2.2 Методы определения различных показателей и свойств материалов

2.2.1 Механические испытания. Детали машин и механизмов работают под разными нагрузками: одни детали испытывают постоянно действующие нагрузки в одном направлении, другие – удары, третьи – нагрузки, изменяющиеся по величине и направлению. Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных или низких температурах. Поэтому разработаны различные методы испыта­ний, с помощью которых определяют механические свойства металлов. Различают статические и динамические испытания.

Статическими называют такие испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействию постоянной или медленно возрастающей нагрузке.

Динамическими называют испытания, при которых материал подвергают воздействию ударным нагрузкам.

Наиболее распространенными испытаниями являются испытания на твердость, статическое растяжение, ударную вязкость. Кроме того, иногда производят испытания на усталость, ползучесть и изнашивание, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

2.2.2 Испытания на растяжение. Статическое испытание на растяжение – распространенный способ механических испытаний металлов. При этих испытаниях по сечению образца создается однородное напряженное состояние, материал находится под действием нормальных и касательных напряжений.

Для статических испытаний используют, как правило, круглые образцы 7 (рисунок 2.6) или плоские 2 (листовые). Образцы имеют рабочую часть и головки, предназначенные для закрепления их в захватах разрывной машины.

Рисунок 2.6 Образцы для статических испытаний на растяжение

Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины l₀ к начальному диаметру d₀ (l₀/d₀) называется кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с кратностью 2,5; 5 и 10. Самым распространенным является образец кратностью 5.

Расчетная длина l₀ берется несколько меньше рабочей длины l₁. Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части нормального круглого образца 20 мм. Образцы других диаметров называются пропорциональными.

Растягивающее усилие создает напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение. В тот момент, когда напряжение превзойдет прочность образца, он разорвется.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины. На рисунке 2.7 представлена схема испытательной машины, основными элементами которой являются: приводной нагружающий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.

1 – основание; 2 – винт;

3 – нижний захват (активный);

4 – образец;

5 – верхний захват (пассивный);

6 – силоизмерительный датчик;

7 – пульт управления с электроприводной аппаратурой;

8 – индикатор нагрузок;

9 – рукоятка управления;

10 – диаграммный механизм; 11 – кабель

Рисунок 2.7 Схема испытательной машины

В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения (рисунок 2.8) в координатах нагрузки Р; Δl – абсолютное удлинение образца. На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характер­ных участка:

– участок ОА (прямолинейный) соответствует упругой деформации (такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой называется законом пропорциональности);

– участок АВ (криволинейный) соответствует упругопластической деформации при возрастании нагрузки;

– участок ВС (криволинейный) соответствует упругопластической деформации при снижении нагрузки.

Рисунок 2.8 Машинная диаграмма растяжения пластической стали

При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме растяжения может появится небольшой горизонтальный участок АА', называемый площадкой текучести. Образец удлиняется без увеличения нагрузки – металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки продолжается деформация испытуемого образца, называется физическим пределом текучести.

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали, а также для некоторых марок латуни. На диаграммах растяжения высокоуглеродистых сталей нет площадки текучести.

С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца.

При растяжении определяют показатели прочности и пластичности материалов.

2.2.3 Показатели прочности материалов характеризуются напряжением с, равным отношению нагрузки к площади поперечного сечения образца (в характерных точках диаграммы растяжения).

К наиболее часто используемым показателям прочности материалов относятся: предел текучести, условный предел текучести, предел прочности.

Предел текучести σ_Τ , МПа — наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:

σ_Τ = P_T /F_O (2-1)

где P_T – нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения;

F_O – площадь поперечного сечения образца до испытания.

Условный предел текучести σ₀₂, МПа – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от начальной расчетной длины образца.

Предел прочности σ_в, МПа – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_max, предшествующей разрыву образца:

σ_B = P_max /F_O (2-2)

2.2.4 Показатель пластичности. Пластичность – одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Наиболее часто используются следующие показатели пластичности.

Относительное удлинение δ, % – наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или другими словами, отношение абсолютного приращения расчетной длины образца Δl_р до нагрузки Р_max к ее первоначальной длине:

δ = (Δl_р / l₀ )*100=[(l_р – l₀ ) / l₀]*100 (2-3)

Аналогично предельному равномерному удлинению существует относительное сужение Ψ (%) площади поперечного сечения:

Ψ = (Δ F_р / F_O)*100 = [(F_р – F₀ ) / F₀]*100 (2-3)

У хрупких металлов относительное удлинение и относительное сужение близки нулю; у пластичных материалов они достигают нескольких десятков процентов.

Модуль упругости Е (Па) характеризует жесткость металла, его сопротивление деформации и представляет собой отношение напряжения в металле при растяжении к соответствующему относительному удлинению в пределах упругой деформации:

Е=σ / δ (2-4)

Таким образом, при статическом испытании на растяжение определяют показатели прочности (σ _т, σ _{0 2}, σ _в) и показатели пластичности (δ и Ψ).

2.2.5 Испытания на твердость. Твердость – свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении твердосплавного наконечника (индентора) в его поверхность. Испытания на твердость – самый доступный и распространенный способ механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.

При испытании на твердость методом Бринелля в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр d отпечатка (рисунок 2.9, а).

Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается по формуле:

НВ= Р/F (2-5)

где: Р – нагрузка на шарик, Н; F – площадь поверхности сферического отпечатка, мм².

Определенная нагрузка соответствует конкретному значению твердости. Так, при определении твердости стали и чугуна нагрузка на шарик Р= 30D²; для меди, ее сплавов, никеля, алюминия, магния и их сплавов – Р= 10D²; для баббитов – Р= 2,5D².

Толщина металла под отпечатком должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до края образца – не меньше D.

Для испытания на твердость по Бринеллю в настоящее время применяют в основном рычажные прессы.

По методу Бринелля можно испытывать материалы с твердостью 4500 НВ. Если материалы тверже, то стальной шарик может деформироваться. Этот метод непригоден также для испытаний тонколистового материала.

Если твердость по Бринеллю испытывалась шариком диаметром 10 мм и нагрузкой в 29—430Н, то число твердости обозначается цифрами, характеризующими значение твердости, и буквами «НВ», например 185НВ.

Если испытания проходили при других условиях, то после букв «НВ» указывают эти условия: диаметр шарика (мм), нагрузка (кгс) и продолжительность выдержки под нагрузкой (с): например 175НВ5/750/20.

Этим методом можно испытывать материалы твердостью не более 450НВ.

При испытании на твердость методом Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом 136° при вершине (рисунок 2.9, б).

После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. Число твердости по Виккерсу (НV) подсчитывается по формуле

НV= 1,854 Р/d² (2-6)

где Р – нагрузка, Н; d – среднее арифметическое значение обеих диагоналей отпечатка, мм.

а – по Бринеллю;

б – по Виккерсу;

в – по Роквеллу

Рисунок 2.9 Схемы испытаний на твердость

Число твердости по Виккерсу обозначается буквами «НV» с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм²) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой для сталей 10 – 15с, а для цветных металлов 30с. Например, 450 НV 10/15 означает, что твердость по Виккерсу 450 получена при Р=10кгс, приложенной к алмазной пирамиде в течение 15с.

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

При испытании на твердость методом Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом 120° при вершине или стальной шарик диаметром 1,588мм. Однако согласно этому методу за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания методом Роквелла показана на рисунке 2.0, в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р₀, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₀. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₁. После этого снимают нагрузку Р₁ но оставляют предварительную нагрузку Р₀.

При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h₀. Разность (h - h₀) зависит от твердости материала. Чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Твердость, определенная методом Роквелла, обозначается буквами «НR». Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляются буквы: А, С, В, обозначающие соответствующую шкалу измерений.

Метод Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса имеет преимущество, которое заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно индикатором, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

В методе Роквелла для испытания и обозначения твердости используют три шкалы: А, В и С.

1. Шкалой В пользуются при измерении твердости мягких металлов (незакаленные стали, цветные металлы и их сплавы); нагрузка на шарик составляет 1000 Н; твердость в этом случае обозначается HRB.

2. Шкала С применяется при испытании твердость незакаленных сталей (HRC) нагрузка на шарик составляет 1500 Н.

3. Шкалой А пользуются при испытании изделий после химико-термической обработки и для твердых сплавов (HRA); нагрузка на алмазный наконечник составляет 600 Н.

2.2.6 Технологические испытания или пробы металлов проводятся с целью определения способности металлов воспринимать деформацию, подобную той, которой он должен подвергаться в условиях обработки или эксплуатации. Технологические пробы металлов проводят:

• на осадку;

• сплющивание;

• навивание проволоки;

• загиб, перегиб;

• выдавливание;

• свариваемость;

• развертывание фасонного материала и др.

Технологические пробы металлов во многих странах (в том числе и России) стандартизованы. Технологические пробы не дают численных данных. Оценка качества металла при этих испытаниях производится визуально по состоянию поверхности металла после испытания.

Например, для оценки качества труб проводят технологические испытания на расширение, плющевание, разбортовку, растяжение и расширение кольца, а также гидравлическим давлением.

К параметрам (свойствам) металлов при технологических испытаниях относятся: штампуемость, прокатываемость, прошиваемость, свариваемость, испытания на перегиб, на усадку, и сплющивание.

2.2.7 Методы исследования строения и структуры металлов и сплавов. Такие испытания проводятся для получения более полной информации о строении металлов и зависимости свойств от структуры кристаллической решетки.

Кроме того, знания этих зависимостей позволяет разрабатывать методы получения металлов и сплавов с заранее запланированными свойствами.

Среди множества методов исследования можно выделить:

• макроанализ;

• микроанализ;

• рентгенографический анализ;

• магнитную и ультразвуковую дефектоскопию;

• радиографический анализ;

• дилатометрию.

Макроанализ предполагает внешнее визуальное исследование образцов с использованием простейших приборов, например, лупы (увеличение до 30 раз).

Макроанализ позволяет определить:

• нарушение сплошности металла (усадочная рыхлость, газовые пузырьки и раковины, пустоты, трещины, флокены, дефекты сварки);

• дендритное строение;

• химическую неоднородность сплава (ликвацию);

• неоднородность строения сплава после обработки давлением;

• неоднородность после термической или химико-термической обработки.

Для исследований изготавливают образцы, называемые микрошлифами – тонкие пластинки металлов и сплавов, специального сечения и хорошо обработанные методами шлифования, полирования, хонингования.

В макроанализе также используется исследования образцов на изломе, например, после испытаний на ударную нагрузку при разрушении образца.

Микроскопический анализ выполняют с применением специальных приборов с большим увеличением – микроскопов (увеличение от 10 до 3000 раз). Такое исследование позволяет определить размеры и расположение различных фаз, присутствующих в сплавах, если размеры частиц этих фаз не менее 0,2 мкм. Многие фазы в сплавах имеют размеры – 10^-4…10^-2 см, и могут быть различимы микроскопе.

С помощью микроанализа можно определить:

• величину зерен чистых металлов и однофазных сплавов;

• наличие дендритного строения слитков;

• число и форму структурных составляющих;

• загрязненность примесями.

Наиболее современными являются методы неразрушающего контроля с помощью рентгенографии, магнитной и ультразвуковой дефектоскопии, радиографических методов – с помощью изотопов слаборадиоактивных элементов.

Контрольные вопросы:

1. Какие виды механических испытаний вам известны?

2. Для чего проводятся испытания на растяжение? прочность? твердость?

3. Назовите области применения испытаний на твердость методов Бринелля, Виккерса, Роквелла.

4. Какие характеристики материалов можно определить с помощью технологических испытаний?

5. Какие методы исследования строения и структуры металлов и сплавов вам известны?