Материаловедение и технология конструкционных материалов

подвижная, с которой совмещается левый угол отпечатка. Микро­ метрическим винтом подвижную шторку перемещают до сопри­ косновения с правым углом отпечатка. Перемещение подвижной шторки вызывает вращение цифровой ленты указателя. Цифра, которая соответствует положению подвижной шторки, когда она соприкасается с углом отпечатка, и будет величиной длины отпе­ чатка. Подготовку нагружающего механизма для нового испы­ тания производят нажатием рукоятки взвода 6.

В результате испытаний на поверхности образца получают от­ печаток в виде ромба. Для получения значения твердости изме­ ряют обе диагонали ромба и вычисляют их среднее значение.

Твердость по Виккерсу (HV), так же как и по Бринеллю, оп­ ределяется как удельное давление, приходящееся на единицу поверхности отпечатка, т.е. как отношение нагрузки Р (Н), при­ ложенной к пирамиде, к поверхности отпечатка F (мм2):

гдеР — нагрузка на пирамиду: 49, 98, 196, 294, 490, 981, 1177 Н (5, 10, 20, 30, 50, 100, 120 кгс); ос = 136° — угол между противо­ положными гранями пирамиды; d — среднее арифметическое длины двух диагоналей отпечатка, измеренных после снятия на­ грузки, мм.

Соотношение диагоналей получающегося отпечатка при изме­ нении нагрузки остается постоянным, что позволяет в широких пределах увеличивать или уменьшать нагрузку в зависимости от целей испытаний.

Величину нагрузки выбирают в зависимости от размеров де­ тали и твердости материалов. Чем больше нагрузка, тем глубже проникает индентор в испытуемый материал, поэтому чем тонь­ ше материал, тем меньше должна быть нагрузка.

Твердость по Виккерсу определяется по заранее составлен­ ным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка). Числа твердости по Виккерсу и Бринеллю имеют одинаковую размерность Н /м2 (кгс/мм2) и для материалов с твердостью до 400 НВ практически совпадают. Вместе с тем измерения пирами­ дой дают более точные значения твердости для высокотвердых

материалов, так как алмазная пирамида имеет большой угол при вершине и диагональ ее отпечатка примерно в семь раз больше глубины отпечатка, что повышает точность измерения даже при проникновении индентора на небольшую глубину.

Определение твердости твердомером ТВ сложнее других спо­ собов, однако имеет преимущества: позволяет измерять твердость как мягких, так и твердых материалов, а также очень тонких деталей (до 0,3...0,5 мм) и поверхностных слоев (0,03...0,005 мм) цементированных, азотированных, платинированных изделий;

1.3.3. Определение ударной вязкости

Механические свойства образцов, определенные в результате медленного повышения нагрузки, часто не соответствуют дейст­ вительным условиям нагружения деталей в ходе эксплуатации, когда нагрузка возрастает очень быстро. Это привело к необхо­ димости исследовать свойства металла при быстровозрастаклцих нагрузках, так называемых динамических, или ударных.

Если детали машин, механизмов, конструкции и т.п. в про­ цессе эксплуатации испытывают ударные нагрузки, то металл, идущий на их изготовление, кроме статических испытаний под­ вергают еще испытанию динамической нагрузкой, так как неко­ торые металлы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются от малых ударных нагрузок.

Из динамических испытаний (растяжение, сжатие, кручение, изгиб) в практике наиболее распространенным являются испы­ тания на ударный изгиб. Они выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод (ГОСТ 9454-78) основан на раз­ рушении образца с концентратором (надрезом) посередине од­ ним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работа удара), или ударную вязкость.

Ударная вязкость — это работа удара, отнесенная к началь­ ной площади поперечного сечения образца в месте концентрато­ ра. Для определения ударной вязкости при изгибе используют призматические образцы пяти типов (рис. 1.10). В качестве ос­ новного рекомендуется образец I типа: в виде бруска размером 10 х 10 х 55 мм с надрезом посередине, сделанным шлифовальным кругом толщиной 2 мм и радиусом закругления 1 мм.

максимальную энергию удара маятника, глубину концентрато­ ра и ширину образца. Цифры не указываются при определении работы удара на копре с максимальной энергией удара маятника 300 Дж (30 кгс • м) при глубине 2 мм для концентратора видов U и V и 3 мм для концентратора вида Т и ширине образца 10 мм.

Ударная вязкость — способность металлов оказывать сопро­ тивление действию ударных нагрузок — характеризуется отно­ сительной, или удельной, вязкостью.

Ударная вязкость обозначается символом КС, третья буква — вид концентратора. Первая цифра обозначает максимальную энер­ гию удара маятника, вторая — глубину концентратора, третья — ширину образца. Например, KCU (KCV) — ударная вязкость, определенная на образцах с концентратором вида U (V) при ком­ натной температуре, максимальная энергия удара маятника 300 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 10 мм. Для обозначения ударной вязкости, определенной при понижен­ ной или повышенной температуре, вводится цифровой индекс, указывающий температуру испытания. Например, KV 40 50/2/2 — работа удара, определенная на образце с концентратором вида V при температуре -40 °С, максимальная энергия удара 50 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 2 мм; КСТ+10° 150/3/7,5 — ударная вязкость, определенная на образце с кон­ центратором вида Т при температуре 100 °С, максимальная энергия удара 150 Дж, глубина концентратора 3 мм, ширина образца 7,5 мм.

Ударную вязкость КС (Дж/см2, кгс • м/см2) вычисляют по фор­ муле

КС = К /S 0,

где S0— начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см2 (S0 = Н гВ, где Н г — начальная высота рабочей части образца, см; В — начальная ширина образца, см).

Выбор вида концентратора осуществляется в зависимости от требований к изделию: U — при обычных испытаниях металлов и сплавов; V — для конструкций повышенной степени надежно­ сти (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды давления); Т — для особо ответственных конструкций.

Для определения вязкости хрупких материалов (инструмен­ тальных сталей с твердостью более 50 HRC) применяют гладкие образцы, а ударная вязкость обозначается КС.

Д л я испытания материалов на ударный изгиб широкое рас­ пространение получили маятниковые копры. На рис. 1.11 пока­ зана принципиальная схема копра МК-15. Цифра в маркировке копра показывает максимальную работу удара в кгс • м, которую может совершить копер при испытании образцов.

Рис. 1.11. Маятниковый копер МК-15 для испытания на ударный сгиб

Копер состоит из чугунной станины в виде массивной пли­ ты 2 с двумя вертикальными колоннами 3. В верхней части колонн на горизонтальной оси подвешен укрепленный в шарикоподшип­ никах маятник 4 с грузом в виде стального плоского диска 5 с вырезом, в котором закреплен стальной закаленный нож, слу­ жащий бойком при испытании. Внизу на уровне вертикально висящего маятника к колонам станины прикреплены две сталь­ ные закаленные опоры 10, на которые помещают испытываемый образец 11. Под опорами между колоннами проходит тормозной ремень 12, который, прижимаясь к маятнику, качающемуся после удара, вызывает его торможение. Тормозной ремень при­

водится в действие вручную специальной рукояткой 1 или авто­ матически. Перед испытанием маятник поднимают на исходную высоту и удерживают его в этом положении защелкой 6.

При испытании образца маятник освобождается от защелки, падая, ударяет образец, разрушает его и взлетает на некоторый угол, которым и определяется работа, затраченная на разруше­ ние образца. Определение угла взлета маятника в копре МК-15 производится следующим образом. Стрелка 8, насаженная на ось маятника, свободно, но с некоторым трением в момент удара упирается в упор 7 у нулевого деления шкалы 9. При взлете маят­ ника стрелка остается неподвижной, а при обратном движении, маятника, двигаясь, вследствие трения, вместе с маятником, по­ казывает угол взлета маятника в градусах.

Маятниковые копры изготавливают с максимальной энерги­ ей удара маятника 4,9 (0,5); 9,8 (1,0); 49,0 (5,0); 98,0 (10,0); 147 (15,0); 294,0 (30,0) Дж (кГс ■м).

1.3.4. Испытания на усталость

Усталость металла — это процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к уменьшению долговечности, обра­ зованию трещин и разрушению. При этом разрушение наступает без заметных признаков пластической деформации и происхо­ дит при напряжениях, меньших не только предела прочности и текучести, но и предела упругости. Усталостное разрушение необходимо учитывать в связи с применением в технике сильно нагруженных и быстроходных машин.

Разрушению предшествует появление и развитие характер­ ных микротрещин, которое связано с особенностями структуры металла.

При многократном действии переменных нагрузок в местах, где имеется резкое повышение напряжений вследствие наличия отверстий, выточек, выкружек, пустот, включений, трещин и т.д., происходят внезапные изломы усталостного разрушения. Место появления излома обычно совпадает с зоной концентрации на­ пряжений, вызванной резким изменением поперечного сечения. Таким образом, при усталости пластическая деформация прояв­ ляется в определенных слабых местах металла, т.е. носит изби­ рательный характер и этим отличается от обычной деформации.

Местом образования и развития излома усталости является наружная зона детали. Здесь в результате действия переменных нагрузок и концентрации напряжений (от структурных или по­ верхностных нарушений) появляются микроскопические трещи­ ны. В течение длительного действия переменных нагрузок они развиваются в макроскопическую трещину. Вследствие взаимно­ го смещения поверхностей, ограничивающих макроскопиче­ скую трещину, и трения между ними шероховатости исчезают и возникает гладкая притертая зона излома с мелкозернистой фарфоровидной поверхностью — зона усталости.

Свойство материала сопротивляться усталости называется выносливостью. Выносливость возрастает по мере снижения на­ пряжения, что видно из кривой усталости (рис. 1.12), которая по­ казывает, какое число циклов перемен нагрузки N выдерживает материал до разрушения. Анализ кривой усталости показывает, что чем меньше напряжение, тем больше число нагружений выдер­ живает металл до разрушения. Существует максимальное напря­ жение, ниже которого металл не разрушается от усталости после заданного числа перемен нагрузок (циклов) — предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости. На эту величину влия­ ет и характер самого цикла, так как нагрузки могут быть знако­ переменными (растяжение —сжатие) или без изменения знака. Соответственно цикл может быть симметричным, если напря­ жения противоположны по знаку и равны, и асимметричным,

а, МПа (кгс/мм2)

в

7

ь

Число циклов

Рис. 1.12. Кривая усталости

если напряжения не одинаковы по величине. Для сталей такое число циклов условно принято 10 млн, а для цветных металлов и сплавов — 20... 100 млн. Исследования показали, что если ме­ талл выдержал указанное число циклов без разрушения, то он выдержит такое же напряжение и при значительно большем числе перемен нагрузок.

Выносливость металлов и сплавов зависит от их природы, харак­ тера обработки, состояния поверхности, условий эксплуатации и т.п. Испытания на усталость производят как для пластичных, так и для малопластичных и хрупких материалов (ГОСТ 2860-65).

Предел выносливости чаще всего определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) в условиях знакопеременного (симметричного) цикла (omax = omill), т.е, с приложением изги­ бающей нагрузки, вызывающей знакопеременные напряжения, (растяжение — сжатие); при этом число циклов знакоперемен­ ных нагружений может быть установлено достаточно большим. Испытания на усталость могут быть длительные и ускоренные. Длительные испытания производятся на круглых образцах.

Схема испытания на машинах, работающих по методу кон­ сольного изгиба, показана На рис. 1.13. Один конец образца 2 зажимается во вращающемся шпинделе 1 машины, а на другой конец надевается подшипник 3, к которому подвешивается груз Р. При вращении образец подвергается повторно-переменному на­ гружению. При каждом обороте изменение значения напря­ жения совершит полный цикл от атах через нуль к amin. В этом случае изгибающие моменты распределяются по закону тре­ угольника.

Время

Рис. 1.13. Схема машины для испытаний на усталость (а)

и изменение напряжений за один оборот образца (б)

При заданной нагрузке испытание продолжается до разру­ шения образца, а результатом является число выдержанных циклов. После разрушения образца его заменяют другим и умень­ шают или увеличивают груз. Испытания повторяют несколько раз, каждый раз определяя число циклов, доводящее образец до разрушения. Для определения предела выносливости испыты­ вают серию (не менее шести) одинаковых образцов, изготовлен­ ных из одного материала. Испытания заканчиваются построением диаграммы кривой усталости в координатах напряжение о — число циклов N в пропорциональном или логарифмическом масштабах.

Кривая вначале быстро падает, а потом приближается к пря­ мой, параллельной горизонтальной оси (см. рис. 1.12). Горизон­ тальный участок, т.е. максимальное напряжение, не вызывающее разрушения при бесконечно большом числе перемен нагрузки, соответствует пределу выносливости.

Пределы выносливости выражают в номинальных напряже­ ниях и обозначают ая (МПа, кгс/мм2). Предел выносливости оп­ ределяют по формуле

Сд - Pl/(Rd3),

где Р — вес груза, Н (кгс); I — длина образца, м (мм); R — коэф­ фициент асимметрии цикла; d — диаметр образца, м (мм).

Следовательно, при напряжениях меньше ал материал, не раз­ рушаясь, выдерживает большое число циклов. Предел выносли­ вости обычно считают достигнутым при числе циклов N = 5 ■106, если испытания проводились при комнатной температуре.

1.3.5. Испытания на ползучесть

Сопротивление упругой и пластической деформациям зависит от скорости и времени деформации. Длительное статическое нагружение оказывает значительное влияние на механические свойства металлов: длительно действующие нагрузки даже ниже предела упругости вызывают в металле пластические деформации.

Ползучесть (крип) — это медленное нарастание во времени пластической деформации материала при силовых воздействиях, меньших тех, которые могут вызвать остаточную деформацию

при испытаниях обычной длительности. Ползучесть сопровож­ дается релаксацией напряжений, т.е. постепенным изменением напряжений в теле при постоянной его деформации.

Ползучестью обладают практически все конструкционные материалы. Для сталей и чугунов ползучесть существенна лишь при повышенных температурах (свыше 300 °С) и протекает тем интенсивнее, чем выше температура. Для металлов с низкой тем­ пературой плавления (свинец, алюминий), бетона, дерева, рези­ ны, пластмассы она заметна и при комнатных температурах.

Процесс ползучести сопровождается двумя взаимно противо­ положными явлениями: упрочнением и разупрочнением. Упроч­ нение (наклеп) возникает в результате пластической деформации, а разупрочнение — рекристаллизации (образования кристалли­ ческих зерен с более совершенной структурой), которая протека­ ет при горячей деформации. Из-за рекристаллизации снижаются прочность и твердость металла и увеличивается его пластичность.

Испытания на ползучесть при растяжении заключаются в том, что испытываемый образец в течение длительного времени под­ вергается воздействию постоянного растягивающего усилия и по­ стоянной температуры. При этом все время фиксируется дефор­ мация образца.

В результате испытания определяют предел ползучести ма­ териала, т:е. то наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток вре­ мени не превышает заданной величины.

Для испытаний применяют цилиндрические образцы диа­ метром 10 мм и расчетной длиной 100 мм (нормальный образец) и 200 мм (удлиненный образец), а также плоские образцы шири­ ной 15 мм и расчетной длиной 100 мм. Толщина образца опреде­ ляется толщиной листа, из которого он вырезан. Допускается применение образцов другой формы и размеров.

Предел ползучести определяют при допусках на удлинение в пределах 0,1...1,0 % при длительности испытания 100, 300, 500, 1000 ч, если по техническим условиям не требуются другие длительность или допуск на деформацию. Если предел ползуче­ сти определяется по скорости ползучести, то продолжительность испытания должна быть не менее 2000...3000 ч при условии про­ должительности прямолинейного участка кривой ползучести не менее 500 ч.