Испытание материалов на растяжение - Студопедия

При этом виде испытаний определяют прочностные и пластические свойства материалов.

Прочность – это способность тве­рдого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием ста­тических или динамических нагрузок. Прочность определяют с помощью спе­циальных механических испытаний об­разцов, изготовленных из исследуемого материала строго определенных размеров и формы. Испытания проводят в соответствии со стандартной методикой в соответствии с ГОСТ 1497-61.

Рис.5 Плоский образец для испытания на прочность и пластичность при растяже­нии:l₀ – исходнаядлина образца до ис­пытания; l – длина образца после испытания

В процессе испытания проводится запись кривой растяжения в координатах: усилие растяжения – удлинение. Для большинства материалов изобразим характерный вид этой зависимости.

где F₀ – площадь поперечного сечения.

Пластичность — это способность материала получать остаточное измене­ние формы и размера без разрушения.

Для определения пластических свойств материалов в расчетах используют результаты полученные после завершения испытания (геометрические размеры испытанного образца)

e(%), y(%) – относятся к пластическим характеристикам и определение их значений является обязательным для металлов и сплавов используемых при изготовлении изделий холодным пластическим способом (холодная штамповка, холодное выдавливание). В нормативно-технической документации, а также в сертификатах на поставляемую продукции всегда указываются эти показатели.

Испытания на ударную вязкость (а_Н либо КСU, KCV, KCA)

Этот вид испытания позволяет установить минимально допустимую рабочую температуру материала. Испытания проводят стандартных образцах по методике в соответствии с ГОСТ 9454-61. Форма и размеры образца для испытания:

Испытания - разрушение уда­ром стандартного образца на копре. Падающий груз разрушает образец.

В результате испытания на шкале установки регистрируется работа, затраченная на разрушение:

КС – вязкость разрушения. U, V, A – форма разреза.

КСU – ударная вязкость определяемая для материалов со средним значением этого показателя;

KCV – ударная вязкость определяемая для материалов с высокой вязкостью;

KCA – ударная вязкость для материала прошедшего механическое старение – этот показатель свойств является ответственным за надежную работу изделия подвергнутого пластической деформации и имеющего остаточную деформацию больше 10%. Пример: изогнутый участок трубопровода.

Для установления минимально допустимой рабочей температуры материала испытанию подвергают серию контрольных образцов на ударную вязкость при различных температурах. При каждой температуре должно быть испытано не менее 5 образцов с последующим определением среднего значения ударной вязкости. Для нагрева образцов применяют нагревательные лабораторные печи, для охлаждения используют низкотемпературные камеры. В качестве охладителя применяют: фреон и углекислоту Т=-80°С и жидкий азот Т=-196°С.

По полученным результатам строят зависимость в координатах ударная вязкость – температура испытаний.

Температура, при которой материал резко переходит из вязкого в хрупкое состояние называется температурным порогом хладноломкости (Т₅₀ ).

Для некоторых материалов по такой зависимости определить температуру порога хладноломкости невозможно, т.к. отсутствует резкий переход материала в хрупкое состояние. Для таких материалов дополнительно проводят фрактографические исследования, – сущность которых заключается в анализе поверхности излома.

%В – процент занимаемой вязкой составляющей в изломе

Подготовка образцов для проведения испытаний на ударную вязкость

• CNM-158A1
  Фрезерный станок с регулируемой скоростью вращения двигателя
• Модкль CNС
  Вертикальный фрезерный станок для изготовления испытательных ударных образцов с функцией нанесения 'U' и 'V' надрезов
• CNB 35
  Ручной протяжной станок для нанесения U или V образных надрезов.
• CNB 31 - CNB 34
  CNB 31 - Моторизованный протяжной станок с нерегулируемой скоростью нанесения надреза. CNB 34 - Моторизованный протяжной станок с регулируемой скоростью нанесения надреза.
• Станок позволяет с высокой точностью делать 'U' или 'V' надрез на любом типе пластмасс.
• Протяжные ножи для нанесения 'V' или 'U' образных надрезов на ударные образци
• Калибры образцов
  Сертифицированные по UKAS калибры для проверки размеров и глубины надреза.

Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Основным отличием ударных нагрузок от испытаний на растяжение-сжатие или изгиб является гораздо более высокая скорость выделения энергии. Таким образом, ударная вязкость характеризует способность материала к быстрому поглощению энергии.Обычно оценивается работа до разрушения или разрыва испытываемого образца при ударной нагрузке, отнесённой к площади его сечения в месте приложения нагрузки. Выражается в Дж/см 2 или в кДж/м 2 .

Среди распространенных методов испытаний на ударопрочность следует отметить:
Испытания по Шарпи
Испытания по Изоду
Испытания по Гарднеру.

3-Ударная вязкость

РАБОТА №3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы. Ознакомиться с критериями для оценки сопротивления конструкционных материалов быстродействующим (динамическим) нагрузкам; практическое изучение методики динамических испытаний и определения ударной вязкости.

Общие сведения. Многие изделия подвергаются в процессе эксплуатации динамическим, в частности ударным, нагрузкам. Прочность и пластичность материалов, используемых в таких изделиях, уже не может оцениваться критериями, получаемыми в результате статических испытаний; нужен критерий динамической прочности – механическое сопротивление ударному разрушению.

П
о статистике для техники, работающей в условиях холодного климата в более 80% от всех случаев выхода из строя машин и агрегатов причиной является хрупкое разрушение от ударных нагрузок при низких температурах, в первую очередь деталей ходовой части, силовых элементов, несущих конструкций и т.д.

Предметы быта, различные приборы и конструкции, не предназначенные для работы с нагрузками, также ломаются чаще всего от случайных ударов. Существует в техническом жаргоне термин «эффект пьяного механика».

Следовательно, необходимы ударные испытания материалов и конструкций в различных условиях, моделирующих реальные эксплуатационные. Имеются различные методики, стандартизированные по международным и национальным нормативам, есть и применяемые только в отдельных фирмах.

Так, в концерне ФИАТ существует метод оценки стойкости на ударное разрушение автомобильных бензобаков, заключающийся в сбрасывании заполненных водой опытных образцов бензобаков с 10-го этажа на бетон.

Почти повсеместно используется в последнее время нестандартизованный метод пробоя падающим грузом для оценки стойкости на удар труб (рис.3.1), при котором на образец трубы с фиксированной высоты сбрасывается пробойник с меняющимся грузом. Определяется масса груза, при котором образуются трещины или достигается пробой в половине случаев падения. Аналогичный метод используется для оценки качества пленок и пластин.

Общепринятой характеристикой сопротивления материала ударному разрушению является ударная вязкостьа целого образца илиа_н образца с надрезом. Она равна работе, расходуемой для разрушения образца, отнесенной к площади поперечного сечения образца (в месте надреза):

где А_н- работа, затраченная на деформацию и разрушение образца, в Дж ;

s - площадь поперечного сечения образца (в месте надреза) м 2 .

Стойкость на удар определяется суммой работ на деформацию и последующее разрушение (на прорастание магистральной трещины) единицы площади сечения :

По теории образец сначала деформируется, затем появляется трещина, которая должна прорасти через весь образец, на что также должна затрачиваться энергия, хотя бы на образование новых поверхностей. На графике зависимости силы сопротивленияF образца от пути ударниках должна быть прямая линия от 0 до некоторого максимума,F_max . после чего падение до нуля (точкаК). Работа ударника на деформацию и разрушение образца здесь будет равна площади треугольника0 -F_max– К (рис. 3.2).

Как показали эксперименты по записи деформационных кривых, во многих случаях невозможно оценить работу на развитие трещины, так как после образования трещины она часто распространяется за счет накопленной ранее упругой энергии. Наибольшее сопротивление ударному разрушению оказывают вязкие материалы, которые успевают при ударе деформироваться и поглотить энергию на эту деформацию.

Прочность, определяемая максимальным напряжением, испытываемым материалом, имеет второстепенное значение. Поэтому стойкость на удар называют не ударной прочностью, а ударной вязкостью.

Вязкость материала зависит от скорости, с которой наносится удар, от температуры, формы и размеров образца. Ударная вязкость резко снижается при высоких ударных скоростях, при температурах значительно ниже 0?С, а также при профиле детали, способствующем концентрации напряжений.

Очень хрупкие материалы (стекло, бетон, чугун, силумины, закаленная инструментальная сталь) обычно не испытывают на ударную вязкость. Но если материал назначается для конструкции, эксплуатация которой предусматривает даже просто возможность ударных нагрузок, то он должен в паспорте иметь данные по устойчивости на удар (а илиа_н ) - ударную пробу.

Ударную вязкость определяют по разным методам, наиболее распространенными являются методы испытаний по Шарпи (трехточечный ударный изгиб) и по Изоду (ударный изгиб консольного образца) (рис. 3.4). По Шарпи испытывают образцы как с надрезом, так и без надреза, а по Изоду только с надрезом.

Испытания проводят обычно на маятниковых копрах. Копер - это молот, вращающийся как маятник на горизонтальной оси (рис.3.5). Высота начального подъема молота определяет запас энергииЕ_о (начальную потенциальную энергию Е_о= mgh_o ). После удара и затраты энергии на деформацию и разрушение образцаА. а также на преодоление сил тренияА_тр энергия молота уменьшится, молот поднимется на меньшую высоту, энергия будетЕ₁= mgh₁. Испытательные молоты имеют шкалы энергии, по которым можно непосредственно определитьЕ_о и Е₁ . Работа молота на деформацию и разрушение образца определится какА = Е_о +А_тр - Е₁

Значение ударной вязкости а рассчитывается как отношение работы разрушения на площадь сечения образца

где b и h – ширина и толщина образца (если с надрезом, то толщина в месте надреза)

Для испытания на ударную вязкость применяются стандартные образцы. Так, для стали образцы по Шарпи имеют согласно ГОСТ 9454-78 размеры, указанные на рис. 3.6 и табл. 3.1. Надрез делается на образце для создания в нем неравномерных напряжений, что в значительной степени способствует хрупкому разрушению. Форма, размеры и способ обработки места надреза оказывают большое влияние на результаты испытания. Чем глубже и острее надрез или чем грубее он сделан, тем меньшее значение ударной вязкости получается у образца при испытании. Надрез образца должен быть строго перпендикулярен к его граням. Радиус закругления принимают равным 1?0,07 мм.

Табл.3.1. Стандартные образцы стали на ударный изгиб по Шарпи по ГОСТ 9454-78 размеры в мм).

Вопрос о концентраторе напряжений с методической точки зрения не вполне согласован между разными стандартами и странами. Пропил надреза в странах СНГ производится разово фрезой со стандартным радиусом закругления концов зубьев, что предусматривает периодическую по мере изнашивания перезаточку, а это является сложной в техническом плане операцией. Наиболее простой выход разработан французами, которые сначала делают сверление на нужном расстоянии от поверхности сквозной дырки определенного радиуса, затем любой пилой прорезают надрез до дырки.

Результаты испытания сильно зависят также от того, как образец вырезался: вдоль или поперек текстуры материала.

Испытания проводятся на маятниковом копре CHEAST RESIL 25 (рис.3.7). Копер предназначен для определения ударной вязкости различных материалов, работа на разрушение которых не превышает 25 Дж (пластмассы, керамика, древесина, литьевые сплавы и т.д.). Погрешность определения работы разрушения менее 2% предела шкалы.

Копер представляет собой прибор, регистрирующий автоматически угол поворота маятника. Прибор имеет встроенный процессор, который рассчитывает незамедлительно значение работы копра на разрушение образца и высвечивает его на дисплее.

При испытаниях по Шарпи применяется молот с запасом энергии 11 Дж. Скорость удара 3,46 м/с согласно американского стандарта ASTM D256, что вполне соответствует международномуISO 179 (3,15…3,85 м/с), но несколько выше нормы скорости удара для российского (2,8 м/с) и меньшенемецкого DIN 53488 (3,6…4,0 м/с) стандартов.

Молот перед ударом поднимается на высоту выше оси почти горизонтально и ставится на защелку. Сбрасывание молота осуществляется одновременным нажатием двух кнопок внизу слева и справа прибора.

Копер имеет сетчатый кожух с боков и прозрачную поликарбонатную лицевую дверцу-крышку, предназначенные для защиты персонала от разлетающихся осколков. Причем сброс молота на образец может быть произведен только при закрытой дверце.

Оборудование, материалы и инструменты. Ударный копер, образцы различных материалов, штангенциркуль.

Порядок выполнения работы.

Изучить работу маятникового копра.

Ознакомиться с правилами по технике безопасности при работе на маятниковых копрах.

Включить установку (зеленая кнопка “MAIN SWITCH”).

Установить ступенчатым регулятором шкалу 11 Дж, поставить двухпозиционный переключатель“SCALE SWITCH” вверх.

Подготовить таблицу испытаний

Провести испытания молота без образца. Для этого поднять молот и поставить на защелку, закрыть дверцу. Нажатием одновременно обеих кнопок внизу с боков установки сбросить молот. Записать значение работы копра на трение А_о.

Провести испытания образцов. Для этого измерить их ширину и высоту в месте надреза с точностью до 0,1 мм и подсчитать F - площадь поперечного сечения образцов в месте надреза. Поместить образец на опоры надрезом в сторону, противоположную удару, и установить его симметрично относительно опор и ножа маятника (рис.3.6). Произвести спуск молота. Записать общее значение работы копра (на деформацию и разрушение образца + трение самого прибора)А.

Если разрушение образца (фактическое разделение на части) не произошло, то это означает, что высота подъема маятника была недостаточно для его разрушения. Такое испытание надо считать неудавшимся и его надо повторить на образцах с большим надрезом.

Рассчитать значение ударной вязкости образца по формуле:

Повторить испытания для всех образцов.

Определить среднеарифметическое значение

где n - количество образцов.

Рассчитать среднеквадратичное отклонение по формуле

Контрольные вопросы и задания. 1.Значение ударного разрушения материалов и конструкций. 2. Диаграмма «деформация-напряжение» для ударного нагружения. 3. Ударная вязкость. 4. Хрупкое разрушение. 5. Вязкое разрушение. 6. Влияние концентратора напряжений на разрушение материала. 7. Методы испытаний на ударное разрушение материалов и конструкций. 8. Влияние скорости механического нагружения на механизм разрушения материала. 9. Влияние температуры на механизм разрушения материала. 10. Ударопрочные материалы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МАТЕРИАЛА

1. Приобрести навыки определения ударной вязкости материала при испытании образцов на ударный изгиб.

2. Определить нижнюю и верхнюю критические температуры хрупкости углеродистой стали.

3. Исследовать влияние отпускной хрупкости на ударную вязкость легированной стали.

Приборы, материалы и инструмент

1. Маятниковый копер.

2. Образцы для ударных испытаний из углеродистой и легированной стали.

4. Печь для нагрева образцов и камера для их охлаждения.

Краткие сведения из теории

Среди многочисленных методов ударных испытаний наиболее широкое практическое применение нашел метод испытания на ударный изгиб с измерением величины ударной вязкости. Эта характеристика механических свойств играет огромную роль при оценке служебных свойств конструкционных, а также инструментальных сталей.

В процессе эксплуатации деталей могут возникнуть внешние факторы, под воздействием которых материал становится хрупким:

- увеличение скорости деформирования (возникновение ударных нагрузок);

- возникновение двухосного и трехосного напряженных состояний;

- образование концентраторов напряжений – надрезов, трещин и т.д.

Склонность стали к хрупкому разрушению возрастает также при повышенном содержании фосфора, концентрирующегося по границам зерен, при крупнозернистой структуре, при наличии карбидов по границам зерен, полосчатости, т.е. под влиянием целого ряда внутренних структурных факторов.

Определение ударной вязкости при динамических испытаниях на ударный изгиб является основным практическим методом оценки склонности стали к хрупкому разрушению.

Испытание на ударный изгиб основано на разрушении образца с концентратором напряжений посредине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах (рис. 11.1). В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе, и рассчитывают ударную вязкость. Роль концентратора сводится к следующему. При испытаниях стальных образцов на ударный изгиб напряжения и деформации локализуются в ограниченном объеме металла вокруг надреза. Именно здесь поглощается практически вся работа удара. Чем глубже и острее надрез и больше ширина сечения образца, тем больше величина продольных и поперечных нормальных напряжений в районе вершины надреза и тем меньше работа удара. ГОСТ 9454-78 предполагает три вида (формы) концентраторов: U-образный с радиусом в вершине R=1 мм, V-образный с R = 0,25 мм и Т-образный с усталостной трещиной. В соответствии с этим при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза – KCU, KCV, KCT.

Рисунок 11.1 – Форма и размеры образца для испытаний на ударную вязкость

Испытания образцов на ударный изгиб проводятся на маятниковых копрах типа МК (например, МК-30). Разрушение осуществляется маятником, свободно качающимся на горизонтальной оси, укрепленной в шарикоподшипниках на стойках копра. Образец устанавливают на нижних опорах копра симметрично относительно опор и так, чтобы надрез был обращен в сторону, противоположную направлению удара (рис. 11.2).

Рисунок 11.2 – Схема ударного изгиба на маятниковом копре

При динамических испытаниях не соблюдается принцип подобия, поэтому они жестко унифицированы как по параметрам образцов, так и по условиям проведения экспериментов. Их проводят на маятниковых копрах (рис. 11.2) с использованием стандартных образцов. Копер состоит из тяжелого маятника, свободно качающегося на его оси, и специального шаблона, обеспечивающего установку надреза строго в середине пролета ножа маятника между опорами. При этом удар маятника производится со стороны, противоположной надрезу.

Величина KCU характеризует ударную вязкость материала при отсутствии ярко выраженного концентратора напряжения. Величина KCV характеризует ударную вязкость материала при наличии концентратора напряжения. Данный параметр используют, например, при оценке пригодности материалов для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.

Известно, что работа разрушения состоит из работы зарождения трещины и работы распространения трещины. Величина KCT характеризует работу распространения трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Он учитывается при выборе металлов и сплавов для конструкций особо ответственного назначения (летательные аппараты, роторы турбин и т. п.).

Разрушение образца осуществляется за счет потенциальной энергии падающего маятника при отключении его из положения равновесия на угол α или высоту Н (рис. 11.4). Общий запас энергии расходуется на изгиб и разрушение образца, а также последующий взлет маятника на высоту h. соответствующую углу отклонения β. Величина работы, затраченная на излом образца К. определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара:

где Р – вес маятника (н),

Н – первоначальная высота подъема маятника (м),

h – высота взлета маятника после удара (м).

Если длина маятника L. то

где P и L для данного копра – величины постоянные.

Углы α и β определяются по шкале прибора, однако на практике для каждого угла β величина работы определяется по специальным таблицам или шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника α фиксирован. Обычно он равен 150 0 .

Зная полную работу разрушения образца К. можно рассчитать основную характеристику динамических испытаний – ударную вязкость KCU, KCV или KCT. Ударная вязкость – это работа, израсходованная на ударный излом образца, отнесенная к площади его поперечного сечения в месте надреза:

где F – площадь сечения в месте надреза, м 2 .

Испытания на ударную вязкость проводятся для оценки надежности и работоспособности материалов в условиях динамического нагружения и их склонности к хрупкому разрушению, которые, в свою очередь, зависят от скорости изменения нагрузки и “мягкости” напряженного состояния. Поскольку ударная вязкость является интегральной характеристикой материала, зависящей одновременно от прочности и пластичности, то она более резко реагирует на изменения структурного состояния материалов, чем другие свойства, что особенно ярко проявляется при пониженных температурах.

Определение критических температур хрупкости. Хладноломкость металлов. Явление хладноломкости заключается в переходе металлов при понижении температуры из пластического состояния в хрупкое. Охрупчивание материалов связано с достижением критической температуры хрупкости (порога хладноломкости). К хладноломким относятся прежде всего материалы с ОЦК решеткой. Материалы с ГЦК решеткой не проявляют ярко выраженных признаков хладноломкости.

На практике подавляющее большинство материалов с ОЦК решеткой теряют пластические свойства в интервале температур, называемом интервалом вязко-хрупкого перехода. Это проявляется в увеличении доли хрупкой составляющей на поверхности вязко-хрупких изломов при понижении температуры испытания. Поэтому вводят понятие верхней (Т_хр в ) и нижней (Т_хр н ) критических температур хрупкости. При этом, Т_хр в характеризует начало охрупчивания материала при понижении температуры, а Т_хр н – переход материала в хрупкое состояние.

Среди известных методов оценки критических температур хрупкости материалов можно выделить две основные группы.

К первой группе относятся методы, основанные на изучении температурной зависимости механических характеристик исследуемых материалов при динамическом нагружении. Основоположниками данного метода можно считать Людвига и Иоффе. Давиденков предложил для определения критических температур хрупкости использовать температурную зависимость ударной вязкости стандартных образцов. Данная кривая в интервале вязко-хрупкого перехода имеет S-образный характер и позволяет определять как нижнюю (Т_хр н ), так и верхнюю (Т_хр в ) критические температуры хрупкости (рис. 11.3 а). В настоящее время это самый распространенный метод, применяемый для текущего контроля качества плавки стали.

Ко второй группе относятся фрактографические методы определения критической температуры хрупкости, основанные на макро- и микрофрактографическом анализе изломов. Фрактографические методы определения критических температур хрупкости металлических материалов основаны на определении доли вязкой составляющей (В) в изломе (рис. 11.3 б) или длины стабильной вязкой зоны l_c (рис. 11.4) в очаге разрушения (рис. 11.3 в). При макрофрактографическом анализе под вязкой составляющей в изломе пронимают участки поверхности разрушения, характеризующиеся при визуальном наблюдении волокнистым строением, а при микрофрактографическом исследовании – ямочным микрорельефом. Поэтому данные методы определения критических температур хрупкости применим как для сосредоточенных, так и для рассредоточенных изломов (см. рис. 3.4).

Рисунок 11.3 – Температурные зависимости ударной вязкости (KCU) (а) и вязкой составляющей в изломе (В) (б) и длины вязкой зоны (l_с ) (в)

Порядок выполнения работы «б»:

4. Провести ударные испытания серии образцов из углеродистой стали в интервале температур, указанном преподавателем.

5. Определить ударную вязкость для каждой температуры испытания.

6. Определить процентное содержание вязкой (волокнисто) составляющей на поверхности изломов для каждой температуры испытания.

7. Построить график температурной зависимости ударной вязкости исследуемой стали и процентное содержание вязкой (волокнисто) составляющей на поверхности изломов.

8. Определить нижнюю (Т_хр н ) и верхнюю (Т_хр в ) критические температуры хрупкости стали по вышеуказанным графикам. Сравнить полученные результаты.

Порядок выполнения работы «в»:

1. Провести ударные испытания в интервале температур отпускной хрупкости образцов из легированной стали после закалки и отпуска, проведенного при медленном и быстром охлаждении.

2. Сравнить значения ударной вязкости стали и описать полученные изломы.

3. Сделать вывод о влиянии отпускной хрупкости на ударную вязкость стали и вид изломов.

1. Что такое ударная вязкость, и в каких единицах она измеряется?

2. Определите физический смысл величины ударной вязкости.

3. Какие образцы используют для определения ударной вязкости.

4. В чем состоит принцип работы маятникового копра?

5. Для каких целей использую значения ударной вязкости: KCU, KCV и KCT?

6. Если определить KCV и KCT для одного материала, то какая величина будет больше? Почему

7. Какие материалы подвергаются испытаниям на ударную вязкость?

8. Как определить нижнюю и верхнюю критические температуры хрупкости стали:

- по результатам испытаний образцов на ударную вязкость?

- по результатам оценки процентное содержание вязкой (волокнисто) составляющей на поверхности изломов?

- по длине зоны стабильного роста трещины l_c ?

9. Какие факторы влияют на положение температурного порога хладноломкости в сталях?

10. Что такое «Отпускная хрупкость»? Какие виды отпускной хрупкости Вы знаете?

Лабораторная работа 12

Методики испытаний механических свойств

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 10 2 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.

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

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/мм 2. Н/мм 2 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-√(D 2 -d 2 ))

D- диаметр шарика, мм;

d- диаметр отпечатка, мм.

Твердость по Бринеллю НВ (по умолчанию) имеет размерность кгс/мм 2. 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,

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

По шкале В (нагрузка 100 кгс, шарик)

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 образца берется 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).

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:

Площадь поперечного сечение F₀ определяется по следующим формулам:

для цилиндрического образца

для плоского образца

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.

Нагрузка P_0,2 соответствует 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 :

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:

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.

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 2x2 мм (рис. 6).

Рис. 6. Стандартный образец сU-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:

где Kизмеряется в Дж (кгс*м), S₀ — в м 2 (см 2 ).

В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается