2. Методика дослідження

2.1. Металографічні дослідження.

Металографічні дослідження проводили на мікроскопі ММР-2Р. зразки готували з фрагментів кузовів вагонів розміром від 2.2 – до 8.8 мм. Після цього зразки вставляли в оправки і заливали їх епоксидною смолою. Затвердіння зразків протягом 48 годин. Після цього зразки шліфували на абразивних шкурках з різною зернистістю також провели полірування алмазними пастами розмірів 60/40 і 5/3 на паперовому крузі.

Досліджували зразки після полірування а також після травлення 4% розчином азотної кислоти в спирті.

2.2. Вимірювання твердості за Брінелем та Роквелом.

Метод полягає у втисканні на твердомірах у поверхню виробу (зразка) протягом певного часу під дією заданного навантаження P сферичного наконечника й вимірювання діаметра d відтиска після розвантаження (рис. 1). Застосовуються наконечники (індентори) у формі кульок різних діаметрів D (мм): 1; 2; 2,5; 5; 10. Для матеріалів, твердість яких не перевищує 450 одиниць, використовуються сталеві загартовані кульки. Твердість у цьому випадку позначається HB. Для твердіших матеріалів (твердістю до 650 одиниць) використовуються кульки з твердого сплаву, а твердість позначається HBW.

Твердість визначається як відношення зусилля втискання індентора в матеріал до площі поверхні відтиску (рис.1):

(1)

де Р – навантаження на індентор, Н; F – площа поверхні сферичного сегмента відтиска після розвантаження, мм²; D – діаметр кульки індентора, мм; h і d – відповідно глибина і діаметр відтиска після розвантаження, мм.

Д

Рис 2.1 — Схема визначення твердості за методом Брінелля (після припинення дії прикладеного навантаження )

іаметр відтиску вимірюється за допомогою відлікового мікроскопа в двох взаємно перпендикулярних напрямках з визначенням середнього арифметичного значення, за яким знаходять твердість. Значення твердості можна розрахувати за формулою (1) або визначити з таблиць, у яких для окреслених значень P і D заздалегідь обчислені значення НВ = f(d).

Щоб отримувати однакові значення твердості матеріалу при різних умовах вимірювання (D, Р), необхідно, щоб між діаметром відтиску й діаметром сферичного індентора зберігалося співвідношення: 0,25 D < d < 0,6 D і забезпечувалася геометрична подібність відтисків ( = const) вибором навантаження P за такою залежністю:

, (2)

де K – постійна величина, значення якої вибирають залежно від твердості матеріалу.

Твердість за Брінеллем, що визначається при стандартних умовах вимірювання (D=10мм, Р = 29400 H, тривалість витримування під навантаженням від 10 до 15 с), позначається цифрами, що характеризують величину твердості, та літерами НВ, наприклад, 65 НВ. При інших умовах вимірювання після букв НВ потрібно послідовно вказувати діаметр кульки, навантаження та тривалість витримки під навантаженням, наприклад, 280 НВ 5/750/20.

Найменша товщина зразка s повинна бути більшою від 10–разової глибини відтиска h, відстань між центрами двох сусідніх відтисків – не меншою від 4d, а відстань від центра відтиску до краю зразка — не меншою від 2,5d; для м’яких металів (<35НВ) ці відстані повинні бути менші відповідно від 6d i 3d.

За методом Роквелла критерієм твердості є глибина відтиска індентора, яка під час випробування визначається автоматично на твердомірах типу ТР (подібної будови, що і твердоміри ТБ). Значення твердості відчитується зі шкали такого твердоміра.

При вимірюваннях використовуються стандартні наконечники двох типів:

– алмазний конус з кутом при вершині 120°;

– відполірована кулька діаметром 1,5875 мм (1/16") із загартованої сталі.

Загальне навантаження Р на індентор прикладають у такій послідовності (рис. 3):

• наконечник втискується в матеріал під дією початкового навантаження Р₀ на глибину h_о, з якої буде здійснюватися відлік твердості, щоб усунути вплив шорсткості поверхні, неоднорідності хімічного складу та структурного стану поверхневого шару й вібрацій твердоміра;

– опісля плавно протягом 2 – 8 с прикладається основне навантаження до свого номінального значення Р₁;

– наконечник певний час втискується в матеріал під дією загального навантаження (Р=Р₀+Р₁) на глибину h_o+h₁. Тривалість витримки під загальним навантаженням залежить від повзучості матеріалу і складає 2 с для матеріалів з незалежною та 5 – 8 с для матеріалів з залежною від часу пластичною деформацією;

–

а б

а – алмазний конус; б – сталева кулька

Рис 2.2 — Схеми вимірювання твердості за методом Роквелла

після витримки знімається основне навантаження й наконечник, продовжуючи перебувати під дією початкового навантаження Р₀, витісняється матеріалом у положення, що характеризується величиною заглиблення h_o+ h₁ – h₂.

Різниця h₁ – h₂, що характеризує твердість, визначається за допомогою індикатора годинникового типу. На циферблаті індикатора є три шкали, що мають 100 спільних поділок: суміщені ідентичні шкали А і С, позначені чорними цифрами, та зміщена відносно цих шкал на 30 поділок шкала В, позначена червоними цифрами[52]. Ціна поділки c шкали відповідає заглибленню індентора на 0,002 мм, а повний оберт стрілки — на 0,2 мм.

Значення твердості за методом Роквелла визначається різницею параметрів K i e, виражених через кількість поділок шкали:

НR = K – е, (3)

де K = 0,2мм/0,002мм = 100 поділок шкали при визначенні твердості алмазним наконечником за шкалами А і С і K = 0,26мм/0,002мм = 130 поділок при визначенні твердості сталевою кулькою за шкалою В, e = (h₁ – h₂)/0,002 (рис. 3).

Отже, твердість за Роквеллом подається в умовних одиницях (міра одиниці — 0,002 мм) за відповідною шкалою індикатора твердоміра, наприклад, 58 НRC.

Умови застосування методу та режими вимірювання твердості наведені в табл. 3. При визначенні твердості HRB м'яких та середньої твердості матеріалів (<450 НВ) застосовується сталева кулька. Враховуючи можливість проникнення наконечника в м'який матеріал під дією загального навантаження на глибину більшу, ніж 0,2 мм, шкалу В зміщують відносно шкал А і С на 30 поділок, розширюючи межі відліку в ній до 130 поділок (рис. 3, б). Верхня межа вимірювання складає 100 HRB, бо при більшій твердості матеріалу внаслідок можливої деформації кульки та незначної глибини проникнення її в матеріал (0,06 мм) втрачається точність вимірювань. Нижня межа вимірювання — 25 HRB, оскільки в матеріалах з меншою твердістю значно збільшується час пластичної деформації та площа поверхні дотику кульки з матеріалом, що вносить похибку у вимірювання.

2.3. Вимірювання пошкоджуваності.

Надійність деталей машин і конструкцій великою мірою визначається опором матеріалів поширенню тріщин. Кількісна оцінка тріщиностійкості ґрунтуються на визначені напруження К_1C поблизу вершини тріщини в момент нестабільного поширення. Значення К_1С залежить від ступеня пластичної деформації у вершині тріщин (її затуплення ) і характеризує опір розвитку в’язкі тріщині. Тому коефіцієнт інтенсивності напружень К_1С називають в’язкістю руйнування. Чим він більший, тим вище опір матеріалу в’язкому руйнуванню і його надійність. Крім якісної характеристики надійності, К_1С доповнює параметри HB, б0,2 і Е у розрахунках на міцність деталей. Використання цього критерію дає змогу визначити безпечний розмір тріщин за відомого робочого напруження, або безпечне напруження, якщо відомий розмір дефекту.

Характеристики в’язкості руйнування отриманні для одних і тих самих матеріалів під час випробувань зразків різних розмірів і різної форми можуть суттєво відрізнятися особливо для пластичних сплавів, і тому розрахунок граничного стану деталей за характеристиками, що визначені на лабораторних зразках не завжди є обґрунтованими. Все це примушує до пошуків інших критеріїв руйнування матеріалів з тріщинами, які були би інваріантними до умов випробувань.

Щоб оцінити несучу здатності матеріалу, широко використовують показники в’язкості руйнування, які відомі з вимірів фізичних параметрів тріщини: довжини, переміщення берегів у середній частині й у вершині тріщини, кута розкриття, а також швидкості збільшення тріщини, розміру пластичної зони біля вершини тріщини. Стандартні методи визначення показників в’язкості руйнування доволі складні й під час пружно-пластичного поводження матеріалу із тріщиною не є ефективні. Їхнє використання для оцінювання несучої здатності пластичного листового матеріалу, може призвести до звичайного зниження у несучій здатності. Це зумовлено, насамперед, розходженням схем навантаженням, при визначенні параметрів в’язкості руйнування тонкої пластини й компактного зразка.

Оскільки в’язкість руйнування чутлива до структурного стану матеріалу, зокрема до однорідності структури, то для оцінювання несучої здатності матеріалу як параметр, що контролює розвиток тріщини, можна прийняти стан пошкоджень матеріалу на ділянці вершини тріщини, який досягається до моменту її старту. Проте, методи визначення запропонованих параметрів оцінки стану пошкоджень не мають достатньо чіткого визначення. Крім того, слід врахувати той факт, що конкретним зразкам конструкційних матеріалів, а також виготовлених з них виробам властива індивідуальність характеристик міцності і пружності. Розкид їхніх значень для різних зразків, виготовлених з одного і того самого матеріалу, зумовлений статистичною природою міцності твердих тіл, відмінністю структур зовні однакових зразків. Невизначеність реальних механічних характеристик матеріалу і невизначеність деяких зовнішніх навантажень, що діють на технічний об’єкт, приводять до погрішностей розрахунків щодо працездатності проектованих конструкцій і вживання відповідних заходів безпеки. За таку міру використання приймають пониження в n разів щодо небезпечного напруження матеріалу (межі міцності, межі текучості, межі витривалості або межі пропорційності) величини напруження, що максимально допускається, і яка використовується в умові міцності, що зумовлює збільшення матеріаломіцності виробів.

Під дією навантаження матеріал на ділянці вершин тріщини пошкоджується й, досягнувши граничного рівня накопичених пошкоджень, тріщина стартує, ‘‘ впроваджується ’’ у цей ушкоджений матеріал. Для пластичного матеріалу процес його пошкодження на ділянці вершини тріщини проявляться у вигляді візуального спостереження “ утягнення ” матеріалу по лінії поширення тріщини. Стан пошкодження матеріалу в межах шийки зразка, підданому одноосьовому розтягу, подібний до моменту її старту. Цей факт було встановлено під час дослідження пористості матеріалу на ділянці вершини тріщини й на зламі в шийки зразка. Виявлена адекватність станів матеріалу в зоні вершини тріщини й у шийці одновісного розтягнутого зразка спричиняє можливість проведення оцінки несучої здатності пластини без залучення критеріїв в’язкості руйнування. Непрямим підтвердженням висловлених міркувань є взаємозв’язок характеру розподілу напружень у вершини тріщини із процесами нагромадження пошкоджень за простого розтягу зразка матеріалу

Розрахунок пошкоджуваності проводили в наступні послідовності: