5. Методы определения механических свойств

Как и в случае описания методов определения строения металлов, так и при описании методов определения механических свойств, укажем лишь принципиальные особенности тех или иных приемов, исключив рассмотрение лабораторного оборудования и технологию эксперимента. Как правило, с этим студент знакомится непосредственно в лаборатории.

Испытание на растяжение. Обычно цилиндрической формы образец с утолщениями по концам (для укрепления в захваты испытательной машины) растягивается. В современных машинах скорость растяжения может изменяться в широких пределах от 0,003 до При больших скоростях деформации такое испытание считается динамическим (ударным).

Большинство испытательных машин снабжено диаграммным аппаратом, записывающим кривую деформации (см. рис. 41 и 43), на которой можно найти интересующие величины прочности и пластичности . хотя деформационные характеристики или характеристики, связанные с малыми деформациями и др.), следует определять, измеряя деформацию непосредственно на образце (во время испытания или после его разрушения).

Размеры и формы применяемых образцов стандартизованы тем не менее этот допускает широкий выбор разных видов образцов.

Наиболее распространен в металловедческих исследованиях и в заводской практике так называемый, малый пятикратный образец (диаметр мм; расчетная длина мм).

Прочностные свойства в общем мало зависят от геометрических размеров гладкого образца, поэтому для определения можно использовать и другие образцы.

Пластические свойства в существенной степени зависят от размеров испытуемых образцов. Так, например, относительное удлинение тем меньше, чем длиннее образец (точнее — больше соотношение Дело в том, что относительное удлинение 6 состоит из двух составляющих бравн

Первая составляющая в относительных единицах — постоянная величина, вторая — постоянная в абсолютных и вклад ее в общее относительное удлинение тем меньше, чем длиннее образец.

Поясним это положение следующим числовым примером.

Предположим, что образец длиной 50 мм имеет т. е. удлинился при разрыве на 5 мм, из них на 3 мм за счет бравн и на 2 мм за счет Такой же образец, но длиной в 100 мм удлинится за счет бравн на 6 мм, а будет равно тем же 2 мм, и его относительное удлинение будет равно не 10, а

На кривой растяжения образец до растягивается равномерно, а начиная с — преимущественно сосредоточенно. На этом принципе основаны методы разделения на (как и при испытании образцов разной длины).

Относительное сужение зависит от абсолютных размеров образца (сечения); чем больше сечение, тем меньше относительное сужение.

Данные о механических свойствах металлов, приведенные в книге и встречающиеся в литературе, получены при испытании образцов мм при при скорости испытания порядка Значительное повышение скорости

испытания против указанной затрудняет пластическую деформацию, в результате чего и в особенности повышаются.

Испытание гладких образцов не всегда является показательным. Прочность гладкого образца чаще всего не совпадаете прочностью изделия, хотя они и были сделаны из одного материала; причем это отличие тем больше, чем сложнее форма изделия. Поэтому результаты испытаний (любых, не только при растяжении) характеризуют свойства материала и при том в данных конкретных условиях, но не свойства изделия, которые зависят как от свойств материала, так и от конфигурации изделия.

Для того, чтобы приблизить результаты испытаний к реальным условиям эксплуатации материала в конструкции и получить цифры, характеризующие конструктивную прочность, довольно широко стали применять испытание на растяжение с концентраторами (надрезами). Прочность в этом случае определяли как разрушающее напряжение, деленное на сечение нетто (живое сечение в месте надреза).

При испытании надрезанных образцов получилась такая принципиальная закономерность (рис. 58).

В случае вязкого разрушения в результате большой местной пластической деформации и местного сильного упрочнения прочность образца с концентратором всегда выше, чем гладкого.

В случае хрупкого разрушения надрезанный образец имеет значительно меньшую прочность, крайне непостоянную по величине. Поэтому испытание надрезанных образцов с определением не вязкости разрушения, а предела прочности не вполне целесообразно, так как при вязком разрушении получают завышенные значения прочности, а при хрупком — ненадежные и нестабильные значения. При столь большом значении концентратора на результаты испытания хрупких материалов оказалось, что в этом случае важное значение имеют многие моменты, не оказывающие влияния на результаты испытания мягких материалов (состояние поверхности, технология изготовления образцов, соосность захватов машины и др.). Практически эти моменты не сказываются при испытании материалов с прочностью до (и при ).

Рис. 58. Предел текучести гладкого и надрезанного образцов

При испытании высокопрочных материалов требуется тщательность в выполнении испытания, подготовке машины для испытания и изготовлении образцов.

Технология испытания на растяжение материалов с прочностью выше отработана еще недостаточно, а к сведениям о таких прочностях следует относиться с большой осторожностью. В этом случае, чаще вследствие недостаточной пластичности переходят на другие более мягкие виды испытания — сжатие, изгиб, кручение (первые два проводятся на той же машине, что и растяжение, кручение на специальной машине.) Получают те же характеристики прочности, что и при растяжении авсж и т. д.), но разумеется, количественно отличные (вследствие другого напряженного состояния); при этом получают и другие показатели пластичности. (Стрела прогиба при изгибе, угол закручивания до разрушения при кручении).

Для стали и других конструкционных материалов испытание на растяжение является основным и оно применяется чаще, чем другие виды нагружения.

Весьма часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом — измерением твердости.

Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т. е. по сути дела твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 59, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром Число твердости по Бринеллю есть нагрузка Р, деленная на сферическую поверхность отпечатка (с

диаметром При методе Роквелла (рис. 59, б) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик), числом твердости называется величина, обратная глубине вдавливания Имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом при получаем твердость то же при и при вдавливании стального шарика при

При методе Виккерса (рис. 59, в) вдавливается алмазная пирамида и, измерив диагональ отпечатка судят о твердости

Метод и применяют для мягких материалов, — для твердых, а метод и для тонких слоев (листов).

Между различными методами существует корреляция, хотя и не очень точная По соответствующим таблицам, зная значения твердости, полученное одним способом, можно определить, какому числу твердости другого метода оно соответствует, в том числе и методу Бринелля (см. Приложение).

Рис. 59. Схемы испытания на твердость: а — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по Виккерсу

Число твердости по Бринеллю примерно в три раза больше, чем предел прочности растяжения. Другими словами, если то прочность этого сплава примерно равна Этот пересчет не точный (ориентировочный) и неприменим для хрупких материалов; возможны отклонения, правда, редко превышающие от действительного значения прочности.

Описанные методы твердости характеризуют среднюю твердость сплава. Для того, чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100—400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка. Полученная характеристика называется микротвердостью и характеризует твердость определенной структурной составляющей.

Так как при методе Бринелля, значение твердости определяют отношением нагрузки на поверхность отпечатка то твердости может быть приписана размерность (как и прочности)

Однако при деформации вдавливанием напряжение неравномерно распределялось по поверхности во время испытания, поэтому такое деление (нагрузка на поверхность отпечатка) не имеет четкого физического смысла. Поэтому лучше не давать твердссти указанной размерности, а само измерение твердости считать как технологическую пробу, косвенно характеризующую прочность.

Широко применяют многочисленные технологические пробы на пластичность (в том числе технологическую пластичность «ковкость»). К ним относится испытание на осадку под молотом, испытание на загиб вокруг оправки, испытание на с перегибом, выдавливание (по Эриксену) и т. д.

Определение надежности (испытание на удар). Для установления степени надежности материала необходимо определение сопротивления разрушению: вязкому хрупкому ( или ) или вязкости разрушения Об определении коротко говорилось ранее, об определении сопротивления разрушению при ударных испытаниях, получивших в особенности за последнее время широкое

распространение, скажем немного подробнее. Практически оказалось удобнее разрушать образец ударом при его изгибе и фиксировать место разрушения надрезом.

Проще определять не усилие, затраченное на разрушение образца (хотя и это вполне возможно), а работу, причем эту работу делить на поперечное сечение образца. Последнее является напрасным занятием, так как работа, затраченная на разрушение, не пропорциональна сечению. Если затраченную работу разделить на поперечное сечение, которое у всех стандартных образцов (ГОСТ 9454-78) одинаковое получаем удельную работу разрушения или ударную вязкость

Разрушение образца, расположенного на двух опорах, осуществляют ударом маятника копра (рис. 60).

Рис. 60. Схема копра для испытания на удар

Рис. 61. Образцы для испытания на удар

Испытание проводят чаще всего на одном из приведенных на рис. 61 видов образцов (из них первые два — стандартные) при одинаковом сечении (10Х 10 мм), которые имеют надрез глубиной в 2 мм (поэтому сечение нетто , но разной остроты: ).

В последнем случае надрез глубиной в 1 мм делается механически и затем создается усталостная трещина тоже глубиной в 1 мм.

Полученную на разных образцах по ударную вязкость обозначают:

Образец Обозначение

Работа разрушения образца складывается, как указывалось выше, из двух составляющих — работы зарождения трещины и работы распространения трещины При ударных испытаниях лучше определять не полную работу разрушения, а работу распространения трещины, так как она характеризует надежность материала.

Под работой зарождения трещины понимают работу, затраченную на макродеформацию образца до зарождения на дне надреза трещины. Эта величина для данного материала пропорциональна деформированному объему металла, а последнее пропорционально остроте надреза.

Отсюда, испытывая образцы с разной остротой надреза и экстраполируя полученные значения на нуль радиуса надреза (рис. 62), получим ударную вязкость образца с надрезом равным нулю, или с трещиной, т. е. работу распространения трещины

Работу распространения трещины можно получить прямым испытанием (по Я. Б. Фридману и Б. А. Дроздовскому) образцов с заранее нанесенной трещиной (см. рис. 61). Очевидно, при испытании такого образца получаемая ударная вязкость равна работе распространения, так как трещина готова и Оба метода дают практически одинаковые значения и использование того или иного метода определяется практической целесообразностью.

При испытании на удар с определением необходимо проанализировать вид излома. Излом должен быть полностью вязким (волокнистым, ямочным), т. е. испытание должно быть выше порога хладноломкости (выше Если испытание проводили при температурах, лежащих внутри порога хладноломкости (см. рис. 54), то работа распространения не имеет полного значения, так как она была затрачена только на образование участков с вязким изломом.

Рис. 62. График для определения работы распространения трещины методом экстраполяции

Рис. 63. Усталостный излом: 1 — усталостная зона: 2 — зона «долома»

В этом случае ( показывает температуру испытания), где В — доля волокна в изломе, а — полная работа распространения трещины.

Выше величина ниже Ударное испытание ниже не имеет смысла, так как во всех случаях

Для определения сопротивления хрупкому разрушению (напомним, что характеризует сопротивление вязкому разрушению, путаница в том, кто что характеризует, приводит не так уже редко к всевозможным недоразумениям) необходимо найти положение порога хладноломкости.

Построение сериальных кривых ударной вязкости во многих случаях не позволяет определить положение порога (см. рис. 54), тогда как кривые, характеризующие изменение содержания волокна в изломе позволяют найти искомые температуры: или

Другими словами, при построении сериальной кривой важно изменение вида излома (содержание вязкой составляющей,

К сожалению, важные характеристики находятся после достаточно трудоемких и многообразцовых испытаний. Поэтому при массовых приемо-сдаточных испытаниях проводят испытание на одном типе образца, при одной, реже двух температурах. При этом определяют, проходит ли по кондиции материал. Например, норма по техническим условиям Это значит, что при ударной вязкости при более материал годен, а менее — не годен.

Из трех типов образцов (см. рис. 61) рекомендуется пользоваться образцом типа так как этот образец лучше характеризует работу распространения, чем образец типа 1.

Долговечность материала определяют испытанием на усталость, ползучесть, износ, коррозию и другими методами.

При знакопеременной нагрузке разрушение может происходить постепенно при напряжениях меньших, чем предел прочности. Этот процесс постепенного разрушения (усталость) заключается в том, Что поверхность, как наиболее нагруженная часть сечения (при изгибе, кручении), претерпевает микродеформацию, а затем в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникает трещина, которая постепенно развивается. Пораженная трещинами часть сечения не несет нагрузки, а оставшаяся часть сечения непрерывно уменьшается, пока не выдержит нагрузки и произойдет мгновенное разрушение.

Таким образом, усталостное разрушение характеризуется особым видом излома (рис. 63), состоящем из двух зон —зоны усталости на рис. 63) и зоны долома (2 на рис. 63).

Испытание на усталость чаще всего осуществляют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложенной постоянной изгибающей нагрузкой. Нагрузка (растяжение—сжатие) изменяется по синусоиде или другому закону. Определив при данном напряжении время (число циклов) до разрушения, наносят точку на график и испытывают при другом напряжении. В результате получают кривую усталости (рис. 64) (сплошная линия). На этой кривой мы видим, что существует напряжение, которое не вызовет усталостного разрушения, это так называемый «предел выносливостиъ При напряжениях ниже деталь может работать сколь угодно долго. Но это может быть не всегда необходимо и даже нецелесообразно, так как слишком малы допустимые напряжения (арабоч и большие получаются сечения. В этом случае берут напряжения, которые больше и заранее известно, что через какое-то время деталь разрушится от усталости (поэтому до разрушения ее надо заменить). Это характеризует случай так называемой ограниченной выносливости. При таких напряжениях работают, например, железнодорожные рельсы. Существенно важно вовремя снять рельс с пути, чтобы избежать поломки и крушения поезда.

Рис. 64. Кривая усталости

Усталостное разрушение происходит в три этапа — постепенное накопление напряжений до возникновения трещины (рис. 64) — зона распространение трещины — зона долом — зона Важно при работе в зоне ограниченной выносливости (выше не только, чтобы время до зарождения трещины (зона I) было бы возможно больше, но и чтобы зона II была бы возможно шире, чтобы было время обнаружить усталостную трещину и снять деталь с эксплуатации.

Наличие на поверхности детали напряжений сжатия затрудняет образование трещин усталости, повышая предел усталости и расширяя время до разрушения в зоне ограниченной выносливости (повышает так называемую «живучесть»).

Наоборот, концентраторы (в том числе даже шероховатость поверхности), создавая напряжения растяжения, понижают предел выносливости и живучесть.

Разрушение от усталости при температурах ниже порога хладноломкости происходят очень быстро после появления трещины; другими словами, в хрупком состоянии зоны и III очень малы, хотя зона может быть достаточно значительной, а о.! иметь большое значение.

Другой вид постепенного разрушения — это разрушение от износа — явление столь же частое, как и разрушение от усталости. Износ является следствием трения двух поверхностей. В процессе трения у менее износостойкого материала (обычно, но не всегда, менее твердого) износ больше. Износ состоит в отрыве отдельных частиц. Важное значение при износе имеет химическое и физическое взаимодействие трущихся пар.

В лабораторных условиях обычно износостойкость определяют взвешиванием образца до испытания и после и износостойкость характеризуют потерей массы где — потеря массы в граммах; — поверхность износа, — время изнашивания). Износостойкость весьма сильно зависит от условий трения.

В одних случаях материал А может быть лучше материала 5, в других — наоборот.

И в этом случае, как и во многих других, но при износе особенно, лабораторные испытания неадекватны натурным.