Определение механических свойств металлов и сплавов по твердости – Механические свойства и способы определения их количественных характе-ристик: твердость, вязкость, усталостная прочность. Технологические и эксплуатационные свойства

Содержание

3. Свойства металлов и сплавов. Понятие твердости. Методы определения твердости.

К основным свойствам металлов и сплавов относятся механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.

Физические свойства. К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, температурный коэффициент, электросопротивление и теплопроводность. Физические св-ва сплавов обусловлены их составом и структурой.

Химические св-ва. К ним относится способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами.

Технологические св-ва. Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим св-вам.

Литейные св-ва определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью к ликвации.

Деформируемость – способность принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке.

Свариваемость – способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Эксплуатационные, или служебные св-ва.

Коррозионная стойкость – сопротивление сплава действию агрессивных кислотных и щелочных сред.

Хладостойкость – способность сплава сохранять свои эксплуатационные св-ва при температурах ниже 0^о С.

Жаропрочность – способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Антифракционность – способность сплава прирабатываться к другому сплаву.

Эти условия определяются в зависимости от условий работы машины или конструкции спец. испытаниями.

Механические свойства. Основные из них – прочность, пластичность и ударная вязкость. Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение – сила, отнесенная к площади поперечного сечения.

Деформация – изменение формы, размеров тела под влиянием воздействия внешних сил или в результате физико-механических процессов, возникающих в самом теле. Деформация может быть упругая/исчезающая после снятия нагрузки/ и пластическая/остающаяся после снятия нагрузки/. При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит разрушение тела.

Прочность – способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. Для определения прочности при статических нагрузках образцы испытывают на растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Испытания на растяжение обязательны. Прочность при динамических нагрузках оценивают по ударной вязкости.

Пластичность – способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения. Пластичность характеризуется относительным удлинением.

Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого, тела, не получающего остаточных деформаций.

Для испытания на твердость исп-ся спец. приборы – твердомеры. Инструмент для испытания наз-ся индентор. Нагрузка выбирается в зависимости от материала и размеров образца.

Метод Бринелля.

По методу Бринелля можно измерять твердость мягких материалов, сталей и чугунов /HB ≤ 450  HB=HV/. В качестве индентора исп-ся стальной закаленный шарик, диаметром 2,5; 5; 10 мм. Нагрузка 3 тонны.

Метод Роквелла.

Применяется для определения твердости у высокопрочных материалов /материалов с большой твердостью/. Определяется по глубине отпечатка при полной нагрузке. В качестве индентора исп-ся алмазный конус с углом при вершине 120^о

или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм.

Метод Виккерса.

Применяется для измерения макротвердости массивных изделий и микротвердости отдельных частиц. Индентор – алмазная четырехгранная пирамида, суглом при вершине 136^о. Твердость определяется по размеру диагонали отпечатка.

studfiles.net

Марковец М.П. Определение свойств металлов по твердости

Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. – М.: Машиностроение, 1979. – 191 с.

Все по определению твердости металлов!

Между механическими свойствами, определенными при различных видах нагружения (растяжение, сжатие, кручение, изгиб и др.). существует связь. Наиболее четко эту связь выразил Людвик в виде так называемой обобщенной кривой деформации, которая была подтверждена в работах Н. Н. Давкденкова, Я. Б. Фридмана и др. Смысл обобщенной кривой деформации сводится к тому, что необязательно оценивать поведение материала при том виде нагружения, при котором он работает. Такой же смысл имеют исследования Ю. Н. Работнова, Н. ДА. Беляева, И. А. Одинга, Н. Н. Малинина и др., в которых было показано, что о сопротивлении ползучести при сложных напряженных состояниях можно судить по характеристикам сопротивления ползучести, определенным из опытов на одноосное растяжение.

Эта же идея заложена и в теориях прочности, которые, как известно, основываются на том, что о поведении металла при сложном напряженном состоянии (плоском или объемном) судят на основании их поведения при одноосном напряженном состоянии (растяжении).

Как известно, для получения механических характеристик широко используют испытание на растяжение. При испытании на растяжение до начала образования шейки создастся простое напряженно-деформированное состояние, что позволяет просто и точно определять напряжения и деформации. Методика испытания на растяжение наиболее разработана по сравнению с другими видами испытания, и, кроме того, при испытании на растяжение можно получить наибольшее число механических характеристик. Поэтому механические характеристики, полученные из опытов на растяжение, принимаются за эталон. Однако методика испытания на растяжение является сложной, поэтому ученые всего мира искали более простые способы определения механических характеристик, которые не требовали бы вырезки образцов. В этой связи было обращено внимание на метод твердости.

Определение механических свойств металлов по твердости скачать книгу бесплатно

На вирусы проверено!

Интересное по теме:

metallobook.ru

Механические свойства и способы определения их количественных характе-ристик: твердость, вязкость, усталостная прочность. Технологические и эксплуатационные свойства

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схемы определения твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012)

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.7.1 а)

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .

Продолжительность выдержки τ: для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

Стандартными условиями являются: D ═ 10 мм; Р ═ 3000 кгс; τ ═ 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия : НВ D / P / τ, НВ 5/ 250 /30 – 80.

Метод Роквелла (ГОСТ 9013)

Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 7.1 б)

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” (Ø1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р

1, втечение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой.

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости А, В, С (табл. 7.1)

Таблица 7.1. Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Шкала	Обозначение	Индентор	Нагрузка, кг			Область применения
Шкала	Обозначение	Индентор	Р₀	Р₁	Р₂
А	HRA	Алмазный конус < 120⁰	10	50	60		Для особо твёрдых материалов
В	HRB	Стальной закаленный шарик Æ1/16^’’	10	90	100		Для относительно мягких материалов
С	HRC	Алмазный конус < 120⁰	10	140	150		Для относительно твёрдых материалов

Метод Виккерса

Твердость определяется по величине отпечатка (рис.7.1 в).

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136º.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои.Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости применяют для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс

Метод царапания.

Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.

Динамический метод (по Шору)

Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы. Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами. Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

Влияние температуры.

С повышением температуры вязкость увеличивается (см. рис. 7. 2).

Предел текучести S_т существенно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву S_от не зависит от температуры. При температуре выше Т_в предел текучести меньще сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии.

Прт температуре ниже Т_нсопротивление отрыву меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур

Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемно-центрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Рис. 7.2. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Способы оценки вязкости.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника,который поднимают на определенную высоту (рис. 7.3)

Рис.7.3. Схема испытания на ударную вязкость:

а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом;

в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

На разрушение образца затрачивается работа:

где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (а_н), — удельная работа разрушения.

где: F₀— площадь поперечного сечения в месте надреза.

В ГОСТ 9454 ударная вязкость обозначается KCV. KCU. KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 7.3 в)

Серийные испытания для оценки склонности металла к хладоломкости и определения критических порогов хладоломкости.

Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура ( а_н– Т) (рис. 7.3 г), определяя пороги хладоломкости.

Порог хладоломкости — температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации.

Оценка вязкости по виду излома.

При вязком состоянии металла в изломе более 90 % волокон, за верхний порог хладоломкости Т_в принимается температура, обеспечивающая такое состояние. При хрупком состоянии металла в изломе 10 % волокон, за нижний порог хладоломкости Т_н принимается температура, обеспечивающая такое состояние. В технике за порог хладоломкости принимают температуру, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40ºС.

Испытания на выностивость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость — разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.

Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис.7.4.

Рис 7.4. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе

круглого образца

1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение

2 – постепенное распространение трещины, гладкая притертая поверхность

3 – окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается ,а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение, хрупкое или вязкое

Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“. Схема представлена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б)

Основные характеристики:

Предел выносливпсти (σ _-1 – при симметричном изменении нагрузки, σ_R – при несимметричном изменении нагрузки) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N.

Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время.

Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещиныю.

Технологические свойства

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

1. Литейные свойства.

Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла заполнять литейную форму.

Усадка (линейная и объёмная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объём в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры с учетом усадки определенного металла…

Ликвация – неоднородность химического состава по объёму.

2. Способность материала к обработке давлением.

Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок, не разрушаясь.

Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным.

Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определённой высоты и изгиб.

Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

3. Свариваемость.

Это способность материала образовывать неразъёмные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.

4. Способность к обработке резанием.

Характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.

xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai

6. Способы определения механических свойств металлов

Каждая деталь машины или инструмент должны обладать определёнными механическими свойствами (прочностью, пластичностью, упругостью и др.) От этих свойств зависит качество деталей, а также обрабатываемость металла. Чтобы убедиться, что деталь удовлетворяет тем требованиям, которые к ней предъявляются, производят механические испытания. Наиболее распространенными являются испытания металла на растяжение, испытание на удар, определение твёрдости, выносливости и жаропрочности.

Прочность и пластичность.

Чтобы определить упругость, прочность и пластичность металла, изготовляют образец, определённой длинны и сечения, устанавливают его в зажимы 2 разрывной машины. Для этих целей чаще всего используют машины с гидравлической системой передачи усилия или с винтовой системой.

Растягивающая сила F создает напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превысит прочность образца, он разорвется.

Рис. 6 Определение механических свойств (источник: И.С. Стернин: Машиностроительные материалы)

В результате испытания получают диаграмму растяжения. Из диаграммы видно, что вначале образец удлиняется пропорционально нагрузке.

Прямолинейный участок OA соответствует обратимым, упругим деформациям. При разгрузке образец принимает исходные размеры (этот процесс описывается все тем же прямолинейным участком кривой). Искривленный участок АС соответствует необратимым, пластическим деформациям. При разгрузке (штриховая прямая СВ) образец не возвращается к начальным размерам и сохраняет некоторую остаточную деформацию.

От точки С образец удлиняется без увеличения нагрузки. Горизонтальный участок СМ диаграммы называется площадкой текучести. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести.

Твердость определяют сопротивлением материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Рис. 7 Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквелла; в – по Виккерса (источник: http://tm.msun.ru/)

Твердость по Бринеллю

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис. 7 а)

В качестве индентора (наконечника) используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – P=30D², литой бронзы и латуни – P=10D², алюминия и других очень мягких металлов – P=2,5D². Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80.

Твердость по Роквеллу

Этот метод основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой. (рис. 7 б)

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” (1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка P₀(10 кгс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, в течении некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой P₀.

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости:

Таблица.1 Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Шкала	Обозначение	Индентор	Нагрузка, кг			Область применения
Шкала	Обозначение	Индентор	P0	P1	P2	Область применения
A	HRA	Алмазный конус ≤1200	10	50	60	Для особо твёрдых материалов
B	HRB	Стальной закалённый шарик Ø1/16”	10	90	100	Для относительно мягких материалов
C	HRC	Алмазный конус ≤1200	10	140	150	Для относительно твёрдых материалов

Твердость по Виккерсу

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136º.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс.

Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей — в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа образцов или деталей определяют различными способами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами.

www.e-ope.ee

Определение механических свойств металлов по твердости :: Книги по металлургии

ТВЕРДОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

25. СВЯЗЬ МЕЖДУ МЕХАНИЧЕСКИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫМИ ИЗ ОПЫТОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ, И ПРЕДЕЛОМ ВЫНОСЛИВОСТИ

Вопрос о физической природе усталости не получил еще окончательного разрешения, что, в частности, согласно работе [59 ] можно объяснить тем, что локальность явлений при усталости превышает локальность применяемых методов исследований. Однако, несмотря на это, общепризнанным является то, что процесс усталости составляется из тех же частично накладывающихся одно на другое состояний (упругое, пластическое и разрушение), что и процесс при однократном нагружении. Кроме того, исследования показывают общность кристаллографических поверхностей и направлений сдвига при однократном и многократном нагружении монокристаллов [2]. Развитие усталостной трещины, так же как и развитие трещины при однократном нагружении, происходит из линий (поверхностей) пластических сдвигов [59]. Таким образом, механизм разрушения при однократном и многократном нагружении в первом приближении можно считать одинаковым. Более низкую прочность при повторном нагружении по сравнению с однократным можно объяснить тем, что при многократном нагружении сдвиги, а следовательно, и пластические деформации сосредотачиваются лишь в отдельных небольших объемах (рис. 71, в) образца, тогда как при однократном нагружении сдвиги распространяются на весь рабочий объем образца (рис. 71, б).В результате этого разрушение при многократном нагружении начинается в пластически продеформированных до предела отдельных небольших объемах образца при наличии большей части образца, которая подверглась нагружению лишь в пределах упругих деформаций. При однократном нагружении разрушение тоже может начаться в отдельных небольших объемах образца, но при условии, когда остальной объем образца претерпел пластическую деформацию, близкую к предельной. Ясно, что при таком механизме разрушения прочность при многократных нагрузках должна быть ниже, чем при однократном нагружении вследствие «индивидуальности» пластической деформации и разрушения при повторном нагружении.

Таким образом, можно считать, что разрушению металла от усталости предшествует накопление местных (локальных) макросдвигов и, следовательно, появление местных пластических деформаций, исчерпание которых приводит к местному разрушению.

Измерения микротвердости в местах разрушения образцов после однократного и многократного нагружения показали близкие значения твердости, что свидетельствует об одинаковых предельных пластических деформациях в месте разрушения при указанных видах нагружения [3].

Многочисленные наблюдения показывают, что разрушение от усталости начинается в местах концентрации деформаций (напряжений), которые могут быть металлургического происхождения (мельчайшие поры, тонкие неметаллические включения и т. д.), технологического (неровности поверхности, зависящие от степени шероховатости при механической обработке) и конструкционного (резкие переходы от одного сечения к другому).

Концентраторы напряжений могут вызывать большие местные напряжения при небольшом среднем напряжении, действующем на образец. Значительные местные напряжения могут привести при первом же нагружении к местной пластической деформации и дальнейшему накоплению деформаций такого вида, вплоть до полного использования запаса пластичности, и последующему местному разрушению, т. е. образованию усталостной трещины.

Таким образом, всякое разрушение от усталости по существу есть разрушение надрезанного образца вследствие израсходования пластичности, что происходит в результате способности металлов использовать запас пластичности малыми дозами при каждом повторном нагружении в местах концентрации напряжений.

На процесс разрушения металла при циклических нагрузках, по-видимому, будут оказывать влияние предел упругости и предельная пластичность. Чем выше предел упругости, тем более высокое напряжение потребуется для возникновения остаточных деформаций в местах концентрации напряжений при первом нагружении; чем выше пластичность, тем большее время потребуется для полного использования запаса пластичности для того, чтобы произошло разрушение. Однако использование запаса пластичности будет зависеть от того, насколько рабочее напряжение выше предела упругости. С увеличением разницы между рабочим напряжением и пределом упругости исчерпание пластичности будет происходить быстрее.

Процесс разрушения в местах концентрации напряжения зависит еще от объема металла, вовлекаемого в пластическую деформацию в этом районе. Чем больший объем металла вовлекается в пластическую деформацию в местах концентрации напряжений, тем большую работу необходимо затратить для того, чтобы разрушить металл в этом месте.

Наши исследования [34] показали, что объем металла, вовлекаемого в пластическую деформацию в местах концентрации напряжений, зависит от равномерной деформации. С повышением ψ_ρ увеличивается объем металла, вовлекаемого в пластическую деформацию в местах концентрации напряжений.

Согласно изложенному процесс усталостного разрушения в металлах можно рассматривать следующим образом.

1.Явление усталости проявляется лишь только в том случае, когда при первом циклическом нагружении металл в отдельных «слабых» небольших объемах выходит за предел упругости.

2. В тех объемах, в которых при первом нагружении напряжения достигают предела упругости, при дальнейшем повторении нагружения постепенно израсходуется запас пластичности и при полном его использовании наступает разрушение.

3. Явление усталости зависит от уровня предела упругости (пропорциональности) а_пд равномерной деформации ψ_ρ, предельной пластичности ψ «слабых» объемов металла и от рабочего напряжения.

Таким образом, на основании изложенного в первом приближении можно считать, что причиной усталости металлов является выход его при первом нагружении за предел упругости в наиболее «слабых» небольших объемах. Если в «слабых» небольших объемах при первом нагружении пластические деформации не возникают, то нет оснований к разрушению материала, так как в этом случае в образце не будут накапливаться пластические деформации; металл при этих условиях не будет подвержен усталости.

Эти соображения подтверждаются результатами испытания черных металлов, для которых характерен при определенных напряжениях выход кривой усталости практически на горизонтальный участок. Высказанные соображения говорят о том, что сопротивление усталости зависит от механических свойств металла, вследствие чего можно считать связь между пределом выносливости и другими механическими характеристиками оправданной.

Было проведено большое число исследований по сопоставлению предела выносливости при симметричном изгибе σ„_χ с другими механическими характеристиками, определяемыми из опытов при однократном нагружении, и предложено большое число формул. Ниже приведена часть этих формул, которые можно разбить на три группы.

markmet.ru

Механические свойства

Область напряжений, при которых происходит только упругая деформация, ограничена пределом пропорциональности ?_пц. В этой области в каждом зерне имеют место только упругие деформации, а для образца в целом выполняется закон Гука – деформация пропорциональна напряжению (отсюда и название предела).

Переход к пластическому состоянию наблюдается в таком интервале нагрузок, при которых движение дислокаций (и, следовательно, пластическая деформация) происходит только в отдельных кристаллических зернах, а в остальных продолжает реализовываться механизм упругой деформации.

Пластическое состояние реализуется, когда движение дислокаций происходит во всех зернах образца.

После перестройки дислокационной структуры (завершения пластической деформации) металл возвращается в упругое состояние, но с измененными упругими свойствами.

2.5. ТВЕРДОСТЬ

В единицах HRC часто формулируют требования к качеству поверхности стальных деталей после термообработки. Твердость HRC в наибольшей степени отражает уровень рабочих характеристик высокопрочных сталей, а с учетом простоты измерений по Роквеллу, очень широко применяется на практике. Подробно о методе Роквелла с описанием различных шкал и твердости разных классов материалов см. http://www.fast-const.ru/articles.php?article_id=2

3.1. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ (ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ)

Свойство противостоять усталости называется выносливостью. Её важнейшей характеристикой является предел выносливости. Он показывает наибольшее напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения после заданного числа циклов. Чаще используют симметричные знако-переменные циклы (поочередно действуют одинаковые по амплитуде сжимающие и растягивающие напряжения), в таких случаях предел выносливости обозначается ?_-1.

Испытания на усталостную прочность регламентированы в ГОСТ 25.502.79 и в ГОСТ 25.505-85

В другом варианте нижний индекс указывает допустимую скорость установившейся ползучести.

Для получения необходимой полноты сведений о свойствах необходимо пользоваться не ГОСТами, в которых приведены несколько легкоизмеряемых величин,а справочной литературой.

normis.com.ua

Контроль структуры и свойств металла

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.

По характеру изменения во времени действующей нагрузки механические испытания могут быть статическими (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамическими (на ударный изгиб) и циклическими (на усталость).

По воздействию температуры на процесс их делят на испытания при комнатной температуре, низкотемпературные и высокотемпературные (на длительную прочность, ползучесть).

Статические испытания проводятся при воздействии на образец с определенной скоростью постоянно действующей нагрузки. Скорость деформации составляет от 10^—⁴ до 10^—¹ с^—¹. Статические испытания на растяжение относятся к наиболее распространенным. Свойства, определяемые при этих испытаниях, приведены в многочисленных стандартах по техническим условиям на материалы. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение.

Динамические испытания характеризуются приложением к образцу ударной нагрузки и значительной скоростью деформации. Длительность испытания не превышает сотен долей секунды. Скорость деформации составляет около 10² с^—¹. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме ударного изгиба образцов с надрезом.

Циклические испытания характеризуются многократными изменениями нагрузки по величине и по направлению. Примером испытаний являются испытания на усталость, они длительны и по их результату определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжения. В конечном итоге находят предельные напряжения, который образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

Испытания на твердость.

Простейшим механическим свойством является твердость. Методы определения твердости в зависимости от скорости приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по способу ее приложения — на методы вдавливания и царапания. Методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.

Твердость — это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.

При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы испытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и некоторые другие.

При испытании материалов на твердость не изготавливают стандартных специальных образцов, однако к размерам и поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.

Твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) устанавливают путем вдавливания в металл индентора — алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под действием постоянной нагрузки Р: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой в течение 10-15 с. Для определения твердости черных металлов и сплавов используют нагрузки от 5 до 100 кгс, медных сплавов — от 2,5 до 50 кгс, алюминиевых сплавов — от 1 до 100 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора находят длину диагонали отпечатка, а твердость HVрассчитывают по формуле

HV = 1,854*P/d²

где Р — нагрузка, кгс; d- диагональ отпечатка, мм.

Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и длины диагонали. Поэтому на практике вычислений не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HVизмеряется в кгс/мм², Н/мм² или МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс.

По методу Бриннелля вдавливают в образец или изделие стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием нагрузок 3000, 1000, 750, 500, 250, 62,5 кгс и др. (ГОСТ 9012-59, рис. 1.). Полученный круглый отпечаток на образце измеряют под лупой и по таблицам находят величину твердости по Бринеллю, значение которой не превышает 450 НВ. Твердость по Бринеллю почти совпадает со значениями твердости по Виккерсу.

Твердость НВ — это также величина напряжений сопротивления вдавливанию:

HB=P/F_ot=P/πDt=2P/πD(D-√(D²-d²))

где P- нагрузка, кгс;

F_ot— площадь отпечатка, мм²;

t- глубина сегмента отпечатка;

D- диаметр шарика, мм;

d- диаметр отпечатка, мм.

Твердость по Бринеллю НВ (по умолчанию) имеет размерность кгс/мм², например, твердость алюминиевого сплава равна 70 НВ. При нагрузке, определяемой в ньютонах, твердость по Бринеллю измеряется в МПа. Например, твердость отожженной стали равна 207 НВ при нагрузке 3000 кгс, диаметре шарика 10 мм, диаметре отпечатка 4,2 мм или, учитывая коэффициент перевода: 1 Н = 9,8 кгс,

НВ = 2 028 МПа.

Рис. 1. Схема определения твердости по Бринеллю

По методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В).

При этом определяют твердость, соответственно, HRA, HRC и HRB. В настоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Роквелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после снятия основной нагрузки.

Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок — предварительной Р₀ и основной Р₁ которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р₀ + Р₁ После выдержки в течение нескольких секунд основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предварительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно деление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.

На рис. 2 представлена схема измерения твердости по методу Роквелла алмазным или твердосплавным конусом. При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором — алмазным конусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как

HRC= t/0,002=100-(H-h)/0,002

По шкале В (нагрузка 100 кгс, шарик)

HRB = 130-(H-h)/0,002

Рис. 2. Схема определения твердости по Роквеллу (индентор — конус)

На практике значения твердости по Роквеллу не рассчитываются по формулам, а считываются с соответствующей (черной или красной) шкалы прибора. Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB -для низкой. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой.

Испытание на растяжение материалов проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение». Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения при температуре 20 °С пределов пропорциональности, упругости, текучести, временного сопротивления разрыву, относительного удлинения и относительного сужения, модуля упругости.

Для испытаний применяют плоские и цилиндрические образцы, вырезанные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов регламентированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому подобию и могут быть короткими и длинными. Для цилиндрического образца берется соотношение начальной рабочей длины l₀ и исходного диаметра d₀: l₀= 5d₀— короткий образец, l₀= 10d₀— длинный образец. Для плоского образцаберется соотношение рабочей длины l₀ и площади поперечного сечения F₀:

l₀= 5,65√F₀ — короткий образец, l₀= 11,3√F₀ — длинный образец. Цилиндрические образцы изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной l₀ и головок, форма и размер которых соответствуют захватам машины (рис. 3).

Рис. 3. Цилиндрические и плоские образцы до (а) и после (б) испытания на растяжение

Растяжение образца проводят на специальных машинах, позволяющих фиксировать величину прилагаемой нагрузки и изменение длины образца при растяжении. Эти же машины дают возможность записывать изменение длины образца при увеличении нагрузки (рис. 4), т.е. первичную диаграмму испытания на растяжение в координатах: нагрузка Р, Н, кН; и абсолютное удлинение образца А, мм.

Рис. 4. Первичная диаграмма растяжения

Измеряя величину нагрузки в характерных точках диаграммы испытаний на растяжение (рис.4), определяют следующие параметры механических свойств материалов:

σ _пц— предел пропорциональности, точка р;

σ _0,05 — предел упругости, точка е;

σ _т — предел текучести физический, точка s;

σ _0,2— предел текучести условный;

σ _в — временное сопротивление разрыву, или предел прочности, точка b.

Значения 0,05 и 0,2 в записи предела упругости и текучести соответствуют величине остаточной деформации ∆l в процентах от l₀ при растяжении образца. Напряжения при испытании на растяжение вычисляют путем деления нагрузки Р, соответствующей характерной точке на диаграмме, на площадь первоначального поперечного сечения F₀ рабочей части испытуемого образца:

σ_пц=P_пц / F₀ ; σ_0,05=P_0,05 / F₀ ; σ_т=P_т / F₀ , или σ_в=P_max / F₀ ;

Площадь поперечного сечение F₀определяется по следующим формулам:

для цилиндрического образца

F₀ = πd₀²/ 4

для плоского образца

F₀ = a₀*b₀

где а₀ — первоначальная толщина; b₀ — первоначальная ширина образца.

В точке k устанавливают напряжение сопротивления разрушению материала.

Предел пропорциональности и предел упругости определяют с помощью тензометра (прибор для определения величины деформации). Предел текучести физический и условный рассчитывают, находя нагрузку по диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести, то для вычисления условного предела текучести необходимо провести графические построения на диаграмме (рис. 1.5). Вначале находят величину остаточной деформации, равную 0,2 % от l₀, далее отмечают отрезок на оси деформации, равный 0,2 % от l₀, и проводят линию, параллельную пропорциональному участку диаграммы растяжения, до пересечения с кривой растяжения.

Рис. 5. Определение предела текучести

Нагрузка P_0,2соответствует точке их пересечения. Физический и условный предел текучести характеризуют способность материала к началу пластической деформации, т.е. сопротивление малой пластической деформации.

Предел прочности можно подсчитать, используя показания силоизмерителя, по максимальной нагрузке Р_max при разрыве либо найти Р_max (Р_в) по первичной диаграмме растяжения. Характер деформации при растяжении вязких и хрупких материалов существенно различается.

Хрупкие материалы после достижения максимальной нагрузки быстро разрушаются без значительной пластической деформации, поэтому σ_в для

хрупких материалов является характеристикой сопротивления разрушению, а для пластичных — характеристикой сопротивления деформации.

Напряжение разрушения определяют как истинное. При этом нагрузку разрушения делят на конечную площадь поперечного сечения образца после разрушения F_K:

S_к=P_к/F_к

Все рассчитанные таким образом величины являются характеристиками прочности материала.

Пластичность, т.е. способность деформироваться без разрушения, характеризуется изменениями размеров образца. При испытании на разрыв определяют следующие характеристики пластичности:

относительное удлинение

δ=(l_k-l₀)/ l₀*100%

относительное сужение

Ψ=(F_0к-F)/ F₀*100%

где l_к, F_к — соответственно, длина рабочей части и площадь поперечного сечения образца после разрыва.

Рассчитанные характеристики механических свойств после испытания на растяжение заносятся в протокол.

Испытания на ударный изгиб.

Ударная вязкость характеризует удельную работу, затрачиваемую на разрушение при ударе образца с надрезом. Ударная вязкость испытывается на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах». Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и устанавливает метод испытания при температурах от -100 до +1000 °С. Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентратором напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе К, или ударную вязкость КС.

Используют образцы прямоугольной формы с концентратором типа U, V, Т (усталостная трещина). Наиболее распространенными образцами являются образцы размерами 55x10x10 мм с U-концентратом 2×2 мм (рис. 6).

Рис. 6. Стандартный образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб

На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает двигаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, затрачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения. По величине этого угла и определяют работу удара К или работу, затраченную на разрушение образца. Работу разрушения К относят к площади поперечного сечения образца Soв месте излома и тем самым находят КС — ударную вязкость:

KC = K/S₀,

где Kизмеряется в Дж (кгс*м), S₀— в м² (см²).

В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается

KCU, KCV, КСТ и имеет размерность МДж/м² (МДж/см²) или кгс*м/см².