Лахтин_Матеориаловедение

жение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности:

У пластичных металлов, начиная е напряжения σΒ, деформация сосредоточивается в одном участке образца, где появляется местное сужение поперечного сечения, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется высокая плотность вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности, укрупнение которых приводит к возникновению пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения, и в некоторый момент образец разрушается (точка С на рис. 62, а).

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся относительное удлинение

и относительное сужение

где l0 и lК — длина образца, a F0 и FK — площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно. Отношение изменения длины к начальной длине определяет условное удлинение. Отношение в каждый данный момент изменения длины к длине в этот момент дает истинное удлинение:

Переход от lКl0 к F0/FK проведен, исходя из предположения о постоянстве объема при деформировании. Повышение прочности (σΒ. σ0,2) обычно сопровождается снижением пластичности материала.

На рис 62, б приведена диаграмма истинных напряжений, построенная в координатах S—l. Учитывая, что роль пластической деформации несравненно больше, чем упругой, считают, что участок диаграммы, соответствующий упругой деформации, совпадает с осью координат.

Истинное сопротивление отрыву (разрушению) SK определяется как отношение усилия в момент разрушения к минимальной площади поперечного сечения образца в месте

разрыва: SК = PК/FК.

В случае хрупкого разрушения SK и определяет действительное сопротивление отрыву или хрупкую прочность материала (см. рис. 62, б). При вязком разрушении (когда образуется шейка)

91

σΒ и SK характеризуют сопротивление значительной пластической деформации, а не разрушению. В конструкторских расчетах σΒ и SK практически не используются, так как трудно представить конструкцию, работоспособность которой не нарушится при пластической деформации отдельных деталей или узлов.

Кривая 2 на рис. 62, а показывает, что в процессе растяжения металл испытывает деформационное упрочнение (наклеп).

Если пренебречь упругими деформациями, то коэффициент

деформационного упрочнения К = [tg α — (SK — σ0,2)] / lK· Характеристики материалов σ0,2, σΒ, δ, ψ, а также Е являются

базовыми — они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также входят в расчеты прочности и ресурса.

Испытание на сжатие. Для чугуна, литых алюминиевых сплавов и прочих материалов, хрупких при растяжении, применяют испытание на сжатие (ГОСТ 25.503—80). Эти материалы при растяжении разрушаются путем отрыва, при сжатии разрушаются срезом, При испытании определяют предел прочности на сжатие.

Испытание на изгиб. Для хрупких материалов (чугун, инструментальные стали после поверхностного упрочнение и т. д.) широко применяют испытания на изгиб (ГОСТ 14019—80). Чаще испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образец, лежащий на двух опорах (рис. 63). Предел прочности при изгибе σизг(σmах) подсчитывают по формуле

σизг(σmах) = Mmах/ w,

где Mmах — максимальный изгибающий момент; w = (bh)2/6 — для прямоугольного сечения образца (h и b — высота и ширина образца) и w = (πd)3/32 — для круглого сечения.

Испытание на вязкость разрушения. Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин и т. д. обычно происходит при напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины (трещиноподобные дефекты) или те же дефекты, возникающие в про-

92

цессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся острой (опасной) трещины (вязкостью разрушения), а не ее зарождению.

В основе испытаний на вязкость разрушения лежат положения линейной механики разрушения. Разработанные Д. Ж. Ирвиным положения позволяют оценить влияние трещин и подобных им дефектов на сопротивление материала хрупкому разрушению. Базой для развития линейной механики разрушения послужили работы Гриффитса, который показал, что хрупкое разрушение связано с наличием в материале трещин, вызывающих локальную концентрацию напряжений, и происходит в результате самопроизвольного движения этих трещин, поддерживаемого энергией, накопленной в материале вследствие упругой деформации.

По Ирвину, явления, происходящие у устья трещины, могут быть описаны с помощью параметра К, который представляет собой коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжении у ведущего конца трещины: , где Υ — безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины; σΗ — номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины, МПа;

с — длина трещины, мм. Отсюда размерность К имеет вид: МПа • мм1/2.

Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти самопроизвольно.

Силовое условие начала самопроизвольного разрушения — достижение величиной К критического значения, т. е. Кс. Следовательно, если ΥσΗ √πc < Кс, то разрушения не

произойдет.

Параметр Ирвина Ко определяют экспериментально. Чаще Кс определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва — перпендикулярно к плоскости трещины. В этом случае коэффициент интенсивности напряжения, т. е. относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины, при переходе ее от стабильной к нестабильной стадии роста обозначают К1с [МПа • м1/2] и

называют его вязкостью разрушения при плоской деформации.

Испытание на вязкость разрушения проводят по схеме внецентрального растяжения специальных образцов при изгибе. Для испытания применяют образцы с прямоугольным поперечным сечением и односторонним острым надрезом (рис. 64). От надреза наводится на пульсаторе усталостная трещина. Образцы различных материалов должны иметь разные размеры. Должно соблюдаться требование, чтобы суммарная глубина надреза и толщина сечения образца были больше величины 2,5 (К1с/σ0,2)2. Значение К1с вычисляют при нагрузке PQ, отвечающей началу нестабильного развития трещины (рис 65). При испытании строят диаграмму нагрузка Ρ — смещение V (смещение берегов трещины, т. е. расстояния между точками по обе стороны от трещины вследствие ее раскрытия); по диаграмме находят (рис. 65) нагрузку PQ И ПО ней рассчитывают коэффициент интенсивности напряжения KQ = PQV1/(ab)1/2, где а и Ь — размеры образца

93

(см. рис. 64), a Vi — безразмерная величина, учитывающая геометрию образца и отношение длины трещины с к ширине образца b. Коэффициент V\ определяют по специальным таблицам.

Для определения PQ проводят секущую 0Ря с наклоном на 5 % меньше, чем наклон касательной ОА. Если кривая не имеет скачка (рис. 65, I), то коэффициент K1c рассчитывают по нагрузке PQ = Рх, определяемой точкой пересечения кривой с секущей ОРх. На диаграммах рис. 65, // и /// значение PQ соответствует максимальной нагрузке.

Для проверки достоверности результатов испытаний на диаграмме проводят горизонтальную линию, соответствующую 0,8PQ. ЕСЛИ V1 < 0,25V, то испытание признается удовлетворительным (рис. 65), в противном случае испытание повторяют на образцах других размеров.

Для определения K1c подсчитывают величину 2,5 (КQ/σ0,2)2. ЕСЛИ она меньше толщины образца и суммарной глубины надреза, то КQ = K1c. В противном случае проводят новое испытание на больших образцах.

Величина K1c — вязкость разрушения — определяет способность металла (сплава) противостоять развитию трещины. Поэтому нередко K1c называют трещиностойкостью. Чем выше значение K1c, тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции (машины), изготовляемой из этого материала.

Как видно из рис. 66, с увеличением K1c возрастает размер допустимой трещины с при данном рабочем напряжении о. Например, при рабочем напряжении σх при K1c допустима трещина размером с', а при более низком значении K1c — меньшего размера

с.

Критерий K1c позволяет определить максимально допустимые напряжения в реальной конструкции σкр при наличии трещины определенной длины или, наоборот, при данном рабочем напряжении допустимую длину трещины без хрупкого разрушения конструкции.

Вязкость разрушения K1c как правило, тем ниже, чем выше

предел текучести σ0,2 (рис. 67).

Для сплавов титана показано, что при отношении K1c/σ0,2 > 0,24 критическая длина трещины измеряется в сантиметрах

94

и закритическое развитие ее исключено. При отношении K1c/σ0,2 = = 0,08÷0,24 критическая длина трещины снижается до 0,1— 1,0 см, а при K1c/σ0,2 < 0,08 — до нескольких микрометров. Поэтому для повышения конструктивной прочности нередко отказываются от высокопрочных материалов вследствие низкого значения их трещиностойкости K1c и возможности хрупкого разрушения.

Критерии вязкости разрушения чаще используют для характеристик высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций (крупных сварных узлов, деталей самолетов, корпусов ракет, сосудов высокого давления, уникальных по своим размерам сооружений).

Для таких конструкций расчеты можно проводить с точностью до ±10 %. В остальных случаях погрешность расчетов, без учета поправок может достигать 50—100 %.

Величина K1c является структурно чувствительной характеристикой металла.

3. ТВЕРДОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия судить о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металла в металлических изделиях и деталях.

Определение твердости по Бринеллю. Сущность метода (ГОСТ 9012—59 (СТ СЭВ 468—77) заключается во вдавливании стального шарика диаметром D, мм, в образец (изделие) под действием нагрузки F (Р), Н (кгс) и измерении диаметра отпечатка d, мм, после снятия испытательной нагрузки (рис. 68, а). Если

95

поверхность отпечатка выразить через диаметр шарика и диаметр отпечатка, то твердость по Бринеллю определяется по формуле

когда нагрузка F выражена в Η1, и

когда F (Р) выражена в кгс.

При испытании стали и чугуна обычно принимают D = 10 мм и F = 2943 (3000) Η (кгс), при испытании алюминия, меди, никеля и их сплавов D = 10 мм и F = 9800 (1000) Η (кгс), а при испытании мягких металлов (Pb, Sn и их сплавов) D = 10 мм и F = 2450 (250) Η (кгс)2.

Твердость по Бринеллю обозначается цифрами, характеризующими величину твердости и буквами НВ, например 185 НВ (при D = 10 мм и F = 3000 кгс). Твердость определяют или по приведенным формулам, или по специальным таблицам, исходя из диаметра отпечатка d.

Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.

Между временным сопротивлением и числом твердости НВ существует следующая зависимость: для стали σΒ = 0,34 НВ, для медных сплавов σΒ = 0,45 НВ и для алюминиевых сплавов σΒ = 0,35 НВ.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов — более 200 НВ.

Определение твердости по Роквеллу. Сущность метода (ГОСТ 9013—59 (СТ СЭВ 469—77)) заключается во вдавливании

1Обозначение нагрузки по ГОСТ 9012—59 — Р, а по СТ СЭВ 468—77 — F.

2Твердость измеряют при постоянном соотношении F (Р) и D, Для твердых металлов

(140—450 НВ) — F (Р) = 984 (30) D2, для менее твердых «140 НВ) — F (Р) = 98 (10) D2 Η (кгс/мм2) и очень мягких (8—35 НВ) — F (Р) = 9,8 (1) D2 (ГОСТ9012—59).

96

наконечника с алмазным конусом с углом у вершины 120 °С (шкалы А и С) или со стальным шариком диаметром 1,5875 мм (шкала В) в испытуемый образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной F0 (Р0)1 Η (кгс) и основной F1 (Р1) Η (кгс) нагрузок и измерений остаточного увеличения е глубины внедрения наконечника после снятия основной нагрузки и сохранения предварительной нагрузки в единицах измерения 0,002 мм.

Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рис. 68, б. Под нагрузкой F0 (Р0) индикатор прибора вдавливается в образец на глубину h0. Затем на испытуемый образец подается полная нагрузка F = F0 + F1 (Р = P0 + P1) и глубина погружения наконечника возрастает. После снятия основной нагрузки F1 (Р1) прибор показывает число твердости по Роквеллу HR. Чем меньше глубина вдавливания h, тем выше твердость испытуемого материала.

При использовании алмазного конуса — по шкале А принимается F0 (Ρ0) = 98 (10) Η (кгс), F1 (Р1) = 490 (50) Η

(кгс) и F (Р) = 600 (60) Η (кгс). По шкале С— F0 (Ρ0) = 100 (10) Η (кгс), F1 (Р1) = 1373 (140) и F (Р) = 1471 (150). Число

твердости выражается формулой HRC (HRA) = 100 — е, где е = = (h — h0)/0,002 мм (0,002 мм — цена деления шкалы индикатора прибора для испытания твердости по Роквеллу). По шкале В предварительная нагрузка F0 (Ρ0) составляет 98 (10) Η (кгс), основная 883 (90) Η (кгс) и общая 981 (100) Η (кгс).

Твердость по шкале В HRB = 130 — е.

Единица твердости по Роквеллу — безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индикатора на 0,002 мм. Пределы измерения твердости по шкалам А, В и C устанавливаются следующие; шкала А — 70—85 единиц, шкала С — 22— 68 единиц, шкала В — 25—100 единиц. Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости. Например, 61HRC (твердость 61 по шкале С). По шкале С определяют твердость материалов с высокой твердостью (>450 НВ), когда стальной шарик может деформироваться. Для измерений твердости по шкале С Роквелла применяют шкалу, воспроизводимую государственным специальным эталоном. Твердость, измеренную по шкале С Роквелла, воспроизводимой государственным специальным эталоном, обозначают HRCэ в отличие от обозначения ранее применявшегося в промышленности

СССР (HRC). Перевод чисел твердости HRCэ шкалы С Роквелла, воспроизводимой государственным специальным эталоном, в числа твердости HRC шкалы С Роквелла, ранее применявшейся в промышленности СССР, дан в ГОСТ 8.064—79.

1 Основная и предварительная нагрузки по ГОСТ 9013—59 обозначаются буквой Р, а по СТ СЭВ 469—77 — буквой F.

Шкала А используется для определения твердости тонких (0,5—1,0 мм) поверхностных слоев и очень твердых материалов. По шкале В определяют твердость сравнительно мягких материалов (<400 НВ). Величина твердости по Роквеллу не имеет точного метода перевода в другие величины твердости или прочности при растяжении.

Твердость по Виккерсу. Метод (ГОСТ 2999—75 (СТСЭВ470—77)) заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки F (Р) и измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки.

Нагрузка F (Р) может мевятьвя от 9,8 (1) до 980 Η (100 кгс). Твердость по Виккерсу

если F выражена в Η, и

если F выражена в кгс.

Метод используют для определения твердости деталей м'алой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Число твердости по Виккерсу (HV) определяют по специальным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка в миллиметрах).

Микротвердость ГОСТ 9450—75. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) необходимо для тонких покрытий, отдельных структурных составляющих сплавов, а также при измерении твердости мелких деталей. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05—6 Н. Твердость Η1 определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:

если F выражена в Н.

4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ

Под динамическими понимают испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях.

1 При символе Η нередко ставят индекс, показывающий величину нагрузки в ньютонах или граммах (H100).

98

Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца (рис. 69, б) с концентратором посередине одним ударом маятникового копра (рис. 69, а). По шкале маятникового копра определяют полную работу К, затраченную при ударе

(работа удара) (рис. 69, а), К = Ph1 (cos β — cos α).

Под ударной вязкостью KC, Дж/м2 (кгc·м/см2) понимают работу удара, Дж (кгс·м/см2), отнесенную к начальной площади поперечного сечения S0, м2(см2) образца в месте концентратора: КС = K/S0. Действующий в настоящее время ГОСТ 9454—78 предусматривает образцы с концентраторами трех видов: U с радиусом концентратора R = 1 мм (рис. 69, б), V с R = 0,25 мм и углом 45° и Τ — усталостная трещина. Соответственно ударная вязкость обозначается KCU, KCV, КСТ. Ударная вязкость является интегральной характеристикой, включающей работу зарождения трещины (a3) и работу распространения вязкой трещины (Ар): KCU= a3 + ар.

Склонность к хрупкому разрушению в первую очередь определяется работой распространения трещины.

Чем больше ар, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения. В настоящее время существует ряд методов раздельного определения а3 и ар.

Наиболее надежный метод определения а3 и ар предложил Б. А. Дроздовский. Метод сводится к испытанию на удар образцов с усталостной трещиной (КСТ), которую создают на специальном вибраторе. Вся работа, затрачиваемая на разрушение образца, в этом случае расходуется только на развитие заранее созданной трещины (а3 = 0). Ударная вязкость КСТ определяется как отношение работы, затраченной на разрушение образца, к его живому сечению.

99

Порог хладноломкости. Как уже отмечалось ранее, железо,

сталь и металлы, и сплавы в основном с ОЦК решеткой могут разрушаться хрупко или вязко в зависимости от

температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости, под которым

понимают интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запав вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения. При небольшом запасе вязкости в результате случайного снижения температуры, роста зерна, загрязнения металла вредными примесями и т. д. порог хладноломкости может повыситься, это приведет и хрупкому разрушению.

Порор хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцов для разных температур. Затем строят кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытания (так называемую сериальную кривую по Н. Н. Давиденкову) (рис. 70).

Для многих еталей на кривой зависимости KCU — t трудно определить порор хладноломкости.

Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно четко различить по виду излома, порор хладноломкости нередко определяют по количеству волокна (В, %) матовой — волокнистой составляющей в изломе. Количество волокна в изломе определяется как отношение площади волокнистого (вязкого) излома к первоначальному расчетному сечению образца. Далее строится сериальная кривая процент волокна —температура испытания (рив. 70). За порог хладноломкости принимается температура, при которой имеется 50 % волокна t50 (рис. 70), что примерно соответствует КCТ/2. Для ответственных деталей за критическую температуру хрупкости нередко принимают температуру, при которой в изломе имеется 90 % волокна (t90), а ударная вязкость сохраняет высокое значение. Нередко определяют

верхний tB порог хладноломкости,

100