Методы измерения твердости Твердость по Бринеллю

При стандартном измерении твердости по Бринеллю стальной ша­рик диаметром D под нагрузкой Р вдавливают в испытуемый образец в течение определенного времени т. После снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка.

При определении твердости по Бринеллю шариком D = 10 мм под

д'У-^}

нагрузкой Р = 30 кН и времени выдержки т = 10 с число твердости записывают так: 400 НВ, 250 НВ и т.д. При использовании других ус­ловий испытания обозначение НВ рекомендуется дополнять цифрами, указывающими диаметр использованного шарика (мм), нагрузку (кгс) и продолжительность выдержки (с). Например, 350 HBjj/750/30 - это число твердости по Бринеллю (350), полученное при вдавливании ша­рика D = 5 мм под нагрузкой Р = 750 кгс (7500 Н) в течение т = 30 с.

Индентор: стальной шарик диаметром 1; 2; 2,5; 5 или 10 мм, твер­дость не менее 8500 МПа для испытания материалов с твердостью от 8 НВ до 450 НВ.

Диаметр шарика (индентора) и нагрузку выбирают исходя из не­скольких факторов:

• толщина образца должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка;

• расстояние от края образца до центра отпечатка должно быть больше или равно 2,5d (9d - диаметр лунки), а между центрами двух соседних отпечатков - больше или равно 4d (на образце делают не менее двух отпечатков);

• чем больше отпечаток, тем точнее его измерение, поэтому выби­раем наибольший размер индентора, удовлетворяющий первым двум требованиям.

Число твердости по Бринеллю НВ является характеристикой на­пряжений, так как при его расчете по формуле НВ = Р / nDh нагрузку относят к площади поверхности отпечатка.

Твердость по Виккерсу

При стандартном измерении твердости по Виккерсу в поверхность образца вдавливают алмазный индентор в форме четырехгранной пи­рамиды с углом при вершине ос ~ 136 град. Физический смысл числа твердости по Виккерсу (HV) аналогичен НВ, величина HV тоже являет­ся усредненным условным напряжением в зоне контакта «индентор - образец» и обычно характеризует сопротивление материала значитель­ной пластической деформации. Число твердости HV (записываемое по ГОСТу без единиц измерения, например, 230 HV) определяют делени­ем нагрузки в килограммах Р на площадь боковой поверхности F, мм², полученного пирамидального отпечатка:

j 2 I \

F ; HV = 1,854Р I dj

2. sin а/2

Методом Виккерса можно пользоваться для измерения твердости как мягких, так и твердых материалов, однако он особенно эффекти­вен для испытания образцов малого сечения, образцов из весьма твер­дых металлов и сплавов, а также для измерения твердости тонких за­каленных, цементованных, азотированных слоев.

Числа НВ и HV у одного материала близки по абсолютной величине до значений 450 НВ = 450 HV. Алмазная пирамида в методе Виккерса позво­ляет определять твердость практически любых металлических материалов.

Твердость по Роквеллу

При измерении твердости по Роквеллу индентор - алмазный конус с углом при вершине 120 град И радиусом закругления 0,2 мм либо стальные шарики диаметром 1,5875 или 3,175 мм - вдавливаются в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок. Число твердости измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой. При ис­пользовании в качестве индентора алмазного конуса твердость по Рок­веллу определяют по трем шкалам: А, С, D (HRA, HRC, HRD). При рабо­те со стальными шариками твердость HR определяют по шести шкалам - В, Е, F, G, Н, К. Чаще других используются шкалы А, С и В.

Числа твердости по Роквеллу записываются так же, как НВ и HV: 65 HRC, 80 HRA, 50 HRB.

Числа твердости, полученные разными методами статического вдавливания индентора, связаны между собой.

Микротвердость

Метод определения микротвердости предназначен для оценки твер­дости очень малых (микроскопических) объемов материалов. Его при­меняют для измерения твердости мелких деталей, тонкой проволоки или ленты, тонких поверхностных слоев, покрытий и т.д. Важное на­значение имеет оценка твердости отдельных фаз или структурных со­ставляющих сплавов. В качестве индентора чаще всего, как и в случае измерения твердости по Виккерсу, используют правильную четырех­гранную пирамиду с углом при вершине а ~ 136 град.

Испытания на усталость

Под действием циклических напряжений в металлах и сплавах за­рождаются и постепенно развиваются трещины, вызывающие в ко­нечном итоге полное разрушение детали или образца. Это разрушение особенно опасно потому, что может протекать под действием напря­жений, намного меньших пределов прочности и текучести. По стати­стике большинство случаев эксплуатационного разрушения происхо­дит в результате циклического разрушения.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок* приводящий к изменению его свойств, образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости - сопротивлением усталости или выносливостью. Задача усталостных испытаний - дать количествен­ную оценку способности материала работать в условиях циклического нагружения без разрушения.

Методы испытаний на усталость различаются характером измене­ния напряжений во времени, схемой нагружения, наличием или отсут­ствием концентраторов напряжения, варьированием температуры ис­пытания и среды (рис. 1.19).

М

а

б

Рис. 1.19. Усталостные испытания: а - схема нагружения - изгиб с вращением; б - цикл напряжения, где о_а - амплитуда напряжений; ъ_т = (Стах⁺ °min) / 2 - среднее напряжение цикла;

R = Omin / а_тах - асимметрия цикла

Изгибающий

момент

Во время любого усталостного испытания на образец действуют циклические напряжения, непрерывно изменяющиеся по величине и часто по знаку. Цикл напряжения - это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения (см. рис. 1.19).

По мере увеличения числа циклов N при любых напряжениях выше предела выносливости g_r в образце последовательно идут следующие основные процессы:

• пластическая деформация;

• зарождение трещин;

• постепенное развитие некоторых из трещин и преимущественное распространение одной, главной трещины;

• быстрое окончательное разрушение.

Первичным результатом усталостного испытания одного образца является число циклов до разрушения N (циклическая долговечность) при заданных характеристиках цикла. По результатам испытаний се­рии образцов могут быть определены различные характеристики вы­носливости. Главной из них является предел выносливости o_R - наи­большее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после про­извольного большого или заданного числа циклов нагружения; R- коэффициент асимметрии цикла, например, R = -1, о_ь

Для определения Gr каждый образец серии испытывают при опре­деленном значении максимального напряжения цикла (или его ампли­туды). По результатам испытаний строят кривую а_тах - N. Ордината, соответствующая постоянному значению а_тах, и есть предел выносли­вости материалов (c_R) - наибольшее напряжение, которое не вызывает разрушения при любом количестве циклов N (его иногда называют физическим пределом выносливости) (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Типичные кривые усталости

Характеристиками выносливости являются:

Or - физический предел выносливости;

<7_К — ограниченный предел выносливости при заданном количестве циклов N_K\

N - число циклов до разрушения при o_N = const.

Многие цветные металлы и сплавы не имеют горизонтального уча­стка на кривых усталости (см. рис. 1.20).

В этом случае определяют предел ограниченной выносливости - наибольшее напряжение с>_тах, которое материал выдерживает, не раз­рушаясь в течение определенного числа циклов нагружения, база ис­пытания обычно составляет 10⁸ циклов.

Факторы, влияющие на c_R:

• предел выносливости, который снижается при наличии концен­тратора напряжения;

• шероховатость обработки поверхности (так как усталостная тре­щина зарождается на поверхности, то чем тщательнее обработана по­верхность образца (детали), тем выше a_R);

• увеличение размера образца (при этом Or обычно уменьшается);

• повышение растягивающих напряжений на поверхности, вызы­вающее снижение выносливости;

• увеличение сжимающих напряжений при неизменном растяги­вающем напряжении, смещающее кривую усталости в направлении больших напряжений (растягивающие напряжения способствуют раз­рушению, а сжимающие, наоборот, затрудняют);

• создание на поверхности остаточных напряжений сжатия, резко снижающих чувствительность к концентраторам напряжений и увели­чивающих о_Л;

• воздействие коррозионной среды, снижающей c_R на 40.. .60 %.

Предел усталости и циклическую (или усталостную) долговечность

можно определять и по результатам испытаний на мстоцикловую ус­талость. Однако в них эти характеристики не являются основными. Испытания на малоцикловую усталость проводят с использованием относительно высоких напряжений и малой частоты циклов напряже­ний, имитируя условия эксплуатации конструкций, например колес­ных пар поездов, которые подвергаются воздействию относительно редких, но значительных по величине циклических нагрузок. База ис­пытания на малоцикловую усталость не превышает 5 • 10⁴ циклов. Та­ким образом, малоцикловая усталость относится к левой ветви кривых усталости (см. рис. 1.20) до их выхода на горизонталь или появления перегиба.

Границей между мало- и многоцикловой усталостью является зона перехода от упруго-пластического к упругому деформированию в ус­ловиях циклического нагружения. Названная выше база (5 • 10⁴ цик­лов) является такой условной границей, характеризующей среднее число циклов нагружения для этой переходной зоны у пластичных сталей и сплавов цветных металлов. Для высокопластичных сплавов переходная зона смещается в сторону большего числа циклов, а для хрупких - в сторону меньшего.

Структура усталостного излома. Трещины зарождаются уже на на­чальных стадиях испытания, все остальное время приходится на их посте­пенное развитие. Вначале зародышевые трещины распространяются вдоль полос скольжения, а затем растут перпендикулярно направлению растяги­вающих напряжений (нормально поверхности образца). Усталостная тре­щина развивается скачками. На усталостном изломе в этот период под микроскопом хорошо видны бороздки, отражающие последовательное положение распространяющейся трещины (рис. 1.21).

а

б

Рис. 1.21. Разрушение при усталости: а - схема усталостного разрушения; б - усталостные бороздки в структуре излома

Каждая из этих усталостных бороздок, часто называемых микропо­лосами, может образоваться за один цикл нагружения. Но ширина микрополосы не всегда соответствует скачку трещины за цикл.

На начальных стадиях испытания в образце возникает множество трещин, но большинство из них почти не развивается. Это объясняет­ся упрочнением материала в локальных объемах, примыкающих к трещинам, из-за концентрации здесь напряжений. Дальнейшее разви­тие получают только те трещины, которые достигают достаточно большой длины и имеют острую вершину (малый радиус надреза). Окончательное разрушение происходит в результате ослабления сече­ния какой-то одной, самой острой и глубокой трещиной.

Усталостная трещина - это глубокий и острый надрез. Площадь сече­ния образца в месте надреза со временем уменьшается настолько, что приложенные напряжения оказываются выше разрушающего. Как только такое условие будет достигнуто, произойдет очень быстрое окончатель­ное разрушение - чаще хрупкое, иногда (у очень пластичных материа­лов) вязкое. В последнем случае время окончательного разрушения тоже ничтожно по сравнению со временем всего испытания.

При визуальном осмотре конечный вид усталостного излома всегда имеет две четко различимые зоны (см. рис. 1.21). Одна из них гладкая, притертая, с макроследами перемещения усталостной трещины (так на­зываемое усталостное пятно). Вторая зона имеет структуру, типичную для хрупкого или вязкого разрушения при статических испытаниях.

Испытания на ударную вязкость

Для оценки способности металлических материалов переносить удар­ные нагрузки и выявления склонности металлов к хрупкому разрушению используют динамические испытания. Наиболее распространены удар­ные испытания на изгиб образцов с надрезом. В стандартных испытаниях на динамический изгиб скорость деформирования составляет 3...5 м/с, а скорость деформации около 10² с^-1, эти значения на несколько порядков больше, чем при статических испытаниях. Испытания на ударную вяз­кость относятся к динамическим испытаниям.

При динамических испытаниях необходима жесткая унификация размеров образцов и условий проведения испытания. Основным об­разцом служит стержень с квадратным сечением 10 х 10 мм, длиной 55 мм и надрезом одного из трех видов: U-образным, V-образным или Т-образным концентратором (надрез с усталостной трещиной) (рис. 1.22).

Образцы с острым V-образным концентратором (типа Шарпи) яв­ляются основными и используются при испытаниях металлических материалов для ответственных конструкций (летательных аппаратов, транспортных средств и др.). Образцы с тупым U-образным концен­тратором (типа Менаже) применяют при выборе и приемочном кон­троле металлов и сплавов. Образцы с надрезом и трещиной (предло­женные Б.А. Дроздовским) предназначены для испытания материалов, работающих в особо ответственных конструкциях, где сопротивление развитию трещины имеет первостепенное значение.

в

Рис. 1.22. Виды концентраторов на образце: а - U-образный надрез; б - V-образный надрез; в - надрез с трещиной

Ударные испытания на изгиб обычно проводят на маятниковых копрах.

Схема испытания следующая: образец кладут горизонтально в специальный шаблон, обеспечивающий установку надреза строго в середине пролета между опорами. Удар наносят свободно падающим под собственной тяжестью маятником со стороны, противоположной надрезу, в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Схема испытания на ударную вязкость

Определив полную работу деформации и разрушения (А), можно рассчитать основную характеристику, получаемую в результате рас­сматриваемых испытаний -ударную вязкость:

КС = AIF,

где F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза до ис­пытания.

Из формулы видно, что чем больше работа А, затрачиваемая на пластическую деформацию и разрушение, т.е. чем выше пластичность и уровень напряжений течения на всем протяжении испытания, тем выше значение КС.

В зависимости от вида концентратора в образце в обозначение удар­ной вязкости вводится третий индекс (U, V, Т —» KCU, KCV, КСТ). Чем глубже и острее надрез, тем выше концентрация напряжений у надреза, тем меньше работав.

Как уже отмечалось, одной из важнейших задач ударных испыта­ний является оценка склонности стали к хрупкому разрушению.

Эта задача решается испытанием нескольких одинаковых образцов при различных температурах - проводятся так называемые сериаль­ные испытания. При этом строится температурная зависимость удар­ной вязкости и определяется температура хрупковязкого перехода (Г_хр). Возможны три типа кривых «ударная вязкость - температура» (рис. 1.24).

КС А

Рис. 1.24. Типичные кривые температурной зависимости ударной вязкости и виды изломов при ударных испытаниях

Кривая 1 характерна для вязких даже при отрицательных темпера­турах материалов, например металлов (медь, алюминий) и сплавов (аустенитные стали) с ГЦК-решеткой. Кривая 2 получается при испы-

тании хрупких в широком диапазоне температур материалов, напри­мер закаленных на мартенсит сталей. Кривая 3 характеризуется темпера­турным интервалом вязкохрупкого перехода, по ней можно оценить тем­пературу охрупчивания Т_хр (см. 1.4.4). Такой тип кривых КС - Т характе­рен для металлов с ОЦК- и ГП-решетками, многих сталей с ферритно- перлитной структурой. Зная Т_хр и рабочую температуру Т_р испытуемого материала, можно оценить его температурный запас вязкости:

Х = (Т_р-Т_хр)/Т_р.

Чем больше %, тем меньше опасность хрупкого разрушения.

Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном из­гибе четко различается по виду излома (блестящий «кристалличе­ский» или матовый, волокнистый), Т_хр можно определить по структуре излома. За Т_хр принимают температуру, при которой в изломе появля­ются первые участки хрупкого разрушения или он становится полно­стью хрупким. Возможна также оценка Т* р как температуры, соответ­ствующей равным долям хрупких и вязких участков разрушения в из­ломе (50 : 50) - Т.™-

Металлы и сплавы, у которых температура перехода из вязкого со­стояния в хрупкое лежит в области значительных отрицательных тем­ператур (ниже -30...-50 °С), называют хладостойкими. Материалы с Т_хр ниже -196 °С (температура жидкого азота) называют криогенными.

Испытания на вязкость разрушения (статическую трещиностойкость)

В последние десятилетия большое распространение получили ста­тические испытания образцов с надрезом и трещиной для определения вязкости разрушения, характеризующей статическую трещиностой­кость. Эти испытания особенно важны для высокопрочных сплавов, которые могут иметь удовлетворительные характеристики пластично­сти при обычных испытаниях, но хрупко разрушаться при наличии надрезов и трещин в реальных конструкциях даже в условиях невысо­ких статических нагрузок.