Учебники 80376

ким образом, предел длительной прочности характеризует способность материала противостоять разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения.

4.11. Испытания на релаксацию напряжений

Релаксацией называют самопроизвольное уменьшение напряжений в материале при неизменном значении величины его общей деформации. Это вызвано переходом упругой деформации в пластическую.

При испытаниях на релаксацию оценивают уменьшение макронапряжений во всем образце. Типичным примером детали, работающей в условиях релаксации напряжений, является болт фланцевого соединения. Плотность этого соединения определяется усилием натяга болта, который создается вследствие упругой деформации болта. С течением времени натяг болта (уровень напряжений) ослабевает, так как часть упругой деформации переходит в пластическую.

Испытания на релаксацию проводят по схемам растяжения, изгиба и кручения.

Широкое распространение получил метод И. А. Одинга, где релаксация оценивается на кольцевых образцах, расчетная часть которых ВЛВ (рис. 4.30) имеет равное сопротивление изгибу. Напряжение в образце создается установкой клина К в прорезь СС. Утолщенные части образца ВС и ВС в релаксации не участвуют. Они только передают усилие от клина к расчетной части кольца. Величина создаваемых там напряжений определяется толщиной клина t. Она больше ширины прорези, поэтому общая начальная деформация eo=t-а, а начальное напряжение в наружных волокнах расчетной части o=Eae0, где Е - модуль нормальной упругости; А – коэффициент, связанный с перемещением утолщенных концов кольца в процессе деформации, равный 0,000583 мм.

202

этого условия плоскость испытуемой поверхности образца должна быть строго параллельна опорной поверхности. Неплоские образцы крепят на специальных опорных столиках, входящих в комплект твердомеров.

Определяя твердость всеми методами (кроме микротвердости), измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих. Поэтому получающийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть по размеру значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих (диаметр или длина диагонали отпечатков при измерении твердости меняется от 0,1-0,2 до нескольких миллиметров). Неизбежные различия в структуре разных участков образца приводят к разбросу значений твердости, который тем больше, чем меньше размер отпечатка.

4.12.1. Твердость по Бринеллю

При стандартном измерении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуемый образец под приложенной определенное время нагрузкой Р; после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка.

Диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопротивление материала образца деформации, производимой индентором. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение нагрузки Р, действующей на шаровой индентор диаметром D, к площади F шаровой поверхности отпечатка:

При определении твердости по Бринеллю шариком с D = 10 мм под нагрузкой Р = 30 кН и времени выдержки = 10 с число твердости записывают так: НВ 400, НВ 250, или НВ = 30000 МПа. При использовании других условий испытания

205

индекс НВ дополняют цифрами, указывающими диаметр использованного шарика, мм, нагрузку, кгс, и продолжительность выдержки, с. Например, НВ 5/750/30-350 - это число твердости по Бринеллю (350), полученное при вдавливании шарика с D = 5 мм нагрузкой P = 750 кгс (7500 Н) в течение

= 30 с.

Твердость по Бринеллю определяют при помощи шарового индентора диаметром 2,5; 5 или 10 мм. Инденторы изготавливают из стали с твердостью не менее 8500 МПа. Методом Бринелля можно испытывать материалы с твердостью от НВ 8 до НВ 450. При большей твердости образца шарик-индентор остаточно деформируется на величину, превышающую стандартизованный допуск.

Из формулы (4.18) следует, что для получения одинаковых значений НВ одного и того же образца при использовании шариков разного диаметра необходимо постоянство отношений P/D2 и d/D (условие геометрического подобия отпечатков при использовании шарового индентора). Но на практике такого постоянства добиться невозможно. Отношение d/D поддерживают в пределах 0,2—0,6. Для получения отпечатка оптимальных размеров необходимо правильно подобрать соотношение между нагрузкой и диаметром шарика. Рекомендуемые нагрузки и диаметры шариков для определения НВ различных металлических материалов приведены в табл. 4.2.

Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей 10 с, для цветных металлов и сплавов 30 (при P/D2 = 10 и 30) или 60 с (при P/D2 = 2,5). Зная заданные при испытании Р и D и измерив d, находят число твердости НВ по стандартным таблицам.

Для многих металлов и сплавов между НВ и B существует линейная связь: B = x НВ. В табл. 4.3 приведены значения коэффициента х для различных материалов. Там же приведено значение d/D и средняя степень деформации в лунке вд, соответствующая этому отношению, а также величина равномер-

206

< 0,33, а если вд < равн, тo x > 0,33. Коэффициент пропорциональности х тем больше, чем меньше степень равно-

мерной деформации. Он зависит также от упругих констант материала. Величина х для большинства деформируемых алюминиевых сплавов примерно постоянна и близка к 0,25, для сталей x 0,35, для меди ~ 0,48 и т. д.

Таблица 4.3

У малопластичных металлов и сплавов корреляция НВ и в может отсутствовать: высокая твердость часто сочетается с низким пределом прочности. Это вполне естественно, если учесть совершенно разный физический смысл этих характеристик для хрупких материалов. Предел прочности таких материалов близок к истинному сопротивлению разрушению, а НВ остается критерием сопротивляемости значительной пластической деформации в условиях более мягкой схемы напряженного состояния.

208

4.12.2. Твердость по Виккерсу

Этот метод второй по распространенности после метода Бринелля. При стандартном измерении твердости по Виккерсу в поверхность образца вдавливают алмазный индентор в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136°. После удаления нагрузки Р = 10 - 1000 Н, действовавшей определенное время (10 – 15 с), измеряют диагональ отпечатка d, оставшегося на поверхности образца. Число твердости HV (записываемое по ГОСТу без единиц измерения, например 230 HV) определяют делением нагрузки в килограммах на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка

F = (d2/2) (1/sin /2), мм2:

Если число твердости выражают в МПа, то после него указывают единицу измерения (например, HV = 3200 МПа).

Измерив диагональ d восстановленного отпечатка и зная использованную нагрузку Р, можно найти число твердости по специальным таблицам, составленным с использованием фор-

мулы (4.19).

Относительно небольшие нагрузки и малая глубина вдавливания индентора обусловливают необходимость более тщательной подготовки поверхности, чем при измерении твердости по Бринеллю. Образцы для замера твердости HV, как правило, отполированы, и их поверхность свободна от наклепа.

Обычно d<l мм, т. е. размеры отпечатка при определении твердости по Виккерсу, как правило, значительно меньше, чем в методе Бринелля. При грубой структуре образца это может вызвать больший разброс значений HV в разных точках образца по сравнению с разбросом НВ. Для получения достоверных средних значений HV приходится делать на каждом образце не менее пяти - десяти замеров.

209

Физический смысл числа твердости по Виккерсу аналогичен НВ, величина HV тоже является усредненным условным напряжением в зоне контакта индентор - образец и характеризует обычно сопротивление материала значительной пластической деформации.

Числа HV и НВ близки по абсолютной величине. Это обусловлено равенством угла при вершине пирамиды углу между касательными к шарику для случая «идеального» отпечатка с d=0,375 D. Однако HB HV только до 400 - 450 HV. Выше этих значений метод Бринелля дает искаженные результаты из-за остаточной деформации стального шарика. Алмазная же пирамида в методе Виккерса позволяет определять твердость практически любых металлических материалов. Еще более важное преимущество этого метода – геометрическое подобие отпечатков при любых нагрузках. Поэтому возможно строгое количественное сопоставление чисел твердости HV любых материалов, испытанных при различных нагрузках.

4.12.3. Твердость по Роквеллу

При измерении твердости по Роквеллу индентор - алмазный конус с углом при вершине 120° и радиусом закругления 0,2 мм или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (1/18 дюйма) - вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Ро и общей P = P0 + P1, где Р1 — основная нагрузка. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой.

испытания. Это обеспечивает повышенную точность испытания, так как исключает влияние вибраций и тонкого поверхностного слоя. Под нагрузкой Р0 индентор погружается в обра-

210