытаний:
начало испытаний первого образца_, конец испытаний
последнего образца_
Начальник лаборатории
Цель испытаний___
Материал:
марка и состояние_
направление волокна_
тип заготовки (при сложной форме прилагается план вырезки образцов)
Условия испытаний:
вид деформаций_
база испытаний___
частота нагружения_
Критерии разрушения_
тип образцов и номинальные размеры поперечного сечения_
состояние поверхности_
Испытательная машина:
Дата испытаний:
начало испытаний первого образца_, конец испытаний последнего образца
Ответственный за испытание данной серии образцов
Начальник лаборатории
ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ОЦЕНКА СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ОТКЛОНЕНИЯ ЛОГАРИФМА ДОЛГОВЕЧНОСТИ
Результаты испытаний серии из п образцов при постоянном уровне напряжения располагают в вариационный ряд в порядке возрастания долговечности
N l Подобные ряды для образцов из алюминиевого сплава марки В95, испытанных при консольном изгибе с вращением до полного разрушения при шести уровнях напряжения в качестве примера, приведены в табл. 1. Кривые распределения долговечности (P-N) строят на вероятностной бумаге, соответствующей логарифмически нормальному или другому закону распределения. По оси абсцисс откладывают значения долговечности образцов N, а по оси ординат - значения вероятности разрушения образцов (накопленные частоты), вычисляемые по формуле р i - 0,5 п ’ где i - номер образца в вариационном ряду; п - число испытанных образцов. Если на рассматриваемом уровне напряжения разрушились не все образцы серии, то строят только нижнюю часть кривой распределения до базовой долговечности. На чертеже на логарифмически нормальной вероятностной бумаге приведено семейство кривых распределения P-N, построенное по данным табл. 1. Таблица 1 Вариационные ряды числа циклов до разрушения образцов из сплава марки Б95 при о тах, кгс/мм 2 (МПа) * Образцы не разрушились. Кривые распределения долговечности образцов из сплава марки В95 10*2 3 8 6810 s 2 38 6810 е 2 38 6810 9 2 3 8 6810 е N 1 - а тах = 33 кгс/мм 2 (330 МПа); 2- а тах = 28,5 кгс/мм 2 (285 МПа); 3- а тах = 25,4 кгс/мм 2 (254 МПа); 4- а тах = 22,8 кгс/мм 2 (228 МПа); 5- а тах = 21 кгс/мм 2 (210 МПа); 6- а тах = 19 кгс/мм 2 (190 МПа) Оценку среднего значения а и среднеквадратического отклонения о логарифма долговечности проводят для уровней напряжения, на которых разрушались все образцы серии. Выборочное среднее значение lg N и выборочное среднеквадратическое отклонение логарифма долговечности образцов (S lg д,) вычисляют по формулам: В табл. 2 в качестве примера приведено вычисление lg N и 5j g д, для образцов из сплава марки В95, испытанных при напряжении о шах = 28,5 кгс/мм 2 (285 МПа) (см. табл. 1). Таблица 2 X (lg^) 2 = 526,70. 526,70 - ^ ■ 10524,75 Объем серии образцов n вычисляют по формуле n>^-Z\_o-А 2 2 где у - коэффициент вариации величины х = lg/V; Д а и Д а - предельные относительные ошибки для доверительной вероятности Р - 1- а при оценке среднего значения и среднего квадратического отклонения величины х = lg/V соответственно; а - вероятность ошибки первого рода; Z | _ и - квантиль нормированного нормального распределения, соответствующая вероятность Р = 1- тг 2 2 (значения наиболее часто используемых квантилей приведены в табл. 3). Значения ошибок выбирают в пределах Д а = 0,02-0,10 и Д а = 0,1-0,5, вероятность ошибки первого рода а принимают 0,05-0,1. Таблица 3 ПОСТРОЕНИЕ СЕМЕЙСТВА КРИВЫХ УСТАЛОСТИ ПО ПАРАМЕТРУ ВЕРОЯТНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ Для построения семейства кривых усталости испытания целесообразно проводить на четырех-шести уровнях напряжения. Минимальный уровень следует выбирать так, чтобы до базового числа циклов разрушались примерно от 5 % до 15 % образцов, испытуемых на этом уровне напряжения. На следующем (в порядке возрастания) уровне напряжения должно разрушиться 40 %-60 % образцов. Максимальный уровень напряжения выбирают с учетом требования на протяженность левой ветви кривой усталости (N > 5 ■ 10 4 циклов). Оставшиеся уровни распределяют равномерно между максимальным и минимальным уровнями напряжений. Результаты испытаний для каждого уровня напряжения располагают в вариационные ряды, на основании которых строят семейство кривых распределения долговечности в координатах Р-N (приложение 7). Задают значения вероятности разрушения и на основании кривых распределения долговечности строят семейство кривых усталости равной вероятности. На чертеже представлены кривые усталости образцов из сплава марки В95 для вероятности разрушения Р = 0,5; 0,10; 0,01, построенные на основании графиков. Минимально необходимое число образцов для построения семейства кривых усталости определяют в зависимости от доверительной вероятности P l = 1- а и предельной относительной ошибки А р при оценке предела выносливости для заданной вероятности Р на основании формулы ■ Zj-a ■ ф(р) , где у - коэффициент вариации предела выносливости; Z- квантиль нормированного нормального распределения; Ф (р) - функция, зависящая от вероятности, для которой определяется предел выносливости. Значения этой функции, найденные методом статистического моделирования, приведены в таблице. Кривые усталости образцов из сплава марки В95 ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ И ОЦЕНКА ЕГО СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ОТКЛОНЕНИЯ Для построения кривой распределения предела выносливости образцы испытывают на шести уровнях напряжения. Самый высокий уровень напряжения выбирают с таким расчетом, чтобы все образцы при этом напряжении разрушались до базового числа циклов. Величину максимального напряжения принимают (1,3- 1,5) от значения предела выносливости для Р- 0,5. Остальные пять уровней распределяются таким образом, чтобы на среднем уровне разрушалось около 50 %, на двух высоких - 70 %-80 % и не менее 90 % и на двух низких - не более 10 % и 20 %-30 % соответственно. Значение напряжений в соответствии с заданной вероятностью разрушения выбирают на основании анализа имеющихся данных для аналогичных материалов или с помощью предварительных испытаний. После испытаний результаты представляют в виде вариационных рядов, на основании которых строят кривые распределения долговечности по методике, изложенной в приложении 5. На основании кривых распределения долговечности строят семейство кривых усталости для ряда вероятностей разрушения (приложение 8). Для этого целесообразно использовать вероятности 0,01, 0,10, 0,30, 0,50, 0,70, 0,90 и 0,99. По этим кривым усталости определяют соответствующие значения предела выносливости. Предел выносливости для вероятности разрушения Р = 0,01 находят методом графической экстраполяции соответствующей кривой усталости до базового числа циклов. Найденные значения пределов выносливости наносят на график с координатами: вероятность разрушения в масштабе, соответствующем нормальному распределению, - предел выносливости в кгс/мм 2 (МПа). Через построенные точки проводят линию, представляющую собой графическую оценку функции распределения предела выносливости. Разбивают размах варьирования предела выносливости на 8-12 интервалов, определяют средние значения предела выносливости и его среднеквадратическое отклонение по формулам: X АР г ст й. ; где a R - среднее значение предела выносливости; S„ - среднеквадратическое отклонение предела выносливости; Стд - значение предела выносливости в середине интервала; I - число интервалов; A Pi - приращение вероятности внутри одного интервала. В качестве примера по результатам испытаний на консольный изгиб с вращением 100 образцов из алюминиевого сплава марки АВ, представленных в табл. 1, строят функцию распределения пределов выносливости для базы 5 ■ 10 7 циклов и определяют среднее значение и среднеквадратическое отклонение. На основании вариационных рядов (табл. 1) строят кривые распределения долговечности (черт. 1). Значения долговечности образцов из сплава марки АВ Таблица 1 при о тах, кгс/мм 2 (МПа) * Образцы не разрушились. Производя горизонтальные разрезы кривых распределения долговечности (черт. 1) для уровней вероятности Р=0,01, 0,10, 0,30, 0,50, 0,70, 0,90, 0,99 (или 1,10, 30, 50, 70, 90, 99 %), находят соответствующие долговечности при заданных значениях напряжений, на основании которых строят кривые усталости по параметру вероятности разрушения (черт. 2). Кривые распределения долговечности образцов из сплава марки АВ 1 - Ящ, = 16,5 кгс/мм 2 (165 МПа); 2 - = 13,5 кгс/мм 2 (135 МПа); 3- а тах = 12,5 кгс/мм 2 (125 МПа); 4- а тах = 12,0 кгс/мм 2 (120 МПа); 5- Ящщ = 11,5 кгс/мм 2 (115 МПа); 6- = 11,0 кгс/мм 2 (110 МПа) Кривые усталости для образцов из сплава марки АВ для различных вероятностей разрушения 1 - Р = 1 %; 2- Р = 10 %; 3-Р= 30 %; 4-Р= 50 %; 5-Р= 70 %; 6-Р= 90 %; 7- Р= 99 % С графиков (черт. 2) снимают значения пределов выносливости для базы 5 ■ 10 7 циклов. Значения пределов выносливости приведены в табл. 2. По результатам, приведенным в табл. 2, строят кривую распределения выносливости (черт. 3). Таблица 2 Значения пределов ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ (база 5 - 10 7 циклов) Кривая распределения предела ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ (база 5 - 10 7 циклов) Для определения среднего значения предела выносливости и его среднеквадратического отклонения размах варьирования предела выносливости делят на 10 интервалов по 0,5 кгс/мм 2 (5 МПа). Вычисление указанных характеристик в соответствии с приведенными формулами представлено в табл. 3. Необходимый объем усталостных испытаний для построения кривой распределения предела выносливости определяют по формуле приложения 6. Таблица 3 Вычисление среднего значения и среднеквадратического отклонения предела ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ Границы интервала, Середина интервала Значение вероятностей (4_l) ,■ ■ О.! [(ч_1> ,■ - 4_ll 2 (а /, кгс/мм 2 (МПа) на границах интервала 12,106 кгс/мм 2 (121,06 МПа); ^ Д P i [(ст_ 1) г - - о_ 1 ] 2 = 0,851; S„ = ^Гp5Г = 0,922 кгс/мм 2 (9,22 МПа) ПРОТОКОЛ № испытания образца (приложение к сводному протоколу № Назначение испытания_ Образец: шифр материал_ твердость _ Машина: тип Напряжения цикла: максимальное_ Деформации цикла: максимальная_ средняя _ Показания счетчика (дата и время): в начале испытания_ в конце испытания_ поперечные размеры Термообработка_ Микротвердость_ Масштаб регистрации: деформации (мм/%) нагрузки (мм/МН)_ минимальное амплитудное минимальная амплитудная Число пройденных циклов до образования микротрещины длиной Число пройденных циклов до разрушения Частота нагружения_ Показания счетчика в начале смены в конце смены Число циклов (время), пройденное образцом за смену Подпись и дата сдавшего смену принявшего смену Примечание Испытания проводил_ Начальник лаборатории СВОДНЫЙ ПРОТОКОЛ №_ Цель испытаний___ Материал: марка и состояние_ направление волокна_ тип заготовки (при сложной форме прилагается план вырезки образцов) Механические характеристики_ Условия испытаний: тип нагружения_ вид нагружения_ температура испытания_ частота нагружения_ тип образца и номинальные размеры поперечного сечения состояние поверхности_ Испытательная машина: Дата испытаний: начало испытаний первого образца_ конец испытаний последнего образца Ответственный за испытание данной серии образцов Начальник лаборатории При выборе материалов для изготовления машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства. К таким свойствам относятся: прочность, упругость, пластичность, ударная вязкость, твердость и выносливость.
По этим свойствам можно провести сравнительную оценку различных сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий. Механические свойства определяют по результатам механических испытаний. Сплавы подвергают механическим испытаниям на растяжение, твердость, ударную вязкость. Сварные соединения испытывают на растяжение, ударную вязкость, загиб или сплющивание. При механических испытаниях сплавы подвергают различным нагрузкам. Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение
- величина нагрузки, отнесенная к единице площади сечения испытываемого образца. Деформация
- изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 3.1). На практике материал может подвергаться нескольким видам деформации одновременно. Для определения прочности, упругости и пластичности материалы в виде образцов круглой и плоской формы испытывают на растяжение. Испытания производят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.2). На оси абсцисс диаграммы откладывают значения деформации, а на оси ординат - нагрузки, приложенные к образцу. Прочность
- способность материала сопротивляться разрушению иод действием нагрузок. Оценивается прочность пределом прочности и пределом текучести. Рис. 3.1.
а -
сжатие, б -
растяжение, в -
кручение, г - срез, д -
изгиб Рис. Предел прочности
ст в (временное сопротивление) - это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: где начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца. Предел текучести
а т - наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: где Р 1 -
нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести (точка Б диаграммы). Площадку текучести имеют в основном только пластичные материалы. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют условный предел текучести, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длины образца: Упругость
- способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки. Оценивается пределом упругости.
Предел упругости 0,05 - условное напряжение, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05 % от расчетной длины образца: где Р 0
05 - нагрузка предела упругости (точка А диаграммы). Аналогичным образом, меняя формы образца и виды нагружения, можно определить о и (изгиб), а сж (сжатие), о кр (кручения) и т.д. Пластичность -
способность материала изменять, не разрушаясь, форму и размеры под действием внешних сил и сохранять остаточные деформации после снятия нагрузок. Оценивается относительным удлинением и относительным сужением. Относительное удлинение
5 - отношение приращения (/ к - / 0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах: Относительное сужение
у - отношение разности начальной и минимальной площадей (Р 0 - Р к)
поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади Р 0 ,
выраженное в процентах: Чем пластичнее сплав, тем больше значение относительного удлинения и сужения. У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Ударная вязкость -
это способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на излом образца работы А
к площади его поперечного сечения Б
в месте надреза: Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы квадратного сечения. Разрушение образцов может быть хрупким или вязким. Хрупкое разрушение не сопровождается заметной пластической деформацией. Вязкому разрушению предшествует значительная пластическая деформация. Температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому называется порогом хладноломкости.
Ударная вязкость резко снижается, а порог хладноломкости повышается с увеличением размера зерна и при выделении по границам зерен хрупких составляющих. По ГОСТ 9454-78 ударную вязкость обозначают буквами КСи, КСУ, КСТ. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третьи буквы II, V, Т -
вид концентратора напряжения (?7- радиус концентратора 1 ±0,07 мм, V -
радиус 0,25 ± 0,025 мм, Т -
трещина). Твердостью
называется способность металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела или, что равнозначно, оказывать сопротивление пластической деформации. Твердость измеряют чаще всего способами Бринелля, Роквелла и Виккерса. Определение твердости по Бринеллю.
При определении твердости по Бринеллю в плоскую поверхность материала вдавливают под постоянной нагрузкой Р
стальной твердый шарик диаметром 2,5; 5 и 10 мм. Для определения твердости измеряют диаметр отпечатка и находят по нему число твердости в специальных таблицах. Метод Бринелля не следует применять для материалов твердостью более НВ 450, так как стальной шарик может деформироваться и результаты будут искажаться. Между числом твердости по Бринеллю и пределом прочности при растяжении эмпирическим путем получена приблизительная зависимость: сталь (НВ 125... 175) - ст в = 0,343 НВ; сталь (НВ более 175) - а в = 0,362 НВ; алюминиевое литье - ст в = 0,26 НВ; бронза и латунь отожженные - а в = 0,55 НВ; серый чугун - а в = (НВ - 40)/6; цинковые сплавы - а в = 0,09 НВ. Определение твердости по Роквеллу.
При испытаниях твердости по Роквеллу в испытываемый материал вдавливается алмазный либо твердосплавный конус с утлом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм. Конус применяют для испытания твердых материалов, а шарик - для мягких. Толщина образца при испытании по Роквеллу должна быть не менее 1,5 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Значение твердости отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. На циферблате имеется три шкалы: А, В и С. При испытании материалов с высокой твердостью применяют алмазный конус и груз 150 кг. Твердость в этом случае отсчитывается по шкале С и обозначается НЯС. Если при измерении берется стальной шарик и груз 100 кг, то твердость отсчитывается по шкале В и обозначается НЯВ. При испытаниях очень твердых тел применяется груз 60 кг. Твердость отсчитывается по шкале А и обозначается НИА. Числа твердости по Роквеллу можно приблизительно пересчитать в числа твердости по Бринеллю. На основании экспериментальных данных установлена зависимость: НЯС = 10 НВ. Определение твердости по Виккерсу.
Твердость определяют вдавливанием в испытуемый материал с полированной или шлифованной поверхностью четырехгранной алмазной пирамиды с утлом при вершине 136°. Полученный отпечаток имеет форму ромба. Число твердости по Виккерсу (НУ) по специальным таблицам определяют по измеряемой величине а
(диагональ отпечатка, мм). Этот метод широко применяется для измерения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Механические испытания металлов - это определение механических свойств
металлических сплавов (для краткости - металлов), их способности
выдерживать разного рода нагрузки в определенных пределах. По характеру
действия на металл нагрузки, а соответственно, и испытания разделяют на
статические (растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамические (ударные
- ударная вязкость, твердость), усталостные (многократные циклические
нагружения), длительные (воздействие атмосферных сред, ползучесть,
релаксация) и специальные. Из всего многообразия испытаний основными
являются испытания на растяжение, твердость, удар, изгиб и некоторые
другие. При испытаниях металлов на растяжение используют унифицированные образцы
и специальные машины. В процессе испытаний по мере нарастания усилия все
изменения, происходящие с металлическим образцом, фиксируются в виде
диаграммы (рис. 2.5) с координатами: нагрузка по оси ординат и удлинение
по оси абсцисс. С помощью диаграммы определяют предел пропорциональности
апц, предел текучести ат, максимальное усилие - временное сопротивление
aD и разрыв. Предел пропорциональности - это наибольшее напряжение
(отношение усилия к площади сечения образца), до которого сохраняется
прямая пропорциональность между напряжением и деформацией, когда образец
упруго деформируется пропорционально нагрузке, т.е. во сколько раз
увеличивается нагрузка, во столько же раз увеличивается удлинение. Если
нагрузку снять, то длина образца вернется к начальной или увеличится
незначительно (на 0,03... 0,001 %), определяя предел упругости. Предел текучести - это напряжение, при котором образец деформируется
(удлиняется) без заметного увеличения растягивающей нагрузки
(горизонтальная площадка на диаграмме). Если снять нагрузку, то длина
образца практически не уменьшится. При дальнейшем увеличении нагрузки на
образец создается напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке
на растяжение, предшествующей разрушению образца, называемое временным
сопротивлением ав (пределом прочности при растяжении). Далее удлинение
образца увеличивается, образуется шейка, по которой образец разрывается. Диаграмма растяжения дает возможность судить о способности металла
деформироваться (растягиваться), не разрушаясь, т.е. харастеризует его
пластические свойства, которые можно выразить также относительным
удлинением и сужением образца в момент разрыва (оба параметра выражают в
процентах). Относительное удлинение - это отношение приращения длины образца в
момент перед разрывом к первоначальной его длине. Относительное сужение
- это отношение уменьшения площади поперечного сечения шейки образца в
месте его разрыва к первоначальной площади поперечного сечения образца. Испытание на твердость - простой и быстрый способ проверки прочности
металлического материала (далее для краткости металла) в условиях
сложнонапряженного состояния. В производстве наиболее широко применяют
методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также некоторые другие.
Поверхностные слои испытуемого металла не должны иметь поверхностных
дефектов (трещин, царапин и др.). Суть способа определения твердости методом Бринелля (твердость НВ)
заключается во вдавливании стального закаленного шарика в испытуемый
образец (изделие) при заданном режиме (величина нагрузки,
продолжительность нагружения). После окончания испытания определяют
площадь отпечатка (лунки) от шарика и вычисляют отношение величины
усилия, с которым вдавливался шарик, к площади отпечатка в испытуемом
образце (изделии). Учитывая по опыту предполагаемую твердость испытуемого образца,
применяют шарики разных диаметров (2,5; 5 и 10 мм) и нагрузки 0,6...30
кН (62,5...3 000 кгс). На практике используют таблицы перевода диаметра
отпечатка в число твёрдости НВ. Данный способ определения твердости
имеет ряд недостатков: отпечаток шарика повреждает поверхность изделия;
сравнительно велико время измерения твердости; невозможно измерить
твердость изделий, соизмеримую с твердостью шарика (шарик
деформируется); затруднительно измерить твердость тонких и мелких
изделий (происходит их деформация). В чертежах и технической
документации твердость по Бринеллю обозначают НВ. При определении твердости методом Роквелла используется прибор, в
котором индентор - твердый наконечник 6 (рис. 2.6) под действием
нагрузки проникает в поверхность испытуемого металла, по измеряется при
этом не диаметр, а глубина отпечатка. Прибор настольного типа, имеет
индикатор 8 с тремя шкалами - А. В, С для отсчета твердости
соответственно в диапазонах 20... 50; 25... 100; 20 ... 70 единиц шкалы. За единицу твердости принята
величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 2 мкм. При
работе со шкалами А и С наконечником служит алмазный конус с углом 120°
при вершине или конус из твердого сплава. Алмазный конус применяют при
испытаниях твердых сплавов, а твердосплавный конус - для деталей
неответственного назначения твердостью 20...50 единиц. Рис. 2.6. Прибор Роквелла для определения
твердости: При работе со шкалой В инден-тором служит маленький стальной шарик
диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма). Шкала В предназначена для измерения
твердости сравнительно мягких металлов, так как при значительной
твердости шарик деформируется и проникает в материал слабо, на глубину
менее 0,06 мм. При пользовании шкалой С наконечником является алмазный
конус, в этом случае прибором измеряют твердость закаленных деталей. В
производственных условиях, как правило, пользуются шкалой С. Вдавливание
наконечников осуществляют при определенной нагрузке. Так, при измерении
по шкалам А, В и С нагрузка составляет соответственно 600; 1 ООО; 1 500
Н, твердость обозначают в соответствии со шкалой - HRA, HRB, HRC
(величины ее безразмерные). При работе на приборе Роквелла образец испытуемого металла 7 размещают
на столике 5 и с помощью маховика 3 подъемным винтом 4 и грузом 2
создают требуемое усилие на наконечнике 6, фиксируя его перемещение по
шкале индикатора 8. Затем поворотом рукоятки 7 снимают усилие с
испытуемого металла и определяют значение твердости по шкале твердомера
(индикатор). Метод Виккерса - способ определения твердости материала вдавливанием в
испытуемое изделие алмазного наконечника (ин-дентора), имеющего форму
правильной четырехгранной пирамиды с двухгранным углом при вершине 136°.
Твердость по Виккерсу HV - отношение нагрузки на индентор к площади
пирамидальной поверхности отпечатка. Выбор вдавливающей нагрузки 50... 1000 Н (5... 100 кгс) зависит от твердости и толщины проверяемого
образца. Известны другие способы испытаний металлов на твердость, например, на
приборе Шора и динамическим вдавливанием шарика. В тех случаях, когда
твердость закаленной или закаленной и шлифованной детали необходимо
определить, не оставив какого-либо следа от замера, пользуются прибором
Шора, принцип работы которого основан на упругой отдаче - высоте отскока
легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытываемого тела с
определенной высоты. Твердость на приборе Шора оценивается в условных единицах,
пропорциональных высоте отскока бойка с алмазным наконечником. Оценка
приближенная, так как, например, степень упругости тонкой пластинки и
массивной детали большой толщины при одинаковой твердости будет разной.
Но, поскольку прибор Шора портативен, его удобно применять для контроля
твердости значительных по размерам деталей. Для ориентировочного определения твердости очень больших изделий
(например, вал прокатного стана) можно использовать ручной прибор Польди
(рис. 2.7), действие которого основано на динамическом вдавливании
шарика. В специальной обойме 3 находится боек 2 с буртиком, в который
упирается пружина 7. В щель, находящуюся в нижней части обоймы 3,
вставляются стальной шарик 6 и эталонная пластина 4 с известной
твердостью. При определении твердости прибор устанавливают на
проверяемую деталь 5 в месте измерения и по верхней части бойка 2
ударяют молотком 1 со средней силой один раз. После этого сравниваются
размеры отпечатков лунок на проверяемой детали 5 и эталонной пластине 4,
полученных одновременно от шарика при ударе по бойку. Далее по
специальной таблице определяют число твердости испытуемого изделия. Кроме рассмотренных твердомеров в производстве применяют универсальные
портативные электронные твердомеры ТЭМП-2, ТЭМП-З, предназна-ченные для
измерения твердости разных материалов (стали, меди, алюминия, резины и
др.) и изделий из них (трубопроводов, рельсов, шестерен, отливок,
поковок и др.) с использованием шкал Бринелля (НВ), Роквелла (HRC), Шора
(HSD) и Виккерса (HV). Рис. 2.7. Ручной прибор Польди для определения
твердости: Принцип работы твердомеров динамический, основан на определении
отношения скорости удара и отскока ударника 6 (рис. 2.8) (шарика 7
диаметром 3 мм), которое преобразуется электронным блоком 1 в
трехзначное число условной твердости, отображаемое на
жидкокристаллическом (ЖК) индикаторе 2 (например, 462). По измеренному
числу условной твердости с помощью переводных таблиц находят числа
твердости, соответствующие известным шкалам твердости. Рис. 2.8. Портативный электронный твердомер ТЭМП-З: Для измерения твердости этим методом прибор подготавливают следующим
образом. Толкателем 3, расположенным на электронном блоке 1, заталкивают
шарик 7, находящийся в датчике 5, в цанговый зажим и одновременно
взводят спусковую кнопку 4, находящуюся сверху датчика 5. Далее датчик
плотно прижимают опорным кольцом 8 к испытываемой поверхности 9 изделия
и нажимают на спусковую кнопку 4. После соударения ударника 6 с
испытуемой поверхностью изделия на ЖК-индикаторе появится результат в
виде трехзначного числа условной твердости. Окончательным значением измеренной условной твердости является среднее
арифметическое пяти измерений. Один раз в год выполняют периодическую
поверку прибора, пользуясь образцовыми мерами твердости не ниже второго
разряда соответствующих шкал твердости (Бринелля, Роквелла, Шора и
Виккерса), соблюдая при этом нормированные условия. С помощью указанных
приборов кроме твердости можно определять временное сопротивление
(предел прочности на растяжение) и предел текучести. Наряду с твердомерами в производстве для определения твердости материала
используют тарированные напильники. С их помощью контролируют твердость
стальных деталей в тех случаях, когда нет твердомера или когда площадь
для измерения очень мала или место недоступно для индентора прибора, а
также тогда, когда изделие имеет весьма значительные размеры.
Тарированные напильники - это напильники с заведомо известной
твердостью, изготовленные из стали У10, они бывают трехгранные,
квадратные и круглые с определенной насечкой. Сцепляемость насечки
напильника с контролируемым металлом определяется по наличию следов
царапания на контролируемой детали без смятия вершин зубьев на
напильнике. В процессе эксплуатации острота зубьев напильника должна
периодически проверяться на сцепляемость с контрольными образцами
(кольцами). Напильники изготавливают двух групп твердости,
соответственно для контроля нижнего и верхнего пределов твердости
изделий. Контрольные кольца (пластинки) делают грех видов с твердостью
57...59; 59...61 и 61 ...63 HRC для поверки тарированных напильников,
твердость которых соответствует пределам твердости контрольных образцов. Испытание на удар (ударный изгиб)
является одной из важнейших
характеристик (динамической) прочности металлов. Особенно важно также
испытание изделйй, работающих при ударных и знакопеременных нагрузках и
при низких температурах. В этом случае металл, легко разрушающийся под
действием удара без заметной пластической деформации, называют хрупким,
а металл, разрушающийся под действием ударной нагрузки после
значительной пластической деформации, - вязким. Установлено, что металл,
хорошо работающий при испытании в статических условиях, разрушается при
ударной нагрузке, так как не обладает ударной вязкостью. Для испытания на ударную вязкость (сопротивления материала ударным
нагрузкам) применяют маятниковый копер Шарпи Испытанию на изгиб подвергают хрупкие материалы (закаленная сталь,
чугун), которые разрушаются без заметной пластической деформации. Так
как момент начала разрушения определить не представляется возможным, то
об изгибе судят по отношению изгибающего момента к соответствующему
прогибу. Кроме этого, проводят испытание на кручение для определения
пределов пропорциональности, упругости, текучести и других характеристик
материала, из которого изготовлены ответственные детали (коленчатые
валы, шатуны), работающие при большой нагрузке на кручение. Рис. 2.9. Маятниковый копер Шарпи: Помимо рассмотренных проводятся и другие испытания
металлов, например, на усталость, ползучесть и длительную прочность.
Усталость - это изменение состояния материала изделия до его разрушения
под действием многократных знакопеременных (циклических) нагрузок,
которые изменяются по величине или направлению, или и по величине, и по
направлению. В результате длительной службы металл постепенно переходит
из пластического состояния в хрупкое («устает»). Сопротивление усталости
характеризуется пределом выносливости (пределом усталости) - наибольшим
напряжением цикла, которое может выдержать материал без разрушения, при
заданном числе повторно-переменных нагружений (циклы нагружения).
Например, для стали установлены 5 млн циклов нагружения, для легких
литейных сплавов - 20 млн. Такие испытания проводят на специальных
машинах, в которых образец подвергают чередующимся напряжениям сжатия и
растяжения, знакопеременным изгибам, кручению, повторным ударным
нагрузкам и другим видам силового воздействия. Ползучесть (крип) - это медленное нарастание пластической деформации
материала под воздействием длительно действующей нагрузки при
определенной температуре, по величине меньшей нагрузки, создающей
остаточную деформацию (т.с. меньше, чем предел текучести материала
детали при данной температуре). При этом пластическая деформация может
достигнуть такой величины, которая изменяет форму, размеры изделия и
приводит к его разрушению. Ползучести подвержены почти все
конструкционные материалы, но для чугуна и стали она существенна при
нагреве свыше 300 °С и возрастает с повышением температуры. У металлов с
низкой температурой плавления (свинец, алюминий) и полимерных материалов
(резина, каучук, пластмассы) ползучесть наблюдается при комнатной
температуре. Испытывают металл на ползучесть на специальной установке, в
которой образец при заданной температуре нагружается грузом постоянной
массы в течение длительного времени (например, 10 тыс. ч). При этом
периодически точными приборами измеряют величину деформации. С
увеличением нагрузки и повышением температуры образца степень его
деформации увеличивается. Предел ползучести - это такое напряжение,
которое за 100 тыс. ч вызывает удлинение образца при определенной
температуре не более I %. Длительная прочность - это прочность
материала, который в течение длительного времени находился в состоянии
ползучести. Предел длительной прочности - напряжение, которое приводит к
разрушению образца при заданной температуре за определенное время,
соответствующее условиям эксплуатации изделий. Испытания материалов необходимы для создания надежных машин, способных
длительное время работать без поломок и аварий в чрезвычайно тяжелых
условиях. Это винты самолетов и вертолетов, роторы турбин, детали ракет,
паропроводы, паровые котлы и другое оборудование. Для устройств, работающих в иных условиях, проводят специфические
испытания, подтверждающие их высокую надежность и работоспособность. Механические испытания имеют важнейшее
значение в промышленности. В соответствии
с этим разработаны различные методы
испытаний, с помощью которых определяют
механические свойства металлов. Наиболее распространенными испытаниями
являются статическое растяжение,
динамические испытания и испытания на
твердость. Статическими
называют испытания,
при которых испытуемый материал
подвергают воздействию постоянной силы
или силы возрастающей очень медленно. Динамическими называют такие испытания,
при которых испытываемый металл
подвергается воздействию удара или
силы, возрастающей очень быстро. Кроме того, существуют испытания на
усталость, износ, ползучесть, которые
дают более полное представление о
свойствах металлов. Испытания на растяжение.
Статическое испытание на растяжение -
весьма распространенный способ
механических испытаний. Для статических
испытаний изготавливают круглые образцы
или плоские образцы для листовых
материалов (рис.20
). Образцы состоят
из рабочей части и головок, предназначенных
для закрепления в захватах разрывной
машины. Расчетная длинаl
0
берется несколько меньше рабочей
длиныl
1
.
Размеры образцов стандартизованы.
Диаметр рабочей части круглого образца
равен 20мм
. Образцы других диаметров
называют пропорциональными. Рис.20.
Образцы для статических
испытаний металлов: 1 - круглый, 2 - плоский Растягивающее усилие создает напряжение
в испытуемом образце и вызывает его
удлинение; когда напряжение превысит
предел прочности, он разрывается. На рис.21
приведена диаграмма
растяжения мягкой стали, построенная
в системе прямоугольных координат. По
оси ординат отложено усилиеР
кГ
, по оси абсцисс - деформация
(абсолютное удлинение образца
l
мм
). Эта диаграмма получается
при постепенном увеличении растягивающего
усилия вплоть до разрыва образца. Рис.21.
Диаграмма растяжения мягкой
стали Величина напряжения
в любой точке диаграммы может быть
определена путем деления усилияР
на площадь поперечного сечения
образца. На диаграмме можно отметить несколько
характерных точек. Участок ОА
является отрезком прямой и показывает,
что до точкиА
удлинение образца
пропорционально усилию (нагрузке);
каждому приращению нагрузки соответствует
и одинаковое приращение деформации.
Такая зависимость между удлинением
образца и приложенной нагрузкой являетсязаконом пропорциональности
. При дальнейшем нагружении образца
наблюдается отклонение от закона
пропорциональности: на диаграмме
появляется криволинейный участок. До
точки В
деформации у образца упругие. Точкой С
на диаграмме отмечено
начало горизонтальной площадки, которая
показывает, что образец удлиняется без
увеличения нагрузки: металл как бы
течет. Наименьшее напряжение, при котором
без увеличения нагрузки продолжается
деформация образца называетсяфизическим
пределом текучести
. Предел текучести
т
определяется по формуле кГ
мм
2
, где Р
с
. Текучесть характерна только для
низкоуглеродистой отожженной стали и
для латуни некоторых марок. Высокоуглеродистые
стали и другие металлы не имеют площадки
текучести. Для таких металлов определяют
условный предел текучести при остаточном
удлинении 0.2%. Напряжение, при котором
растягиваемый образец получает остаточное
удлинение, равное 0.2% своей расчетной
длины, называется условным пределом
текучести и обозначается
0.2
кГ
мм
2
. Точка D
показывает
наибольшую наибольшую нагрузку, которую
может выдержать образец. Условное
напряжение, отвечающее наибольшей
нагрузке, предшествующей разрушению
образца, называетсяпределом прочности
при растяжении
(временным сопротивлением
разрыву) и определяется по формуле кГ
мм
2
, где P
. Для точки D
удлинение
l
3
образца и сужение его поперечного
сечения происходит равномерно по всей
длине рабочей части. По достижении точкиD
деформация образца
сосредотачивается в месте наименьшего
сопротивления и дальнейшее удлинение
l
4
протекает за счет образования
шейки, по которой происходит разрыв
образца при нагрузкеР
К
. При разрыве упругая деформация
l
уп
исчезает и абсолютное остаточное
удлинение
l
ост
сложится из удлинения равномерного
l
1
и удлинения местного
l
2
, т.е. l
ост
=
l
1
+
l
2
. Для оценки пластичности металла важно
знать относительное удлинение
и относительное сужение площади
поперечного сечения
в процентах. Относительное удлинение (в %) определяется
по формуле , где l
1
-длина образца
после разрыва,мм
; l
0
-расчетная длина
образца,мм
; При удлинении одновременно уменьшается
площадь поперечного сечения. В месте
разрыва эта площадь будет наименьшей.
Относительное сужение (в %) определяется
по формуле , где F
0
- начальная
площадь поперечного сечения образца,мм
2
; F
1
- площадь в месте разрыва,мм
2
.
У хрупких металлов относительное
удлинение
и относительной сужение
близки к нулю; у пластичных металлов
они достигают нескольких десятков
процентов. Таким образом, статическое испытание
на растяжение дает характеристики
прочности -
уп
,
т
(или
0,2
)
и характеристики пластичности -
и
. Испытания на твердость
. Испытания на твердость проводятся
вдавливанием твердого наконечнека. По методу Бринелля
стальной закаленный
шарик диаметромD
(10;
5 или 2.5мм
) вдавливается в испытуемый
образец силойР
(3000;1000; 750кГ
или меньше). В результате на поверхности
образца остается отпечаток в форме
шарового сегмента диаметромd
(рис.22
). Величина отпечатка будет
тем меньше, чем тверже металл. Число
твердости по Бринеллю
НВ
вычисляется по формуле кГ
мм
2
,
S c R =\/Х АР Г (°й.-°й) 2 >
I - рукоятка освобождения груза; 2 - груз; 3 - маховик; 4 - подъемный
винт; 5 - столик; 6 - наконечник прибора; 7 - образец испытуемого
металла; 8 - индикатор
1 - молоток; 2- боек; 3 - обойма; 4- эталонная пластина; 5 - проверяемая
деталь; 6 -шарик; 7 - пружина; -- -аправление
усилия на боек
1 - электронный блок; 2 - ЖК-индикатор; 3 - толкатель; 4 - спусковая
кнопка; 5 - датчик; 6 - ударник; 7 - шарик; 8 - опорное кольцо; 9 -
испытываемая поверхность изделия
(рис. 2.9), на котором разрушают специальный образец - мена-же,
представляющий собой стальной брусок прямоугольной формы с односторонним
U- или V-образным надрезом посередине. Маятник копра с определенной
высоты ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу, разрушая
его. При этом определяют работу, совершенную маятником до удара и после
удара, учитывая его массу и высоты падения Н и подъема h после
разрушения образца. Разницу работ относят к площади поперечного сечения
образца. Полученное при делении частное и характеризует ударную вязкость
металла: чем вязкость меньше, тем материал более хрупкий.
1 - маятник; 2 - образец; Н, h - высоты падения и подъема маятника;----
-траектория движения маятника
F - величина поверхности отпечатка,мм 2 .
Рис.22. Схема испытания по Бринеллю
Для малых изделий применяют шарики меньшего диаметра при меньших усилиях вдавливания. Толщина металла под отпечатком должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до среза поверхности не меньше D .
Для испытания на твердость по Бринеллю в настоящее время применяют в основном рычажные прессы.
Как показали исследования, между пределом прочности металлов при растяжении в и твердость по БринеллюНВ существует зависимость:
для катаной и кованой стали в = 0.36НВ ;
для литой стали...................... в =(0.3-0.4) НВ :
для серого чугуна.................... в =0.1 НВ .
По методу Бринелля можно испытывать материалы с твердостью НВ до 450; если материалы тверже, то стальной шарик может деформироваться. Этот метод непригоден также для испытания тонколистового материала.
По методу Роквела испытание на твердость производится путем вдавливания в образец стального шарика диаметромD =1.58мм (116 дюйма) или алмазного конуса с углом 120 0 .
Стальной шарик применяется для испытания мягких металлов (твердость меньше 220 по шкале Бринелля) при нагрузке 100 кГ , алмазный конус - для испытания твердых металлов при нагрузке 150кГ . Образец помещают на столик 2 прибора Роквелла (рис.23 ) и вращением маховика 1 поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом 3 (или стальным шариком). Вращение маховика продолжают до тех пор пока давление конуса или шарика не станет равным 10кГ (предварительная нагрузка), что указывается малой стрелкой индикатора 4. Далее прикладывают основную нагрузку с помощью рукоятки 5. Вдавливание длится 5-6сек , затем основная нагрузка снимается. После этого большая стрелка индикатора показывает величину твердости.
Рис.23 . Пресс Роквелла
Циферблат индикатора имеет две шкалы: красную В для испытания стальным шариком и чернуюС для испытания алмазным конусом.
Твердость по Роквеллу является величиной условной, характеризующей разность глубин отпечатков. Число твердости по Роквеллу обозначается HR с добавлением индекса шкалы, по которой производилось испытание, напримерHR В илиHR С. Для испытания очень твердых материалов применяют алмазный конус при нагрузке 60кГ . Отсчет производят по черной шкале.
Метод Виккерса, позволяющий измерить твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов; он пригоден для определения твердости тонких поверхностных слоев (например при химико-термической обработке).
По этому методу в образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136 0 . Нагрузка может применяться от 5 до 120кГ. Замер отпечатка производится с помощью микроскопа, находящегося на приборе.
Число твердости определяется по формуле
кГ мм 2 ,
;F - площадь пирамидального отпечатка,мм 2
Практически величина HV берется из таблиц.
Испытания на микротвердость производят вдавливанием алмазной пирамиды с углом при вершине 136 0 под нагрузкой от 2 до 200г ; число твердости выражаетсякГ мм 2 . По этому методу можно определять твердость отдельных структурных составляющих сплавов, мелких деталей, металлических нитей, окисных пленок и т.д. Нарис.24,а показан прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость.
Столик 11 и стойка 4 тубуса опираются на станину 1 прибора. Испытуемый предмет 2 устанавливается на столик под объектив 9, через который производят наводку на фокус микроскопа и установку нитей с помощью окулярного микроскопа 6. Затем алмазная пирамида 10 вдавливается в испытуемый предмет в течении 5-7 сек. После снятия нагрузки микроскопом измеряют диагональd (рис.24,б ), совмещая пересечение нитей станачала с правым углом отпечатка (пунктирные линии), а затем с левым (сплошные линии).
По величине диагонали определяют площадь отпечатка и твердость по выше приведенной формуле (HV n ).
Прочие механические испытания .Испытания ударной нагрузкой проводят для деталей машин и механизмов испытывающих ударные (динамические) нагрузки, так как некоторые металлы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются при малых ударных нагрузках, например, сталь с крупнозернистой структурой и чугун.
Ударные испытания на изгиб проводят над образцами стандартной формы на приборах, называемых маятниковыми копрами.
Сопротивление удару называют ударной вязкостью и определяют в килограммометрах на квадратный сантиметр.
Рис.24. Прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость
Ударная вязкость а н вычисляется по формуле
кГ м см 2 ,
где А н - работа удара, затраченная на излом образца,кГ м;
F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза,см 2 .
Испытания на усталость . Многие детали машин (шатуны двигателей, коленчатые валы и др.) в процессе работы подвергаются нагрузкам, изменяющимся по величине и направлению. При таких повторно-переменных напряжениях металл постепенно из вязкого состояния переходит в хрупкое (устает). Хрупкое состояние объясняется появлением микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют металл. В результате этого разрушение наступает при напряжениях меньших, чем предел прочности.
Микротрещины появляются и развиваются с поверхности преимущественно в сечениях с резкими изломами линии контура (например, при наличии шпоночных канавок, отверстий и др.).
Испытания на усталость (выносливость ) производят на различных машинах. Наиболее распространены машины для испытания:
изгибом при вращении;
при растяжении-сжатии;
при кручении.
Для металлов, работающих в сложных условиях, испытательные машины снабжаются установками и приспособлениями, обеспечивающими испытания при повышенных и пониженных температурах, при коррозии и в других специальных условиях.
Рис.25. Испытание на выдавливание
Технологические испытания (пробы ). Они определяют возможность производить те или иные технологические операции с данным металлом.
Испытание на выдавливание служит для определения способности тонкого листового металла к холодной штамповке и вытяжке. Испытание состоит в выдавливании лунки округлой головкой 1 (рис.25 ) до появления первой трещины в пластинке 2, зажатой в кольцевой поверхности.
Глубина выдавленной лунки при появлении первой трещины и является количественной мерой пробы.
Испытание на перегиб определяет способность металла выдерживать повторные перегибы и применяется для оценки качества листового материала толщиной до 5мм , а также проволоки и прутков.
Испытание на осадку определяет способность холодного металла принимать заданную форму при сжатии. Образец-цилиндр, высота которого равна двум диаметрам, считается выдержавшим пробу, если при осадке до заданной высоты на нем не появляются трещины, надрывы и излом.
Испытание на свариваемость. Два бруска испытуемого металла сваривают и испытывают на загиб или на растяжение, после чего сравнивают результаты с теми, которые соответствуют цельному (несваренному) образцу из того же металла. При хорошей свариваемости сопротивление разрыву сварного шва должно соответствовать не менее 80% от предела прочности цельного бруска.
Методы физико-химического анализа.
Макроанализ. Для макроанализа приготовляют образец-шлиф, или излом, по которому выявляют макроструктуру-строение металла и сплава, видимое невооруженным глазом или при малом увеличении до х 5 раз.
Поготовка шлифа состоит в выравнивании и шлифовании поверхности на шлифовальном машине. Затем, шлиф травят реактивами, которые растворяют или окрашивают разные по составу или ориентации части на шлифе.
С помощью макроанализа можно обнаружить усадочные раковины и рыхлости, пустоты, трещины, неметаллические включения (шлак, графит в сером чугуне и т.д.), наличие и характер расположения некоторых вредных примесей, например серы.
Микроанализ . Шлиф для микроанализа приготовляют также, как и для макроанализа, однако после шлифования его полируют до зеркального блеска.
По шлифу с помощью металлографического микроскопа выявляют микроструктуру: наличие, количество и форму тех или иных структурных составляющих, загрязненность посторонними включениями. Наличие и размеры пор определяют по нетравленным шлифам; для выявления основной структуры шлиф подвергают травлению. Так как металлы непрозрачны, шлифы из них можно изучать только в отраженном свете с помощью металлографического микроскопа.
На рис.26 приведена схема, поясняющая видимость границ зерен протравленного шлифа однофазного металла. Под действием реактивов при травлении металл по границам зерен растворяется сильнее, вследствие чего там образуются углубления-микробородки. Лучи света в них рассеиваются, поэтому границы зерен под микроскопом темнее; лучи от плоской поверхности зерен отражаются и каждое зерно на шлифе кажется светлым, при этом часто наблюдается различная окраска зерен, что объясняется неодинаковой растворимостью вследствие анизотропности.
Рис.26. Схема отражения лучей протравленным шлифом
однофазного металла
Наряду с обычным световым микроскопом широко применяют электронный микроскоп, в котором вместо световых лучей используются электронные: эти лучи испускает раскаленная вольфрамовая спираль. Электронный микроскоп обеспечивает электронно-оптическое увеличение до десятков тысяч раз.
Рентгеноструктурный анализ дает возможность установить типы кристаллических решеток металлов и сплавов, а также их параметры. Определение структуры металлов, размещение атомов в кристаллической решетке и измерение расстояния между ними основано на дифракции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов в кристалле, так как длина волн этих лучей соизмерима с межатомными расстояниями в кристаллах. Зная длину волны ренгеновских лучей, можно вычислить расстояние между атомами в кристалле и построить модель расположения атомов.
Ренгенографический анализ (просвечивание) основан на проникновении рентгеновских лучей сквозь тела, непрозрачные для видимого света. Проходя сквозь металлы, ренгеновские лучи частично поглащаются, причем сплошным металлом лучи сильнее поглащаются, чем в тех частях, где находятся газовые и шлаковые включения или трещины. Величину, форму и род этих пороков можно наблюдать на светящемся экране, установленном по ходу лучей за исследуемой деталью. Так как рентгеновские лучи действуют на фотографическую эмульсию подобно световым, то светящийся экран можно заменить кассетой с фотопленкой и получить снимок объекта.
Таким образом, ренгеновским просвечиванием можно обнаружить внутри детали даже микроскопические дефекты.
Термический анализ сводится к выявлению критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов и сопровождается построением кривых в координатах «температура - время».
Если в металле не происходит никаких фазовых превращений, кривая охлаждения (нагревания) будет плавной без перегибов и уступов; если же при охлаждении (или нагревании) металла в нем происходят фазовые превращения, которые сопровождаются выделением (при нагревании - поглощением) тепла, на кривой появятся горизонтальные участки или изломы (т.е. изменения направления кривой). Эти изломы и горизонтальные участки позволяют определять температуры превращений.
Дилатометрический анализ (дилатометрия - от лат. расширять) основан на измерении изменений объема, происходящих в металле или сплаве при фазовых превращениях, и применяется для определения критических точек в твердых образцах. Дилатометрический анализ проводят на приборах-дилатометрах.
Дефектоскопия. Магнитная дефектоскопия применяется для выявления дефектов в деталях, подверженных высоким переменным напряжениям. Такие дефекты, как трещины, волосовины, пузыри, неметаллические включения и т.п., в условиях переменной нагрузки становятся очень опасными, так как понижают динамическую прочность деталей.
Магнитное испытание слагается из трех основных операций: намагничивания изделий, покрытия их ферромагнитным порошком, наружного осмотра и размагничивания изделий.
У намагниченных изделий с пороками магнитные силовые линии, стремясь обогнуть места пороков (ввиду их пониженной магнитной проницаемости), выходят за пределы поверхности изделия и затем входят в него, образуя неоднородное магнитное поле. Поэтому при покрытии изделий магнитным порошком частицы последнего располагаются над пороком, образуя резко очерченные рисунки (рис.27 ). По характеру этих рисунков судят о величине и форме пороков металла.
Ультразвуковая дефектоскопия позволяет испытывать любые металлы (а не только ферромагнитные) и выявлять пороки в толще металла на значительной глубине, которые не обнаруживаются магнитным методом.
Для исследования металла применяют ультразвуковые колебания с частотой от 2 до 10 млн. гц. При такой частоте колебания распространяются в металле, подобно лучам, почти не рассеиваясь по сторонам: ими можно «просвечивать» металлы на глубину свыше 1м .
Рис.27. Схема расположения магнитных силовых линий на
детали с пороком
Ультразвук отражается на поверхности раздела разнопордных сред. Поэтому, рапространяясь в металле, ультразвук не проходит через трещины, раковины, неметаллические включения, образуя, таким образом, акустическую тень (рис.28 ). Здесь,а -зона акустической тени.
Для излучения и приема ультразвука используются соответственно пьезоэлектрические излучатели и приемники.
Применение радиоактивных изотопов (меченных атомов) .В металлургии и металловедении радиоактивные изотопы применяют для разных целей. Например, в шлак вводят радиоактивные изотопы фосфора, серы, марганца и др. и изучают скорость перехода этих элементов в металл и скорость восстановления их равновесного распределения между металлом и шлаком в металлургических плавках при изменении температуры или состава шлака. Введение радиоактивного углерода в железо при цементации позволяет изучать скорость диффузии и распределение углерода в нем.
Рис.28. Схема ультразвукового исследования детали
Для выявления распределения олова в никеле в жидкий сплав добавляют радиактивное олово. Затвердевший сплав кладут на кассету с фотопластинкой и после соответствующей выдержки пластинку проявляют.
На рис.29 приведена микрорадиоавтография такого сплава, из которой (по распределению потемнений) видно, что радиактивное, а с ним и обычное олово окаймляет зерна никеля.
Рис.29. Микрорадиоавтография сплава никеля с оловом
Радиоактивные изотопы помогают следить за износом огнеупорной кладки в доменных печах или деталей машин.
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).
Испытание на растяжение
При испытании на растяжение определяют предел прочности (σ
в), предел текучести (σ
т),
относительное удлинение (δ
) и относительное сужение (ψ
). 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 (σ
в) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения,
отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).
Рис. 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 (σ т) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Рт / Fo). Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел текучести (σ 0.2) - 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 (σ пр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, σ 0,05 = Рпр / Fo (Рпр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).
Предел пропорциональности σ пц = Рпц / Fo (Рпц – максимальная нагрузка, при действии которой еще выполняется закон Гука).
Пластичность характеризуется относительным удлинением (δ ) и относительным сужением (ψ ):
δ = [(lk - lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,
где lk - конечная длина образца; lo и Fo - 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.
Испытание на твердость
Нормативные документы:
Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора (рис.2).
а | б | в |
Рис. 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 = 9,8 106, 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: σ в ≈ 3,4 НВ - для горячекатаных углеродистых сталей; σ в ≈ 4,5 НВ - для медных сплавов, σ в ≈ 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.
Метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера - твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.
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.
Рис. 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.
Испытание 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.
Предел выносливости обозначается σ R , 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 107 нагружений (для стали) и 108 (для цветных металлов).
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.