Испытания свойств металлов

Необходимость физического подобия для получения  воспроизводимых и сопоставимых результатов испытаний совершенно очевидна и не требует специальных разъяснений.

Когда необходимо получение сопоставимых данных по свойствам  разных материалов, соблюдение физического  подобия усложняется. Например, сравнение  механических свойств разных металлов и сплавов при одной температуре может быть при решении определенных задач лишено физического смысла. Механические свойства, в частности прочностные, связаны с температурой начала плавления металла или сплава: при прочих равных условиях, чем выше эта температура, тем выше прочностные характеристики при заданной температуре испытания. Поэтому сопоставление свойств разных металлических материалов более правильно проводить при одинаковых гомологических температурах, т. е. одинаковых отношениях абсолютных температур испытания и плавления Т_исп/Т_пл (в градусах Кельвина).

Для получения  сопоставимых результатов и правильного  их анализа, кроме соблюдения трех перечисленных условий подобия, большое значение имеет методика изготовления образцов для испытаний.

Способ изготовления образца должен быть таким, чтобы  в последнем создавалась структура, идентичная структуре соответствующей детали.

Важность  соблюдения условий подобия при  проведении механических испытаний наглядно демонстрируется стандартизацией их методики в государственном, а некоторых испытаний и в международном масштабе. Имеются ГОСТы на большинство наиболее распространенных испытаний. В них с учетом всех условий подобия унифицированы формы и размеры образцов, качество их изготовления, основные методические приемы испытания, а также требования к применяемой аппаратуре, точности замера напряжений и деформаций, температуры и т. д.

 

2 Свойства  металлов при статических испытаниях.

 

 

     Во  многих случаях металлические материалы  в конструкциях работают под статическими нагрузками. Поэтому для оценки механических свойств широко используются статические испытания, которые проводятся с применением разных схем напряженного состояния в образце. К основным разновидностям статических испытаний относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

 

 

     2.1 Испытания на растяжение (сжатие). Диаграмма растяжений.

 

 

     Соотношение между  напряжением и деформацией для  материалов часто исследуют, проводя  испытания на растяжение, и при  этом получают диаграмму растяжения – график, по горизонтальной оси  которого откладывается деформация, а по вертикальной – напряжение (рисунок 1.2).         

 
           
                                                           Рисунок 1.2 - Диаграммы  растяжения  
 а - с площадкой текучести; б - без площадки текучести; в - диаграмма истинных напряжений.   

Диаграмма растяжения состоит из трех участков: упругой  деформации OA, равномерной пластической деформации АВ и сосредоточенной  деформации шейки ВС.

Участок упругой  деформации имеет прямолинейный  вид и характеризует жесткость  материала. Чем меньшую упругую  деформацию претерпевает материал под  действием нагрузки, тем выше его  жесткость, которая характеризуется  модулем упругости: Е = - а/5. На рисунке 1.3, б представлена диаграмма растяжения образца из малоуглеродистой стали. 

 

                                Рисунок 1.3 -Испытание образцов на растяжение

 

 

  При растяжении поперечное сечение образца  уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного  сечения, а не к уменьшенной, которая  давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице.

Типичные  значения величин, характеризующих  прочность на растяжение ряда сплавов, представлены в таблице 1.1. Нетрудно видеть, что эти значения для одного и  того же материала могут сильно различаться  в зависимости от обработки.        

 

 

 

 Таблица 1.1

Металлы и сплавы	Состояние	Предел  теку-чести, МПа	Предел  прочности на растяжение, МПа	Удлинение, %
Малоуглеродистая сталь (0,2% С)	Горячеката-ная	300	450	35
Среднеуглеродистая  сталь (0,4% С, 0,5%Mn)	Упрочненная и отпущенная	450	700	21
Высокопрочная сталь (0,4% С, 1,0% Mn, 1,5% Si, 2,0% Cr, 0,5% Мo)	Упрочненная и отпущенная	1750	2300	11

 

 

2.1.2  Испытание на сжатие

 

Во избежание  искривления металлические образцы, подлежащие испытанию на сжатие, выполняют  в виде коротких цилиндров, высотой h≤3d, или кубиков. Образцы испытывают на специальных прессах.

Диаграмма сжатия образца из пластичного материала (рисунок 1.4, а) совпадает в начальной стадии с диаграммой растяжения (линия OABCD). После точки D материал расплющивается, и сжимающая сила быстро возрастает.  

 

                                              Рисунок 1.4 - Испытание образцов на сжатие  

Модуль упругости  первого рода, а также пределы  пропорциональности, упругости и  текучести у малоуглеродистой стали  при растяжении и сжатии можно  считать совпадающими.

Разрушение  хрупких образцов при сжатии, как  и при растяжении, происходит при  малой остаточной деформации (рисунок 1.4, б). Разрушение образца происходит по площадкам возникновения максимальных касательных напряжений. Основной характеристикой хрупкого материала при сжатии является предел прочности, который оказывается выше, чем при растяжении, т.е. хрупкие материалы сопротивляются сжатию лучше, чем растяжению.

 

2.2 Определение твердости

 

Наиболее  простым методом испытания свойств  является измерение твердости. Твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление проникновению (внедрению) в него другого, более твердого тела. Твердость является косвенной характеристикой материала в условиях контактного воздействия.

Для определения  твердости металла существует несколько  способов. Наиболее широкое применение получили способы определения твердости  по Бринеллю (НВ) и Роквеллу (НR).

Испытание по методу Бринелля (рисунок 1.5, a) состоит во вдавливании в испытуемое тело стального шарика диаметром D под действием постоянной нагрузки P и измерении диаметра отпечатка d. Число твердости по Бринеллю определяется величиной нагрузки P , деленной на сферическую поверхность отпечатка. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость металла.

При испытании  по Роквеллу (рисунок 1.5, б) в материал вдавливают алмазный наконечник. Конус вдавливают в металл двумя последовательными нагружениями: предварительным и основным. Число твердости по Роквеллу (HRA, HRB или HRC) определяется по разности глубин h вдавливания после снятия основной нагрузки F₁. За единицу твердости по Роквеллу принята условная единица, соответствующая глубине h₀ = 0,002 мм.

 

                

                                             Рисунок 1.5 - Схема определения твердости

                                           а - по Бринеллю; б - по Роквеллу; в - по Виккерсу.

 

 

 По шкале C определяют значение твердости более твердых материалов, чем метод Бринелля (твердость более 450 HB).

Твердость по Виккерсу (рисунок 1.5, в) определяют путем вдавливания правильной четырехугольной пирамиды под действием нагрузки P и измерения диагонали отпечатка d. Нагрузка меняется от 10 до 1000 H. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть прилагаемая нагрузка. Число твердости по Виккерсу HV определяют с помощью специальных таблиц по величине диагонали отпечатка.

В некоторых  случаях определяют микротвердость отдельных участков металла. Этот  метод используют для измерения твердости отдельных зерен или очень тонких слоев.

 

3 Динамические испытания

 

При эксплуатации различные детали и конструкции  часто подвергаются ударным нагрузкам.  Для оценки способности металлических  материалов переносить ударные нагрузки используют динамические испытания, которые  широко применяются также для выявления склонности металлов к хрупкому разрушению. Динамическими называют такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию удара или силы, возрастающих весьма быстро.

Стандартизованы и наиболее распространены ударные  испытания на изгиб образцов с  надрезом. Помимо них используются методы динамического растяжения, сжатия, кручения.

Скорости  деформирования и деформации при  динамических испытаниях на несколько  порядков больше, чем при статических.

 

3.1 Испытание на ударный изгиб.

 

Основным  динамическим испытанием является метод  испытания на ударный изгиб (ГОСТ 9454-78) с определением ударной вязкости металла. Метод основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникового копра (рисунок 1.6).

Образец устанавливают  на опорах копра и наносят удар по стороне образца, противоположной  надрезу: определяют работу, затраченную  на разрушение образца, и относят  ее к его поперечному сечению. Материалы, легко разрушающиеся, относят  к хрупким, а хорошо сопротивляющиеся удару, к вязким. Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по расстоянию, на которое маятник отклоняется после удара. Такие испытания показывают, что стали и многие металлы ведут себя как хрупкие при пониженных температурах, но как вязкие – при повышенных.

                          

                                       Рисунок 1.6-Схема испытаний на ударную вязкость

 

 

 Переход от хрупкого поведения к вязкому часто происходит в довольно узком температурном диапазоне, среднюю точку которого называют температурой хрупко-вязкого перехода.

 

4 Циклические испытания

 

Под действием  циклических напряжений в металлах и сплавах зарождаются и постепенно развиваются трещины, вызывающие в  конечном итоге полное разрушение детали или образца. Это разрушение особенно опасно потому, что может протекать  под действием напряжений, намного  меньших пределов прочности и  текучести. Подсчитано, что более 80% всех случаев эксплуатационного разрушения происходит в результате циклического нагружения.

 

4.1 Испытание на усталость.

 

В практике наблюдаются случаи разрушения металлов под действием нагрузок, не достигающих  предела прочности. Данное явление  обычно наблюдается в случае, если нагрузки носят повторно-переменный характер, например, когда растяжение сменяется сжатием и т. п. Причина  разрушения при многократном повторении чередующихся нагрузок носит название усталости металла, а способность  выдерживать указанные нагрузки - выносливости.

Причиной  разрушения металлов от усталости является образование разрывов в тех местах, где присутствуют посторонние вещества, например крупинки шлака, или где  имеются мелкие внутренние трещинки. Постепенное их соединение приводит к образованию больших трещин и к разрушению.

Усталостью  называется разрушение конструкции  под действием циклических нагрузок. Испытание на усталость производится на специальных машинах, где образцы металлов подвергаются многократной переменной нагрузке (до 10 и более миллионов циклов или смен нагрузки, т. е. растяжению и сжатию, переменному изгибу, переменному кручению и др.). Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются. При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали.

 

4.2 Испытание на истираемость. 

 

Металлы, предназначаемые  для деталей, подвергающихся трению, нуждаются в испытании на истираемость или же стойкость при взаимном перемещении. Сюда относятся детали для цилиндров, подшипников, тормозных  устройств и многие другие.

Испытания на истираемость дают лучшие результаты при соблюдении тех же условий, в  которых будут работать детали, т. е. при том же давлении, смазке и  т. п. Износ определяют различными способами: точным измерением трущихся мест; взвешиванием для выяснения степени истираемости по уменьшению веса деталей; отпечатками. Последний способ состоит в том, что на поверхности трущихся деталей  делается отпечаток при помощи алмазной пирамиды, применяемой для испытания  на твердость. По мере износа размеры  отпечатка уменьшаются, что и  служит мерой износа детали.

 

 

 

РАЗДЕЛ  2

 

1 Анализ конструкторских, технологических  и метрологических объектов контроля

 

 

                                                                         Рисунок 2.1 Вал

 

Деталь на рисунке 2.1 представляет собой ступенчатый вал.

Валы – детали, предназначенные для передачи крутящих моментов, а также для поддержания вращающихся деталей машин.