5.5. Определение ударной вязкости сталей

Известно, что стали, имеющие большую пластичность при комнатной температуре, в условиях низких температур могут стать хрупкими, т. е. разрушаются без пластической деформации. Такое явление получило название хладноломкости. Переходу металлов в хрупкое состояние способствует не только понижение температуры, но и увеличение скорости нагружения (ударная нагрузка), т. е. переход от статической к динамической нагрузке. Кроме того, хрупкому разрушению способствует наличие в металле концентраторов напряжений (надрезов, выточек, непроваров в сварных швах, резких переходов одного сечения к другому). В ряде случаев влияние динамической нагрузки и надрезов в металле может оказаться настолько существенным, что переход металла из вязкого состояния в хрупкое может наблюдаться и при нормальной положительной температуре.

Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению следует проводить испытания в таких условиях, которые предусматривали бы учет всех факторов, способствующих переходу металла в хрупкое состояние.

Такие условия создаются при ударном испытании на изгиб стандартного образца, ослабленного надрезом (рис. 5.1). Испытание проводится на приборе, который называется маятниковым копром.

У

дар по образцу наносится в направлении сечения, ослабленного надрезом, со стороны, противоположной этому надрезу. Для разрушения образца маятник поднимают вверх от положения равновесия, сообщив тем самым ему запас потенциальной энергии:

,

где р — вес маятника; Н — высота его подъема до испытания.

Рис. 5.1. Схема испытания образца на ударную вязкость

Затратив на разрушение образца часть своей потенциальной энергии, маятник отклоняется в другую сторону от положения равновесия на меньший угол. Запас его потенциальной энергии при этом останется равным:

.

Работа на разрушение образца равна:

.

Эта работа характеризует способность образца поглощать энергию удара.

Работа на разрушение образца А_н отнесенная к площади поперечного сечения F₀ в месте разрушения (удельная работа) обозначается а_Н* и является ударной вязкостью металла:

, Дж/м² (кгсхм/см²),

где F₀ — площадь ослабленного надрезом сечения образца, в котором произошло разрушение.

*- в шкале маятникового копра КМ-5 использована внесистемная единица работы кгсхм, поэтому при опытах размерностью ударной вязкости а_Н будет кгсхм/см² (1 Дж/см²  0,1 кгсм/см²).

Чем больше склонность металла к хрупкому разрушению, тем меньше значение ударной вязкости.

На маятниковом копре КМ-5 в зависимости от веса p груза энергия разрушения образца определяется по конкретной шкале (№ 1, 2 или 3). Волокнистый матово-серый излом свидетельствует о вязком разрушении, а блестящий кристаллический — о хрупком. Причем, чем больше доля блестящего кристаллического излома, тем выше склонность металла к переходу в хрупкое состояние.

5.6. Определение твердости материалов

Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, ножовочные полотна и др.

Детали машин, как правило, должны иметь среднюю твердость, т. к. при большой твердости их будет трудно обрабатывать на станках, а если они будут мягкими, то на их поверхности могут образоваться вмятины и царапины. Кроме того, при средней твердости удачно сочетаются прочность с вязкостью.

Твердость материала определяется сравнительно просто и быстро. Поэтому определение твердости — это самый распространенный вид механических испытаний материалов.

Простейшими способами твердость определяется с помощью напильника, зубила или керна. Чем мягче материал, тем легче срезается металл напильником. Так, у закаленных сталей при работе напильником практически не видно царапин на поверхности, а алюминиевые детали легко повреждаются не только напильником, но и просто острым предметом. Мягкие металлы легко деформируются зубилом при небольших, а твердые — при значительных усилиях.

Т

Рис. 5.2. Схема измерения твердости материала по Бринеллю

вердость металлов в производственных условиях определяется тремя способами, названными по именам их изобретателей: Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Метод Бринелля основан на том, что в металл под нагрузкой Р вдавливают закаленный стальной шарик (рис. 5.2) определенного диаметра D и по величине диаметра отпечатка d судят о его твердости. Твердость по Бринеллю (НВ) находится по таблицам или определяется из выражения:

х10 ^-6 МПа,

где Р — нагрузка, Н;

Д- диаметр шарика,м:

F - площадь поверхности отпечатка, м².

Нагрузка Р, диаметр шарика D и продолжительность выдержки шарика под нагрузкой выбираются в зависимости от вида материала, толщины образца и предполагаемой твердости по таблице 5.1. После нагружения шарика нагрузкой Р и выдержки под этой нагрузкой измерительной лупой определяют диаметр отпечатка d. По вышеприведенной расчетной формуле или соответствующей таблице с учетом диаметра шарика Д и нагрузки Р находят число твердости НВ, например, при диаметре отпечатка d = 3,5 мм твердость металла будет НВ 3000 МПа.

Число твердости материала, определенное методом Бринелля, записывается, для примера, в виде НВ 1500 МПа (нагрузка при испытаниях принималась в ньютонах), или НВ 150 (нагрузка при испытаниях была в кг).

Твердость НВ, измеренная по методу Бринелля для ряда металлов, связана эмпирической линейной зависимостью с пределом их прочности при растяжении _В:

_В = 0,35 НВ — для сталей;

_В = 0,45 НВ — для медных сплавов.

Таблица 5.1

Зависимость режимов испытания (D, Р, t) от материала и толщины испытываемого образца

Материалы	Толщина образца, мм	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка Р, Н (кгс)	Выдержка t, с
Черные металлы	более 6 3…6 менее 3	10 5 2,5	30000 (3000) 7500 (750) 1875 (187,5)	10
Цветные металлы	более 6 3…6 менее 3	10 5 2,5	10000 (1000) 2500 (250) 625 (62,5)	30
Пластмассы	Более 6 3…6 менее 3	10 5 2,5	2500 (250) 625 (62,5) 156 (15,6)	60

К недостаткам метода Бринелля необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость более НВ 450, или толщину менее 2 мм, появление остаточных следов деформации на поверхности испытанного изделия. При испытании металлов с твердостью более НВ 450 возможна деформация шарика, вследствие чего результаты будут неточными.

Метод Роквелла основан на том, что в испытуемый образец вдавливается индентор (тело внедрения): алмазный конус с углом при вершине 120 или закаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус используют для твердых металлов, а шарик — для мягких. Алмазный конус или шарик (рис. 5.3) вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок — предварительной Р₀, равной 0,1 кН (10 кгс), и основной Р₁.

Рис. 5.3. Схема определения твердости по Роквеллу

При вдавливании алмаза к нему прилагается общая нагрузка Р = Р₀ + Р₁:

0,6 кН (60 кгс) — шкала А твердомера;

или 1,5 кН (150 кгс) — шкала С твердомера.

При вдавливании шарика прилагается общая нагрузка 1 кН (100 кгс) — шкала В твердомера.

Соответственно этим нагрузкам на индикаторе прибора имеются шкалы: черные А и С и красная В.

Шкалой А пользуются при измерении твердости изделий с очень твердым поверхностным слоем, полученным посредством химико-терми­ческой обработки (цементация, азотирование и др.), а также твердых сплавов с твердостью до HRA 85.

Шкалой В пользуются при измерении твердости незакаленных сталей, цветных металлов и сплавов, имеющих твердость до HRB 100.

Шкалой С пользуются при измерении твердости закаленных сталей, обладающих твердостью до HRС 67. Числа твердости по Роквеллу измеряются в условных единицах и определяются при вдавливании алмазного конуса по формулам:

HRC — для алмазного конуса, Р = 1,5 кН;

HRA — для алмазного конуса, Р = 0,6 кН;

HRB —для шарика, Р = 0,1 кН,

где 100 — число черных делений шкалы С и шкалы А циферблата индикатора прибора, а 130 — число красных делений шкалы В; h₀ — глубина (мм) внедрения алмаза (шарика) под действием предварительной нагрузки; h — глубина (мм) внедрения алмаза (шарика) под действием общей нагрузки Р, замеренной после ее снятия, но с оставлением предварительной нагрузки; 0,002 мм — глубина внедрения алмаза (шарика), соответствующая перемещению стрелки индикатора на одно деление.

Метод Роквелла отличается простотой и высокой производительностью, практически обеспечивает сохранение качества поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы и сплавы, как низкой, так и высокой твердости при толщине изделия до 0,8 мм. Этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой.

Ориентировочно, значения твердости по Бринеллю (в МПа) на два порядка больше значений твердости по Роквеллу.

В настоящее время имеются более удобные в работе твердомеры: портативные, с цифровой индикацией твердости по Бринеллю и Роквеллу, с относительно небольшой погрешностью измерений.

Так, твердомер динамический ЭЛИТ-2Д измеряет твердость стальных изделий по скорости отскока бойка от поверхности, а твердомер ультразвуковой УЗИТ-3 — методом измерения акустического импеданса при внедрении магнитостриктора с алмазом Виккерса (алмазная пирамидка) в поверхность изделия.

Характеристика измерителя твердости динамического ЭЛИТ-2Д:

1. Диапазон измерения твердости - 20…70 HRC и 89…450 НВ.

2. Предел допускаемой погрешности- ±2,0 HRC и ±15 НВ.

3. Время одного измерения не более 3 сек.

4. Индикация не менее 20 сек.

5. Предназначен для измерения твердости на поверхности изделий из конструкционных сталей и других материалов, близких к ним по модулю упругости (1,95…2,1 х10⁵ МПа). При работе с другими материалами надо составить градировочную кривую для них.

6. На одной площадке (100…300 мм²) надо провести не менее 5 измерений, при каждом следующем измерении сдвигая твердомер не менее, чем на 3 мм.

7. Шероховатость поверхности в месте измерения должна быть не менее Rа 1,25, а радиус кривизны не менее 15 мм.

8. Масса образца должна быть не менее 2 кг, а размер в направление бойка не менее 20 мм.

Принцип действия прибора основан на измерении отношения скоростей подлета и отскока от поверхности изделия бойка с ударным наконечником из твердого сплава.

В таблице 5.2 представлены варианты обозначения твердости различных материалов.

Таблица 5.2

Варианты материалов с различной твердостью

№ варианта	Значения твердости материалов
1 2 3 4 5	HB 280 HRA 72 HB 470 HB 780 HRA 74	HV 130 HB 110 HRB 50 HV 530 HB 430	HRC 47 HV 420 HB 477 HRC 54 HV 237	HRB 77 HRC 50 HRA 82 HRB 70 HRC 27
6 7 8 9 10	HB 480 HRC 80 HV 280 HB 280 HB 470	HB 130 HV 130 HRA 30 HV 130 HRB 50	HRC 37 HRA 47 HRC 47 HRC 47 HB 477	HRB 67 HRB 67 HRA 77 HRB 77 HRA 82
11 12 13 14 15	HB 780 HB 480 HRC 80 HRC 28 HRC 45	HV 530 HB 130 HV 130 HRC 66 HB 170	HRC 54 HRC 37 HRA 47 HV 340 HRA 57	HRB 70 HRB 67 HRB 67 HRB 77 HV 230
16 17 18 19 20	HRC 53 HB 210 HV 280 HRC 51 HV 234	HV 430 HRC 35 HB 130 HRA 70 HRC 43	HB 630 HRB 75 HRC 37 HV 313 HRB 327	HRA 85 HV 150 HRA 77 HB 260 HRC 57
21 22 23 24 25	HB 170 HRA 67 HRC 54 HRC 51 HV 434	HRA 60 HRC 76 HV 150 HRA 70 HRC 56	HV 330 HB 700 HB 437 HV 313 HB 210	HRC 75 HV 310 HRA 57 HB 260 HRC 29
26 27 28 29 30	HRC 33 HV 280 HRC 51 HV 134 HRC 35	HV 430 HB 110 HV 130 HRC 70 HB 43	HRB 230 HRB 75 HB 37 HRA 313 HRB 327	HB 185 HV 150 HRA 77 HB 260 HRB 47