Испытания на растяжение до разрушения
Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.
Твердостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого тела. Для определения твердости в поверхность материала с определунной силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала. Таким образом, под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора. В зависимости от способа измерения твердости материала, количественно ее характеризуют числами твердости.
Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием индентора (способ вдавливания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика.
Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса.
Твердость по методу Бринелля измеряют вдавливанием в испытываемый образец стального шарика определенного диаметра D под действием заданной нагрузки P в течение определенного времени. В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм2 или МПа. Дметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца.
При измерении твердости по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:
• образцы с твердостью выше HB 450/650 кгс/мм2 испытывать запрещается;
• поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;
• диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D<d<0,6D;
• образцы должны иметь толщину не менее 10-кратной глубины отпе-чатка (или менее диаметра шарика);
• расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d;
• продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть от 10 до 15 с для чёрных металлов, для цветных металлов и сплавов – от 10 до 180 с, в зависимости от материала и его твёрдости.
Твердость по Роквеллу — твердость, определяемая разностью между условной максимальной глубиной проникновения индентора и остаточной глубиной его внедрения под действием основной нагрузки F1, после снятия этой нагрузки, но при сохранении предварительной нагрузки F0. При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измерений по методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии: сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная.
После приложения предварительной нагрузки индикатор, измеряющий глубину отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника h.
Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания h, а величину 100 – h по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – h по красной шкале при измерении шариком. Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.
При измерении твердости методом Роквелла необходимо, чтобы на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика. Толщина образца должна не менее чем в 10 раз превышать глубину внедрения наконечника после снятия основной нагрузки. Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.
Преимущество метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля:
• возможность проводить испытания высокой твёрдости путём отсчёта по шкале индикатора без вычисления или пользования специальными таблицами;
• малая повреждаемость поверхности в результате его применения;
• высокая производительность измерения.
При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине равным 136ͦ.. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к измеренному значению диагонали отпечатка М. Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Например, 450 HV10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.
При измерении твердости по Виккерсу должны быть соблюдены следу-ющие условия:
• плавное возрастание нагрузки до необходимого значения;
• обеспечение перпендикулятности приложения действующего усилия к испытуемой поверхности;
• поверхность испытуемого образца должна иметь шероховатость не более 0,16 мкм;
• поддержание постоянства приложенной нагрузки в течении установ-ленного времени;
• расстояние между центром отпечатка и краем образца или соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины диагонали отпечатка;
• минимальная толщина образца должна быть для стальных изделий больше диагонали отпечатка в 1,2 раза; для изделий из цветных металлов – в 1,5 раза.
Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.
Во многих случаях применение классических твердомеров для измерения может стать проблематичным. Во-первых, когда контролируемое изделие является крупногабаритным и его нельзя поднести к прибору. Кроме этого, вырезка фрагмента из изделия для последующего измерения твёрдости приводит к порче изделия. Во-вторых – когда требуется достаточно высокая производительность контроля.
Чтобы избежать тех недостатков, которые присущи классическим методам твердометрии, были разработаны твердомеры, использующие акустический и динамический методы.
Акустический метод основан на измерении относительных изменений механического импеданса колебательной системы преобразователя в зависимости от механических свойств поверхности образца. Акустический преобразователь представляет собой стержень из магнитострикционного материала (например, никеля), на конце которого укреплён индентор в виде алмазной призмы. К стержню прикреплён пьезоэлемент, возбуждающий в преобразователе продольные упругие колебания частотой 30-40 кГц. Стержень с индентором прижимают к контролируемому объекту с постоянной силой. При этом индентор внедряется в поверхность изделия тем глубже, чем меньше твёрдость его материала. Площадь зоны соприкосновения индентора с изделием с уменьшением твёрдости растёт, а модуль упругого сопротивления увеличивается.
Изменение импеданса определяют по изменению собственной частоты нагруженного преобразователя, которую измеряют частотомером . Шкалу индикатора градуируют в единицах твёрдости по Роквеллу.
Принцип работы динамических твердомеров (рисунок 13) основан на измерении отношения скоростей индентора при падении и отскоке его от поверхности контролируемого изделия. Отношение скоростей перемещения индентора при отскоке и падении характеризуют твёрдость контролируемого изделия.
Источник
Стандартные
испытания прочностных и пластических свойств 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 σпц, пределам упругости
σу и пределом текучести σт (или σ0,2),
а также сопротивление значительным пластическим деформациям, которое выра жают
временным сопротивлением σв.
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 Δl
(Δl =
lх
—
lо, где lх
и lо — текущая
(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 Δl
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 такиx
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/F0,
где
P
—
растягивающая нагрузка (сила),
F0
—
плошадь поперечного сечения образца до испытания, и относительным удлинением
δ, равным Δl/I0,
где Δl
— абсолютное уд- шпение образца;
I0
— длина образца до испытания. Так как значении
Р
и Δl
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
– Δl
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
σу,
а также предел пропорциональности σпц.
Здесь и далее напряжения получаются делением соответствующей нагрузки на
F0
—
плошадь поперечного сечения образца до испытания.
Предел
упругости
σу
— 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 σу.
Предел
пропорциональности
σпц
— условное напряжение, соответствущее
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
σу
и σпц
представляет значительные методические
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
σ0,2).
Величину
σ0,2
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
σт,
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 σвт
и нижнем σнт
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
σb
(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
Ана диаграмме
Рис.
1) изменения поперечного сечения образца
становятся уже значительными и отнесение нагрузки к исходному
(до деформации) сечению
F0
дает лишь условные напряжения.
Если учитывать изменение сечения при деформации и относить
нагрузку не к исходному сечению, а к сечению в каждый данный момент деформации
Fx,
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.
Под
относительным
удлинением
δ понимают отношение абсолютного
удлинения образца после разрыва Δl
= lк — lо (где lк — конечная
длина образца) к его начальной расчетной длине
lо,
выри женное в процентах, т. е.
δ
= (lк
— lо)*100%/lо
В случае
испытания «коротких» (пятикратных) образцов (см.
ниже)
относительное удлинение обозначают
δ5,
в случае
«длинных»
(десятикратных) –
δ10.
Относительное
сужение после разрыва
ψ
представляет собой
oтношение
уменьшения площади поперечного сечения разорванного
образца
ΔF=
F0
—
FK
(где
FK
—
минимальная площадь поперечного сечения образца после его разрыва) к
первоначальной площади
поперечного сечения
Fo,
выраженное в процентах, т. е.
Ψ
= (F0
—
FK)*100%/
F0
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 Δl/l0).
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 l0 и начальной площадью
поперечного сечения в рабочей части образца
F0.
Используют образцы двух видов: цилиндрические и плоские. Оба вида образном для
испытания на растяжение применяют с начальной расчетной длиной lо = 5,65√F0
или lо = 11,3√F0 диаметром
do
=
3…25 мм или
толщиной
ао
= 0,5. ..25 мм и шириной
b0
= 20…30 мм. При ном образцы с расчетной длиной lо = 5, √F0
именуются «короткими», а образцы с lо = 11,3 √F0 —
«длинными», причем применение первых предпочтительнее. Литые образцы и образцы
из хрупких металлов допускается изготавливать с начальной расчетной длиной lо =
2,82√F0.
В случае
цилиндрических образцов в качестве основных применяют образцы с диаметром
do
=
10 мм
и начальной расчетной длиной
l0
=
5do
(короткие) и lо =
10d0
(длинные); в первом случае поручаемое значение относительного удлинения после
разрыва обозначают
δ5, во втором
—
δ10.
Рис. 4. Общий
вид стандартных образцов для испытания на растяжение:
а -цилиндрический
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
= (h0-h1)*100%/h0,
где hо и
h1
—
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 σв сопровождается разрушением образца. Разрушение
образца обычно происходит под углом 45° к линии действия сжимающей силы.
Источник