2.1.2. Определение твёрдости материалов

В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор методы измерения твёрдости делятся на статические (нагрузка прикладывается плавно и непрерывно) и динамические (нагрузка прикладывается ударом), а в зависимости от способа приложения нагрузки – на методы вдавливания, царапания и упругой отдачи. Твердость – свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации (или разрушению) при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого тела (индентора), имеющего определенную форму и размер³ . Однако такое определение твёрдости может быть справедливо только для метода вдавливания. При других методах измерения твёрдости (маятниковом, царапании, упругого отскока и т. д.) данное определение может быть другим.

Твёрдость имеет большое практическое значение, так как косвенно характеризует такие свойства металлов как износостойкость, режущие свойства, конструкционную прочность и др. Определение этих свойств требует значительного времени, а измерение твёрдости выполняется значительно быстрее и при меньших затратах. Кроме того, испытание на твёрдость осуществляется непосредственно на деталях без их разрушения, что позволяет оценивать качество металла в готовых изделиях.

Из статических методов измерения твердости металлов и сплавов наибольшее распространение получили способы измерения твёрдости вдавливанием. Суть этих методов заключается во внедрении в испытываемый материал более твердого индентора. Выбор материала и формы индентора (шарик, конус или пирамида) зависит от твердости исследуемого материала, размеров и конфигурации образцов и изделий. При вдавливании индентора деформация происходит в небольшом объеме, окруженном недефор-мированным металлом по схеме всестороннего неравномерного сжатия с малой долей нормальных растягивающих напряжений. Поэтому пластическую деформацию испытывают и малопластичные металлы, которые при других видах механических испытаний разрушаются хрупко (например, чугун). В результате вдавливания наконечника в поверхностные слои металла за счёт пластической деформации после снятия нагрузки остаётся отпечаток, по размерам которого и судят о твёрдости. По имени исследователей, предложив-ших использовать ту или иную форму индентора, различают следующие способы измерения твёрдости внедрением: твердость по Бринеллю (метод Бринелля), твердость по Роквеллу (метод Роквелла), твердость по Виккерсу (метод Виккерса) и др.

Определение твердости по Бринеллю⁴ . Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно к поверхности образца в течение определённого промежутка времени и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки (рис. 1.17, а).

Рис. 1.17. Схема измерения твердости металла методом Бринелля:

а – вдавливание индентора под нагрузкой P; б - схема измерения диаметра отпечатка микроскопом МПБ-2 (лупой Бринелля); в - общий вид микроскопа МПБ- 2: 1 – окуляр; 2 – кольцо наведения резкости линейки внутри окуляра;

3 – установочное кольцо для наведения резкости лунки; 4 – объектив; 5 – осносование с интересным отверстием

Метод используется при измерении твердости относительно мягких материалов (незакаленной стали, чугуна, цветных металлов и их сплавов). Число твердости по Бринеллю (МПа) определяется отношением приложенной нагрузки P (МН) к площади поверхности сферического отпечатка F (м²) по формуле:

(1)

где D – диаметр вдавливаемого шарика, м;

d – диаметр отпечатка, м;

На практике значение твёрдости не вычисляют по этой формуле, а определяют по таблице ГОСТ 9012-59 по измеренной величине диаметра отпечатка. Диаметры шариков стандартизированы: рекомендуется применять шаровые инденторы с диаметрами в 1; 2; 2,5; 5; 10 мм.

Между числом твёрдости по Бринеллю и пределом прочности металлов σ_в, МПа, существует эмпирическая зависимость:

σ_в = k·НВ, где k – коэффициент.

Приведём эти зависимости для некоторых материалов (табл. 3).

Таблица 3

Зависимость между числом твёрдости и пределом прочности для некоторых материалов

НВ	σв, МПа	НВ	σв, МПа
Стали		Медь и её сплавы
1200…1750	3,4 · НВ	после отжига	5,5 · НВ
1750…4500	3,5 · НВ	наклёпанная	4,0 · НВ
алюминий		дуралюминий
200…450	3,3…3,6 · НВ	после отжига	3,6 · НВ
Чугун и сплавы титана	1, 0 · НВ	закалка+старение	3,5 · НВ

Режимы измерения твёрдости (диаметр шарика, нагрузка, время нагружения) выбираются в зависимости от толщины образца и твёрдости испытуемого материала по табл.4.

Таблица 4

Ориентировочные параметры испытаний по ГОСТ 9012-59

Материал	НВ,	Толщина испытуемого образца S, мм	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка КD2=Р, МПа (кгс)	Время под нагр., с
Чёрные металлы		>6	10	30D2 = 29420 (3000)	10
		3-6	5	30D2 =7355 (750)
		<3	2,5	30D2 =1840 (187,5)
		>6	10	10D2= 9807 (1000)	10
		3-6	5	10D2 = 2452 (250)
		<3	2,5	10D2= 612,5 (62,5)
Цветные металлы на осно-ве меди; дуралю-мины		>6	10	30D2 = 29420 (3000)	30
		3-6	5	30D2 = 7355 ( 750)
		<3	2,5	30D2 = 1840 (187,5)
		>6	10	10D2 =9807 (1000)	30
		3-6	5	10D2 = 2452(250)
		<3	2,5	10D2 = 612,5 (62,5)
Сплавы Mg, Al, Sn, Pb, баббит		>6	10	2,5D2 =2452 (250)	60
		3-6	5	2,5D2 =612,5 (62,5)
		<3	2,5	2,5D2 =162 (16,5)

Для получения одинаковых чисел твердости при испытании одного и того же материала шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Для этого твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D²:

(1.3)

Это соотношение должно быть разным для металлов с различной твердостью (см. табл. 5.2). Диаметр шарика D и соответствующее усилие Р выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах: 0,24 D ≤ d≤ 0,6 D.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа МПБ-2, называемого также лупой Бринелля (рис. 1.17, в). Микроскоп представляет собой полую металлическую трубку (корпус) с плоским основанием 5. В верхней части трубки располагается окуляр 1, а в нижней части – объектив 4. Для измерения диаметра отпечатка в окуляре размещается прозрачная шкала с делениями. В центре основания микроскопа расположено отверстие, которое накладывается на лунку таким образом, чтобы нулевая отметка линейки окуляра совпала с краем лунки. Диаметр лунки d измеряют с точностью 0,05  мм в двух взаимноперпендикулярных направлениях. Для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин. На рис. 1.16, б показано расположение шкалы линейки микроскопа относительно кромок лунки. Диаметр лунки, как видно из рисунка, равен 4, 35 мм. Время нагружения зависит от материала образца (см. табл. 4).

Твердость по Бринеллю обозначают символом НВ (Hardness Brinell):

۰НВ - при применении стального шарика (твердость детали должна быть менее 450 единиц);

۰HBW - при применении шарика из твердого сплава (твердость детали 450…650 единиц).

Примеры обозначений:

1) при определении твердости стальным шариком или шариком из твердого сплава диаметром 10 мм при нагрузке 3000 кгс (29420 Н) и продолжительности выдержки 10…15 секунд твердость по Бринеллю обозначают только числовым значением твердости и символом НВ или НВW (например, 300 НВ; 600 HBW);

2) если испытания проведены при других условиях (отличающихся от приведённых в табл. 5.2), то запись будет иметь следующий вид: 250 НВ 5/750 ‒ твердость по Бринеллю 250, измеренная стальным шариком диаметром 5 мм, при нагрузке 750 кгс (7355 Н) и продолжительности выдержки 10…15 с;

3) 575 HBW 2,5/187,5/30 ‒ твердость по Бринеллю 575, измерен-ная шариком из твердого сплава диаметром 2,5 мм, при нагрузке 187,5 кгс (1839 Н) и продолжительности выдержки под нагрузкой 30 с.)

При измерении твердости по Бринеллю должны соблюдаться следующие условия:

۰ минимальная толщина образца должна быть не менее 10-крат-ной глубины отпечатка;

۰расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4d; расстояние от центра отпечатка до края образца – не менее 2,5d; для металлов с твердостью менее 35 единиц эти расстояния должны быть соответственно 6d и 3d;

۰образцы с твёрдостью выше 450 НВ или 650 HBW (кгс/мм²) испытывать запрещается (во избежание деформации и разрушения индентора);

۰ из условия геометрического подобия диаметры отпечатков должны находиться в пределах d = (0,24…0,6) D.

Метод измерения твердости по Роквеллу⁵. Сущность метода заключается во вдавливании алмазного конуса или стального шарика в образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной Р₀ = 98 Н (10 кгс) и основной Р₁ нагрузок и измерении глубины вдавливания индентора h после снятия основной нагрузки (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Схемы внедрения алмазного (а) и шарового (б) инденторов при измерении твердости по Роквеллу: I– предварительное нагружение; II –окончательное нагружение; III – измерение

Суммарная нагрузка составляет Р = Р₀+Р₁. При использовании в качестве индентора алмазного конуса Р=150 кг, а при использовании стального шарика–100 кг. При данной суммарной нагрузке Р индентор внедрится в материал на глубину h₁ от поверхности образца. Затем нагрузка Р₁ снимается. Индентор при этом из-за упругости испытуемого материала переместится на расстояние «е» от исходной измерительной поверхности, что соответствует остаточной глубине проникновения наконечника. Твёрдостью по Роквеллу принято считать расстояние t в условных единицах, на которое индентор не дошёл до глубины, равной 0,2 мм (конус) или 0, 26 мм (стальной шарик) от измерительной поверхности. Все перемещения индентора при измерении твёрдости фикси-руются индикатором часового типа, по круговой шкале которого определяют значение твёрдости (рис. 1.19.). Выбор нагрузки и индентора для определения твёрдости материала по Роквеллу осуществляют по данным табл. 3. Индикатор имеет две шкалы (чёрную и красную), которые размещены на одном циферблате. Цена деления обеих шкал одинакова и соответствуют сотой части окружности шкалы и равна 0,002 мм глубины вдавливания.

а	б
Рис. 1.19. Индикатор пресса Роквелла ТК-2 с циферблатной шкалой твёрдости: а – положение стрелок до испытания материала; б – положение стрелок после предварительного нагружения, когда маленькая стрелка совпадает с точкой, а большая – на нуле шкалы

При этом шкала глубин (чёрная) будет иметь при испытании конусным наконечником 0,2/0,002 = 100 делений, а при испытании шаровым наконечником (красная шкала) 0,26/0,002 = 130 делений. Из-за разницы делений шкалы смещены относительно друг друга на 30 единиц (см. рис. 1.19).

При измерении алмазным конусом используется чёрная шкала, имеющая 100 делений (шкалы С и А). По шкале С обычно измеряют твёрдость закалённых сталей. По шкале А проводят измерение тонких изделий или тонких слоёв. Эта шкала полностью совпадает со шкалой С, но измерения проводятся при меньшей нагрузке и меньшей глубине проникновения.

Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC, HRF).

Таблица 3

Выбор нагрузки и наконечника для испытания твердости по Роквеллу

Шкала	Вид нако-нечника	Допускаемые пределы шкалы	Общее усилие,	Назначение
1	2	3	4	5
HRC чёрная	Конус	20…67		а) высокоуглеродистая отожженная сталь; б) закаленная сталь
HRA Черная	Конус	70 … 85		а) высокотвердые сплавы; б) тонкие твердые поверхностные слои
1	2	3	4	5
HRB Красная	Шарик	25… 100		а) среднеуглеродистая отожженная сталь; б) твердые цветные сплавы
HRF Красная	Шарик	50…100		мягкие цветные сплавы

При измерении стальным шариком используются красная шкала В и F, имеющая 130 делений (считая от общего нуля). По шкале В производят измерение твёрдости при её умеренных значениях, а по шкале F определяют твёрдость цветных металлов и сплавов.

При измерении твёрдости, кроме нагрузки на индентор, важное значение имеет время приложения нагрузки. Продолжительность процесса вдавливания при суммарной нагрузке P₀ + P₁ зависит от ползучести испытываемого материала. Для случая испытания по Роквеллу экспериментально установлено, что продолжительность вдавливания при суммарной нагрузке на индентор составляет:

۰ 2…3 с – для материалов с не зависящей от времени пласти-ческой деформацией;

۰6…8 с – для материалов с зависящей от времени пластической деформацией;

۰20…30 с – для материалов с существенно зависящей от време-ни пластической деформацией.

Достоинством этого метода является возможность измерения твердости в широком диапазоне как очень твердых, так и сравни-тельно мягких материалов. Но методом Роквелла не рекомендуется измерять, например, твердость серых чугунов и цветных сплавов, содержащих структурные составляющие, резко отличаю­щиеся по своим механическим свойствам. Это объясняется тем, что отпе­чаток, получаемый при вдавливании конуса или шарика диаметром 1,588 мм, достаточно мал и не всегда может равномерно охватить все составляющие структуры, что приведет к большому разбросу данных по твердости. С другой стороны малый размер отпечатков позволяет

проводить испытания на уже готовых деталях. Испытания занимают мало времени, и число твёрдости читается прямо на шкале прибора.

Благодаря этим преимуществам метод Роквелла нашёл широкое практическое применение вследствие меньшей трудоемкости по сравнению с методом Бринелля, возможностей определения твердости закалённых сталей и тонких поверхностных слоев. Сравнение чисел твердости по Роквеллу и по Бринеллю приведено в приложении.

Значения твердости по Роквеллу можно пересчитать на твердость по Бринеллю с помощью эмпирических переводных таблиц (см. лаб. раб № 1).

Метод Супер-Роквелла . Применяется для измерения твёрдости тонких слоёв на поверхности металлов. При измерении твердости очень тонких слоев (менее 0,3 мм) используются шкалы N (индентор – алмазный конус) и Т (индентор – стальной шарик). Нагрузки для каждой шкалы - 15, 30, 45 кгс. Предварительная нагрузка составляет 3 кгс, а цена деления шкалы индикатора – 1 мкм. Как и число твердости по Роквеллу, число поверхностной твердости по Супер-Роквеллу выражено символом HR и сопровождается указанием шкалы замера. Например, 81 HR30N представляет собой число поверхностной твердости по Роквеллу 81 по шкале 30N.

Определение твердости по Виккерсу⁶. Метод измерения твердости по Виккерсу регламентирует ГОСТ 2999-75 (в редакции 1987 г). Сущность метода заключается во внедрении алмазного индентора в форме правильной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136° в образец (изделие) под нагрузкой Р (кгс) и измерении диагонали отпечатка d (мм) после снятия нагрузки (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Схема измерения твёрдости по Виккерсу

Значения твердости определяются как отношение величины приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка и формально имеют размерность кгс/мм² (Н/мм²) по формуле

(5.6)

где HV −твёрдость по Виккерсу, кг/мм²;

α − наклон алмазного индентера пирамидальной формы;

P − испытательное усилие;

d − средняя длина диагонали отпечатка, мм.

На практике число твёрдости HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине диагонали отпечака d.

При использовании метода Виккерса наиболее предпочтительны нагрузки 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кг. В стандартном случае применяют нагрузку 30 кгс (294 Н). Числа твёрдости по Виккерсу и Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов с твёрдостью до 450 НВ практически совпадают.

Примеры обозначений. Запись значения твердости в 500 единиц при нагрузке 30 кгс и времени выдержки под нагрузкой 10...15 с обозначается как 500 HV, значение твердости в 220 единиц при нагрузке 10 кгс и времени выдержки 40 с − 220 HV 10/40.

Метод Виккерса используется для определения твердости дета-лей малой толщины и тонких поверхностных слоев (азотирование, борирование, цианирование и т. д.), имеющих высокую твёрдость.

Стационарные приборы для измерения твёрдости вдавливанием при статическом нагружении

В настоящее время промышленность выпускает множество стационарных приборов для измерения твёрдости, работающих на принципе вдавливания. Среди них в последние годы появилось новое поколение унифицированных твердомеров, оснащенных микропроцессорами для автоматического отсчёта размеров отпечатков инденторов и перевода их в единицы твёрдости и других механических свойств материалов. Они позволяют измерять твёрдость по различным шкалам [6] (Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора) при исполь-зовании сменных инденторов различной формы. На рис.1.21 представлен стационарный твердомер DuraJet австрийской фирмы EMCO-TEST.

Твердомер изготовлен в соответствие с требованиями ГОСТ 23677–79 (DIN EN 50150, EN ISO 18265, ASTM E 140 - 05) и позволяет провести измерение твёрдости вдавливанием самыми распространёнными способами по Бринеллю (не стандартный метод⁷), Роквеллу и Виккерсу.

При выборе способа измерения легко можно заменить индентор, предварительно сняв конус 5, и, осуществив настройку соответствующей программы микропроцессора твердомера. При измерении твёрдости прибор автоматически выбирает нагрузку, которая может меняться в широких пределах 49…184 Н (5…187,5 кг), что позволяет измерять твёрдость в широких пределах (например металлов и пластмасс). Значение твёрдости прибор показывает на дисплее блока управления 8 автоматическим переводом в единицы по Бринелю, Роквеллу или Виккерсу, в зависимости от того, на какую шкалу была настроена программа прибора. Все измерения могут быть сохранены непосредственно на flash-карту 7 или распечатаны на принтере. При измерении твёрдости оператор настраивает расстояние между индентором и столом (изделием) нажатием кнопок по регулеровке высоты блока нагружения (см. рис. 1.21). Измерение проводится в полностью автоматическом режиме простым нажатием кнопки “Quick-Test”.

Рис. 1.21. Твердомер DuraJet 10: 1 – принтер; 2 – основание; 3 – стол; 4 – изделие; 5 – конус; 6 – блок нагружения; 7 - flash карта (флэшка); 8 – блок управления; 9 – USB интерфейс; 10 – сервисный интерфейс; 11 – разъём для блока управления; 12 – выключатель; 13 – блок предохранителей; 14 – гнездо электропитания.

Сегодня в лабораториях машиностроительных предприятий и учебных заведений всё ещё используются твердомеры Бринелля (рис. 1.22) и Роквелла (рис. 5.4) прежних лет, которые отличаются высокой надёжностью. Кроме того, они удобны в работе и просты в обслужи-вании.

Твердомер Бринелля ТШ – 2. Прибор смонтирован на массивной станине 7. Перед испытанием в зависимости от марки материала выбирается по данным табл. груз и диаметр шарового индентора. Затем закрепляют шаровой индентор 3 нужного диаметра и вешают на подвеску груз 5. Комбинация грузов на приборе ТШ–2 позволяет изменять нагрузку на индентор в пределах 612,5….29420 Н.

Испытуемый образец устанавливают на столик 2 и, вращая маховик 1, поджимают его к индентору и поднимают вместе с индентором до конца вверх преодолевая сопротивление сжимающейся пружины, на которую опирается индентор. При этом сжатая пружина давит на наконечник и создаёт предварительную нагрузку 100 кгс. Для продолжения испытания нажимают пусковую кнопку 6 и электродвигатель через червячную передачу и систему рычагов совершает нагружение индентора и его внедрение в образец. После окончания нагружения загорается сигнальная лампочка 4 и она горит в течение времени выдержки. Затем лампочка выключается и происходит разгружение (груз 5 поднимается вверх). После завершения испытания вращением маховика против часовой стрелки опускают стол, снимают образец и измеряют диаметр отпечатка.

Рис. 1.22. Твердомер Бринелля: 1 – штурвал; 2 –съёмный предметный столик; 3 – индентор с наконечником; 4 – сигнальная лампочка; 5 – груз; 6 – пусковая кнопка; 7 - станина	Рис. 1.23. Твердомер Роквелла: 1- ты станина; 2 – ты педаль; 3 – ты штурвал; а я мангал (А.С.Пушкин совместно с Киркоровым) 4 – стол; 5 – индентор; 6 – указатель; 7 – груз; 8 - ободок

Твердомер Роквелла ТК – 2 (рис. 1.23). Прибор включают в электросеть выключателем 6, при этом загорается лампочка 4. Механизм нагружения располагается внутри полой станины 1. Пер-*-ед испытанием в зависимости от марки материала выбирают шкалу измерений согласно табл. 5.3 и соответственно устанавливают на прибор нужный индентор и груз. Испытуемый образец укладывают на столик 2 и вращением штурвала 1 поднимают стол с образцом до тех пор, пока индентор 3 не окажется вдавленным предварительной нагрузкой 10 кгс. Этот момент достигается при совпадении маленькой стрелки с красной точкой на шкале указателя. После этого поворотом ободка 9 совмещают ноль шкалы указателя с большой стрелкой. Для продолжения нагружения нажимают педаль 8 и рычаг с грузом 5 плавно начинает опускаться вниз подавая основную нагрузку на индентор. После остановки вращения стрелки указателя считывают значение твёрдости. При использовании в качестве индентора конического алмазного индентора пользуются черной шкалой указателя, а при использовании шарика ‒ красной шкалой.

Контрольные вопросы

1. Какие свойства металлов вы знаете

2. Какую способность металлов характеризуют механические свойства?

3. Дайте определение прочности, твёрдости, вязкости, упругости, пластичности, хрупкости металлов?

4. Какие механические характеристики можно определить ис-пытанием материалов на растяжение?

5. Какие образцы применяются для испытания на растяжение?

6. Как устроена испытательная машина на растяжение и что изображает первичная диаграммы растяжения, записанная машиной?

7. Какие встречаются на практике типичные диаграммы растя-жения металлов?

8. Как по диаграмме растяжения определить σ_в и σ_т?

9. Как определить характеристики пластичности δ и ψ?

10. Что называется твердостью?

11. В чём заключается сущность измерения твердости по Бринеллю.

12. Шаровые инденторы с какими значениями диаметров исполь-зуются при испытании на твердость по Бринеллю и из каких условий они выбираются?

13. Какой прибор используется для измерения диаметра отпе-чатка при испытании на твёрдость по Бринеллю и как осуществить измерение?

14. Какие условия принято соблюдать при измерении твёрдости по Бринеллю (продолжительность выдержки, минимальные расстоя-ния между центрами соседних отпечатков и от края образцов, минимальная толщина образцов, соотношение между диаметрами отпечатка и шарового индентора)?

15. Как обозначается твёрдость по Бринеллю?

16. Какое значение может принимать величина K и от чего она зависит?

17. Какие существуют зависимости между твёрдостью и пределом прочности материала на растяжение?

18. В чём заключается измерение твердости по Роквеллу?

19. Какие типы наконечников и нагрузки на них применяются при испытании материалов на твёрдость по методу Роквелла?

20. В каких случаях используются шкалы A, С, В, F при испытании на твёрдость по Роквеллу и как настроить прибор на эти шкалы?

21. Как обозначается твёрдость по Роквеллу, измеренная по шкалам А, В, С и F?

22. Как осуществить измерение на твердомерах Бринелля и Роквелла?

23. Какие зависимости существуют между твёрдостью и временным сопротивлением материалов, между значениями твёрдости по Бринеллю?

24. Почему меньшая глубина проникновения наконечника соответствует большей твёрдости материала?

25. Какие условия принято соблюдать при измерении твёрдости по Роквеллу (минимальные расстояния между центрами соседних отпечатков и от края образцов, минимальная толщина образцов)?

26. По каким шкалам (красной или чёрной) производится отсчёт твёрдо-сти при вдавливании алмазного наконечника и стального шарика соответствен-но?

Лекция 4 - 2.1.3. Испытания на ударный изгиб. Помимо статических проводят динамические испытания на ударный изгиб. Специальные образцы с надрезом (концентратором) разрушают на маятниковом копре за один удар.

Ударная вязкость определяется работой A_н, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечного сечения F, Дж/м²:

KCU=A_н/F

Испытания проводятся ударом специального маятникового копра (рис. 1.24, а). Для испытания применяется один из приведенных на (рис. 1.24, в, г, д) видов образцов с надрезом с различной остротой или с надрезом и трещиной. Маятник определенной массы наносит удар по образцу, устанавливаемый на опорах копра (рис. 1.24, б), по стороне противоположной надрезу. При этом определяют затрачен-ную

Рис. 2.14 --

работу на разрушение образца (А) и если ее разделить на поперечное сечение, которое у всех образцов одинаковое и составляет 0,8 см², то получают удельную работу разрушения или ударную вязкость а_н=А_н/0,8 кДж/см² или А_н10²/0,8 кДж/м².

Рис. 1.24. Схема испытаний на ударную вязкость: а – копер;

б – схема испытания; в…д – образцы для испытания

Чаще работу удара обозначают двумя буквами KU, KV, KT, а ударную вязкость – тремя буквами КСU, KCV, KCT. В этих обозначениях последние две буквы являются символом концентраторов напряжений, т. е. типов испытанных образцов. Ударная вязкость характеризует степень надежности материала при эксплуатации или сопротивление материала разрушению, т. е. сопротивление материала зарождению трещины и сопротивление распространению (развитию) этой трещины.

В ряде случаев целесообразно определять не только общую работу разрушения при ударном изгибе КС, но и ее составляющие: работу зарождения КС₃, и работу развития трещины КС_р, зависит от геометрии надреза образца, а работа развития трещины мало зависит от остроты надреза и лучше характеризует склонность металла к хрупкому разрушению. Ее определяют на образцах с заранее инициированной трещиной.

И

Рис.2.13

спытания ударной вязкости широко применяют для оценки склонности металла к хрупкому разрушению при низких температурах. Для этого проводят испытания для оценки хладноломкости с построением кривых называемых сериальными кривыми хладноломкости (рис. 1.25). С помощью этих кривых определяют температурный порог хладнолом-кости, ниже которого металл применять не следует. На рис. 1.25 порог хладноломкости соответствует  -30 °С. Существует разрушение металлов отрывом под действием растягивающих (нормальных) напряжений. При этом предварительная пластическая деформация отсутствует, поэтому такой вид разрушения называется хрупким. Склонность металлов к хрупкому разрушению увеличивается с ростом скорости деформации, при наличии концентраторов напряжений и создании крупногабаритных изделий. Р

Рис. 2.15 -

азрушению срезом под действием касательных напряжений предшествует пластическая деформация, поэтому этот вид считают вязким разрушением. Характер разрушения можно определить визуально: вязкое разрушение обеспечивает волокнистый (матовый), хрупкое — кристаллический (светлый) излом.

Рис. 1.25. Изменение ударной вязкости Ст. 3 при понижении температуры испытаний

1. Вязкий излом (рис. 1.26, а, б) имеет матово-серый оттенок. Для вязкого излома характерно волокнистое строение и неровная поверхность в виде мелких уступов (ямок или чашек). Форма и размер зерен при вязком изломе значительно искажены, так как разрушение в этом случае сопровождается значительной пластической деформацией и границы зёрен не просматриваются.

2. Хрупкий излом. Хрупкий металл разрушается без заметной пластической деформации. Разрушение происходит по границам зёрен или плоскостям лёгкого скольжения внутри зёрен. При этом поверхности разрушения остаются практически неповреждёнными и хорошо отражают свет (рис. 1.26, в). Поэтому хрупкий излом имеет зернистый рельеф, состоит из множества блестящих граней (фасеток).

а	б х500	в
Рис. 1.26. Изломы: вязкий;		хрупкий, х500

Различают следующие разновидности хрупких изломов: нафталинистый и камневидный. Железо, молибден, вольфрам и другие металлы в зависимости от температуры могут быть подвергнуты вязкому или хрупкому разрушению. При температурах ниже порога хладноломкости _п.х сопротивление отрыву _отр (разрушающее напряжение) меньше, чем сопротивление пластической деформации . Таким образом создаются предпосылки для перехода вязкого разрушения в хрупкое.

2.1.4. Испытание долговечности. Долговечность металлов определяется испытаниями на усталость, ползучесть и длительную прочность, износ, коррозию и другими методами.

Усталостные испытания. Большинство деталей машин и конструкций, работающих при циклически действующей нагрузке, разрушается после определённого числа циклов нагружения. Такое разрушение может произойти даже при напряжениях ниже предела текучести. Это явление называется усталостью. Усталостное разрушение наступает при постепенном накоплении повреждений в металле при действии переменных напряжений, приводящих к образованию и развитию трещин. Из-за различной ориентации зёрен и блоков, макро- и микродефектов напряжения в металле распределяются неравномерно. При расчётной нагрузке ниже предела текучести в отдельных перенапряжённых локальных участках происходит пластическая деформация. Следствием таких деформа-ций является образование микротрещин, которые с увеличением цикла нагружения постепенно сливаются, образуя микротрещины. Эти трещины с течением времени распространяются на всё сечение материала.

Внешний вид излома детали от усталости показан на рис. 1.27. Усталостный излом образуется при постепенном развитии процесса разрушения металла в результате длительных циклических нагрузок (рельсы, оси, валы, шестерни, штоки, клапанные пружины и др.). Разрушение начинается у поверхности деталей и постепенно распространяется вглубь, образуя сглаженную поверхность в местах зарождения трещин. На изломе можно различить три зоны (см. рис. 1.27): 1) очаг разрушения (риски, забоины, трещины, неметаллические, газовое включения) и имеет плоский и гладкий вид; 2) зона медленного разрушения А (усталости); 3) зона мгновенного разрушения Б (долома).

а	б Рис. 1.27. Внешний вид излома от усталости: А – зона медленного разрушения (усталости-см. также б); Б – зона мгновенного разрушения (долома)

Если деталь работала при нормальных нагрузках (без пере-грузок), а металл обладал достаточно высокой пластичностью, то зона медленного разрушения (усталости) значительно больше зоны мгновенного разрушения (долома). И наоборот, если работа детали сопровождалась временными перегрузками, или металл имел высокую твёрдость и низкую вязкость, то зона медленного разрушения занимает меньшую площадь в сечении излома, а зона мгновенного из-лома ‒ большую площадь. Обычно разрушение детали в результате их усталости наблюдается при несовершенстве их геометрической формы (резкие переходы от одной поверхности к другой), наличии на поверхности царапин, задиров, рисок, неметаллических включений и др. На изломах макроструктуру оценивают путем сравнения с нормативными макроструктурами, приведенными в ГОСТ 10243-75, по 25 параметрам.

Схема испытания на усталость представлена на рис.1.28. В качестве характеристики материала, работающего в условиях циклического нагружения, используется предел выносливости.

Рис. 1.28. Схема испыта-ний на усталость

Пределом выносливости называется максимальное напряжение _max, при действии которого не происходит усталостного разрушения после произвольно большого числа циклов нагружения. Наиболее части испытания на усталость осуществляется на испытательных машинах с вращающимся образцом при одновременном действии изгибающей нагрузки.

Испытания проводят при разных нагрузках, которые вызывают в образце соответствующие напряжения, определяют число циклов до разрушения и затем строят зависимость “напряжение  - число циклов нагружения N”. Для удобства чаще на оси абсцисс откладывают ln N.

Типичная зависимость между уровнем действующих циклических напряжений и числом циклов до разрушения N имеет три характерных участка (см. рис. 1.29). На первом участке I квазистатического разрушения разрушение мало отличается от разрушения при однократном приложении нагрузки.

Рис. 1.29. Зависимость действующих напряжений от числа циклов до разрушения:

I – квазистатическое разруше-ние;

II – малоцикловое разрушение; III – многоцикловое усталостное разру-шение

Второй участок II характеризует малоцикловую усталость, при которой разрушение сопровождается пластической деформацией. На третьем участке III происходит многоцикловое усталостное разрушение, проходящее при почти полном отсутствии пластической дефорамции.

Принять считать, что при малоцикловой усталости полное разрушение происходит в упругопластической области до N =5х10⁴ циклов, а при многоцикловой усталости – от 5х10⁴ циклов и более.

Для кривой усталости, имеющей горизонтальный участок, определяется предел выносливости – наибольшее напряжение цикла, которое выдерживает металл без разрушения. В пределах спадающего участка кривой усталости (см. рис. 1.8) может быть определен предел ограниченной выносливости. Для стали предел выносливости обычно определяют на базе N = 10⁷, для цветных металлов N = 10⁸ циклов нагружения. Предел выносливости, определенный в стандартных условиях, обозначают_-1. Величина предела выносливости углеродистых сталей при симметричном цикле обычно составляет 0,6 _В.

Важной характеристикой выносливости металла является также усталостная долговечность. Она определяется числом циклов нагружения образцов перед разрушением при заданном напряжении.

Различают три стадии усталостного разрушения: зарождение усталостной трещины, ее медленный рост до критического размера и быстрый долом оставшегося сечения образца или детали. Процесс зарождения трещин сильно зависит от качества поверхности. Усталость ответственна примерно на 50 % случаев всех аварийных разрушений.

2.1.5. Испытания на ползучесть. Многие детали машин работают в условиях высоких температур (лопатки газовых и паровых турбин) под постоянной нагрузкой в течение определённого времени вплоть до разрушения. Такое явление называется ползучестью. Схема установки для таких испытаний приведена на рис. 1.30.

Рис. 1.30. Схема установки для испытания на ползучесть: 1 – образец; 2 – захват машины; 3 – термопара; 4 – печь; 5 – зеркальный индикатор для измерения деформации; 6 – рычаг; 7 - груз

При высокотемпературной ползучести в материале развиваются два противоположных процесса: упрочнение за счёт пластической деформации (наклёп) и разупрочнение в результате нагрева. Если второй процесс преобладает, то в металле начинают развиваться диффузионные разупрочняющие процессы – это отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, которые способствуют ползучести.

Для высокотемпературной ползучести характерны диффузионные процессы, а низкотемпературная ползучесть развивается за счёт движения и размножения дислокаций. Механическими характерис-тиками металла, предусмотренного для работы при высоких температурах, является предел длительной прочности _д и предел ползучести _п. Эти характеристики определяют жаропрочность металлов.

Образцы помещают в электрическую печь, нагревают до задан-ной температуры и к нему прикладывают определённую постоянную нагрузку. Возникающую в образце деформацию измеряют и по результатам испытаний серии образцов строят кривые длительной прочности и ползучести (см. рис. 1.30).

Предел длительной прочности _д характеризует напряжение, вызывающее разрушение металла при заданной температуре за данный отрезок времени, например, .

Такая запись означает, что длительная прочность металла при испытании в течение 1000 ч при 850 ˚С составляет 200 МПа.

Другой характеристикой сопротивления ползучести является предел ползучести _п, который характеризует напряжение, вызываю-щее при данной температуре заданную деформацию (например 0,5 %) при нагружении в течение определённого времени (обычно менее 500 ч). Так , например, запись означает, что напряжение 150 МПа при 700 °С вызывает в данном металле пластическую деформацию, равную 0,5 % за 1000 часов.

Знание пределов ползучести _п и пределов длительной прочности _д позволяет своевременно заменить детали, не доводя машину (механизм) до аварии.

На рис. 1. 31, б приведена типичная кривая ползучести. Она состоит из четырёх участков. Участок ОА соответствует упругой и пластической деформации, возникшей в момент приложения нагрузки. Участок АВ характеризует неустановившуюся ползучесть, где металл деформируется с неравномерной скоростью. Участок ВС – установившаяся ползучесть и участок СД – ускоренное разрушение, связанное с образованием шейки. Для деталей, длительное время работающих при повышенных температурах, задаётся обычно скорость ползучести на установившейся стадии ВС процесса, например 0,1 % за 10⁴ ч или за 10⁵ ч. Условия эксплуатации многих изделий, работающих при низких температурах, предусматривает их безаварийную работу длительное время (более 10 лет) под нагрузкой. В таких ответственных изделиях, как резервуары или ёмкости для хранения или транспортировки криогенных жидкостей, обладающих повышенным запасом упругой энергии в системе, деформация, обусловленная ползучестью, может способствовать значительному росту напряжений в отдельных зонах конструкции. При этом, учитывая низкие температуры эксплуатации, существенно усиливается опасность хрупкого разрушения.

Рис. 1.31. Кривые длительной прочности (а) и ползучести (б)

Чистые металлы Fe, Mo, W и др. в зависимости от температуры могут быть подвергнуты вязкому и хрупкому разрушению. При температурах ниже порога хладноломкости _пх сопротивление отрыву _отр (разрушающее напряжение) меньше, чем сопротивление пластической деформации _т. Таким образом создаются предпосылки для перехода вязкого разрушения в хрупкое.

Контрольные вопросы

1. В чём заключается метод определения ударной вязкости и какое свойство материала она характеризует?

2. Какие виды надрезов используются в образцах для испытания на ударную вязкость и какова их роль?

3. Как обозначается ударная вязкость материалов?

4.Что за сериальная кривая хладноломкости и как по ней установить температурный порог хладноломкости?

5. Какой вид разрушения называется хрупким и отчего зависит склонность металлов к хрупкому разрушению?

6. Какое разрушение называется вязким и какое хрупким и какой вид излома они имеют?

7. Какими испытаниями устанавливается долговечность металлов?

8.Как и для чего проводится усталостное испытание?

9. Что такое усталостная долговечность и как она определяется?

10. Что называется ползучестью и как она определяется?

11. Что называется пределом длительной прочности и как он обозначается?

12. В чём заключается метод измерения твёрдости по Виккерсу и в чём она выражается?

Лекция 5 - 2.2. Технологические свойства

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки.

Литейные свойства сплавов. Литые конструкционные материалы должны обладать также высокими литейными свойствами. Наиболее важные литейные свойства — жидкотекучесть, усадка (объёмная и линейная), склонность к ликвации, образованию трещин и к газопоглощению.

Жидкотекучестью называется способность расплава свободно течь в литейной форме, заполняя ее и точно воспроизводя все контуры полости формы. В это понятие входят свойства, определяющие подвижность расплава в жидком состоянии. К ним относятся вязкость, поверхностное натяжение расплава и прочность нерастворимых окислов на поверхности. Жидкотекучесть зависит от химического состава, теплопроводности материалов отливки и формы, температуры заливки формы, свойств литейной формы и т. д.

Жидкотекучесть определяют путем заливки специальных техноло-гических проб (например, спирали). За ее меру принимают длину заполненной расплавом части полости пробы, измеряемую в миллиметрах. В зависимости от жидкотекучести расплава при оптимальной температуре его заливки выбирается толщина стенок отливки, обеспечивающая требуемую прочность и экономию материалов. Хорошая жидкотекучесть важна для получения плотных доброкачественных отливок. Она улучшает условия вывода за пределы отливки усадочных раковин, уменьшает опасность образования всех видов пористости, трещин. Недостаточная жидкотекучесть расплава вызывает незаполнение отдельных тонких частей литейной формы — недоливы, а следовательно, и искажение конфигурации и размеров отливки. Другим важным свойством, определяющим качество отливок является усадка.

Усадкой называется свойство расплава уменьшать свой объем при затвердевании и охлаждении. В результате происходит и соответствующее уменьшение линейных размеров отливки. Относительное изменение объемов отливки V_от по сравнению с объемом формы V_ф, выраженное в процентах, определяет объемную усадку _об, которая имеет место в жидком, жидкотвердом и твердожидком состояниях:

где V_ф и V_от —объёмы полости формы и отливки соответственно при комнатной температуре.

Относительное изменение линейных размеров отливки l_от по сравнению с размерами формы, выраженное в процентах, определяет линейную усадку _лин,

которая имеет место а твердожидком и твердом состояниях:

где l_ф и l_от—размеры полости формы и отливки соответственно при комнатной температуре.

Объемная усадка примерно в три раза больше линейной. Усадка в отливках создает условия для образования усадоч­ных раковин, пористости, трещин и короблении.

Склонностью к образованию трещин называется совокупность свойств, определяющих прочность отливки в процессе кристаллизации и охлаждения расплава. Различают горячие трещины, образующиеся в отливках при высоких температурах, и холодные, образующиеся при низких температурах.

Склонностью к газопоглощению называется способность расплавов поглощать газы и выделять их в период охлаждения. Газы в расплав попадают при протекании химических реакций (например, FеО+С—Fе + СО) с поверхности раздела расплав—форма, при заполнении формы расплавом, из шихтовых материалов. С этим свойством связан весьма распространенный дефект отливок—газовая пористость. Растворимость газов в расплавах уменьшается с понижением температуры. В связи с этим понижение температуры заливаемого расплава является одной из мер предупреждения образования газовой пористости. Для этой цели также используют дегазацию (прокалка или технологическая обработка в вакууме или инертной среде с целью удаления газов) шихтовых материалов, расплава перед его заливкой в форму и др.

О литейных свойствах металлических сплавов можно судить по их диаграмме состояния. Лучшими литейными свойствами обладают эвтекти-ческие сплавы и сплавы с эвтектикой. Это связано прежде всего с тем, что температура плавления эвтектики («механической» смеси кристаллов А и В в двойном сплаве) всегда ниже температуры плавления составляющих ее компонентов, сплавы-эвтектики имеют повышенную жидкотекучесть.

Ковкость материала. Ковкость — это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения. Ковкость проверяют по численному значению критерия ковкости и пятибалльной шкале (табл.1.1).

Таблица 1.1

Пятибальная шкала ковкости

Балл	Значение Кψ = ψ/ σв, % / МПа	Ковкость
1	Не менее 0,01	не куется
2	0,001…0,03	низкая
3	0,031…0,08	удовлетворительная
4	0,081…0,2	хорошая
5	0,21 и выше	отличная
Примечание. Область применения ОМД распространяется на сплавы, которые имеют ковкость не ниже удовлетворительной.

Значение критерия ковкости определяется из соотношений: К_ψ = ψ/ σ_в или К_δ = δ/ σ_в,

где ψ – относительное сужение в зоне разрыва образца в %;

δ – относительное удлинение после разрыва образца, %;

σ_в – временное сопротивление на разрыв, МПа.

Учитывая, что значение δ зависит от первоначальной длины образца, предпочтение отдают критерию Кψ.

Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения. Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.

2.3. Физические свойства материалов. К физическим свойствам материалов относится плотность, тем­пература плавления, электропроводность, теплопроводность, магнит­ные свойства, коэффициент температурного расширения и др.

Плотностью называется отношение массы однородного матери­ала к единице его объема.

Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными.

Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле.

Электропроводностью называется способность материала хоро­шо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.

Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.

Магнитными свойствами т. е. способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.

Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании. Это свойство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке железнодорожных и трамвайных путей и т.д.

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способнос­тью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различ­ных агрессивных сред называется коррозионной стойкостью (см. раз­дел 5.2), а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.

2.4. Эксплуатационные свойства металлов. К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность металлического ма­териала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость — это способность материала сопротивлять­ся разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.

Контрольные вопросы

1. Что называется жидкотекучестью и от чего она зависит?

2. Как определяется жидкотекучесть и на каик конструктивные элементы отливки онам влияет?

3. Что называется усадкой сплавов и как она определяется?

4. Какие ещё литейные свойства (кроме жидкотекучести и садки) Вы знаете?

5. Как называется свойства сплавов, позволяющее металлам подвергаться различным видам обработки давлением?

6. Какие технологические свойства материалов Вы знаете?

7. Какие свойства металлов относятся к физическим свойствам? Дайте им определение.

8. Какие Вы знаете химические свойства металлов?