Механические испытания

Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности. В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов.

Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.

Статическими называют испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействию постоянной силы или силы возрастающей очень медленно.

Динамическими называют такие испытания, при которых испытываемый металл подвергается воздействию удара или силы, возрастающей очень быстро.

Кроме того, существуют испытания на усталость, износ, ползучесть, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

Испытания на растяжение.Статическое испытание на растяжение - весьма распространенный способ механических испытаний. Для статических испытаний изготавливают круглые образцы или плоские образцы для листовых материалов (рис.20). Образцы состоят из рабочей части и головок, предназначенных для закрепления в захватах разрывной машины. Расчетная длинаl₀ берется несколько меньше рабочей длиныl₁. Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части круглого образца равен 20мм. Образцы других диаметров называют пропорциональными.

Рис.20. Образцы для статических испытаний металлов:

1 - круглый, 2 - плоский

Растягивающее усилие создает напряжение в испытуемом образце и вызывает его удлинение; когда напряжение превысит предел прочности, он разрывается.

На рис.21приведена диаграмма растяжения мягкой стали, построенная в системе прямоугольных координат. По оси ординат отложено усилиеР кГ, по оси абсцисс - деформация (абсолютное удлинение образца l мм). Эта диаграмма получается при постепенном увеличении растягивающего усилия вплоть до разрыва образца.

Рис.21. Диаграмма растяжения мягкой стали

Величина напряжения  в любой точке диаграммы может быть определена путем деления усилияР на площадь поперечного сечения образца.

На диаграмме можно отметить несколько характерных точек. Участок ОАявляется отрезком прямой и показывает, что до точкиА удлинение образца пропорционально усилию (нагрузке); каждому приращению нагрузки соответствует и одинаковое приращение деформации. Такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой являетсязаконом пропорциональности.

При дальнейшем нагружении образца наблюдается отклонение от закона пропорциональности: на диаграмме появляется криволинейный участок. До точки В деформации у образца упругие.

Точкой Сна диаграмме отмечено начало горизонтальной площадки, которая показывает, что образец удлиняется без увеличения нагрузки: металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без увеличения нагрузки продолжается деформация образца называетсяфизическим пределом текучести. Предел текучести_т определяется по формуле

кГмм²,

где Р_с - нагрузка в точкеС.

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали и для латуни некоторых марок. Высокоуглеродистые стали и другие металлы не имеют площадки текучести. Для таких металлов определяют условный предел текучести при остаточном удлинении 0.2%. Напряжение, при котором растягиваемый образец получает остаточное удлинение, равное 0.2% своей расчетной длины, называется условным пределом текучести и обозначается _0.2

кГмм².

Точка D показывает наибольшую наибольшую нагрузку, которую может выдержать образец. Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называетсяпределом прочности при растяжении (временным сопротивлением разрыву) и определяется по формуле

кГмм²,

где P_D - нагрузка в точкеD.

Для точки D удлинение l₃образца и сужение его поперечного сечения происходит равномерно по всей длине рабочей части. По достижении точкиD деформация образца сосредотачивается в месте наименьшего сопротивления и дальнейшее удлинениеl₄ протекает за счет образования шейки, по которой происходит разрыв образца при нагрузкеР_К.

При разрыве упругая деформация l_уп исчезает и абсолютное остаточное удлинение l_ост сложится из удлинения равномерного l₁ и удлинения местного l₂ , т.е.

l_ост = l₁ + l₂.

Для оценки пластичности металла важно знать относительное удлинение  и относительное сужение площади поперечного сечения  в процентах.

Относительное удлинение (в %) определяется по формуле

,

где l₁ -длина образца после разрыва,мм;

l₀ -расчетная длина образца,мм;

При удлинении одновременно уменьшается площадь поперечного сечения. В месте разрыва эта площадь будет наименьшей. Относительное сужение (в %) определяется по формуле

,

где F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца,мм²;

F₁ - площадь в месте разрыва,мм².

У хрупких металлов относительное удлинение  и относительной сужение близки к нулю; у пластичных металлов они достигают нескольких десятков процентов.

Таким образом, статическое испытание на растяжение дает характеристики прочности - _уп, _т (или _0,2) и характеристики пластичности -  и.

Испытания на твердость.

Испытания на твердость проводятся вдавливанием твердого наконечнека.

По методу Бринеллястальной закаленный шарик диаметромD (10; 5 или 2.5мм) вдавливается в испытуемый образец силойР(3000;1000; 750кГ или меньше). В результате на поверхности образца остается отпечаток в форме шарового сегмента диаметромd (рис.22). Величина отпечатка будет тем меньше, чем тверже металл. Число твердости по Бринеллю НВ вычисляется по формуле

кГмм²,

где Р - нагрузка нашарик,кГ;

F - величина поверхности отпечатка,мм².

Рис.22. Схема испытания по Бринеллю

Для малых изделий применяют шарики меньшего диаметра при меньших усилиях вдавливания. Толщина металла под отпечатком должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до среза поверхности не меньше D.

Для испытания на твердость по Бринеллю в настоящее время применяют в основном рычажные прессы.

Как показали исследования, между пределом прочности металлов при растяжении _ви твердость по БринеллюНВ существует зависимость:

для катаной и кованой стали _в=0.36НВ;

для литой стали......................_в=(0.3-0.4) НВ:

для серого чугуна.................... _в=0.1 НВ.

По методу Бринелля можно испытывать материалы с твердостью НВдо 450; если материалы тверже, то стальной шарик может деформироваться. Этот метод непригоден также для испытания тонколистового материала.

По методу Роквелаиспытание на твердость производится путем вдавливания в образец стального шарика диаметромD=1.58мм(116 дюйма) или алмазного конуса с углом 120⁰.

Стальной шарик применяется для испытания мягких металлов (твердость меньше 220 по шкале Бринелля) при нагрузке 100 кГ, алмазный конус - для испытания твердых металлов при нагрузке 150кГ. Образец помещают на столик 2 прибора Роквелла (рис.23) и вращением маховика 1 поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом 3 (или стальным шариком). Вращение маховика продолжают до тех пор пока давление конуса или шарика не станет равным 10кГ(предварительная нагрузка), что указывается малой стрелкой индикатора 4. Далее прикладывают основную нагрузку с помощью рукоятки 5. Вдавливание длится 5-6сек, затем основная нагрузка снимается. После этого большая стрелка индикатора показывает величину твердости.

Рис.23. Пресс Роквелла

Циферблат индикатора имеет две шкалы: красную В для испытания стальным шариком и чернуюС для испытания алмазным конусом.

Твердость по Роквеллу является величиной условной, характеризующей разность глубин отпечатков. Число твердости по Роквеллу обозначается HR с добавлением индекса шкалы, по которой производилось испытание, напримерHRВ илиHRС.Для испытания очень твердых материалов применяют алмазный конус при нагрузке 60кГ. Отсчет производят по черной шкале.

Метод Виккерса, позволяющий измерить твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов; он пригоден для определения твердости тонких поверхностных слоев (например при химико-термической обработке).

По этому методу в образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136⁰. Нагрузка может применяться от 5 до 120кГ.Замер отпечатка производится с помощью микроскопа, находящегося на приборе.

Число твердости определяется по формуле

кГмм²,

где Р - нагрузка,кГ;

F - площадь пирамидального отпечатка,мм²

Практически величина HV берется из таблиц.

Испытания на микротвердостьпроизводят вдавливанием алмазной пирамиды с углом при вершине 136⁰под нагрузкой от 2 до 200г; число твердости выражаетсякГмм². По этому методу можно определять твердость отдельных структурных составляющих сплавов, мелких деталей, металлических нитей, окисных пленок и т.д. Нарис.24,а показан прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость.

Столик 11 и стойка 4 тубуса опираются на станину 1 прибора. Испытуемый предмет 2 устанавливается на столик под объектив 9, через который производят наводку на фокус микроскопа и установку нитей с помощью окулярного микроскопа 6. Затем алмазная пирамида 10 вдавливается в испытуемый предмет в течении 5-7 сек.После снятия нагрузки микроскопом измеряют диагональd(рис.24,б), совмещая пересечение нитей станачала с правым углом отпечатка (пунктирные линии), а затем с левым (сплошные линии).

По величине диагонали определяют площадь отпечатка и твердость по выше приведенной формуле (HV_n).

Прочие механические испытания.Испытания ударной нагрузкойпроводят для деталей машин и механизмов испытывающих ударные (динамические) нагрузки, так как некоторые металлы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются при малых ударных нагрузках, например, сталь с крупнозернистой структурой и чугун.

Ударные испытания на изгиб проводят над образцами стандартной формы на приборах, называемых маятниковыми копрами.

Сопротивление удару называют ударной вязкостью и определяют в килограммометрах на квадратный сантиметр.

Рис.24. Прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость

Ударная вязкость а_нвычисляется по формуле

кГ мсм²,

где А_н- работа удара, затраченная на излом образца,кГ м;

F- площадь поперечного сечения образца в месте надреза,см².

Испытания на усталость. Многие детали машин (шатуны двигателей, коленчатые валы и др.) в процессе работы подвергаются нагрузкам, изменяющимся по величине и направлению. При таких повторно-переменных напряжениях металл постепенно из вязкого состояния переходит в хрупкое (устает). Хрупкое состояние объясняется появлением микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют металл. В результате этого разрушение наступает при напряжениях меньших, чем предел прочности.

Микротрещины появляются и развиваются с поверхности преимущественно в сечениях с резкими изломами линии контура (например, при наличии шпоночных канавок, отверстий и др.).

Испытания на усталость (выносливость) производят на различных машинах. Наиболее распространены машины для испытания:

1. изгибом при вращении;

2. при растяжении-сжатии;

3. при кручении.

Для металлов, работающих в сложных условиях, испытательные машины снабжаются установками и приспособлениями, обеспечивающими испытания при повышенных и пониженных температурах, при коррозии и в других специальных условиях.

Рис.25. Испытание на выдавливание

Технологические испытания (пробы). Они определяют возможность производить те или иные технологические операции с данным металлом.

Испытание на выдавливаниеслужит для определения способности тонкого листового металла к холодной штамповке и вытяжке. Испытание состоит в выдавливании лунки округлой головкой 1 (рис.25) до появления первой трещины в пластинке 2, зажатой в кольцевой поверхности.

Глубина выдавленной лунки при появлении первой трещины и является количественной мерой пробы.

Испытание на перегиб определяет способность металла выдерживать повторные перегибы и применяется для оценки качества листового материала толщиной до 5мм, а также проволоки и прутков.

Испытание на осадкуопределяет способность холодного металла принимать заданную форму при сжатии. Образец-цилиндр, высота которого равна двум диаметрам, считается выдержавшим пробу, если при осадке до заданной высоты на нем не появляются трещины, надрывы и излом.

Испытание на свариваемость.Два бруска испытуемого металла сваривают и испытывают на загиб или на растяжение, после чего сравнивают результаты с теми, которые соответствуют цельному (несваренному) образцу из того же металла. При хорошей свариваемости сопротивление разрыву сварного шва должно соответствовать не менее 80% от предела прочности цельного бруска.

Методы физико-химического анализа.

Макроанализ.Для макроанализа приготовляют образец-шлиф, или излом, по которому выявляют макроструктуру-строение металла и сплава, видимое невооруженным глазом или при малом увеличении до х 5 раз.

Поготовка шлифа состоит в выравнивании и шлифовании поверхности на шлифовальном машине. Затем, шлиф травят реактивами, которые растворяют или окрашивают разные по составу или ориентации части на шлифе.

С помощью макроанализа можно обнаружить усадочные раковины и рыхлости, пустоты, трещины, неметаллические включения (шлак, графит в сером чугуне и т.д.), наличие и характер расположения некоторых вредных примесей, например серы.

Микроанализ. Шлиф для микроанализа приготовляют также, как и для макроанализа, однако после шлифования его полируют до зеркального блеска.

По шлифу с помощью металлографического микроскопа выявляют микроструктуру: наличие, количество и форму тех или иных структурных составляющих, загрязненность посторонними включениями. Наличие и размеры пор определяют по нетравленным шлифам; для выявления основной структуры шлиф подвергают травлению. Так как металлы непрозрачны, шлифы из них можно изучать только в отраженном свете с помощью металлографического микроскопа.

На рис.26 приведена схема, поясняющая видимость границ зерен протравленного шлифа однофазного металла. Под действием реактивов при травлении металл по границам зерен растворяется сильнее, вследствие чего там образуются углубления-микробородки. Лучи света в них рассеиваются, поэтому границы зерен под микроскопом темнее; лучи от плоской поверхности зерен отражаются и каждое зерно на шлифе кажется светлым, при этом часто наблюдается различная окраска зерен, что объясняется неодинаковой растворимостью вследствие анизотропности.

Рис.26. Схема отражения лучей протравленным шлифом

однофазного металла

Наряду с обычным световым микроскопом широко применяют электронный микроскоп, в котором вместо световых лучей используются электронные: эти лучи испускает раскаленная вольфрамовая спираль. Электронный микроскоп обеспечивает электронно-оптическое увеличение до десятков тысяч раз.

Рентгеноструктурный анализдает возможность установить типы кристаллических решеток металлов и сплавов, а также их параметры. Определение структуры металлов, размещение атомов в кристаллической решетке и измерение расстояния между ними основано на дифракции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов в кристалле, так как длина волн этих лучей соизмерима с межатомными расстояниями в кристаллах. Зная длину волны ренгеновских лучей, можно вычислить расстояние между атомами в кристалле и построить модель расположения атомов.

Ренгенографический анализ (просвечивание) основан на проникновении рентгеновских лучей сквозь тела, непрозрачные для видимого света. Проходя сквозь металлы, ренгеновские лучи частично поглащаются, причем сплошным металлом лучи сильнее поглащаются, чем в тех частях, где находятся газовые и шлаковые включения или трещины. Величину, форму и род этих пороков можно наблюдать на светящемся экране, установленном по ходу лучей за исследуемой деталью. Так как рентгеновские лучи действуют на фотографическую эмульсию подобно световым, то светящийся экран можно заменить кассетой с фотопленкой и получить снимок объекта.

Таким образом, ренгеновским просвечиванием можно обнаружить внутри детали даже микроскопические дефекты.

Термический анализсводится к выявлению критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов и сопровождается построением кривых в координатах «температура - время».

Если в металле не происходит никаких фазовых превращений, кривая охлаждения (нагревания) будет плавной без перегибов и уступов; если же при охлаждении (или нагревании) металла в нем происходят фазовые превращения, которые сопровождаются выделением (при нагревании - поглощением) тепла, на кривой появятся горизонтальные участки или изломы (т.е. изменения направления кривой). Эти изломы и горизонтальные участки позволяют определять температуры превращений.

Дилатометрический анализ (дилатометрия - от лат. расширять) основан на измерении изменений объема, происходящих в металле или сплаве при фазовых превращениях, и применяется для определения критических точек в твердых образцах. Дилатометрический анализ проводят на приборах-дилатометрах.

Дефектоскопия.Магнитная дефектоскопия применяется для выявления дефектов в деталях, подверженных высоким переменным напряжениям. Такие дефекты, как трещины, волосовины, пузыри, неметаллические включения и т.п., в условиях переменной нагрузки становятся очень опасными, так как понижают динамическую прочность деталей.

Магнитное испытание слагается из трех основных операций: намагничивания изделий, покрытия их ферромагнитным порошком, наружного осмотра и размагничивания изделий.

У намагниченных изделий с пороками магнитные силовые линии, стремясь обогнуть места пороков (ввиду их пониженной магнитной проницаемости), выходят за пределы поверхности изделия и затем входят в него, образуя неоднородное магнитное поле. Поэтому при покрытии изделий магнитным порошком частицы последнего располагаются над пороком, образуя резко очерченные рисунки (рис.27). По характеру этих рисунков судят о величине и форме пороков металла.

Ультразвуковая дефектоскопия позволяет испытывать любые металлы (а не только ферромагнитные) и выявлять пороки в толще металла на значительной глубине, которые не обнаруживаются магнитным методом.

Для исследования металла применяют ультразвуковые колебания с частотой от 2 до 10 млн. гц.При такой частоте колебания распространяются в металле, подобно лучам, почти не рассеиваясь по сторонам: ими можно «просвечивать» металлы на глубину свыше 1м.

Рис.27. Схема расположения магнитных силовых линий на

детали с пороком

Ультразвук отражается на поверхности раздела разнопордных сред. Поэтому, рапространяясь в металле, ультразвук не проходит через трещины, раковины, неметаллические включения, образуя, таким образом, акустическую тень (рис.28). Здесь,а-зона акустической тени.

Для излучения и приема ультразвука используются соответственно пьезоэлектрические излучатели и приемники.

Применение радиоактивных изотопов (меченных атомов).В металлургии и металловедении радиоактивные изотопы применяют для разных целей. Например, в шлак вводят радиоактивные изотопы фосфора, серы, марганца и др. и изучают скорость перехода этих элементов в металл и скорость восстановления их равновесного распределения между металлом и шлаком в металлургических плавках при изменении температуры или состава шлака. Введение радиоактивного углерода в железо при цементации позволяет изучать скорость диффузии и распределение углерода в нем.

Рис.28.Схема ультразвукового исследования детали

Для выявления распределения олова в никеле в жидкий сплав добавляют радиактивное олово. Затвердевший сплав кладут на кассету с фотопластинкой и после соответствующей выдержки пластинку проявляют.

На рис.29 приведена микрорадиоавтография такого сплава, из которой (по распределению потемнений) видно, что радиактивное, а с ним и обычное олово окаймляет зерна никеля.

Рис.29.Микрорадиоавтография сплава никеля с оловом

Радиоактивные изотопы помогают следить за износом огнеупорной кладки в доменных печах или деталей машин.