Определение микротвердости

Метод применяется для характеристики твердости отдельных структурных составляющих сплавов и композиционных материалов, а также изделий мелких размеров. Испытания проводятся на приборе, включающем алмазную правильную четырехгранную пирамиду с уг­лом при вершине 136°, нагружающее устройство и металлографиче­ский микроскоп. Измерение твердости производится путем внедрения индентора в отполированную поверхность при нагрузках от 5 до 500 гс и измерения размера диагонали отпечатка, остающегося на из­меряемой поверхности после снятия нагрузки. Твердость определяет­ся аналогично, как и по методу Виккерса:

2.2.2. Динамические испытания

Основным динамическим испытанием является метод испыта­ния на ударный изгиб (ГОСТ 9454-78) с целью определения ударной вязкости и склонности материалов к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра (рис. 2.8).

Ударная вязкость КС определяется как отношение работы, по­шедшей на деформацию и разрушение образца К, к начальной площа­ди поперечного сечения образца в месте надреза F0:

где m - масса маятника; H, h - высота подъема маятника до и после удара; l - расстояние от оси маятника до центра тяжести бойка; а, в -углы подъема маятника до и после удара.

Величины m, l постоянны для конкретного копра, поэтому по углам а и в можно определить работу разрушения.

В зависимости от вида концентратора различают образцы трех видов: с радиусом у основания надреза 1,0 мм (тип U), 0,25 мм (тип V) и с инициированной трещиной (тип Т).

Чем острее надрез, тем более жесткие условия испытаний. Вид надреза входит в обозначение работы удара и ударной вязкости, соот­ветственно KU, KV, KT и KCU, KCV и KCT.

С помощью этих испытаний возможно определение работы за­рождения КСз и работы развития КСр трещины. Работа зарождения трещины в малой степени зависит от формы надреза и характеризует склонность металла к хрупкому разрушению.

2.2.3. Испытания при циклическом нагружении

Длительное воздействие циклических нагрузок приводит к воз­никновению трещин, их распространению и разрушению образца. Около 80 % всех разрушений носит усталостный характер. Процесс накопления повреждений в материале под действием циклических напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению, на­зывается усталостью, а свойство материала сопротивляться устало­сти называется выносливостью.

Под пределом выносливости понимается наибольшее значение напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостно­го разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения.

Цикл напряжений — это совокупность переменных значений на­пряжений за один период изменения. Цикл характеризуется коэффи­циентом асимметрии.

Если Я_а = -1, то цикл симметричный. Предел выносливости при асимметричном цикле обозначается а _R, а при симметричном а_-1. Определяется он на вращающихся образцах

(гладких или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по сим­метричному циклу (рис. 2.9, а) или при циклическом нагружении «рас­тяжение-сжатие». Для образцов с надрезом предел выносливости обо­значается а_-1н. Чувствительность к концентраторам напряжений оценивается по эффективному коэффициенту концентрации напряжений

Предел выносливости определяют по кривым зависимости а _max

от числа циклов N до разрушения, которые обычно строятся в полу­логарифмических координатах (рис. 2.9, б).

По характеру кривых усталости материалы можно разделить на две группы. Материалы, имеющие достаточно четко выраженный предел усталости при количестве циклов нагружений свыше 10 (кри­вая 1), и материалы, практически не имеющие четкого предела уста­лости (кривая 2). Для последних можно говорить об усталостной прочности при заданном числе циклов нагружений (большинство цветных металлов).

Обычно эти напряжения являются знакопеременными, т. е. рас­тяжение сменяется сжатием, как в случае нагруженного вращающего­ся вала. Но может усталость возникать и под действием напряжений одного знака, как в рессорах автомобиля, вагона и т. д.

При усталостном разрушении излом состоит из трех зон: зоны зарождения трещины, зоны усталости (распространения трещины), имеющей гладкую поверхность, и зоны долома, имеющей структуру, характерную для хрупкого или вязкого разрушения при однократном нагружении.

Образование усталостной зоны происходит постепенно и связано с образованием и ростом микротрещин, чаще всего поверхностных, т. к. поверхностные слои подвергаются наибольшему напряжению при изгибе и кручении, а также вследствие наличия различных концентра­торов напряжений. Так как трещина растет в результате действия рас­тягивающих напряжений, то различные технологические приемы, соз­дающие в поверхностных слоях деталей напряжения сжатия, приводят к увеличению усталостной прочности, т. е. выносливости материала. Предел выносливости является структурно чувствительной характери­стикой материала. Мелкозернистые материалы обладают более высо­кими усталостными характеристиками по сравнению с крупнозерни­стыми материалами того же химического состава.

Существенное влияние на усталостную прочность оказывает текстура материала, получаемая при обработке давлением, и направ­ление нагружения. Наибольшая усталостная прочность достигается при циклическом нагружении вдоль ориентации зерен (волокон), т. е. вдоль направления прокатки или протяжки, и значительно ниже в на­правлении, перпендикулярном их ориентации. Усталостная прочность сварных соединений значительно ниже, чем у монолитных деталей из того же материала, что связано с нарушением однородности материа­ла в зоне сварки, а также возникающими термическими напряжения­ми в этой зоне.

На усталостную прочность оказывает влияние также состояние поверхности, т. к. значительная часть повреждений зарождается на по­верхности деталей. Наличие грубых неровностей приводит к сниже­нию усталостной прочности. Предел выносливости полированной по­верхности на 45.50 % выше, чем после точения. К снижению усталостной прочности приводят и растягивающие остаточные напря­жения, возникающие в поверхностных слоях детали при обработке. В то же время сжимающие напряжения, создаваемые в поверхностных слоях, затрудняют распространение усталостных трещин и приводят к увеличению усталостной прочности.

К значительному снижению усталостной прочности приводит коррозионная среда. Даже обычная дистиллированная вода может снизить усталостную прочность материала на 20...30 %. Безусловно на усталостную прочность материала оказывают влияние и частота нагружения, характер циклов нагружения и другие факторы.

Для тел, испытывающих фрикционное взаимодействие, опреде­ляют фрикционные свойства, к основным из которых относятся изно­состойкость и коэффициент трения. Под износостойкостью понима­ется свойство материала сопротивляться изнашиванию. Изнашивание представляет собой процесс разрушения поверхностей трения, сопро­вождающийся изменением геометрических размеров и формы кон­тактирующих тел. Количественно результат изнашивания определя­ется износом, который выражается в единицах длины (линейный износ) или массы (массовый износ). Износ в единицу времени назы­вается скоростью изнашивания, а износ отнесенный к единице пути трения - интенсивностью изнашивания.

Коэффициент трения характеризует сопротивление контакти­рующих под определенной нормальной нагрузкой тел относительно­му перемещению под действием тангенциальной силы. Определяется коэффициент трения по формуле

где F - сила трения; N - нормальная сила, действующая во фрикци­онном контакте.

Фрикционные свойства, в отличие от описанных выше механи­ческих свойств материалов, характеризуют свойства пары трения, а не материалы. Причем эти свойства зависят от природы контактирую­щих тел, кинематической пары контакта, нагрузок, скоростей относи­тельного движения, окружающей среды и т. д.