2. Испытание стойкости материалов

Общие требования при испытании стойкости материалов. Испытание стойкости материалов, т.е. их сопротивляемости разрушению, износу, коррозии, кавитации и другим процессам, является исходным для суждения о надежности тех изделий, где эти процессы игра­ют основную роль в потере работоспособности. В результате этих испытаний должны быть получены данные о скорости протекания процессов при действии различных факторов или о критических зна­чениях параметров, при которых возникают нежелательные формы процесса разрушения. Основной целью испытаний стойкости мате­риала является установление зависимостей, связывающих характери­стики материала с воздействиями, приводящими к его разрушению. Наиболее ценной является аналитическая закономерность, связыва­ющая процесс разрушения материала с физическими константами. Однако такую зависимость, которая является достаточно универсаль­ной, часто трудно получить из-за сложности физико-химических процессов, и она, как правило, относится к категории физических законов. Практические цели испытаний обычно более узки и сводят­ся к получению данных о стойкости материала в заданном диапазо­не условий его работы. Эти данные могут быть выражены в виде ана­литических зависимостей, таблиц, графиков или в иной форме.

Общие требования , которые предъявляются к испытани­ям материалов на тот или иной вид разрушения, следующие:

• испытания должны проводиться в условиях, возможно ближе моде­лирующих условия эксплуатации материалов в конструкциях или машинах, и соответственно выбрать вид нагружения образцов, дей­ствующие нагрузки, скорости, температуры, условия смазки и др.;

• конструкция испытательной машины должна обеспечивать весь необходимый диапазон условий испытания;

• испытания (методы, испытательные машины, образцы) долж­ны быть стандартными и обеспечивать сопоставимость ре­зультатов, проведенных различными исследователями;

• условия и метод испытания должны обеспечить получение ха­рактеристик, оценивающих работоспособность материала и данных условиях с наименьшим влиянием конструктивных особенностей образцов. Это позволит использовать данные испытания для оценки надежности различных деталей, учетом особенности их конструктивных форм;

• длительность испытания связана как с характером протекания процесса (например, наличием периодов с различной

физикой процесса), так и с точностью измерения хода процес­са. Чем выше точность методов оценки степени повреждения, тем может быть больше сокращена длительность испытаний; • при одновременном испытании нескольких образцов могут применяться различные планы испытаний, которые определя­ют условия проведения и критерии прекращения испытания. В основу разработки методики и порядка испытания стойко­сти материала должен быть положен соответствующий физичес­кий закон, в общей форме описывающий данный процесс—-уп­ругой и пластической деформации материала, изнашивания, ус­талостного разрушения и др. Испытания должны определить параметры данного закона для выбранных условий и материа­лов или те характеристики процесса старения, которые необхо­димы для оценки надежности изделий, выполненных из исследо­ванных материалов и работающих в аналогичных условиях.

Исследовательские и контрольные испытания стойкости матери­алов. При испытании стойкости материалов могут протекать раз­личные по своей природе процессы. Поэтому разработка методов контрольных испытаний, необходимых для оценки степени пригод­ности данного материала из условия надежности, проводится на основе исследовательских испытаний по выявлению основных за­кономерностей процесса. Например, при оценке износостойкости материала необходимо не только определить скорость изнашива­ния и класс износостойкости, но и убедиться, что физическая сущ­ность процесса и вид износа соответствуют принятой концепции. Для проведения исследовательских испытаний на износ необходи­мо иметь как испытательный стенд и приборы для измерения вели­чины и интенсивности износа (что достаточно для контрольных испытаний), так и аппаратуру для исследования физики процесса.

Исследовательские испытания на износ включают обычно метал­лографические исследования тонких поверхностных слоев для оцен­ки структурных превращений под влиянием сил трения и тепла в зоне контакта. При этом применяются специальные приемы, напри­мер метод косого среза, для выявления переходных зон поверхно­стного слоя. Исследуется также микротвердость структурных со­ставляющих, механические характеристики материала, его теплофизические свойства, геометрия поверхностного слоя (шероховатость, волнистость), его напряженное состояние и другие характеристики.

Проведение контрольных испытаний материалов без предва­рительного комплекса исследовательских испытаний часто не дает желаемого результата, так как без понимания физических процессов, происходящих при работе деталей машин, нельзя сде­лать правильные выводы из формально проведенного испыта­ния. В специальной литературе имеются описания стендов и машин для испытания на трение и износ, усталостную прочность, контактную усталостную прочность, коррозионную стойкость и другие виды разрушения материалов.

ГОСТ 16504-74 предусматривает также классификацию испы­таний в зависимости от основного вида воздействий на данный образец или деталь. Различают механические, электрические, теп­ловые, гидравлические (пневматические), радиационные, электро­магнитные, магнитные, биологические, климатические и химичес­кие испытания. Такие испытания наиболее характерны для оцен­ки стойкости материалов, так как сложное изделие, как правило, подвергается нескольким видам воздействий.

Выбор режима нагружения. Поскольку сопротивление матери­ала различным воздействиям зависит от их вида и уровня, при ис­пытании стойкости материала необходимо выбрать режим нагру­жения образца, т.е. весь комплекс силовых, тепловых и иных воз­действий, влияющих на интенсивность данного процесса разруше­ния (старения). Материал изделий при работе машины в различ­ных эксплуатационных условиях подвергается, как правило, ши­рокому диапазону воздействий, что во многом определяет веро­ятностную природу протекания процесса разрушения или старе­ния и должно быть учтено при испытаниях. Обычно практику ин­тересует поведение материала в различных условиях работы с тем, чтобы оценить его стойкость и сделать прогноз о надежности изделия. Вместе с тем длительность испытания на надежность и большое число действующих факторов затрудняют получение оценок при всех возможных вариантах нагружения. Поэтому при испытании обычно применяют специально выбранные условия и режимы, которые позволят в наибольшей степени характеризо­вать стойкость изделия при эксплуатации. Возможны следую­щие варианты нагружений при оценке стойкости материалов.

1. Испытание проводится при постоянном режиме, который отражает либо типичные условия эксплуатации, либо наиболее интенсивные из допустимых воздействий.

2. Результаты испытаний позволят сделать выводы о возможно­стях материала, но не пригодны для оценки надежности изделий, для которых этот материал будет применяться, даже при высо­кой достоверности полученных данных.

3. Испытание проводится при нескольких типовых режимах, которые отражают наиболее распространенные случаи эксплуата­ции изделия. Хотя здесь информация более обширна, но она по­зволяет обычно судить лишь о возможном диапазоне применения материала и также недостаточна для расчета надежности изделия.

4. Испытания проводятся при различных сочетаниях основных факторов в диапазоне тех условий, которые характерны для рабо­ты материала при эксплуатации изделия. Объем испытаний должен быть таким, чтобы была выявлена закономерность процесса, его за­висимость от основных изменяемых параметров. Такие результа­ты, полученные при исследовательских испытаниях, хотя и весьма трудоемких, являются основой для последующего прогнозирова­ния надежности изделия. Трудоемкость испытаний может быть сни­жена, если раскрыта физическая картина процессов и если приме­няются методы планирования многофакторных экспериментов.

Таким образом, при планировании режимов нагружения для ис­пытания стойкости материалов оценивают больший или меньший ди­апазон условий работы образца и для каждого режима нагружения определяется соответствующий выходной параметр — величина по­нуждения или скорость процесса повреждения .

Хотя при большом числе вариантов нагружения и возможно получение закономерностей, учитывающих влияние основных факторов, этого может быть недостаточно для оценки надежности изделия, так как режимы работы изделия в условиях эксплу­атации неравномерны и подчиняются законам рассеивания.

Для непосредственного использования результатов испытаний при расчете надежности изделия должен быть получен закон распре-

деления скоростей процесса старения (изнашивания) для предпола­гаемых условий эксплуатации, для чего необходимо проведение спе­циальных испытаний, в которых сочетаются физические и статисти­ческие методы оценки скорости протекания процесса старения.