Механические свойства металлов и способы их определения. Механические свойства металлов Прочностные испытания металлов

Механические испытания в зависимости от характера действия нагрузки во времени могут быть:

статические , при которых нагружение производится медленно и нагрузка возрастает плавно от нуля до некоторой максимальной величины или остается постоянной длительное время при малой скорости деформации;

Динамические , при которых нагрузка на образец возрастает мгновенно при большой скорости деформации;

- повторно-переменные (или циклические), усталостные, при которых изменяются величина и направление действия нагрузки. По результатам испытаний определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжений или то предельное напряжение, которое образец выдерживает без разрушения в течение опреленного числа циклов нагружения.

Кроме того, проводят испытания на ползучесть и длительную прочность при повышенных температурах с целью определения жаропрочности металла или сплава.

При статических, динамических и усталостных испытаниях, а также при испытаниях на твердость и жаропрочность определяют стандартные механические свойства металлов и сплавов: прочностные характеристики - предел пропорциональности, продел упругости, предел текучести, временное сопротивление, пластические характеристики - относительное удлинение и относительное сужение, а также твердость, ударную вязкость, предел выносливости, предел ползучести или предел длительной прочности.

Испытание на растяжение

При испытании на растяжение, согласно ГОСТ 1497, определяют сопротивление металла малым пластическим деформациям, характеризующееся пределом пропорциональности σ пц, пределам упругости σ у и пределом текучести σ т (или σ 0,2 ), а также сопротивление значительным пластическим деформациям, которое выра жают временным сопротивлением σ в.

При растяжении определяют и пластичность металла, то есть величину пластической деформации до разрушения, которая может быть оценена относительным удлинением образца δ и его относительным сужением ψ (после разрыва образца).

Для испытания на растяжение используют стандартные образцы (см. ниже). Машина для испытаний снабжена устройством, записывающим диаграмму растяжения.

Диаграмма растяжения показывает зависимость между растягивающей нагрузкой, действующей на образец, и его деформацией. На диаграмме по оси ординат записывают нагрузку Р , а по оси абсцисс - абсолютное удлинение образца Δ l (Δl = l х - lо, где l х и lо - теку щая (в данный момент времени) и начальная длины образца) - Рис. 1

Рис. 1. Схема диаграммы растяжения: изменение удлинения образца в зависимости от нагрузки

Кривая изменения абсолютного удлинения Δ l в зависимости от прилагаемой нагрузки Р при растяжении состоит из прямолинейного участка ОА и криволинейного АВ , отвечающего переходу в область пластических (остаточных) деформаций и характеризуемой постепенным уменьшением тангенса угла наклона кривой к оси абсцисс (см. Рис. 1).

Пластической называют деформацию, остающуюся после снятия нагрузки (кроме того, наблюдается обратимая пластическая деформация, которая, как и упругая, исчезает после снятия нагрузки) . Величина остаточной деформации в момент раз ру­шения (удлинение, сужение) служит мерой пластичности материала. Если величина пластической деформации до разрушении мала, то материал называют хрупким. Пластическая деформация предшествует любому виду разрушения (вязкому или квазихрупкому), но при квазихрупком разрушении она весьма мала, локализована в микро- и субмикрообъемах и не выявляется при обычных методах измерения макродеформации. В этом последнем случае необходимо изыскание таки x условий испытания (скорости нагружения,температуры испыта­нии и т. п.), при которых можно было бы выявить пластичность материала.

Для возможности сравнения результатов испытаний различных но размерам образцов целесооб­разно установить связь между удельными и относительными ве­личинами, т. е. между условным напряжением σ, равным P / F 0 , где P - F 0 - плошадь поперечного се­чения образца до испытания, и относительным удлинением δ, равным Δ l / I 0 , где Δ l - абсолютное уд- шпение образца; I 0 - длина образца до испытания. Так как значе­нии Р и Δ l делятся на постоянные для данных условий испытания величины, то вид диаграммы, приведенной на Рис. 1, не меняется (отличается только масштабом) при переходе от координат P – Δ l к координатам σ - δ.

Напряжения ниже точки А практически не вызывают измери­мой остаточной деформации и относительно этой точки могут быть установлены (с определенным допуском на точность измеря­емых деформаций) предел упругости σ у , а также предел пропорци­ональности σ пц . Здесь и далее напряжения получаются делением соответствующей нагрузки на F 0 - плошадь поперечного сечения образца до испытания.

Предел упругости σ у - условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций определенной заданной вели­чины (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); допуск на остаточную деформа­цию указывается в индексе при σ у .

Предел пропорциональности σ пц - условное напряжение, соот ветствущее отклонениям от линейного хода кривой деформации (от закона Гука), задаваемым определенным допуском (например, увеличением тангенса угла наклона кривой деформации к оси на­пряжения на 25 или 50% при переходе от прямолинейного участка к криволинейному).

Следует отметить, что для реальных поликристоллических металлов определение σ у и σ пц представляет значительные методич еские трудности, так как предусматривает измерение очень малых деформаций. Поэтому на практике чаще обращаются к такой характеристике, как условный предел текучести.

Условный предел текучести - это условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной величина (обычно 0, 2% от рабочей длины образца; тогда условный предел текучести обозначают как σ 0,2 ). Величину σ 0,2 определяют, правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутвует площадка или зуб текучести.

В тех случаях, когда диаграмма растяжения имеет площадку текучести (Рис. 2, а), измеряют физический предел текучести σ т , условное напряжение, соответствующее наименьшей нагрузке площадки текучести, когда деформация образца происходит увеличения нагрузки. Иногда распространение деформации по длине образцов из пластичных материалов при напряжениях, отвечающих площадке текучести, носит волнообразный характер: вначале образуется местное утонение сечения, затем это утононение переходит на соседний объем материала и этот процесс разшнми ся до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести. Когда имеется зуб текучести (Рис. 2, б ), вводят понятия о верхнем σ в т и нижнем σ н т пределах текучести.

Рис. 2. Схемы диаграмм растяжения металлов, дающих площадку (а) зуб (б) текучести

Если при испытании образцов, например на растяжение, не возникает локализованной деформации (не образуется шейки - местное сужение поперечного сечения), то образец из хрупких металлов разрушается при какой-то максимальной нагрузке, отвечающей точке В на Рис. 1. Деление этой нагрузки на площадь начального поперечного сечения дает разрушающее напряжение, называемое временным сопротивлением σ b (это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом). В тех случаях, когда окончание растяжения сопровождается местным утонением образца (образованием шейки), диаграмма растяжения имеет вид, изображенный на Рис. 2, т. е. нагрузка в момент разрыва пластичного металла и напряжение, отнесенное к исходному сечению (в точке D ), могут быть меньше, чем напряжение в какой-то предыдущий момент растяжения. Но и и этом случае временное сопротивление определяется применительно к точке В , т. е. относительно максимальной нагрузки, момент достижения которой практически совпадает с началом образования шейки в образце из пластичного материала. Появление шейки определяет переход от равномерной деформации всей рабочей части образца к сосредоточенной деформации в определенном сечении.

При переходе в область пластических деформаций (правее точки А на диаграмме Рис. 1) изменения поперечного сечения образца становятся уже значительными и отнесение нагрузки к исходному (до деформации) сечению F 0 дает лишь условные напряжен ия. Если учитывать изменение сечения при деформации и относить нагрузку не к исходному сечению, а к сечению в каждый дан­ный момент деформации F x , то получают истинные напряжения. Эти последние, естественно, отличаются от условных напряжений и тем больше, чем пластичнее материал (чем сильнее изменяется сечение в ходе деформации относительно исходного). Соответственно изменяется вид диаграммы растяжения, которая схематично показана на Рис. 3. В случае хрупких материалов (чугун, литые алюминиевые сплавы и др.) различие между истинными и услов­ными напряжениями может быть небольшим.

По диаграмме растяжения, как было отмечено выше, можно судить и о пластичности металла, которая характеризуется относительным удлинением после разрыва δ и относительным сужением площади сечения у образца.

П од относительным удлинением δ понимают отношение абсо лютного удлинения образца после разрыва Δ l = l к - lо (где l к - конечная длина образца) к его начальной расчетной длине l о, выри женное в процентах, т. е.

δ = ( l к - lо)* 100%/ l о

В случае испытания «коротких» (пятикратных) образцов (см. ниже) относительное удлинение обозначают δ 5 , в случае « длин ных» (десятикратных) – δ 10 .

Относительное сужение после разрыва ψ представляет собой o тношение уменьшения площади поперечного сечения разорванного образца Δ F = F 0 - F K (где F K - минимальная площадь поперечного сечения образца после его разрыва) к первоначальной площади поперечного сечения Fo , выраженное в процентах, т. е.

Ψ = ( F 0 - F K )*100%/ F 0

При расчете режимов обжатий в процессах обработки меча им» давлением чаще всего используют показатель δ.

Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс (см. Рис. 1) характеризует модуль упругости материала Е = σ / δ (где δ - относительная деформация, равная Δ l / l 0 ). Модуль упругости E определяет жесткость материала: интенсивность увеличения напряжения по мере увеличении упругой деформации. Физический смысл Е сводится к тому, что он характеризует сопротивляемость металла упругой деформации. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры в широких пределах.

Рис. 3. Условное изображение диаграммы растяжения (сплошная линия) и диаграммы истинных напряжений (штриховая линия)

Следует отметить, что закон пропорциональности между на­пряжением и деформацией является справедливым лишь в первом приближении. При точных измерениях даже при небольших на­пряжениях в упругой области наблюдаются отклонения от закона пропорциональности. Это явление называют неупругостъю . Оно проявляется в том, что деформация, оставаясь обратимой, отстает по фазе от действующего напряжения. В связи с этим при нагрузке-разгрузке на диаграмме растяжения вместо прямой линии получается петля гистерезиса, так как линии нагрузки и разгрузки не совпадают между собой.

Механические свойства металлов в испытаниях на растяжение определяют, используя стандартные образцы, общий вид которых показан на Рис. 4.

Необходимо строго соблюдать определенные соотношения между начальной расчетной длиной образца l 0 и начальной площа­дью поперечного сечения в рабочей части образца F 0 . Используют образцы двух видов: цилиндрические и плоские. Оба вида образ­ном для испытания на растяжение применяют с начальной расчет­ной длиной lо = 5,65√F 0 или lо = 11,3√F 0 диаметром do = 3...25 мм или толщиной а о = 0,5. ..25 мм и шириной b 0 = 20...30 мм. При ном образцы с расчетной длиной lо = 5, √F 0 именуются «корот­кими», а образцы с lо = 11,3 √F 0 - «длинными», причем примене­ние первых предпочтительнее. Литые образцы и образцы из хруп­ких металлов допускается изготавливать с начальной расчетной длиной lо = 2,82√F 0 .

В случае цилиндрических образцов в качестве основных приме­няют образцы с диаметром do = 10 мм и начальной расчетной дли­ной l 0 = 5 do (короткие) и lо = 10 d 0 (длинные); в первом случае по­ручаемое значение относительного удлинения после разрыва обозначают δ 5 , во втором - δ 10 .

Рис. 4. Общий вид стандартных образцов для испытания на растяжение: а - цили ндрический образец; б - плоский

Испытание на сжатие

Испытание на сжатие обычно применяют для определения механических свойств хрупких материалов. Цилиндрические образцы диаметром 10...25 мм и высотой, равной диаметру, подвергают сжатию, фиксируя при этом упругие и остаточные деформации Торцовые поверхности образцов должны быть отшлифованы, плоскопараллельными и перпендикулярными к оси образца. Большое влияние на результаты испытания оказывает трение на торцах об разцов. Для уменьшения трения применяют специальные прокладки (свинцовые) или смазку торцов.

Испытание на сжатие производят на тех же машинах, что и ж пытание на растяжение, с использованием приспособлений (реверсов) для превращения растягивающей нагрузки в сжимающую. При испытании на сжатие получают диаграмму сжатия (Рис. 5), по которой определяют основные механические характеристики испытуемого материала. В процессе сжатия образца из пластичного металла при напряжении ниже предела текучести металл ведет так же, как и при растяжении. После достижения предела текучести образец пластически деформируется, принимая бочкообразную форму. При смазке торцов или наличиимягких прокладок на торцах деформация образца по высоте получается более равномерной.

При испытании на сжатие пластичных металлов (см. рис. 5 кривые 2 и 3) обычно определяют пределы пропорциональности и текучести как при испытании на растяжений, а степень осадки (относительную деформацию) находят из соотношения:

ε = (h 0 -h 1)*100%/h 0 ,

где hо и h 1 - высоты образца до и после осадки.

Рис. 5. Сравнительные схемы диаграмм сжатия различных металлов: 1 - чугун; 2 - медь; 3 - сталь

В случае испытания на сжатие хрупких металлов (см., например, Рис. 5, кривая 1) достижение в точке В напряжения σ в сопровождается разрушением образца. Разрушение образца обычно происходит под углом 45° к линии действия сжимающей силы.

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.

Испытания на растяжение. При испытании на растяжение можно определить предел прочности металла или материала, относительное удлинение, относительное сужение, предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести и модуль упругости.
Однако практически чаще всего ограничиваются определением основных величин: предела прочности при растяжении, относительного удлинения и относительного сужения.
Если обозначить действующую на образец силу (нагрузку) Р кг , а площадь сечения образца F мм 2 , то напряжение

т. е. напряжение =

Напряжение, при котором материал при растяжении разрушается, называется пределом прочности при растяжении и обозначается σ вр.
Если растягиваемый образец имел первоначальную площадь сечения F 0 мм 2 и разрывающую нагрузку Р кг , то предел прочности при растяжении

Относительное удлинение. При испытании на растяжение образец удлиняется пропорционально увеличению нагрузки. До определенной величины нагрузки это удлинение не является остаточным (фиг. 167), т. е. если снять в это время нагрузку, то образец примет первоначальное положение. При больших нагрузках (больше, чем в точке А ) образец получает остаточное удлинение. Если сложить обе половинки образца после его разрушения, то общая длина образца l будет больше, чем исходная длина образца l 0 до его испытания. Увеличение длины образца характеризует пластичность (тягучесть) металла.

Обычно удлинение определяется в центральной части образца.
Относительное удлинение определяется отношением полученного при растяжении удлинения l - l 0 к первоначальной длине образца l 0 и выражается в процентах:

Относительное сужение - это отношение уменьшенной площади поперечного сечения образца после разрыва (F 0 - F ) к площади сечения образца до разрыва (F 0)

Испытание на удар. Для определения ударной вязкости материала (сопротивление его динамической - ударной нагрузке) применяют испытание образца материала на удар на специальной машине - маятниковом копре (фиг. 168). Для этого берут образец определенной формы и сечения с односторонней выточкой по середине, укладывают на опоры копра и ударом маятника с определенной высоты разрушают образец. По затраченной на разрушение образца работе определяют ударную вязкость материала. Чем меньше ударная вязкость, тем более хрупкий металл.

Испытание на изгиб. Испытанию на изгиб подвергаются главным образом хрупкие материалы (чугун, закаленная сталь), которые в результате изгиба разрушаются без заметной пластической деформации.
Пластичные материалы (малоуглеродистая сталь и др.) при изгибе деформируются, в результате изгиба не разрушаются и для них нельзя определить предела прочности при изгибе. Для таких материалов ограничиваются, если в этом есть необходимость, определением соотношения изгибающих моментов к соответствующим прогибам.
Испытание на кручение применяется для определения предела пропорциональности, предела упругости, предела текучести и других характеристик материала, из которого изготовляются ответственные детали (коленчатые валы, шатуны и др.), работающие при большой нагрузке на кручение.
Испытание на твердость. Из всех видов механических испытаний металлов испытание на твердость проводится чаще всего. Это объясняется тем, что испытание на твердость имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими видами механических испытаний:
1. Изделие не разрушается и после испытания поступает в эксплуатацию.
2. Простота и быстрота испытания.
3. Портативность прибора для испытания на твердость и простота работы на нем.
4. По величине твердости можно с некоторым приближением судить о прочности на растяжение.
5. По величине твердости можно приблизительно определить, какая структура испытуемого металла у места испытания.
Так как при определении твердости испытываются поверхностные слои металла, то для того, чтобы получить правильный результат, поверхность металла не должна иметь таких дефектов, как окалина, обезуглероженный слой, забоины, крупные царапины и др., а также не должно быть наклепа поверхности.
Методы испытания на твердость разделяются на следующие виды: 1) вдавливание, 2) царапание, 3) качение маятника, 4) упругая отдача.
Наиболее распространенным является метод вдавливания, при котором твердость может определяться:
1. По величине поверхности отпечатка от вдавливаемого стального шарика при испытании на прессе Бринеля (фиг. 169).
2. По глубине отпечатка при вдавливании алмазного конуса или стального шарика при испытании на приборе Роквелла (фиг. 170).

3. По величине поверхности отпечатка от вдавливания алмазной пирамиды при испытании на приборе Виккерса.
При испытании твердости на прессе Бринеля в качестве твердого тела, вдавливаемого в испытуемый материал, применяется стальной закаленный шарик диаметром 10,5 или 2,5 мм . Детали толщиной более 6 мм испытываются шариком диаметром 10 мм при нагрузке 3000 или 1000 кг . Детали толщиной от 3 до 6 мм испытываются шариком диаметром 5 мм при нагрузке 750 и 250 кг . При испытании детали толщиной менее 3 мм применяют шарик 2,5 мм и нагрузку 187,5 кг . За меру твердости принимается отношение взятой нагрузки Р в кг к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента)

Для ускорения определения твердости по Бринелю имеются специальные таблицы, в которых по диаметру отпечатка (лунки) определяется твердость. На прессе Бринеля нельзя испытывать материал, имеющий твердость выше Н Б = 450, так как шарик будет деформироваться и давать неправильные показания.
Нельзя также испытывать на твердость азотированный, цементованный и закаленный слой стали, так как шарик продавит тонкий поверхностный твердый слой и показания прибора будут искаженные.
При испытании на твердость на приборе Роквелла в качестве твердого тела, вдавливаемого в испытуемый материал, применяется алмазный конус с углом у вершины 120° или конус из твердого сплава или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм (1/16").
Величина твердости представляет собой разность между глубиной впадин, получаемых на испытуемом предмете от вдавливания алмазного конуса под двумя нагрузками определенной величины: большей нагрузкой - основной и меньшей - предварительной. Предварительная нагрузка равняется 10 кг , а общая нагрузка, т. е. предварительная плюс основная, равняется при вдавливании стального шарика 100 кг (шкала В ) и при вдавливании алмазного конуса - 150 кг (шкала С ) или 60 кг (шкала А ).
Измерение твердости шариком по шкале В применяется в том случае, когда твердость не велика (не закаленная или слабо закаленная сталь, бронза и т. д.). Алмазным конусом при нагрузке 60 кг по шкале А проверяют твердость цементованного и закаленного слоя (не глубокого), азотированного слоя, а также в тех случаях, когда нежелательно оставлять большого следа на изделии от наконечника, или, наконец, в тех случаях, когда измеряемая поверхность находится близко от рабочей кромки (режущие кромки развертки и т. д.).
Твердость на приборе Роквелла обозначается R B , R c и R a в зависимости от того, при какой нагрузке производится испытание, т. е. по какой шкале - В, С или А .
Показания твердости на приборе Роквелла являются условными, они не имеют той размерности, какую имеет прибор Бринеля.
Для перевода твердости по Роквеллу на твердость по Бринелю имеются переводные таблицы.
Во многих случаях необходимо определить твердость тонких предметов толщиной менее 0,3 мм , например, твердость тонкого азотированного слоя, твердость стержней малого сечения (спиральные сверла диаметром 1 мм и менее, режущие кромки разверток и т. п.). В таких случаях применяют прибор Виккерса. В этом приборе испытание ведут четырехгранной алмазной пирамидой с углом при вершине 136°. Нагрузка применяется в 5, 10, 20, 30, 50, 100 и 120 кг . .Малые нагрузки применяют для измерения твердости азотированного слоя тонких или мелких предметов. Во всех остальных случаях применяют повышенную нагрузку. Мерилом твердости на приборе Виккерса служит размер диагонали углубления пирамиды на испытуемом изделии. Размеры отпечатка пирамиды определяются при помощи специальной лупы с неподвижной и подвижной линейками. По размеру диагонали по специальной переводной таблице определяют твердость по Виккерсу. В обозначениях твердости по Виккерсу обязательно указывают, какая применялась нагрузка, например: H D 5 , H D 30 и т. д. Числа твердости Но До 400 единиц совпадают с числом твердости Н Б (при испытании на приборе типа Бринеля), а при твердости более 400 Н D превышают числа Н Б и тем больше, чем больше твердость.
Испытание на твердость динамическим вдавливанием шарика. Во многих случаях требуется определить хотя бы ориентировочно твердость металла крупных деталей, например, вала прокатного стана, шейки вала мощного двигателя, станины и других, которые не могут быть практически подведены под прибор Бринеля, Роквелла и Виккерса. В этом случае твердость определяют ориентировочно ручным прибором Польди (фиг. 171).

Устройство прибора Польди заключается в следующем: в специальной обойме находится шток (боек) с буртиком, в который упирается пружина, в нижней части штока имеется щель, в которую вставлен стальной шарик. В эту же щель вставляется эталон твердости - пластинка определенной твердости. Такой переносный прибор устанавливают на деталь в том месте, где надо проверить твердость, и по верхней части бойка ударяют ручным молотком со средней силой один раз. После этого сравнивают размер лунки отпечатка на эталонном образце и на измеряемой детали, полученной одновременно от шарика при ударе в боек. Затем по специальной таблице определяют “число твердости детали.
В тех случаях, когда требуется определить твердость твердого закаленного металла без какого-либо следа от замера или определить твердость крупной закаленной детали, или, наконец, приближенную твердость закаленных шлифованных готовых деталей массового выпуска, применяют прибор Шора, основанный на принципе упругой отдачи (фиг. 172).
Принцип работы прибора Шора заключается в следующем: определенного веса боек с алмазным наконечником падает с высоты на измеряемую поверхность и благодаря упругости испытуемого металла отскакивает на определенную высоту, визуально фиксируемую на градуированной стеклянной трубке.
Точность показаний прибора Шора приближенная. Особенно неточно показывает прибор при испытании тонких пластинок или тонкостенных трубок, так как степень упругости тонкой пластинки или трубки и массивных деталей, имеющих большую толщину, при одной и той же твердости не одинакова.
Технологические испытания (пробы). Во многих случаях требуется определить, как будет вести себя тот или иной материал при его обработке, предусмотренной технологическим процессом изготовления изделия.
В этих случаях проводится технологическая проба, предусматривающая те операции, какие металлы будут претерпевать при изготовлении детали.
Чаще всего производятся следующие технологические испытания.
1. Проба на загиб в холодном и нагретом состоянии (по ОСТ 1683) для определения способности металла принимать заданный по размерам и форме загиб. Загиб может производиться на определенный угол, вокруг оправки до параллельности сторон или вплотную, т. е. до соприкосновения сторон образцов как в холодном, так и в горячем состоянии.
2. Проба на перегиб (по ОСТ 1688 и ГОСТ 2579-42) для определения способности металла выдерживать повторный загиб. Эта проба применяется для проволоки и прутков диаметром от 0,8 до 7 мм и для полосового и листового материала толщиной до 5 мм . Загиб образца производится попеременно в правую и левую стороны на 90° с равномерной скоростью (около 60 перегибов в 1 мин.) до излома образца.
3. Проба на выдавливание. При проведении этого испытания определяют способность металла к холодной штамповке и вытяжке (обычно тонкого листового металла). Проба состоит в выдавливании углубления в листовом металле до появления первой трещины под пуансоном, рабочий конец которого имеет полусферическую форму. Для проведения испытания применяют простые по конструкции ручные винтовые прессы.
Кроме указанных проб, материал может подвергаться и другим видам технологического испытания: расплющиванию, загибу сварных швов, загибу трубы и т. д. в зависимости от требований производства.

Закон Гука

Как известно, различные металлы и сплавы имеют разные механичес­кие и технологические свойства, которые предопределяют качество дета­лей машин, а также обрабатываемость металла. Эти свойства металла выявляют соответствующими испытаниями на растяжение, сжатие, изгиб, твердость и др.

Испытание на растяжение. Чтобы определить прочность металла, работающего на растяжение, изготовляют образец 1 и устанавливают его в зажимы (или захваты) 2 разрывной машины. Для этих целей чаще всего ис­пользуют машины с гидравлической системой передачи усилия или с вин­товой системой.

Растягивающая сила F (рис. 51) создает напряжение в испытываемом об­разце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превысит прочность об­разца, он разорвется.

Рис. 51

Результаты испытания обычно изображают в виде диаграммы. По оси абсцисс откладывают нагрузку F, по оси ординат - абсолютное удлине­ние?l.

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

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

Как показывают исследования, текучесть сопровождается значительными взаимными сдвигами кристаллов, в результате чего на поверхности образца по­являются линии, наклонные к оси образца под углом 45°. Претерпев состояние текучести, материал снова обретает способность сопротивляться растяжению (упрочняется), и диаграмма за точкой М поднимается вверх, хотя гораздо бо­лее полого, чем раньше. В точке D напряжение образца достигает своей наи­большей величины, и на образце появляется резкое местное сужение, так назы­ваемая шейка. Площадь сечения шейки быстро уменьшается и, как следст­вие, происходит разрыв образца, что на диаграмме соответствует положению точки К. Предел прочности образца определяют по формуле о пч = F D / S, где: S пч - предел прочности;

F D - нагрузка, при которой через определенный промежуток време­ни наступает разрушение растянутого образца, Н (кгс); S - площадь поперечного сечения образца в исходном положении, м 2 (мм 2).

Обычно при испытании различных металлов и сплавов на растяжение определяют относительное удлинение е - отношение прироста длины об­разца до разрыва к начальной длине образца. Его определяют по формуле? = ?l/l 0 -100,

где: ? - относительное удлинение;

L = l 1 - I 0 - абсолютное удлинение; l 0 - начальная длина образца; l 1 - длина образца после испытания. Экспериментально было установлено, что напряжение в материале при упругой деформации возрастает пропорционально относительному удлине­нию образца. Эта зависимость получила название закона Г у к а.

Для одностороннего (продольного) растяжения закон Гука имеет вид о = Е-?,

где: о = F/s - нормальное напряжение; F - растягивающая сила; s - площадь поперечного сечения;

Относительное удлинение;

Е - постоянная величина, зависящая от материала стержня.

Примечание. В системе СИ единицей измерения напряжений служит Пас­каль - напряжение, вызванное силой 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2 .

1 Па = 0,102 10 -4 кгс/см 2 ;

1 Па = 0,102 10 -6 кгс/мм 2 ;

1 кгс/см 2 = 9,81 10 4 Па;

1 кгс/мм 2 = 9,81 10 6 Па.

В связи с тем, что единица напряжения паскаль очень мала, приходится пользо­ваться более крупной единицей - мегапаскаль 1 МП а = 10 6 Па.

Госстандарт допускает к применению единицу ньютон на квадрат­ный миллиметр (Н/мм 2). Числовые значения напряжений, выраженные в Н/мм 2 и в МПа, совпадают. Единица Н/мм 2 удобна и потому, что размеры на чер­тежах проставляют в миллиметрах.

Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости при растяжении или модулем Юнга. Каков физический смысл моду­ля упругости? Обратимся к диаграмме растяжения образца (см. рис. 51, II). Модуль упругости на ней пропорционален тангенсу угла наклона а к оси аб­сцисс. Значит, чем круче прямая OA, тем жестче материал, и тем большее сопротивление оказывает он упругой деформации.

Для характеристики металла важно знать не только относительное удли­нение?, но и относительное сужение площади поперечного сечения, кото­рое также позволяет характеризовать пластичность материала.

Естественно, что при растяжении образца площадь поперечного сечения уменьшается. В месте разрыва она будет наименьшей. Относительное суже­ние определяют по формуле? = (S 0 - S 1) / S 0 100%,

где: ? - относительное сужение;

S 0 - площадь поперечного сечения образца до испытания; S 1 - площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке).

Чем больше относительное удлинение и относительное сужение попереч­ного сечения образца, тем более пластичен материал.

Кроме трех рассмотренных характеристик механических свойств метал­лов: предела прочности (o пч), относительного удлинения (е) и относитель­ного сужения (?), можно определить, пользуясь записанной на машине ди­аграммой, предел упругости (о y) и предел текучести (о m),

Испытание на сжатие. Для испытания металлов на сжатие (рис. 53) чаще всего применяют прессы, в которых сжимающая сила образуется путем увеличения гидравлического давления. При сжатии образца из плас­тичного материала, например малоуглеродистой стали (рис. 53, I), его по­перечные размеры увеличиваются, в то время как длина значительно уменьшается. Нарушение целостности образца при этом не происходит (рис. 54). Из диаграммы сжатия (рис. 53, II) видно, что в начальной стадии нагружения деформация возрастает пропорционально нагрузке, затем де­формация резко возрастает при незначительном увеличении на­грузки, далее рост деформации постепенно замедляется вследст­вие увеличения сечения образца.

Рис. 52

Рис. 53

Образцы из хрупких материалов при сжатии разрушаются (рис. 54, III). Например, стержень из чугуна при достижении разруша­ющей нагрузки распадается на части, которые сдвигаются относительно друг друга по косым площадкам (рис. 53, III).

Рис. 54

Для сжатия полностью применим закон Гука, согласно которому мате­риалы противодействуют сжатию пропорционально приложенной силе до предела упругости. Модуль упругости при сжатии для большинства мате­риалов равен модулю упругости при растяжении. Исключение составля­ют только некоторые хрупкие материалы - бетон, кирпич и т. д. Анало­гия в характере напряжения сжатия с напряжением растяжения позволяет описывать эти процессы одними и теми же математическими уравнени­ями.

Испытание на изгиб . При испытании на изгиб образец (брус) укла­дывают концами на две опоры и в середине нагружают (рис. 55). О сопро­тивлении материала изгибу судят по величине прогиба образца.

Рис. 55

Представим теперь себе в брусе воображаемые продольные волокна. При деформации изгиба волокна одной зоны сжимаются, другой - растягива­ются (рис. 55, II).

Между зонами сжатия и растяжения расположен нейтральный слой, во­локна которого не подвергаются деформации, то есть их длина не изменяет­ся. Из рис. 55 видно, что, чем больше волокна расположены от нейтрально­го слоя, тем большую деформацию они испытывают. Таким образом, мож­но сделать вывод, что при изгибе в поперечных сечениях бруса под действи­ем внутренних сил возникают нормальные напряжения сжатия и растяже­ния, величина которых зависит от положения рассматриваемых точек в се­чении. Наибольшие напряжения принято обозначать: в зоне сжатия - ? max , в зоне растяжения - ? m ах. В точках, расположенных на нейтраль­ной оси, напряжения равны нулю. Нормальные напряжения, возникающие в различных по высоте точках поперечного сечения, возрастают пропорци­онально расстоянию от нейтрального слоя и могут быть рассчитаны по фор­муле? = (Е z) / р,

где: ? - нормальные напряжения;

z - расстояние от интересующего нас волокна до нейтрального слоя; Е - модуль упругости; р - радиус кривизны нейтрального слоя.

Испытание на срез. При испытании на срез (рис. 56) металличес­кий образец 3, имеющий цилиндрическую форму, вставляют в отверстие приспособления, представляющего собой вилку 1 и диск 2. Машина вы­тягивает диск из вилки, вследствие чего происходит перемещение сред­ней части образца относительно крайних его частей. Рабочая площадь S (площадь среза) равна удвоенной площади поперечного сечения образца, так как срез происходит одно­временно по двум плоско­стям.

Рис. 56

При срезе все точки дефор­мируемых сечений, ограни­ченных плоскостями действу­ющих сил, смещаются на рав­ные расстояния, то есть мате­риал в этих точках испытыва­ет одинаковую деформацию. Это означает, что во всех точ­ках сечения будут одинако­вые действующие напряже­ния.

Величину напряжения оп­ределяют делением равнодействующей F внутренних (поперечных) сил на площадь поперечного сечения стержня S. Так как вектор напряжения рас­положен в плоскости сечения, в ней возникает касательное напряжение, определяемое по формуле r ср = F/2S, где: r ср - величина напряжения среза;

F - равнодействующая сила;

S - площадь поперечного сечения образца. Срез - это разрушение в результате сдвига одной части материала отно­сительно другой, возникающее под действием касательных напряжений. Для деформации сдвига справедлив закон Гука: в зоне упругости напряже­ния прямо пропорциональны относительным деформациям. Коэффициен­том пропорциональности служит величина модуля упругости при сдвиге G. Относительный сдвиг (угол сдвига) обозначается у. Таким образом, закон Гука для деформации сдвига имеет вид t = Gg, где: r = F/S - касательное напряжение; F - касательная сила; S - площадь сдвигающихся слоев; y - угол сдвига;

G - модуль сдвига, зависящий от материала тела.

Испытание на кручение. При испытании образцов на кручение один конец трубы 2 закрепляют неподвижно 1, другой вращают с помо­щью рычага 3 (рис. 57). Кручение характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня, вала, трубы под влиянием моментов (пар сил), действующих в этих сечениях. Если на поверхности стержня до приложения сил кручения нанести прямолинейные образующие (рис. 57, I), то после скручивания эти образующие принимают вид винтовых линий, а каждое поперечное сечение по отношению к соседнему повора­чивается на некоторый угол (см. рис. 57, II). Это значит, что в каждом сечении происходит деформация сдвига и возникают касательные на­пряжения. Степень смещения материала при кручении определяется уг­лами закручивания? и сдвига у. Абсолютная величина кручения опре­деляется углом закручивания рассматриваемого сечения относительно неподвижно закрепленного сечения. Наибольший угол закручивания получается на самом большом расстоянии от закрепленного конца стержня.

Рис. 57

Отношение угла закручивания? к длине участка I, подвергающегося кручению, называют относительным углом закручива­ния Q = ? / Z,

где: Q - относительный угол закручивания;

Угол закручивания;

Испытание на твердость. При опре­делении твердости материалов в завод­ской и лабораторной практике пользу­ются двумя методами: методом Бринелля и методом Роквелла.

Метод Бринелля. Этот метод основан на том, что при измерении твердости металлов стальной шарик 1 диаметром 2,5; 5 или 10 мм вдавливает­ся в поверхность испытуемого образца 2 при заданной нагрузке 3 от 625 Н до 30 кН (62,5 до 3000 кгс). После удаления нагрузки измеряется диаметр d отпе­чатка, оставшегося на поверхности об­разца (рис. 58), который тем меньше, чем тверже металл.

Рис. 58

Примечание. Стальной шарик должен быть выполнен из термически обрабо­танной стали твердостью не менее НВ850. Шероховатость поверхности R z не ни­же параметра 0,100 по ГОСТ 2789-73. На поверхности шарика не должно быть де­фектов, видимых с помощью лупы при 5-кратном увеличении.

Число твердости по Бринеллю вычисляются по формуле

D - диаметр шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Специальная таблица (ГОСТ 9012-59) дает возможность определить твер­дость наиболее распространенных металлов.

Следует отметить, что между твердостью стали по Бринеллю НВ и преде­лом ее прочности о пч для обычных углеродистых стилей существует соот­ношение, выраженное формулой о пч = 0,36 НВ.

Следовательно, зная твердость стали по Бринеллю, можно вычислить и предел прочности при растяжении.

Эта формула имеет большое практическое значение. Методом Бринел­ля обычно определяют твердость незакаленных сталей, чугуна, цветных металлов. Твердость же закаленных сталей измеряют на приборе Рок­велла.

Метод Роквелла. При измерении твердости металлов по этому методу наконечник стандартного типа (алмазный конус для твердых ме­таллов или стальной шарик - для более мягких) вдавливается в испыту­емый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагру­зок: предварительной (F 0) 100 Н (10 кгс) и окончательной (F 1) 1000 Н (100 кгс) - для шарика и 1500 Н (150 кгс) - для алмазного конуса.

Под действием предварительной нагрузки конус проникает в металл на глубину h 0 (рис. 59,I); при добавлении к предварительной основной нагруз­ки глубина отпечатка увеличивается до h (рис. 59, II) и после снятия основ­ной нагрузки остается равной h 1 (рис. 59, III).

Рис. 59

Глубина отпечатка h = h 1 - h 0 , полученная за счет основной нагрузки F 1 , характеризует твердость по Роквеллу. Испытания по методу Роквелла производят специальными приборами, снабженными индикатором, который показывает число твердости сразу по окончании испытания.

Индикатор имеет две шкалы: черную (С) для испытания алмазным кону­сом и красную (В) для испытания шариком.

Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах.

Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC50 (твердость 50 по шкале С).

Определение твердости тарированными на­пильниками . Твердость HRC может быть определена с помощью ряда напильников, подвергнутых термической обработке на различную твер­дость насечки. Обычно интервал насечек колеблется от 3 до 5 единиц HRC. Тарирование напильников производится по эталонным плиткам, твердость которых заранее точно определена на приборе.

Твердость испытуемой детали Определяется двумя напильниками с ми­нимальным интервалом по твердости, один из которых может только сколь­зить по детали, а второй ее слегка царапать. Если напильник с НRС62 цара­пает металл, а с HRC59 только скользит по поверхности детали, то твер­дость HRC60-61.

Практически этим способом пользуются для установления твердости ин­струментов (разверток, фрез и т. п.), твердость которых измерить иным спо­собом бывает трудно.

Существуют и другие способы определения твердости (способ Виккерса, эле­ктромагнитные способы и др.), которые в данной книге не рассматриваются.

Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности. В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов.

Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.

Статическими называют испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействию постоянной силы или силы возрастающей очень медленно.

Динамическими называют такие испытания, при которых испытываемый металл подвергается воздействию удара или силы, возрастающей очень быстро.

Кроме того, существуют испытания на усталость, износ, ползучесть, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

Испытания на растяжение. Статическое испытание на растяжение - весьма распространенный способ механических испытаний. Для статических испытаний изготавливают круглые образцы или плоские образцы для листовых материалов (рис.20 ). Образцы состоят из рабочей части и головок, предназначенных для закрепления в захватах разрывной машины. Расчетная длинаl 0 берется несколько меньше рабочей длиныl 1 . Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части круглого образца равен 20мм . Образцы других диаметров называют пропорциональными.

Рис.20. Образцы для статических испытаний металлов:

1 - круглый, 2 - плоский

Растягивающее усилие создает напряжение в испытуемом образце и вызывает его удлинение; когда напряжение превысит предел прочности, он разрывается.

На рис.21 приведена диаграмма растяжения мягкой стали, построенная в системе прямоугольных координат. По оси ординат отложено усилиеР кГ , по оси абсцисс - деформация (абсолютное удлинение образца l мм ). Эта диаграмма получается при постепенном увеличении растягивающего усилия вплоть до разрыва образца.

Рис.21. Диаграмма растяжения мягкой стали

Величина напряжения  в любой точке диаграммы может быть определена путем деления усилияР на площадь поперечного сечения образца.

На диаграмме можно отметить несколько характерных точек. Участок ОА является отрезком прямой и показывает, что до точкиА удлинение образца пропорционально усилию (нагрузке); каждому приращению нагрузки соответствует и одинаковое приращение деформации. Такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой являетсязаконом пропорциональности .

При дальнейшем нагружении образца наблюдается отклонение от закона пропорциональности: на диаграмме появляется криволинейный участок. До точки В деформации у образца упругие.

Точкой С на диаграмме отмечено начало горизонтальной площадки, которая показывает, что образец удлиняется без увеличения нагрузки: металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без увеличения нагрузки продолжается деформация образца называетсяфизическим пределом текучести . Предел текучести т определяется по формуле

кГ  мм 2 ,

где Р с .

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали и для латуни некоторых марок. Высокоуглеродистые стали и другие металлы не имеют площадки текучести. Для таких металлов определяют условный предел текучести при остаточном удлинении 0.2%. Напряжение, при котором растягиваемый образец получает остаточное удлинение, равное 0.2% своей расчетной длины, называется условным пределом текучести и обозначается  0.2

кГ  мм 2 .

Точка D показывает наибольшую наибольшую нагрузку, которую может выдержать образец. Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называетсяпределом прочности при растяжении (временным сопротивлением разрыву) и определяется по формуле

кГ  мм 2 ,

где P .

Для точки D удлинение l 3 образца и сужение его поперечного сечения происходит равномерно по всей длине рабочей части. По достижении точкиD деформация образца сосредотачивается в месте наименьшего сопротивления и дальнейшее удлинение l 4 протекает за счет образования шейки, по которой происходит разрыв образца при нагрузкеР К .

При разрыве упругая деформация  l уп исчезает и абсолютное остаточное удлинение l ост сложится из удлинения равномерного l 1 и удлинения местного l 2 , т.е.

l ост =  l 1 +  l 2 .

Для оценки пластичности металла важно знать относительное удлинение  и относительное сужение площади поперечного сечения  в процентах.

Относительное удлинение (в %) определяется по формуле

,

где l 1 -длина образца после разрыва,мм ;

l 0 -расчетная длина образца,мм ;

При удлинении одновременно уменьшается площадь поперечного сечения. В месте разрыва эта площадь будет наименьшей. Относительное сужение (в %) определяется по формуле

,

где F 0 - начальная площадь поперечного сечения образца,мм 2 ;

F 1 - площадь в месте разрыва,мм 2 .

У хрупких металлов относительное удлинение  и относительной сужение близки к нулю; у пластичных металлов они достигают нескольких десятков процентов.

Таким образом, статическое испытание на растяжение дает характеристики прочности -  уп ,  т (или  0,2 ) и характеристики пластичности -  и .

Испытания на твердость .

Испытания на твердость проводятся вдавливанием твердого наконечнека.

По методу Бринелля стальной закаленный шарик диаметромD (10; 5 или 2.5мм ) вдавливается в испытуемый образец силойР (3000;1000; 750кГ или меньше). В результате на поверхности образца остается отпечаток в форме шарового сегмента диаметромd (рис.22 ). Величина отпечатка будет тем меньше, чем тверже металл. Число твердости по Бринеллю НВ вычисляется по формуле

кГ  мм 2 ,

;

F - величина поверхности отпечатка,мм 2 .

Рис.22. Схема испытания по Бринеллю

Для малых изделий применяют шарики меньшего диаметра при меньших усилиях вдавливания. Толщина металла под отпечатком должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до среза поверхности не меньше D .

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

Как показали исследования, между пределом прочности металлов при растяжении  в и твердость по БринеллюНВ существует зависимость:

для катаной и кованой стали  в = 0.36НВ ;

для литой стали......................  в =(0.3-0.4) НВ :

для серого чугуна....................  в =0.1 НВ .

По методу Бринелля можно испытывать материалы с твердостью НВ до 450; если материалы тверже, то стальной шарик может деформироваться. Этот метод непригоден также для испытания тонколистового материала.

По методу Роквела испытание на твердость производится путем вдавливания в образец стального шарика диаметромD =1.58мм (116 дюйма) или алмазного конуса с углом 120 0 .

Стальной шарик применяется для испытания мягких металлов (твердость меньше 220 по шкале Бринелля) при нагрузке 100 кГ , алмазный конус - для испытания твердых металлов при нагрузке 150кГ . Образец помещают на столик 2 прибора Роквелла (рис.23 ) и вращением маховика 1 поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом 3 (или стальным шариком). Вращение маховика продолжают до тех пор пока давление конуса или шарика не станет равным 10кГ (предварительная нагрузка), что указывается малой стрелкой индикатора 4. Далее прикладывают основную нагрузку с помощью рукоятки 5. Вдавливание длится 5-6сек , затем основная нагрузка снимается. После этого большая стрелка индикатора показывает величину твердости.

Рис.23 . Пресс Роквелла

Циферблат индикатора имеет две шкалы: красную В для испытания стальным шариком и чернуюС для испытания алмазным конусом.

Твердость по Роквеллу является величиной условной, характеризующей разность глубин отпечатков. Число твердости по Роквеллу обозначается HR с добавлением индекса шкалы, по которой производилось испытание, напримерHR В илиHR С. Для испытания очень твердых материалов применяют алмазный конус при нагрузке 60кГ . Отсчет производят по черной шкале.

Метод Виккерса, позволяющий измерить твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов; он пригоден для определения твердости тонких поверхностных слоев (например при химико-термической обработке).

По этому методу в образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136 0 . Нагрузка может применяться от 5 до 120кГ. Замер отпечатка производится с помощью микроскопа, находящегося на приборе.

Число твердости определяется по формуле

кГ  мм 2 ,

;

F - площадь пирамидального отпечатка,мм 2

Практически величина HV берется из таблиц.

Испытания на микротвердость производят вдавливанием алмазной пирамиды с углом при вершине 136 0 под нагрузкой от 2 до 200г ; число твердости выражаетсякГ  мм 2 . По этому методу можно определять твердость отдельных структурных составляющих сплавов, мелких деталей, металлических нитей, окисных пленок и т.д. Нарис.24,а показан прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость.

Столик 11 и стойка 4 тубуса опираются на станину 1 прибора. Испытуемый предмет 2 устанавливается на столик под объектив 9, через который производят наводку на фокус микроскопа и установку нитей с помощью окулярного микроскопа 6. Затем алмазная пирамида 10 вдавливается в испытуемый предмет в течении 5-7 сек. После снятия нагрузки микроскопом измеряют диагональd (рис.24,б ), совмещая пересечение нитей станачала с правым углом отпечатка (пунктирные линии), а затем с левым (сплошные линии).

По величине диагонали определяют площадь отпечатка и твердость по выше приведенной формуле (HV n ).

Прочие механические испытания .Испытания ударной нагрузкой проводят для деталей машин и механизмов испытывающих ударные (динамические) нагрузки, так как некоторые металлы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются при малых ударных нагрузках, например, сталь с крупнозернистой структурой и чугун.

Ударные испытания на изгиб проводят над образцами стандартной формы на приборах, называемых маятниковыми копрами.

Сопротивление удару называют ударной вязкостью и определяют в килограммометрах на квадратный сантиметр.

Рис.24. Прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость

Ударная вязкость а н вычисляется по формуле

кГ  м  см 2 ,

где А н - работа удара, затраченная на излом образца,кГ  м;

F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза,см 2 .

Испытания на усталость . Многие детали машин (шатуны двигателей, коленчатые валы и др.) в процессе работы подвергаются нагрузкам, изменяющимся по величине и направлению. При таких повторно-переменных напряжениях металл постепенно из вязкого состояния переходит в хрупкое (устает). Хрупкое состояние объясняется появлением микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют металл. В результате этого разрушение наступает при напряжениях меньших, чем предел прочности.

Микротрещины появляются и развиваются с поверхности преимущественно в сечениях с резкими изломами линии контура (например, при наличии шпоночных канавок, отверстий и др.).

Испытания на усталость (выносливость ) производят на различных машинах. Наиболее распространены машины для испытания:

изгибом при вращении;

при растяжении-сжатии;

при кручении.

Для металлов, работающих в сложных условиях, испытательные машины снабжаются установками и приспособлениями, обеспечивающими испытания при повышенных и пониженных температурах, при коррозии и в других специальных условиях.

Рис.25. Испытание на выдавливание

Технологические испытания (пробы ). Они определяют возможность производить те или иные технологические операции с данным металлом.

Испытание на выдавливание служит для определения способности тонкого листового металла к холодной штамповке и вытяжке. Испытание состоит в выдавливании лунки округлой головкой 1 (рис.25 ) до появления первой трещины в пластинке 2, зажатой в кольцевой поверхности.

Глубина выдавленной лунки при появлении первой трещины и является количественной мерой пробы.

Испытание на перегиб определяет способность металла выдерживать повторные перегибы и применяется для оценки качества листового материала толщиной до 5мм , а также проволоки и прутков.

Испытание на осадку определяет способность холодного металла принимать заданную форму при сжатии. Образец-цилиндр, высота которого равна двум диаметрам, считается выдержавшим пробу, если при осадке до заданной высоты на нем не появляются трещины, надрывы и излом.

Испытание на свариваемость. Два бруска испытуемого металла сваривают и испытывают на загиб или на растяжение, после чего сравнивают результаты с теми, которые соответствуют цельному (несваренному) образцу из того же металла. При хорошей свариваемости сопротивление разрыву сварного шва должно соответствовать не менее 80% от предела прочности цельного бруска.

Методы физико-химического анализа.

Макроанализ. Для макроанализа приготовляют образец-шлиф, или излом, по которому выявляют макроструктуру-строение металла и сплава, видимое невооруженным глазом или при малом увеличении до х 5 раз.

Поготовка шлифа состоит в выравнивании и шлифовании поверхности на шлифовальном машине. Затем, шлиф травят реактивами, которые растворяют или окрашивают разные по составу или ориентации части на шлифе.

С помощью макроанализа можно обнаружить усадочные раковины и рыхлости, пустоты, трещины, неметаллические включения (шлак, графит в сером чугуне и т.д.), наличие и характер расположения некоторых вредных примесей, например серы.

Микроанализ . Шлиф для микроанализа приготовляют также, как и для макроанализа, однако после шлифования его полируют до зеркального блеска.

По шлифу с помощью металлографического микроскопа выявляют микроструктуру: наличие, количество и форму тех или иных структурных составляющих, загрязненность посторонними включениями. Наличие и размеры пор определяют по нетравленным шлифам; для выявления основной структуры шлиф подвергают травлению. Так как металлы непрозрачны, шлифы из них можно изучать только в отраженном свете с помощью металлографического микроскопа.

На рис.26 приведена схема, поясняющая видимость границ зерен протравленного шлифа однофазного металла. Под действием реактивов при травлении металл по границам зерен растворяется сильнее, вследствие чего там образуются углубления-микробородки. Лучи света в них рассеиваются, поэтому границы зерен под микроскопом темнее; лучи от плоской поверхности зерен отражаются и каждое зерно на шлифе кажется светлым, при этом часто наблюдается различная окраска зерен, что объясняется неодинаковой растворимостью вследствие анизотропности.

Рис.26. Схема отражения лучей протравленным шлифом

однофазного металла

Наряду с обычным световым микроскопом широко применяют электронный микроскоп, в котором вместо световых лучей используются электронные: эти лучи испускает раскаленная вольфрамовая спираль. Электронный микроскоп обеспечивает электронно-оптическое увеличение до десятков тысяч раз.

Рентгеноструктурный анализ дает возможность установить типы кристаллических решеток металлов и сплавов, а также их параметры. Определение структуры металлов, размещение атомов в кристаллической решетке и измерение расстояния между ними основано на дифракции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов в кристалле, так как длина волн этих лучей соизмерима с межатомными расстояниями в кристаллах. Зная длину волны ренгеновских лучей, можно вычислить расстояние между атомами в кристалле и построить модель расположения атомов.

Ренгенографический анализ (просвечивание) основан на проникновении рентгеновских лучей сквозь тела, непрозрачные для видимого света. Проходя сквозь металлы, ренгеновские лучи частично поглащаются, причем сплошным металлом лучи сильнее поглащаются, чем в тех частях, где находятся газовые и шлаковые включения или трещины. Величину, форму и род этих пороков можно наблюдать на светящемся экране, установленном по ходу лучей за исследуемой деталью. Так как рентгеновские лучи действуют на фотографическую эмульсию подобно световым, то светящийся экран можно заменить кассетой с фотопленкой и получить снимок объекта.

Таким образом, ренгеновским просвечиванием можно обнаружить внутри детали даже микроскопические дефекты.

Термический анализ сводится к выявлению критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов и сопровождается построением кривых в координатах «температура - время».

Если в металле не происходит никаких фазовых превращений, кривая охлаждения (нагревания) будет плавной без перегибов и уступов; если же при охлаждении (или нагревании) металла в нем происходят фазовые превращения, которые сопровождаются выделением (при нагревании - поглощением) тепла, на кривой появятся горизонтальные участки или изломы (т.е. изменения направления кривой). Эти изломы и горизонтальные участки позволяют определять температуры превращений.

Дилатометрический анализ (дилатометрия - от лат. расширять) основан на измерении изменений объема, происходящих в металле или сплаве при фазовых превращениях, и применяется для определения критических точек в твердых образцах. Дилатометрический анализ проводят на приборах-дилатометрах.

Дефектоскопия. Магнитная дефектоскопия применяется для выявления дефектов в деталях, подверженных высоким переменным напряжениям. Такие дефекты, как трещины, волосовины, пузыри, неметаллические включения и т.п., в условиях переменной нагрузки становятся очень опасными, так как понижают динамическую прочность деталей.

Магнитное испытание слагается из трех основных операций: намагничивания изделий, покрытия их ферромагнитным порошком, наружного осмотра и размагничивания изделий.

У намагниченных изделий с пороками магнитные силовые линии, стремясь обогнуть места пороков (ввиду их пониженной магнитной проницаемости), выходят за пределы поверхности изделия и затем входят в него, образуя неоднородное магнитное поле. Поэтому при покрытии изделий магнитным порошком частицы последнего располагаются над пороком, образуя резко очерченные рисунки (рис.27 ). По характеру этих рисунков судят о величине и форме пороков металла.

Ультразвуковая дефектоскопия позволяет испытывать любые металлы (а не только ферромагнитные) и выявлять пороки в толще металла на значительной глубине, которые не обнаруживаются магнитным методом.

Для исследования металла применяют ультразвуковые колебания с частотой от 2 до 10 млн. гц. При такой частоте колебания распространяются в металле, подобно лучам, почти не рассеиваясь по сторонам: ими можно «просвечивать» металлы на глубину свыше 1м .

Рис.27. Схема расположения магнитных силовых линий на

детали с пороком

Ультразвук отражается на поверхности раздела разнопордных сред. Поэтому, рапространяясь в металле, ультразвук не проходит через трещины, раковины, неметаллические включения, образуя, таким образом, акустическую тень (рис.28 ). Здесь,а -зона акустической тени.

Для излучения и приема ультразвука используются соответственно пьезоэлектрические излучатели и приемники.

Применение радиоактивных изотопов (меченных атомов) .В металлургии и металловедении радиоактивные изотопы применяют для разных целей. Например, в шлак вводят радиоактивные изотопы фосфора, серы, марганца и др. и изучают скорость перехода этих элементов в металл и скорость восстановления их равновесного распределения между металлом и шлаком в металлургических плавках при изменении температуры или состава шлака. Введение радиоактивного углерода в железо при цементации позволяет изучать скорость диффузии и распределение углерода в нем.

Рис.28. Схема ультразвукового исследования детали

Для выявления распределения олова в никеле в жидкий сплав добавляют радиактивное олово. Затвердевший сплав кладут на кассету с фотопластинкой и после соответствующей выдержки пластинку проявляют.

На рис.29 приведена микрорадиоавтография такого сплава, из которой (по распределению потемнений) видно, что радиактивное, а с ним и обычное олово окаймляет зерна никеля.

Рис.29. Микрорадиоавтография сплава никеля с оловом

Радиоактивные изотопы помогают следить за износом огнеупорной кладки в доменных печах или деталей машин.