Механические испытания и определение химического состава металлов. Механические испытания

Расчеты и испытания на прочность в машиностроении МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ

Методы испытаний на усталость

Strength analysis and testing in machine ГОСТ 23026-78

building. Methods of metals mechanical и ГОСТ 2860-65

testing. Methods of fatigue testing в части 6Л и 6.2

МКС 77.040.10 ОКП 00 2500

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 30 ноября 1979 г. № 4146 дата введения установлена

Ограничение срока действия снято по протоколу № 2-92 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 2-93)

Настоящий стандарт устанавливает методы испытаний образцов металлов и сплавов на усталость:

при растяжении - сжатии, изгибе и кручении;

при симметричных и асимметричных циклах напряжений или деформаций, изменяющихся по простому периодическому закону с постоянными параметрами;

при наличии и отсутствии концентрации напряжений;

при нормальной, повышенной и пониженной температурах;

при наличии или отсутствии агрессивной среды;

в много- и малоцикловой упругой и упругопластической области.

Термины, определения и обозначения, применяемые в стандарте, - по ГОСТ 23207-78.

Стандарт не устанавливает специальные методы испытаний образцов, используемые при отработке прочности высоконапряженных конструкций.

Разделы 2-4 стандарта и приложения могут быть использованы для испытаний на усталость элементов машин и конструкций.

1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ

1.1. Испытание металлов на усталость проводят на гладких образцах круглого сечения типов I (черт. 1, табл. 1) и II (черт. 2, табл. 2), а также прямоугольного сечения типов III (черт. 3, табл. 3) и IV (черт. 4, табл. 4).

Издание официальное

Перепечатка воспрещена

★

Издание с Изменением № 1, утвержденным в декабре 1985 г. (ИУС 3-86).

Рабочая часть образца типа I

Таблица 1 мм

Рабочая часть образца типа II

G- 2

Таблица 2 мм

Рабочая часть образца типа IV

Таблица 4 мм

1.2. Чувствительность металла к концентрации напряжений и влиянию абсолютных размеров определяют на образцах типов:

V - с V-образной кольцевой выточкой (черт. 5, табл. 5-8);

Рабочая часть образца типа У

Таблица 5

						При изгибе

Таблица 6

						При растяжении-сжатии

Таблица 7

						При кручении

Таблица 8

						При растяжении-сжатии		кручении

VI - с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля (черт. 6, табл. 9);

Рабочая часть образца типа VI

Таблица 9

VIII - с кольцевой выточкой кругового профиля (черт. 8, табл. 11); Рабочая часть образца типа VIII

				При растя-
						кручении

IX - с двумя симметрично расположенными отверстиями (черт. 9, табл. 12);

Рабочая часть образца типа IX

X - с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля (черт. 10, табл. 13).

Рабочая часть образца типа X

Размеры образцов выбирают таким образом, чтобы параметр подобия усталостного разрушения

(L - периметр рабочего сечения образца или его часть, прилегающая к зоне повышенной напряженности; G - относительный градиент первого главного напряжения).

При изгибе с вращением, кручении и растяжении - сжатии образцов типов I, II, V, VIII

L ж" d,

при изгибе в одной плоскости образцов типов III, IV, VI, а также при растяжении - сжатии образцов типа VI L = 2Ь;

при растяжении - сжатии образцов типов III, IV, VII, IX, X L = 2h.

1.3. Для испытания на малоцикловую усталость применяют образцы типов II и IV, если отсутствует опасность продольного изгиба.

Допускается применять образцы типов I и III.

1.4. Рабочая часть образцов должна быть изготовлена по точности не ниже 7-го квалитета ГОСТ 25347-82.

1.5. Параметр шероховатости поверхности рабочей части образцов Ra должен быть 0,32- 0,16 мкм по ГОСТ 2789-73.

Поверхность не должна иметь следов коррозии, окалины, литейных корок и цветов побежалости ит. п., если это не предусмотрено задачами исследования.

1.6. Расстояние между захватами испытательной машины выбирают так, чтобы исключить продольный изгиб образца и влияние усилий в захватах на напряженность в его рабочей части.

1.7. Вырезка заготовок, маркирование и изготовление образцов не должны оказывать существенного влияния на усталостные свойства исходного материала. Нагрев образца при изготовлении не должен вызывать структурных изменений и физико-химических превращений в металле; припуски на обработку, параметры режима и последовательность обработки должны сводить к минимуму наклеп и исключать местный перегрев образцов при шлифовании, а также трещины и другие дефекты. Снятие последней стружки с рабочей части и головок образцов проводят с одной установки образца; заусенцы на боковых гранях образцов и кромках надрезов должны быть удалены. Заготовки вырезают в местах с определенной ориентацией по отношению к макроструктуре и напряженному состоянию изделий.

1.8. В пределах намеченной серии испытаний технология изготовления образцов из однотипных металлов должна быть одинаковой.

1.9. Измерение размеров рабочей части изготовленных образцов до испытаний не должно вызывать повреждения ее поверхности.

1.10. Рабочую часть образца измеряют с погрешностью не более 0,01 мм.

2.1. Машины для испытаний на усталость должны обеспечивать нагружение образцов по одной или нескольким схемам, приведенным на черт. 11-16. Машины для испытаний на усталость, обеспечивающие также проведение статистических испытаний на разрыв, должны соответствовать требованиям ГОСТ 1497-84.

2. АППАРАТУРА

Чистый изгиб при вращении образцов типов I, II, V, VIII

Поперечный изгиб при вращении образцов типов I, II, V, VHI при консольном нагружении

Чистый изгиб в одной плоскости образцов типов I-VIII

Рабочее сечение образца

Поперечный изгиб в одной Повторно-переменное растяжение

плоскости образцов типов I-VIII сжатие образцов типов I-X

при консольном нагружении

Рабочее сечение

| Образец |

Черт. 14 Черт. 15

Повторно-переменное кручение образцов типов I, II, У, VIII

2.2. Суммарная погрешность нагружения в процессе испытания образцов зависит от типа машин и частоты нагружения и не должна превышать в интервале 0,2-1,0 каждого диапазона нагружения в процентах измеряемой величины:

± 2 % - при /< 0,5 Гц;

± 3 % - при 0,5

± 5 % - при/> 50 Гц.

При испытании на гидропульсационных и резонансных машинах без тензометрического силоизмерения в интервале 0-0,2 каждого диапазона нагружения погрешность измерения нагрузки не должна превышать ± 5 % задаваемых напряжений.

2.3. Погрешность измерений, поддержания и записи деформаций при малоцикловых испытаниях не должна превышать ± 3 % измеряемой величины в интервале 0,2-1,0 каждого диапазона нагружения.

2.4. Абсолютная погрешность измерения, поддержания и регистрации нагрузок и деформаций в интервале 0-0,2 каждого диапазона не должна превышать абсолютных погрешностей в начале этого диапазона нагружения.

2.5. Нагрузки (при мягком нагружении) или деформации (при жестком нагружении) должны соответствовать 0,2-0,8 применяемого диапазона измерений.

2.6. При испытании на малоцикловое растяжение или сжатие и растяжение - сжатие дополнительные деформации изгиба образца от несоосности нагружения не должны превышать 5 % деформаций растяжения или сжатия.

2.7. При испытаниях на малоцикловую усталость должно быть обеспечено непрерывное измерение, а также непрерывная или периодическая регистрация процесса деформирования рабочей части образца.

2.8. Допускается калибровка испытательного оборудования при статических режимах (в том числе и на несоосность нагружения) с оценкой динамической составляющей погрешности расчетным или косвенным способами.

3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

3.1. При испытании образцов допускается мягкое и жесткое нагружение.

3.2. В пределах намеченной серии испытаний все образцы нагружают одним способом и испытывают на однотипных машинах.

3.3. Испытания образцов проводят непрерывно до образования трещины заданного размера, полного разрушения или до базового числа циклов.

Допускаются перерывы в испытаниях с учетом условий их проведения и обязательной оценкой влияния перерывов на результаты испытаний.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

3.4. В процессе испытания образцов контролируют стабильность задаваемых нагрузок (деформаций).

3.5. Испытание серии одинаковых образцов при асимметричных циклах проводят:

либо при одинаковых для всех образцов средних напряжениях (деформациях) цикла;

либо при одинаковом для всех образцов коэффициенте асимметрии цикла.

3.6. Для построения кривой распределения долговечности и оценки среднего значения и среднеквадратического отклонения логарифма долговечности на заданном уровне напряжений испытывают серию объемом не менее 10 одинаковых образцов до полного разрушения или образования макротрещин.

3.7. Испытания на многоцикловую усталость

3.7.1. Основными критериями разрушения при определении пределов выносливости и построении кривых усталости являются полное разрушение или появление макротрещин заданного размера.

3.7.2. Для построения кривой усталости и определения предела выносливости, соответствующего вероятности разрушения 50 %, испытывают не менее 15 одинаковых образцов.

В интервале напряжений 0,95-1,05 от предела выносливости, соответствующего вероятности разрушения 50 %, должны быть испытаны не менее трех образцов, при этом не менее половины из них не должны разрушаться до базы испытаний.

3.7.3. База испытаний для определения пределов выносливости принимается:

10 10 6 циклов - для металлов и сплавов, имеющих практически горизонтальный участок на кривой усталости;

100 10 6 циклов - для легких сплавов и других металлов и сплавов, ординаты кривых усталости которых по всей длине непрерывно уменьшаются с ростом числа циклов.

Для сравнительных испытаний база для определения пределов выносливости соответственно принимается 3 10^ и 10 10^ циклов.

3.7.4. Для построения семейства кривых усталости по параметру вероятности разрушения, построения кривой распределения предела выносливости, оценки среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости испытывают серии объемом не менее 10 одинаковых образцов, на каждом из 4-6 уровней напряжения.

3.7.5. От 10 до 300 Гц частота циклов не регламентируется, если испытания проводят в обычных атмосферных условиях (по ГОСТ 15150-69) и если температура рабочей части образца при испытаниях не выше 50 °С.

Для образцов из легкоплавких и других сплавов, обнаруживающих изменения механических свойств до температуры 50 °С, допускаемую температуру испытания устанавливают особо.

3.8. Испытания на малоцикловую усталость (при долговечности до 5 1(И циклов*)

3.8.1. Основным видом нагружения при испытаниях является растяжение - сжатие.

3.8.2. Верхний уровень частот испытаний ограничивается значениями, исключающими само-разогрев образца свыше 50 °С для легких сплавов и свыше 100 °С для сталей.

Во всех случаях частоту циклов указывают при представлении результатов испытаний.

Для регистрации диаграмм деформирования допускается в процессе испытаний переход на более низкие частоты, соответствующие требуемой разрешающей способности и точности приборов измерения и регистрации циклических напряжений и деформаций.

3.8.3 При испытании на растяжение - сжатие образцов типов II и IV измерение деформаций следует проводить в продольном направлении.

При испытании образцов типов I и III допускается измерять деформации в поперечном направлении.

П римечание. Для приближенного пересчета поперечной деформации в продольную используют формулу

Е прод - ^ (е у) попер ^ (Е р) попер’

где (Еу) попер - упругая составляющая поперечной деформации;

(Ер) попер - пластическая составляющая поперечной деформации.

3.9. Испытания при повышенной и пониженной температурах

3.9.1. Испытания при повышенной и пониженной температурах проводят при тех же видах деформации и тех же образцах, что и при нормальной температуре.

* Число циклов 5 ■ 10 4 является условной границей мало- и многоцикловой усталости. Это значение для пластичных сталей и сплавов характеризует среднее число циклов для зоны перехода от упругопластического к упругому циклическому деформированию. Для высокопластичных сплавов переходная зона смещается в сторону больших долговечностей, для хрупких - в сторону меньших.

3.9.3. Температуру испытания образцов контролируют по данным динамической тарировки температурного перепада между образцом и печным пространством. Температурную тарировку проводят с учетом влияния длительности испытания. При тарировке термопары закрепляют на образце.

3.9.4. Термопары поверяют как до испытания, так и после него по ГОСТ 8.338-2002. При испытании на базах более 10 7 циклов производят, кроме того, промежуточные поверки термопар.

3.9.5. Неравномерность распределения температуры по длине рабочей части при испытании гладких образцов типов II и IV не должна превышать 1 % на 10 мм заданной температуры испытания. При испытании гладких образцов типов I, III и образцов с концентраторами напряжений неравномерность распределения температуры регламентируется на расстоянии ± 5 мм от минимального сечения образца. Отклонение от заданной температуры не должно превышать 2 %.

3.9.6. В процессе испытания допускаемые отклонения температуры на рабочей части образца в °С не должны выходить за пределы:

до 600 включ..........±6;

св. 601 до 900 »............±8;

» 901 » 1200 »............±12.

3.9.7. Нагружение образцов проводят после установившегося теплового режима системы «образец-печь» при достижении заданной температуры образца.

3.9.8. Базу испытаний принимают в соответствии с п. 3.7.3 настоящего стандарта.

3.9.9. Для сопоставимости результатов испытания данной серии образцов проводят при одинаковой частоте и базе, если целью испытаний не является исследование влияния частоты нагружения. В протоколах испытания указывают не только число пройденных циклов, но и полное время испытания каждого образца.

3.10. Испытания в условиях агрессивной среды

3.10.1. Испытания в условиях агрессивной среды проводят при тех же видах деформации и на тех же образцах, что и при отсутствии агрессивной среды. Допускается одновременное испытание группы образцов с регистрацией момента разрушения каждого.

3.10.2. Образец должен непрерывно находиться в газовой или жидкостной агрессивной среде.

3.10.3. При испытаниях в агрессивной среде должна быть обеспечена стабильность параметров агрессивной среды и ее взаимодействия с поверхностью образца. Требования к периодичности контроля состава агрессивной среды определяются составом среды и задачами исследования.

3.10.4. Для сопоставимости результатов испытания данной серии образцов проводят при одинаковой частоте и базе, если целью испытаний не является исследование влияния частоты нагружения.

3.9-3.9.9,3.10-3.10.4. (Введены дополнительно, Изм. № 1).

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. По результатам испытаний на усталость проводят:

построение кривой усталости и определение предела выносливости, соответствующих вероятности разрушения 50 %;

построение диаграмм предельных напряжений и предельных амплитуд;

построение кривой усталости в малоцикловой области;

построение диаграмм упругопластического деформирования и определение их параметров;

построение кривых усталости по параметру вероятности разрушения;

определение предела выносливости для заданного уровня вероятности разрушения;

определение среднего значения и среднеквадратического отклонения логарифма долговечности на заданном уровне напряжений или деформаций;

определение среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости.

Указанные характеристики сопротивления усталости металлов определяют для различных стадий развития макротрещин и (или) полного разрушения.

4.2. Обработка результатов испытаний на многоцикловую усталость

4.2.1. Исходные данные и результаты каждого испытания образца фиксируют в протоколе испытания (приложения 1 и 2), а результаты испытания серии одинаковых образцов - в сводном протоколе испытания (приложения 3 и 4).

4.2.2. Кривые усталости строят в полулогарифмических координатах (o max ; lgN или о а; lg/V) или двойных логарифмических координатах (lg o max ; lg/V или lg о а; lg/V).

4.2.3. Кривые усталости при асимметричных циклах строят для серии одинаковых образцов, испытанных при одинаковых средних напряжениях или при одинаковых коэффициентах асимметрии.

4.2.4. Кривые усталости по результатам испытаний ограниченного объема образцов (п. 3.7.2) строят методом графического интерполирования экспериментальных результатов или по способу наименьших квадратов.

4.2.5. Для построения кривых распределения долговечности и пределов выносливости, оценки средних значений и среднеквадратических отклонений, а также построения семейства кривых усталости по параметру вероятности разрушения результаты испытаний подвергают статистической обработке (приложения 5-7).

4.2.6. Диаграммы предельных напряжений и предельных амплитуд строят с помощью семейства кривых усталости, полученных по результатам испытания не менее трех-четырех серий одинаковых образцов при разных для каждой серии средних напряжениях или коэффициентах асимметрии цикла напряжений.

4.3. Обработка результатов испытаний на малоцикловую усталость

4.3.1. Обработку результатов проводят, как указано в п. 4.2.4.

4.3.2. Исходные данные и результаты испытаний каждого образца фиксируют в протоколе испытания, а результаты испытания серии одинаковых образцов - в сводном протоколе испытания (приложения 8 и 9).

4.3.3. По результатам испытаний образцов при жестком нагружении строят кривые усталости в двойных логарифмических координатах (черт. 17):

амплитуда полной деформации Е а - число циклов до образования трещины N T или до разрушения N;

амплитуда пластической деформации г ра - число циклов, соответствующее половине числа циклов до образования трещины N T или до разрушения N.

Пр имечания:

1. Амплитуду пластической деформации Е ра определяют как половину ширины петли упругопластического гистерезиса г р или как разность между задаваемой амплитудой полной деформации и амплитудой упругой деформации, определяемой по измеренной нагрузке, соответствующему ей напряжению и модулю упругости материала.

2. Амплитуду пластической деформации Е ра при числе циклов, соответствующем половине числа циклов, до образования трещины или до разрушения определяют интерполяцией значений амплитуд при предварительно выбранных числах циклов, близких к ожидаемым.

Кривые усталости при жестком нагружении Кривая усталости при мягком нагружении

Че Р т - 17 Черт. 18

4.3.4. По результатам испытаний при мягком нагружении строят:

кривую усталости в полулогарифмических или двойных логарифмических координатах: амплитуда напряжений о а - число циклов до образования трещины N T или до разрушения N (черт. 18);

зависимость амплитуды пластических деформаций (половина ширины петли гистерезиса) г ра от числа полуциклов нагружения К по параметру амплитуды напряжения при выбранном коэффициенте асимметрии цикла напряжений (черт. 19).

Зависимость амплитуды пластических деформаций от числа полуциклов нагружения

а - для циклически разупрочняющегося материала; б для циклически стабилизирующегося материала; в - для циклически упрочняющегося материала

ПРОТОКОЛ

испытания образца (приложение к сводному протоколу №__)

Назначение испытания_

Машина: тип_, №_

Напряжения цикла:

максимальное_, среднее_, амплитудное_

Нагрузки (число делений по шкале нагрузок):

максимальная_, средняя_, амплитудная_

Показания приборов, регистрирующих аксиальность нагрузки или биение образца:

в начале испытания_

в конце испытания_

Число пройденных циклов_

Частота нагружения_

Критерий разрушения_

Испытания проводил _

Начальник лаборатории _

испытания образца (приложение к сводному протоколу №_)

Назначение испытания_

Образец: шифр_, поперечные размеры_

Машина: тип_, №_

Деформация цикла:

максимальная_, средняя_, амплитудная _

Число делений по индикатору деформации: максимальное_

среднее_, амплитудное_

Показания приборов, регистрирующих аксиальность нагрузки:_

прибор № 1_, прибор № 2_, прибор № 3

Показания счетчика (дата и время):

в начале испытания_

в конце испытания_

Число пройденных циклов_

Частота нагружения_

Критерий разрушения_

Испытания проводил

Начальник лаборатории

Цель испытаний___

Материал:

марка и состояние_

направление волокна_

Условия испытаний:

вид нагружения_

база испытаний__

частота нагружения_

Критерий разрушения_

Тип образцов и номинальные размеры их поперечного сечения

Состояние поверхности_

Испытательная машина:

Дата испытаний:

начало испытаний первого образца_, конец испытаний

последнего образца_

Начальник лаборатории

Цель испытаний___

Материал:

марка и состояние_

направление волокна_

тип заготовки (при сложной форме прилагается план вырезки образцов)

Условия испытаний:

вид деформаций_

база испытаний___

частота нагружения_

Критерии разрушения_

тип образцов и номинальные размеры поперечного сечения_

состояние поверхности_

Испытательная машина:

Дата испытаний:

начало испытаний первого образца_, конец испытаний последнего образца

Ответственный за испытание данной серии образцов

Начальник лаборатории

ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ОЦЕНКА СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ОТКЛОНЕНИЯ ЛОГАРИФМА ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Результаты испытаний серии из п образцов при постоянном уровне напряжения располагают в вариационный ряд в порядке возрастания долговечности

N l

Подобные ряды для образцов из алюминиевого сплава марки В95, испытанных при консольном изгибе с вращением до полного разрушения при шести уровнях напряжения в качестве примера, приведены в табл. 1.

Кривые распределения долговечности (P-N) строят на вероятностной бумаге, соответствующей логарифмически нормальному или другому закону распределения. По оси абсцисс откладывают значения долговечности образцов N, а по оси ординат - значения вероятности разрушения образцов (накопленные частоты), вычисляемые по формуле

р i - 0,5 п ’

где i - номер образца в вариационном ряду; п - число испытанных образцов.

Если на рассматриваемом уровне напряжения разрушились не все образцы серии, то строят только нижнюю часть кривой распределения до базовой долговечности.

На чертеже на логарифмически нормальной вероятностной бумаге приведено семейство кривых распределения P-N, построенное по данным табл. 1.

Таблица 1

Вариационные ряды числа циклов до разрушения образцов из сплава марки Б95

	при о тах, кгс/мм 2 (МПа)

* Образцы не разрушились.

Кривые распределения долговечности образцов из сплава марки В95

10*2 3 8 6810 s 2 38 6810 е 2 38 6810 9 2 3 8 6810 е N

1 - а тах = 33 кгс/мм 2 (330 МПа); 2- а тах = 28,5 кгс/мм 2 (285 МПа); 3- а тах = 25,4 кгс/мм 2 (254 МПа); 4- а тах = 22,8 кгс/мм 2 (228 МПа); 5- а тах = 21 кгс/мм 2 (210 МПа); 6- а тах = 19 кгс/мм 2 (190 МПа)

Оценку среднего значения а и среднеквадратического отклонения о логарифма долговечности проводят для уровней напряжения, на которых разрушались все образцы серии. Выборочное среднее значение lg N и выборочное среднеквадратическое отклонение логарифма долговечности образцов (S lg д,) вычисляют по формулам:

В табл. 2 в качестве примера приведено вычисление lg N и 5j g д, для образцов из сплава марки В95, испытанных при напряжении о шах = 28,5 кгс/мм 2 (285 МПа) (см. табл. 1).

Таблица 2

X (lg^) 2 = 526,70.

526,70 - ^ ■ 10524,75

Объем серии образцов n вычисляют по формуле

n>^-Z\_o-А 2 2

где у - коэффициент вариации величины х = lg/V;

Д а и Д а - предельные относительные ошибки для доверительной вероятности Р - 1- а при оценке среднего значения и среднего квадратического отклонения величины х = lg/V соответственно; а - вероятность ошибки первого рода;

Z | _ и - квантиль нормированного нормального распределения, соответствующая вероятность Р = 1- тг 2 2 (значения наиболее часто используемых квантилей приведены в табл. 3).

Значения ошибок выбирают в пределах Д а = 0,02-0,10 и Д а = 0,1-0,5, вероятность ошибки первого рода а принимают 0,05-0,1.

Таблица 3

ПОСТРОЕНИЕ СЕМЕЙСТВА КРИВЫХ УСТАЛОСТИ ПО ПАРАМЕТРУ ВЕРОЯТНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ

Для построения семейства кривых усталости испытания целесообразно проводить на четырех-шести уровнях напряжения.

Минимальный уровень следует выбирать так, чтобы до базового числа циклов разрушались примерно от 5 % до 15 % образцов, испытуемых на этом уровне напряжения. На следующем (в порядке возрастания) уровне напряжения должно разрушиться 40 %-60 % образцов.

Максимальный уровень напряжения выбирают с учетом требования на протяженность левой ветви кривой усталости (N > 5 ■ 10 4 циклов). Оставшиеся уровни распределяют равномерно между максимальным и минимальным уровнями напряжений.

Результаты испытаний для каждого уровня напряжения располагают в вариационные ряды, на основании которых строят семейство кривых распределения долговечности в координатах Р-N (приложение 7).

Задают значения вероятности разрушения и на основании кривых распределения долговечности строят семейство кривых усталости равной вероятности.

На чертеже представлены кривые усталости образцов из сплава марки В95 для вероятности разрушения Р = 0,5; 0,10; 0,01, построенные на основании графиков.

Минимально необходимое число образцов для построения семейства кривых усталости определяют в зависимости от доверительной вероятности P l = 1- а и предельной относительной ошибки А р при оценке предела выносливости для заданной вероятности Р на основании формулы

■ Zj-a ■ ф(р) ,

где у - коэффициент вариации предела выносливости;

Z- квантиль нормированного нормального распределения;

Ф (р) - функция, зависящая от вероятности, для которой определяется предел выносливости. Значения этой функции, найденные методом статистического моделирования, приведены в таблице.

Кривые усталости образцов из сплава марки В95

ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ И ОЦЕНКА ЕГО СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ОТКЛОНЕНИЯ

Для построения кривой распределения предела выносливости образцы испытывают на шести уровнях напряжения.

Самый высокий уровень напряжения выбирают с таким расчетом, чтобы все образцы при этом напряжении разрушались до базового числа циклов. Величину максимального напряжения принимают (1,3- 1,5) от значения предела выносливости для Р- 0,5. Остальные пять уровней распределяются таким образом, чтобы на среднем уровне разрушалось около 50 %, на двух высоких - 70 %-80 % и не менее 90 % и на двух низких - не более 10 % и 20 %-30 % соответственно.

Значение напряжений в соответствии с заданной вероятностью разрушения выбирают на основании анализа имеющихся данных для аналогичных материалов или с помощью предварительных испытаний.

После испытаний результаты представляют в виде вариационных рядов, на основании которых строят кривые распределения долговечности по методике, изложенной в приложении 5.

На основании кривых распределения долговечности строят семейство кривых усталости для ряда вероятностей разрушения (приложение 8). Для этого целесообразно использовать вероятности 0,01, 0,10, 0,30, 0,50, 0,70, 0,90 и 0,99.

По этим кривым усталости определяют соответствующие значения предела выносливости. Предел выносливости для вероятности разрушения Р = 0,01 находят методом графической экстраполяции соответствующей кривой усталости до базового числа циклов.

Найденные значения пределов выносливости наносят на график с координатами: вероятность разрушения в масштабе, соответствующем нормальному распределению, - предел выносливости в кгс/мм 2 (МПа). Через построенные точки проводят линию, представляющую собой графическую оценку функции распределения предела выносливости. Разбивают размах варьирования предела выносливости на 8-12 интервалов, определяют средние значения предела выносливости и его среднеквадратическое отклонение по формулам:

X АР г ст й. ;

S c R =\/Х АР Г (°й.-°й) 2 >

где a R - среднее значение предела выносливости;

S„ - среднеквадратическое отклонение предела выносливости;

Стд - значение предела выносливости в середине интервала;

I - число интервалов;

A Pi - приращение вероятности внутри одного интервала.

В качестве примера по результатам испытаний на консольный изгиб с вращением 100 образцов из алюминиевого сплава марки АВ, представленных в табл. 1, строят функцию распределения пределов выносливости для базы 5 ■ 10 7 циклов и определяют среднее значение и среднеквадратическое отклонение.

На основании вариационных рядов (табл. 1) строят кривые распределения долговечности (черт. 1).

Значения долговечности образцов из сплава марки АВ

Таблица 1

	при о тах, кгс/мм 2 (МПа)

* Образцы не разрушились.

Производя горизонтальные разрезы кривых распределения долговечности (черт. 1) для уровней вероятности Р=0,01, 0,10, 0,30, 0,50, 0,70, 0,90, 0,99 (или 1,10, 30, 50, 70, 90, 99 %), находят соответствующие долговечности при заданных значениях напряжений, на основании которых строят кривые усталости по параметру вероятности разрушения (черт. 2).

Кривые распределения долговечности образцов из сплава марки АВ

1 - Ящ, = 16,5 кгс/мм 2 (165 МПа); 2 - = 13,5 кгс/мм 2 (135 МПа);

3- а тах = 12,5 кгс/мм 2 (125 МПа); 4- а тах = 12,0 кгс/мм 2 (120 МПа); 5- Ящщ = 11,5 кгс/мм 2 (115 МПа); 6- = 11,0 кгс/мм 2 (110 МПа)

Кривые усталости для образцов из сплава марки АВ для различных вероятностей разрушения

1 - Р = 1 %; 2- Р = 10 %; 3-Р= 30 %; 4-Р= 50 %; 5-Р= 70 %; 6-Р= 90 %; 7- Р= 99 %

С графиков (черт. 2) снимают значения пределов выносливости для базы 5 ■ 10 7 циклов. Значения пределов выносливости приведены в табл. 2.

По результатам, приведенным в табл. 2, строят кривую распределения выносливости (черт. 3).

Таблица 2

Значения пределов ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ (база 5 - 10 7 циклов)

Кривая распределения предела ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ (база 5 - 10 7 циклов)

Для определения среднего значения предела выносливости и его среднеквадратического отклонения размах варьирования предела выносливости делят на 10 интервалов по 0,5 кгс/мм 2 (5 МПа). Вычисление указанных характеристик в соответствии с приведенными формулами представлено в табл. 3.

Необходимый объем усталостных испытаний для построения кривой распределения предела выносливости определяют по формуле приложения 6.

Таблица 3

Вычисление среднего значения и среднеквадратического отклонения предела ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ

	Границы интервала,	Середина интервала	Значение вероятностей			(4_l) ,■ ■ О.!	[(ч_1> ,■ - 4_ll 2
		(а /, кгс/мм 2 (МПа)	на границах интервала

12,106 кгс/мм 2 (121,06 МПа); ^ Д P i [(ст_ 1) г - - о_ 1 ] 2 = 0,851;

S„ = ^Гp5Г = 0,922 кгс/мм 2 (9,22 МПа)

ПРОТОКОЛ №

испытания образца (приложение к сводному протоколу №

Назначение испытания_

Образец: шифр

материал_

твердость _

Машина: тип

Напряжения цикла:

максимальное_

Деформации цикла:

максимальная_

средняя _

Показания счетчика (дата и время):

в начале испытания_

в конце испытания_

поперечные размеры

Термообработка_

Микротвердость_

Масштаб регистрации: деформации (мм/%) нагрузки (мм/МН)_

минимальное

амплитудное

минимальная

амплитудная

Число пройденных циклов до образования микротрещины длиной

Число пройденных циклов до разрушения Частота нагружения_

Показания счетчика

в начале смены

в конце смены

Число циклов (время), пройденное образцом за смену

Подпись и дата

сдавшего смену

принявшего смену

Примечание

Испытания проводил_

Начальник лаборатории

СВОДНЫЙ ПРОТОКОЛ №_

Цель испытаний___

Материал:

марка и состояние_

направление волокна_

тип заготовки (при сложной форме прилагается план вырезки образцов)

Механические характеристики_

Условия испытаний:

тип нагружения_

вид нагружения_

температура испытания_

частота нагружения_

тип образца и номинальные размеры поперечного сечения

состояние поверхности_

Испытательная машина:

Дата испытаний:

начало испытаний первого образца_

конец испытаний последнего образца

Ответственный за испытание данной серии образцов

Начальник лаборатории

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

По характеру изменения во времени действующей нагрузки механи-ческие 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 растяже-ние 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 ис-пытания не превышает сотен долей секунды. Скорость деформации состав-ляет около 10 2 с - 1 . Динамические испытания чаще всего проводят по схеме ударного изгиба образцов с надрезом.

Циклические испытания характеризуются многократными измене-ниями нагрузки по величине и по направлению. Примером испытаний явля-ются 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 скоро-сти приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по спо-собу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Методы опреде-ления 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 ис-пытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и не-которые другие.

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

Твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) устанавливают путем вдавли-вания 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/d 2

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

Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и дли-ны 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))

F ot - площадь отпечатка, мм 2 ;

t- глубина сегмента отпечатка;

D- диаметр шарика, мм;

d- диаметр отпечатка, мм.

Твердость по Бринеллю НВ (по умолчанию) имеет размерность кгс/мм 2 , например, твердость алюминиевого спла-ва равна 70 НВ. При нагрузке, определяе-мой в ньютонах, твердость по Бринеллю измеряется в МПа. Например, твердость отожженной стали равна 207 НВ при на-грузке 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 на-стоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Ро-квелла 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 - предвари-тельной Р 0 и основной Р 1 которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р 0 + Р 1 После выдержки в течение нескольких секунд ос-новную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предва-рительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно де-ление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.

На рис. 2 представлена схема измерения твердости по методу Рок-велла 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 ко-нусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как

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

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 на-грузкой.

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, уп-ругости, текучести, временного сопротивления разрыву, относительного уд-линения и относительного сужения, модуля упругости.

Для испытаний применяют плоские и цилиндрические образцы, выре-занные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов регла-ментированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому по-добию и могут быть короткими и длинными. Для цилиндрического образца берется соотношение начальной рабочей длины l 0 и исходного диаметра d 0: l 0 = 5d 0 - короткий образец, l 0 = 10d 0 - длинный образец. Для плоского образца берется соотношение рабочей длины l 0 и площади поперечного сечения F 0:

l 0 = 5,65√F 0 - короткий образец, l 0 = 11,3√F 0 - длинный образец. Цилиндри-ческие образцы изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной l 0 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 испы-таний на растяжение (рис.4), определяют следующие параметры механиче-ских 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 соответ-ствуют величине остаточной деформации ∆l в процентах от l 0 при растяжении образца. Напряжения при испытании на растяжение вычисляют путем деления нагрузки Р, соответствующей характерной точке на диаграмме, на площадь первоначального поперечного сечения F 0 рабочей части испытуемо-го образца:

σ пц =P пц / F 0 ; σ 0,05 =P 0,05 / F 0 ; σ т =P т / F 0 , или σ в =P max / F 0 ;

Площадь поперечного сечение F 0 определяется по следующим формулам:

для цилиндрического образца

F 0 = πd 0 2 / 4

для плоского образца

где а 0 - первоначальная толщина; b 0 - первоначальная ширина образца.

В точке k устанавливают напряжение сопротивления разрушению материала.

Предел пропорциональности и предел упругости определяют с помо-щью тензометра (прибор для определе-ния величины деформации). Предел текучести физический и условный рассчи-тывают, находя нагрузку по диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести, то для вычисления условного предела текучести необходи-мо провести графические построения на диаграмме (рис. 1.5). Вначале находят величину остаточной деформации, рав-ную 0,2 % от l 0 , далее отмечают отрезок на оси деформации, равный 0,2 % от l 0 , и проводят линию, параллельную пропорциональному участку диаграммы рас-тяжения, до пересечения с кривой растяжения.

Рис. 5. Определение предела текучести

Нагрузка P 0,2 соответствует точке их пересечения. Физический и условный предел текучести характери-зуют 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 нагруз-ку разрушения делят на конечную площадь поперечного сечения образца после разрушения F K:

S к =P к /F к

Все рассчитанные таким образом величины являются характеристи-ками прочности материала.

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

относительное удлинение

δ=(l k -l 0)/ l 0 *100%

относительное сужение

Ψ=(F 0к -F)/ F 0 *100%

где l к, F к — соответственно, длина рабочей части и площадь поперечного сече-ния 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 надре-зом. 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 уста-навливает метод испытания при температурах от -100 до +1000 °С. Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентрато-ром напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затра-ченную 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 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 дви-гаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, за-трачиваемой 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), S 0 — в м 2 (см 2).

В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается

KCU, KCV, КСТ и имеет размерность МДж/м 2 (МДж/см 2) или кгс*м/см 2 .

Механические испытания металлов - это определение механических свойств металлических сплавов (для краткости - металлов), их способности выдерживать разного рода нагрузки в определенных пределах. По характеру действия на металл нагрузки, а соответственно, и испытания разделяют на статические (растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамические (ударные - ударная вязкость, твердость), усталостные (многократные циклические нагружения), длительные (воздействие атмосферных сред, ползучесть, релаксация) и специальные. Из всего многообразия испытаний основными являются испытания на растяжение, твердость, удар, изгиб и некоторые другие.

При испытаниях металлов на растяжение используют унифицированные образцы и специальные машины. В процессе испытаний по мере нарастания усилия все изменения, происходящие с металлическим образцом, фиксируются в виде диаграммы (рис. 2.5) с координатами: нагрузка по оси ординат и удлинение по оси абсцисс. С помощью диаграммы определяют предел пропорциональности апц, предел текучести ат, максимальное усилие - временное сопротивление aD и разрыв. Предел пропорциональности - это наибольшее напряжение (отношение усилия к площади сечения образца), до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией, когда образец упруго деформируется пропорционально нагрузке, т.е. во сколько раз увеличивается нагрузка, во столько же раз увеличивается удлинение. Если нагрузку снять, то длина образца вернется к начальной или увеличится незначительно (на 0,03... 0,001 %), определяя предел упругости.

Предел текучести - это напряжение, при котором образец деформируется (удлиняется) без заметного увеличения растягивающей нагрузки (горизонтальная площадка на диаграмме). Если снять нагрузку, то длина образца практически не уменьшится. При дальнейшем увеличении нагрузки на образец создается напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке на растяжение, предшествующей разрушению образца, называемое временным сопротивлением ав (пределом прочности при растяжении). Далее удлинение образца увеличивается, образуется шейка, по которой образец разрывается.

Диаграмма растяжения дает возможность судить о способности металла деформироваться (растягиваться), не разрушаясь, т.е. харастеризует его пластические свойства, которые можно выразить также относительным удлинением и сужением образца в момент разрыва (оба параметра выражают в процентах).

Относительное удлинение - это отношение приращения длины образца в момент перед разрывом к первоначальной его длине. Относительное сужение - это отношение уменьшения площади поперечного сечения шейки образца в месте его разрыва к первоначальной площади поперечного сечения образца.

Испытание на твердость - простой и быстрый способ проверки прочности металлического материала (далее для краткости металла) в условиях сложнонапряженного состояния. В производстве наиболее широко применяют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также некоторые другие. Поверхностные слои испытуемого металла не должны иметь поверхностных дефектов (трещин, царапин и др.).

Суть способа определения твердости методом Бринелля (твердость НВ) заключается во вдавливании стального закаленного шарика в испытуемый образец (изделие) при заданном режиме (величина нагрузки, продолжительность нагружения). После окончания испытания определяют площадь отпечатка (лунки) от шарика и вычисляют отношение величины усилия, с которым вдавливался шарик, к площади отпечатка в испытуемом образце (изделии).

Учитывая по опыту предполагаемую твердость испытуемого образца, применяют шарики разных диаметров (2,5; 5 и 10 мм) и нагрузки 0,6...30 кН (62,5...3 000 кгс). На практике используют таблицы перевода диаметра отпечатка в число твёрдости НВ. Данный способ определения твердости имеет ряд недостатков: отпечаток шарика повреждает поверхность изделия; сравнительно велико время измерения твердости; невозможно измерить твердость изделий, соизмеримую с твердостью шарика (шарик деформируется); затруднительно измерить твердость тонких и мелких изделий (происходит их деформация). В чертежах и технической документации твердость по Бринеллю обозначают НВ.

При определении твердости методом Роквелла используется прибор, в котором индентор - твердый наконечник 6 (рис. 2.6) под действием нагрузки проникает в поверхность испытуемого металла, по измеряется при этом не диаметр, а глубина отпечатка. Прибор настольного типа, имеет индикатор 8 с тремя шкалами - А. В, С для отсчета твердости соответственно в диапазонах 20... 50;

25... 100; 20 ... 70 единиц шкалы. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 2 мкм. При работе со шкалами А и С наконечником служит алмазный конус с углом 120° при вершине или конус из твердого сплава. Алмазный конус применяют при испытаниях твердых сплавов, а твердосплавный конус - для деталей неответственного назначения твердостью 20...50 единиц.

Рис. 2.6. Прибор Роквелла для определения твердости:
I - рукоятка освобождения груза; 2 - груз; 3 - маховик; 4 - подъемный винт; 5 - столик; 6 - наконечник прибора; 7 - образец испытуемого металла; 8 - индикатор

При работе со шкалой В инден-тором служит маленький стальной шарик диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма). Шкала В предназначена для измерения твердости сравнительно мягких металлов, так как при значительной твердости шарик деформируется и проникает в материал слабо, на глубину менее 0,06 мм. При пользовании шкалой С наконечником является алмазный конус, в этом случае прибором измеряют твердость закаленных деталей. В производственных условиях, как правило, пользуются шкалой С. Вдавливание наконечников осуществляют при определенной нагрузке. Так, при измерении по шкалам А, В и С нагрузка составляет соответственно 600; 1 ООО; 1 500 Н, твердость обозначают в соответствии со шкалой - HRA, HRB, HRC (величины ее безразмерные).

При работе на приборе Роквелла образец испытуемого металла 7 размещают на столике 5 и с помощью маховика 3 подъемным винтом 4 и грузом 2 создают требуемое усилие на наконечнике 6, фиксируя его перемещение по шкале индикатора 8. Затем поворотом рукоятки 7 снимают усилие с испытуемого металла и определяют значение твердости по шкале твердомера (индикатор).

Метод Виккерса - способ определения твердости материала вдавливанием в испытуемое изделие алмазного наконечника (ин-дентора), имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с двухгранным углом при вершине 136°. Твердость по Виккерсу HV - отношение нагрузки на индентор к площади пирамидальной поверхности отпечатка. Выбор вдавливающей нагрузки

50... 1000 Н (5... 100 кгс) зависит от твердости и толщины проверяемого образца.

Известны другие способы испытаний металлов на твердость, например, на приборе Шора и динамическим вдавливанием шарика. В тех случаях, когда твердость закаленной или закаленной и шлифованной детали необходимо определить, не оставив какого-либо следа от замера, пользуются прибором Шора, принцип работы которого основан на упругой отдаче - высоте отскока легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытываемого тела с определенной высоты.

Твердость на приборе Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскока бойка с алмазным наконечником. Оценка приближенная, так как, например, степень упругости тонкой пластинки и массивной детали большой толщины при одинаковой твердости будет разной. Но, поскольку прибор Шора портативен, его удобно применять для контроля твердости значительных по размерам деталей.

Для ориентировочного определения твердости очень больших изделий (например, вал прокатного стана) можно использовать ручной прибор Польди (рис. 2.7), действие которого основано на динамическом вдавливании шарика. В специальной обойме 3 находится боек 2 с буртиком, в который упирается пружина 7. В щель, находящуюся в нижней части обоймы 3, вставляются стальной шарик 6 и эталонная пластина 4 с известной твердостью. При определении твердости прибор устанавливают на проверяемую деталь 5 в месте измерения и по верхней части бойка 2 ударяют молотком 1 со средней силой один раз. После этого сравниваются размеры отпечатков лунок на проверяемой детали 5 и эталонной пластине 4, полученных одновременно от шарика при ударе по бойку. Далее по специальной таблице определяют число твердости испытуемого изделия.

Кроме рассмотренных твердомеров в производстве применяют универсальные портативные электронные твердомеры ТЭМП-2, ТЭМП-З, предназна-ченные для измерения твердости разных материалов (стали, меди, алюминия, резины и др.) и изделий из них (трубопроводов, рельсов, шестерен, отливок, поковок и др.) с использованием шкал Бринелля (НВ), Роквелла (HRC), Шора (HSD) и Виккерса (HV).

Рис. 2.7. Ручной прибор Польди для определения твердости:
1 - молоток; 2- боек; 3 - обойма; 4- эталонная пластина; 5 - проверяемая деталь; 6 -шарик; 7 - пружина; -- -аправление
усилия на боек

Принцип работы твердомеров динамический, основан на определении отношения скорости удара и отскока ударника 6 (рис. 2.8) (шарика 7 диаметром 3 мм), которое преобразуется электронным блоком 1 в трехзначное число условной твердости, отображаемое на жидкокристаллическом (ЖК) индикаторе 2 (например, 462). По измеренному числу условной твердости с помощью переводных таблиц находят числа твердости, соответствующие известным шкалам твердости.

Рис. 2.8. Портативный электронный твердомер ТЭМП-З:
1 - электронный блок; 2 - ЖК-индикатор; 3 - толкатель; 4 - спусковая кнопка; 5 - датчик; 6 - ударник; 7 - шарик; 8 - опорное кольцо; 9 - испытываемая поверхность изделия

Для измерения твердости этим методом прибор подготавливают следующим образом. Толкателем 3, расположенным на электронном блоке 1, заталкивают шарик 7, находящийся в датчике 5, в цанговый зажим и одновременно взводят спусковую кнопку 4, находящуюся сверху датчика 5. Далее датчик плотно прижимают опорным кольцом 8 к испытываемой поверхности 9 изделия и нажимают на спусковую кнопку 4. После соударения ударника 6 с испытуемой поверхностью изделия на ЖК-индикаторе появится результат в виде трехзначного числа условной твердости.

Окончательным значением измеренной условной твердости является среднее арифметическое пяти измерений. Один раз в год выполняют периодическую поверку прибора, пользуясь образцовыми мерами твердости не ниже второго разряда соответствующих шкал твердости (Бринелля, Роквелла, Шора и Виккерса), соблюдая при этом нормированные условия. С помощью указанных приборов кроме твердости можно определять временное сопротивление (предел прочности на растяжение) и предел текучести.

Наряду с твердомерами в производстве для определения твердости материала используют тарированные напильники. С их помощью контролируют твердость стальных деталей в тех случаях, когда нет твердомера или когда площадь для измерения очень мала или место недоступно для индентора прибора, а также тогда, когда изделие имеет весьма значительные размеры. Тарированные напильники - это напильники с заведомо известной твердостью, изготовленные из стали У10, они бывают трехгранные, квадратные и круглые с определенной насечкой. Сцепляемость насечки напильника с контролируемым металлом определяется по наличию следов царапания на контролируемой детали без смятия вершин зубьев на напильнике. В процессе эксплуатации острота зубьев напильника должна периодически проверяться на сцепляемость с контрольными образцами (кольцами). Напильники изготавливают двух групп твердости, соответственно для контроля нижнего и верхнего пределов твердости изделий. Контрольные кольца (пластинки) делают грех видов с твердостью 57...59; 59...61 и 61 ...63 HRC для поверки тарированных напильников, твердость которых соответствует пределам твердости контрольных образцов.

Испытание на удар (ударный изгиб) является одной из важнейших характеристик (динамической) прочности металлов. Особенно важно также испытание изделйй, работающих при ударных и знакопеременных нагрузках и при низких температурах. В этом случае металл, легко разрушающийся под действием удара без заметной пластической деформации, называют хрупким, а металл, разрушающийся под действием ударной нагрузки после значительной пластической деформации, - вязким. Установлено, что металл, хорошо работающий при испытании в статических условиях, разрушается при ударной нагрузке, так как не обладает ударной вязкостью.

Для испытания на ударную вязкость (сопротивления материала ударным нагрузкам) применяют маятниковый копер Шарпи
(рис. 2.9), на котором разрушают специальный образец - мена-же, представляющий собой стальной брусок прямоугольной формы с односторонним U- или V-образным надрезом посередине. Маятник копра с определенной высоты ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу, разрушая его. При этом определяют работу, совершенную маятником до удара и после удара, учитывая его массу и высоты падения Н и подъема h после разрушения образца. Разницу работ относят к площади поперечного сечения образца. Полученное при делении частное и характеризует ударную вязкость металла: чем вязкость меньше, тем материал более хрупкий.

Испытанию на изгиб подвергают хрупкие материалы (закаленная сталь, чугун), которые разрушаются без заметной пластической деформации. Так как момент начала разрушения определить не представляется возможным, то об изгибе судят по отношению изгибающего момента к соответствующему прогибу. Кроме этого, проводят испытание на кручение для определения пределов пропорциональности, упругости, текучести и других характеристик материала, из которого изготовлены ответственные детали (коленчатые валы, шатуны), работающие при большой нагрузке на кручение.

Рис. 2.9. Маятниковый копер Шарпи:
1 - маятник; 2 - образец; Н, h - высоты падения и подъема маятника;---- -траектория движения маятника

Помимо рассмотренных проводятся и другие испытания металлов, например, на усталость, ползучесть и длительную прочность. Усталость - это изменение состояния материала изделия до его разрушения под действием многократных знакопеременных (циклических) нагрузок, которые изменяются по величине или направлению, или и по величине, и по направлению. В результате длительной службы металл постепенно переходит из пластического состояния в хрупкое («устает»). Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости (пределом усталости) - наибольшим напряжением цикла, которое может выдержать материал без разрушения, при заданном числе повторно-переменных нагружений (циклы нагружения). Например, для стали установлены 5 млн циклов нагружения, для легких литейных сплавов - 20 млн. Такие испытания проводят на специальных машинах, в которых образец подвергают чередующимся напряжениям сжатия и растяжения, знакопеременным изгибам, кручению, повторным ударным нагрузкам и другим видам силового воздействия.

Ползучесть (крип) - это медленное нарастание пластической деформации материала под воздействием длительно действующей нагрузки при определенной температуре, по величине меньшей нагрузки, создающей остаточную деформацию (т.с. меньше, чем предел текучести материала детали при данной температуре). При этом пластическая деформация может достигнуть такой величины, которая изменяет форму, размеры изделия и приводит к его разрушению. Ползучести подвержены почти все конструкционные материалы, но для чугуна и стали она существенна при нагреве свыше 300 °С и возрастает с повышением температуры. У металлов с низкой температурой плавления (свинец, алюминий) и полимерных материалов (резина, каучук, пластмассы) ползучесть наблюдается при комнатной температуре. Испытывают металл на ползучесть на специальной установке, в которой образец при заданной температуре нагружается грузом постоянной массы в течение длительного времени (например, 10 тыс. ч). При этом периодически точными приборами измеряют величину деформации. С увеличением нагрузки и повышением температуры образца степень его деформации увеличивается. Предел ползучести - это такое напряжение, которое за 100 тыс. ч вызывает удлинение образца при определенной температуре не более I %. Длительная прочность - это прочность материала, который в течение длительного времени находился в состоянии ползучести. Предел длительной прочности - напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной температуре за определенное время, соответствующее условиям эксплуатации изделий.

Испытания материалов необходимы для создания надежных машин, способных длительное время работать без поломок и аварий в чрезвычайно тяжелых условиях. Это винты самолетов и вертолетов, роторы турбин, детали ракет, паропроводы, паровые котлы и другое оборудование.

Для устройств, работающих в иных условиях, проводят специфические испытания, подтверждающие их высокую надежность и работоспособность.

Детали машин и механизмов работают под разными нагрузками: одни детали испытывают постоянно действующие нагрузки в одном направлении, другие - удары, третьи - нагрузки, изменяющиеся по величине и направлению. Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных или низких температурах. Поэтому разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов. Различают статические и динамические испытания.

Статическими называют такие испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействию постоянной или медленно возрастающей нагрузке.

Динамическими называют испытания, при которых материал подвергают воздействию ударным нагрузкам.

Наиболее распространенными испытаниями являются испытания на твердость, статическое растяжение, ударную вязкость. Кроме того, иногда производят испытания на усталость, ползучесть и изнашивание, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

Испытания на растяжение. Статическое испытание на растяжение - распространенный способ механических испытаний металлов. При этих испытаниях по сечению образца создается однородное напряженное состояние, материал находится под действием нормальных и касательных напряжений.

Для статических испытаний используют, как правило, круглые образцы 1 (рис. 2.5) или плоские 2 (листовые). Образцы имеют рабочую часть и головки, предназначенные для закрепления их в захватах разрывной машины.

Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины / 0 к начальному диаметру (/ 0 /^/ 0) называется кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с кратностью 2,5; 5 и 10. Самым распространенным является образец кратностью 5.

Расчетная длина / 0 берется несколько меньше рабочей длины /,. Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части

Рис. 2.5. 1 - круглый образец; 2 - плоский образец; /1 - длина рабочей части; /о - начальная расчетная длина

нормального круглого образца 20 мм. Образцы других диаметров называются пропорциональными.

Растягивающее усилие создает напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение. В тот момент, когда напряжение превзойдет прочность образца, он разорвется.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины. На рис. 2.6 представлена схема испытательной машины, основными элементами которой являются: приводной нагружающий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.

Рис. 2.6. 1 - основание; 2 - винт; 3 - нижний захват (активный); 4 - образец; 5 - верхний захват (пассивный); 6 - силоизмерительный датчик; 7 - пульт управления с электроприводной аппаратурой; 8 - индикатор нагрузок; 9 - рукоятка управления; 10 - диаграммный механизм; 11 - кабель

В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения (рис. 2.7) в координатах нагрузки Р; Д/ - абсолютное удлинение образца. На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характерных участка: участок ОА (прямолинейный) соответствует

упругой деформации (такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой называется законом пропорцио-

Рис.

нальности); участок ЛВ (криволинейный) соответствует упругопластической деформации при возрастании нагрузки; участок ВС (криволинейный) соответствует упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.

При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме растяжения может появится небольшой горизонтальный участок ЛЛ", называемый площадкой текучести. Образец удлиняется без увеличения нагрузки - металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки продолжается деформация испытуемого образца, называется физическим пределом текучести.

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали, а также для некоторых марок латуни. На диаграммах растяжения высокоуглеродистых сталей нет площадки текучести.

С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца.

При растяжении определяют показатели прочности и пластичности материалов.

Показатели прочности материалов характеризуются напряжением а, равным отношению нагрузки к площади поперечного сечения образца (в характерных точках диаграммы растяжения).

К наиболее часто используемым показателям прочности материалов относятся: предел текучести, условный предел текучести, предел прочности.

Предел текучести а т, МПа - наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:

а. г = Р Т /Р 0 ,

где Р т - нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (см. рис. 2.7); Р 0 - площадь поперечного сечения образца до испытания.

Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести, то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Условный предел текучести а 02 , МПа - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от начальной расчетной длины образца:

а 0,2 = Л)2 /^0’

где Р 02 - нагрузка, соответствующая остаточному удлинению

Д/ 0>2 = 0,002/ 0 .

Предел прочности а в, МПа - напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р тах, предшествующей разрыву образца:

Показатель пластичности. Пластичность - одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Наиболее часто используются следующие показатели пластичности.

Относительное удлинение 5, % - наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или другими словами, отношение абсолютного приращения расчетной длины образца Д/ р до нагрузки Р тах к ее первоначальной длине (см. рис. 2.7):

8 = (Д/ р //о)100 = [(/ р - /о)//(,]! 00.

Аналогично предельному равномерному удлинению существует относительное сужение 1|/ (%) площади поперечного сечения:

у =(А/’ р // , 0)100 = [(/- 0 - р р ур 0 ] т ,

где Е 0 - начальная площадь поперечного сечения образца; Е р - площадь в месте разрыва.

У хрупких металлов относительное удлинение и относительное сужение близки нулю; у пластичных материалов они достигают нескольких десятков процентов.

Модуль упругости? (Па) характеризует жесткость металла, его сопротивление деформации и представляет собой отношение напряжения в металле при растяжении к соответствующему относительному удлинению в пределах упругой деформации:

Е = а/ 8.

Таким образом, при статическом испытании на растяжение определяют показатели прочности (а т, а 02 , а в) и показатели пластичности (8 и |/).

Испытания на твердость. Твердость - свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении твердосплавного наконечника (ин-дентора) в его поверхность. Испытания на твердость - самый доступный и распространенный способ механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.

При испытании на твердость методом Бринелля в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром /) под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр с! отпечатка (рис. 2.8, а).

Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается по формуле

НВ = Р/Е,

где Р - нагрузка на шарик, Н; .Г - площадь поверхности сферического отпечатка, мм 2 .

Определенная нагрузка соответствует конкретному значению твердости. Так, при определении твердости стали и чугуна на-

Рис. 2.8. Схемы испытаний на твердость по Бринеллю (а), Виккерсу (б),

Роквеллу (в)

грузка на шарик Р= ЗО/) 2 ; для меди, ее сплавов, никеля, алюминия, магния и их сплавов - Р= 10/) 2 ; для баббитов - Р = 2,5/) 2 .

Толщина металла под отпечатком должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до края образца - не меньше /).

Для испытания на твердость по Бринеллю в настоящее время применяют в основном рычажные прессы.

По методу Бринелля можно испытывать материалы с твердостью 4500 НВ. Если материалы тверже, то стальной шарик может деформироваться. Этот метод непригоден также для испытаний тонколистового материала.

Если твердость по Бринеллю испытывалась шариком диаметром 10 мм и нагрузкой в 29-430 Н, то число твердости обозначается цифрами, характеризующими значение твердости, и буквами «НВ», например 185НВ.

Если испытания проходили при других условиях, то после букв «НВ» указывают эти условия: диаметр шарика (мм), нагрузка (кгс) и продолжительность выдержки под нагрузкой (с): например 175НВ5/750/20.

Этим методом можно испытывать материалы твердостью не более 450НВ.

При испытании на твердость методом Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом 136° при вершине (рис. 2.8, б). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ с1 х отпечатка. Число твердости по Виккерсу (НУ) подсчитывается по формуле

НУ= 1,854 Р/б 2 ,

среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка, мм.

Число твердости по Виккерсу обозначается буквами «НУ» с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм 2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой для сталей 10-15 с, а для цветных металлов 30 с. Например, 450НУ10/15 означает, что твердость по Виккерсу 450 получена при Р= 10 кгс, приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

При испытании на твердость методом Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом 120° при вершине или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако согласно этому методу за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания методом Роквелла показана на рис. 2.8, в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р 0 , под действием которой индентор вдавливается на глубину И (у Затем прикладывается основная нагрузка Р х, под действием которой индентор вдавливается на глубину /?,. После этого снимают нагрузку Р { , но оставляют предварительную нагрузку Р 0 . При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня И 0 . Разность (И - /г 0) зависит от твердости материала. Чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Твердость, определенная методом Роквелла, обозначается буквами «Н11». Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляются буквы: А, С, В, обозначающие соответствующую шкалу измерений.

Метод Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса имеет преимущество, которое заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно индикатором, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Испытания на ударную вязкость (ударный изгиб). Если та или иная деталь машины или механизма в силу своего назначения испытывает ударные нагрузки, то металл для изготовления такой детали кроме статических испытаний испытывают еще динамической нагрузкой, так как некоторые металлы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются при малых ударных нагрузках. Такими металлами являются, например, чугун и стали с крупнозернистыми структурами.

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца, отнесенная к площади его поперечного сечения в месте надреза.

Для определения ударной вязкости используют призматические образцы с различными надрезами. Самыми распространенными являются образцы с и- и У-образнымм надрезами.

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис. 2.9). Маятник весом С поднимают на высоту /?, и затем освобождают. Маятник, свободно падая, ударяет по образцу и разрушает его, продолжая движение по инерции на высоту /? 2 .

Работа, затраченная на ударный излом образца, определяется по формуле

К=0(И х -Л 2),

где С - вес маятника; /?, - высота подъема маятника до испытаний; Л 2 - высота подъема маятника после испытаний.

Указатель на шкале копра фиксирует работу К.

Ударная вязкость имеет обозначения: КСУ и КСИ, где первые две буквы обозначают символ ударной вязкости, третья (V или и) - вид концентратора (надреза). Подсчитывается ударная

Рис. 2.9. а - маятниковый копр; б - расположение образца на копре; 1 - корпус; 2 - маятник; 3 - образец

вязкость как отношение работы к площади поперечного сечения образца в надрезе:

КС = АГ/^о,

где К - работа удара на излом образца; 5 0 - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Технологические испытания или пробы металлов проводятся с целью определения способности металлов воспринимать деформацию, подобную той, которой он должен подвергаться в условиях обработки или эксплуатации. Технологические пробы металлов проводят:

• на осадку;
• сплющивание;
• навивание проволоки;
• загиб, перегиб;
• выдавливание;
• свариваемость;
• развертывание фасонного материала и др.

Технологические пробы металлов во многих странах (в том

числе и России) стандартизованы. Технологические пробы не дают численных данных. Оценка качества металла при этих испытаниях производится визуально по состоянию поверхности металла после испытания. Например, для оценки качества труб проводят технологические испытания на расширение, плющева-ние, разбортовку, растяжение и расширение кольца, а также гидравлическим давлением.

Для того чтобы оценить способность металла пластически деформироваться без нарушения целостности при обработке давлением, определяют его технологическую пластичность (деформируемость). Иногда способность к деформированию называют по названию конкретного процесса: штампуемость (проба на выдавливание).

Штампуемость определяется путем продавливания пуансона через листовой материал толщиной до 2 мм, зажатый между матрицей и прижимом; служит для определения способности металла к холодной штамповке и вытяжке.

Прокатываемость - продольная прокатка клиновидных образцов (прокатка на клин), служит для приближенного определения максимальной степени деформации для данного материала.

Прошиваемость - винтовая прокатка конических или цилиндрических образцов с торможением, служит для приближенного (конический образец) или более точного (цилиндрический образец) определения максимальных обжатий перед носком оправки при прошивке заготовок.

Свариваемость определяет сопротивление разрыву по сварному шву. При хорошей свариваемости сопротивление разрыву по шву должно составлять не менее 80 % от предела прочности цельного образца.

Испытание на перегиб определяет способность металла выдерживать перегибы; применяется для оценки качества полосового и листового металла, а также проволоки и прутков.

Испытания на осадку проводят с целью определения способности металла принимать заданную форму в холодном состоянии, не допуская при этом трещин, разрывов, изломов и т. д. Такие испытания проводят для заклепочных металлов.

Испытанием на сплющивание определяют способность металла деформироваться при сплющивании. Как привило, таким испытаниям подвергают отрезки сварных труб диаметром 22-52 мм с толщиной стенок от 2,5 до 10 мм. Проба заключается в сплющивании образца под прессом, которое выполняется до получения просвета между внутренними стенками трубы, размер которого равен четырехкратной толщине стенки трубы, при этом образец не должен иметь трещин.

(прочность, упругость, пластичность, вязкость), как и другие свойства, являются исходными данными при проектировании и создании различных машин, механизмов и сооружений.

Методы определения механических свойств металлов делятся на следующие группы:

· статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);

· динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);

· циклические, когда нагрузка многократно изменяется (испытание на усталость);

· технологические — для оценки поведения металла при обработке давлением (испытания на изгиб, перегиб, выдавливание).

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) проводятся на стандартных образцах круглого или прямоугольного сечения. При растяжении под действием плавно возрастающей нагрузки образец деформируется до момента разрыва. Во время испытания образца снимают диаграмму растяжения (рис. 1.36, а ), фиксирующую зависимость между действующей на образец силой Р, и вызванной ею деформацией Δl (Δl — абсолютное удлинение).

Рис. 1.36. Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали (а ) и зависимость между напряжением и относительным удлинением (б )

Вязкость (внутреннее трение) — способность металла поглощать энергию внешних сил при пластической деформации и разрушении (определяется величиной касательной силы, приложенной к единице площади слоя металла, подлежащего сдвигу).

Пластичность — способность твердых тел необратимо деформироваться под действием внешних сил.

При испытании на растяжение определяют:

· σ в — границу прочности, МН/м 2 (кг/мм 2):

0 — начальная площадь сечения образца;

· σ пц — границу пропорциональности, МН/м 2 (кг/мм 2):

где P пц — нагрузка, соответствующая границе пропорциональности;

· σ пр — границу упругости, МН/м 2 (кг/мм 2):

где Р пр — нагрузка, соответствующая границе упругости (при σ пр остаточная деформация соответствует 0,05-0,005 % начальной длины);

· σт — границу текучести, МН/м 2 (кг/мм 2):

где Р т — нагрузка, соответствующая границе текучести, Н;

· δ — относительное удлинение, %:

где l 0 — длина образца до разрыва, м; l 1 — длина образца после разрыва, м;

· ψ — относительное сужение, %:

где F 0 — площадь сечения до разрыва, м 2 ; F — площадь сечения после разрыва, м 2 .

Испытания на твердость

Твердость — это сопротивление материала проникновению в него другого, более твердого тела. Из всех видов механического испытания определение твердости является самым распространенным.

Испытания по Бринеллю (ГОСТ 9012-83) проводятся путем вдавливания в металл стального шарика. В результате на поверхности металла образуется сферический отпечаток (рис. 1.37, а ).

Твердость по Бринеллю определяется по формуле:

— диаметр шарика, м; d — диаметр отпечатка, м.

Чем тверже металл, тем меньше площадь отпечатка.

Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от исследуемого металла, его твердости и толщины. При испытании стали и чугуна выбирают D = 10 мм и P = 30 кН (3000 кгс), при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и P = 10 кН (1000 кгс), а при испытании очень мягких металлов (алюминия, баббитов и др.) D = 10 мм и P = 2,5 кН (250 кгс). При испытании образцов толщиной менее 6 мм выбирают шарики с меньшим диаметром — 5 и 2,5 мм. На практике пользуются таблицей перевода площади отпечатка в число твердости.

Испытания по Роквеллу (ГОСТ 9013-83). Проводятся путем вдавливания в металл алмазного конуса (α = 120°) или стального шарика (D = 1,588 мм или 1/16", рис. 1.37, б ). Прибор Роквелла имеет три шкалы — В, С и А. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы С и А), а шарик — для испытания мягких материалов (шкала В). Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной Р 0 и общей Р :

Р = Р 0 + Р 1 ,

0 = 100 Н (10 кгс). Основная нагрузка составляет 900 Н (90 кгс) для шкалы В; 1400 Н (140 кгс) для шкалы С и 500 Н (50 кгс) для шкалы А.

Рис. 1.37. Схема определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Рoквеллу; в — по Виккерсу

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принимают величину, которая соответствует осевому перемещению наконечника на расстояние 0,002 мм.

Твердость по Роквеллу вычисляют следующим способом:

НR = 100 - e (шкалы А и С); НR = 130 - e (шкала В).

Величину e определяют по формуле:

где h — глубина проникновения наконечника в металл под действием общей нагрузки Р (Р =Р 0 + Р 1); h 0 — глубина проникновения наконечника под действием предварительной нагрузки Р 0 .

В зависимости от шкалы твердость по Роквеллу обозначают НRВ, НRС, НRА .

Испытания по Виккерсу (ГОСТ 2999-83). В основе метода — вдавливание в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды (α = 136°) (рис. 1.37, в ). Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Твердость по Виккерсу:

— среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеренных после снятия нагрузки, м.

Число твердости по Виккерсу определяют по специальным таблицам по диагонали отпечатка d . При измерении твердости применяют нагрузку от 10 до 500 Н.

Микротвердость (ГОСТ 9450-84). Принцип определения микротвердости такой же, как и по Виккерсу, согласно соотношению:

Метод применяется для определения микротвердости изделий мелких размеров и отдельных составляющих сплавов. Прибор для измерения микротвердости — это механизм вдавливания алмазной пирамиды и металлографический микроскоп. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же тщательно, как микрошлифы.

Испытание на ударную вязкость

Для испытания на удар изготавливают специальные образцы с надрезом, которые затем разрушают на маятниковом копре (рис. 1.39). Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на подъем маятника после его разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника отнять часть, которая тратится на подъем (взлет) после разрушения образца, получим работу разрушения образца:

K = Р(h 1 - h 2)

K = Рl (соs β - соs α), Дж (кг·м),

де P — масса маятника, Н (кг); h 1 — высота подъема центра масс маятника до удара, м; h 2 — высота взлета маятника после удара, м; l — длина маятника, м; α, β — углы подъема маятника соответственно до разрушения образца и после него.

Рис. 1.39. Испытание на ударную вязкость: 1 — маятник; 2 — нож маятника; 3 — опоры

Ударную вязкость, т. е. работу, затраченную на разрушение образца и отнесенную к поперечному сечению образца в месте надреза, определяют по формуле:

МДж/м 2 (кг·м/см 2),

где F — площадь поперечного сечения в месте надреза образца, м 2 (см 2).

Для определения KС пользуются специальными таблицами, в которых для каждого угла β определена величина работы удара K . При этом F = 0,8 · 10 -4 м 2 .

Для обозначения ударной вязкости добавляют и третью букву, указывающую на вид надреза на образце: U, V, Т . Запись KСU означает ударную вязкость образца с U -образным надрезом, KСV — с V -образным надрезом, а KСТ — с трещиной (рис. 1.40).

Рис. 1.40. Виды надрезов на образцах для испытания на ударную вязкость:
а — U -образный надрез (KCU ); б — V -образный надрез (KСV ); в — надрез с трещиной (KСТ )

Испытание на усталость (ГОСТ 2860-84). Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называется усталостью металла . При разрушении металла вследствие усталости на воздухе излом состоит из двух зон: первая зона имеет гладкую притертую поверхность (зона усталости), вторая — зона долома, в хрупких металлах она имеет грубокристаллическое строение, а в вязких — волокнистое.

При испытании на усталость определяют границу усталости (выносливости), т. е. то наибольшее напряжение, которое может выдержать металл (образец) без разрушения заданное число циклов. Самым распространенным методом испытания на усталость является испытание на изгиб при вращении (рис. 1.41).

Рис. 1.41. Схема испытания на изгиб при вращении:
1 — образец; виг — изгибающий момент

Применяют следующие основные виды технологических испытаний (проб).

Проба на изгиб (рис. 1.42) в холодном и горячем состоянии — для определения способности металла выдерживать заданный изгиб; размеры образцов — длина l = 5а + 150 мм, ширина b = 2а (но не менее 10 мм), где а — толщина материала.

Рис. 1.42. Технологическая проба на изгиб: а — образец до испытания; б — загиб до определенного угла; в — загиб до параллельности сторон; г — загиб до соприкосновения сторон

Проба на перегиб предусматривает оценку способности металла выдерживать повторный изгиб и применяется для проволоки и прутков диаметром 0,8—7 мм из полосового и листового материала толщиной до 55 мм. Образцы сгибают попеременно направо и налево на 90° с равномерной — около 60 перегибов в минуту — скоростью до разрушения образца.

Проба на выдавливание (рис. 1.43) — для определения способности металла к холодной штамповке и вытягиванию тонкого листового материала. Состоит в продавливании пуансоном листового материала, зажатого между матрицей и зажимом. Характеристикой пластичности металла является глубина выдавливания ямки, что соответствует появлению первой трещины.

Рис. 1.43. Испытание на выдавливание: 1 — лист; h — мера способности материала к вытяжке

Проба на навивку проволоки диаметром d ≤ 6 мм . Испытание состоит в навивке 5—6 плотно прилегающих по винтовой линии витков на цилиндр заданного диаметра. Выполняется только в холодном состоянии. Проволока после навивки не должна иметь повреждений.

Проба на искру используется при необходимости определения марки стали при отсутствии специального оборудования и маркировки.