1.6.1. Механические свойства, определяемые при статических нагрузках
При статических испытаниях предусматривается медленное и плавное нарастание нагрузки, прилагаемой к испытуемому образцу. Наиболее распространены испытания на твердость и растяжение, дающие возможность определения нескольких важных показателей механических свойств.
Испытания на твердость. Под твердостью понимается способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого тела – идентора. В качестве идентора используется закаленный стальной шарик или алмазный наконечник в виде конуса или пирамиды. На практике наиболее часто используются четыре метода измерения твердости.
Твердость по Бринеллю. При этом методе в поверхность испытуемого образца вдавливается закаленный стальной шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм при нагрузке от 5000Н до 30000Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d (рис. 11, а). Диаметр лунки измеряется мерительной лупой, имеющей на окуляре шкалу с делениями.
Рис. 11. Схема определения твердости: а – по Бринеллю;
б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
Число твердости НВ определяется делением нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка.
где D – диаметр вдавливаемого шарика.
Число твердости по Бринеллю записывается без единиц измерения (ГОСТ 9012 – 59).
Способ измерения по Бринеллю используется для материалов малой и средней твердости: сталей с твердостью ≤ 450 НВ, цветных металлов с твердостью ≤ 200 НВ.
Твердость по Роквеллу. При этом методе измерения (ГОСТ 9023 – 59) нет необходимости измерять размеры отпечатка, так как число твердости отчитывается непосредственно по шкале твердомера (рис. 11, б). Число твердости зависит от глубины вдавливания идентора, в качестве которого используется алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм. Прибор Роквелла имеет три измерительные шкалы: А, В, С. Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указанием шкалы твердости, например: 65HRA, 45HRC, 80HRB.
Шкала А используется при нагрузке 600 Н, наконечник – алмазный конус. Она применяется для особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких (0,5…1 мм) слоев. Измеренная твердость обозначается НRA. Пределы измерений твердости по этой шкале 70…85.
Шкала В используется при нагрузке 1000 Н, наконечник – стальной шарик. По этой шкале определяется твердость сравнительно мягких материалов. Измеренная твердость обозначается HRB. Пределы измерения 25…100.
Шкала С используется при нагрузке 1500 Н, наконечник – алмазный конус. По этой шкале измеряется твердость, превышающая 450 НВ. Твердость обозначается индексом HRC. Пределы измерения 20…67.
Твердость по Виккерсу. При этом способе (ГОСТ 2999 – 75) в поверхность образца вдавливается четырехгранная пирамида с углом при вершине 136º. Отпечаток получается в виде квадрата (рис. 11, в), диагональ которого измеряется после нагрузки. Число твердости рассчитывается по формуле
где Р – нагрузка (10, 30, 50, 100, 200, 500 Н); d – диагональ квадрата отпечатка, мм.
Метод Виккерса применяется для материалов, имеющих большую твердость, а также для деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев.
Микротвердость. Этот способ предусматривает вдавливание в поверхность образца алмазной пирамиды с небольшими нагрузками (0,05…5 Н) и измерение диагонали отпечатка. Число твердости Н определяется по той же формуле, что и вычисление числа твердости по Виккерсу. Методом Виккерса оценивается твердость отдельных зерен, структурных составляющих, тонких слоев.
Испытания на растяжение. При растяжении стандартных образцов с площадью поперечного сечения F0 и длиной ℓ0 строится диаграмма растяжения в координатах нагрузка – удлинение образца (рис. 12), на которой выделяются три участка: упругой деформации до нагрузки Рупр, равномерной пластической деформации (от Рупр до Рmax) и сосредоточенной пластической деформации (от Рmax до Рк).
Прямолинейный участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Рпц. Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода.
На участке от Рпц до Рупр линейная зависимость между Р и Δℓ нарушается из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки.
Пластическое деформирование выше Рупр идет при возрастающей нагрузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Такое упрочнение называется наклепом, который увеличивается до разрыва образца, хотя нагрузка при этом уменьшается (рис. 12, а). Это объясняется появлением в испытуемом образце местного уменьшения площади поперечного сечения – шейки.
Рис. 12. Диаграмма растяжения пластичного металла (а) и диаграммы условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов
Истинное напряжение определяется делением действующей в данный момент нагрузки на площадь поперечного сечения образца. Однако на практике истинные напряжения не определяют а используют условные напряжения, считая, что F0 образца остается постоянным. Напряжения σупр, σт, σв (стандартные характеристики прочности) получаются делением Рупр, Рт и Рmax на F0 (см. рис. 12, б и в).
Пределом упругости σупр называется напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используются величины пластической деформации, равные 0,005; 0,02 и 0,05 %. Соответственно пределы упругости обозначаются σ0,005, σ0,02, σ0,05.
Предел текучести σт – это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки. Условным пределом текучести называется напряжение, при котором пластическая деформация достигает 0,2 %, σ0,2.
Временное сопротивление σв – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рmax, предшествующей разрушению образца,
Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ:
где ℓ0 и ℓк – начальная и конечная длина образца; F0 – начальная площадь поперечного сечения образца; Fк – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.
В качестве характеристики механических свойств качественных сталей часто используются отношения: σт/σв, σ0,2/σв.