Методы и средства определения физико-механических характеристик сталей и сплавов

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе мате­риала для изготовления деталей необходимо, прежде всего учи­тывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвер­гают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть ста­тическими, динамическими или циклическими (повторно-переменны­ми). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади по­перечного сечения испытуемого образца. Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис.8). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растя­жение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испы­таний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диа­граммы откладывают значения деформации, а по оси ординат - нагруз­ки, приложенные к образцу.

Рис. 12. Виды деформаций: а - сжатие, б — растяжение, в - кручение, г - срез, д— изгиб

Прочность — способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается преде­лом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности ма­териала является также удельная прочность — отношение предела прочности материала к его плотнос­ти. Предел прочности Од (временное сопротивление) - это условное напря­жение в МПа, соответствующее наи­большей нагрузке, предшествующей разрушению образца:σн=Рмах/f0), где Рmax - наибольшая нагрузка, H; F0 - начальная площадь поперечного сече­ния рабочей части образца, м². Истин­ное сопротивление разрыву Sk - это напряжение, определяемое отноше­ние нагрузки Рk в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва Fk(Sk=Pk/Fk).

Рис. 13. Диаграмма растяжения: а — условная диаграмма в координатах Р — Л1, б — условная диаграмма напряжений и диаграмма истинных напряжений

Предел текучести (физический) σт — это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: σт=Рт/F0, где Pт — нагрузка, при которой в диаграмме растяже­ния наблюдается площадка текучести, Н.

Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором ос­таточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца:σ0.2=P0.2/F0.

Упругость — способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Руп оценивают пределом пропорциональности σпц и пределом упругости σуп.

Предел пропорциональности σпц — напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца δпц=Pпц/F0.

Предел упругости (условный) σ_0,05 — это условное напряжение в МПа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впер­вые достигает 0,05% от расчетной длины образца 1₀: σ _0,05=Р_0,05/F0, где Р0,05 - нагрузка предела упругости, Н.

Пластичность — это способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь. Характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

Относительное удлинение (после разрыва) δ - это отношение прира­щения (lk-l0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначаль­ной расчетной длине l0, выраженное в процентах: δ =[( lk-l0/ l0) 100%.

Относительное сужение (после разрыва) σ — это отношение разности начальной и минимальной площадей (F0—Fk) поперечного сечения об­разца после разрыва к начальной площади Fg поперечного сечения, выраженное в процентах: σ =[( F0—Fk / F0] 100%.

Чем больше значения относительного удлинения и сужения для мате­риала, тем он более пластичен. У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционного материала является отрицатель­ным свойством.

Ударная вязкость — это способность материала сопротивляться дина­мическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на из­лом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м²) в месте надреза KC=W/F.

Для испытания изготовляют специальные стандартные образцы, име­ющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, затраченная на излом.

Определение ударной вязкости особенно важно для некоторых метал­лов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склон­ность к хладноломкости. Чем ниже порог хладноломкости, т.е. темпера­тура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и чем больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость ма­териала. Хладноломкость—снижение ударной вязкости материалов при низких температурах.

Циклическая вязкость — это способность материалов поглощать энер­гию при повторно-переменных нагрузках. Материалы с высокой цикли­ческой вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются при­чиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных деталей) является более ценным материалом, чем уг­леродистая сталь.

Твердостью называют способность материала сопротивляться проник­новению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностно-упрочненные детали. Твердость металла определяют спо­собами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 14).

Способ Бринелля основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытываемого металла. Твердость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Испытание про­водят следующим образом. На поверхности образца, твердость которого нужно измерить, напильником или абразивным кругом зачищают пло­щадку размером 3—5 см².

Рис. 14. Определение твердости металш методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)

Образец ставят на столик прибора и поднима­ют до соприкосновения со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавливает шарик в испытывае­мый образец. На поверхности металла образуется отпечаток. Чем боль­ше отпечаток, тем металл мягче.

За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади по­верхности отпечатка диаметром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 14, а).

Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр от­печатка с помощью оптической лупы (с делениями) и по полученному значению находят в таблице соответствующее число твердости.

Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых результатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, например закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.

Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла. В об­разец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120" или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная величина единицы твердости соответст­вует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытание прово­дят на приборе ТК. Значение твердости определяют по глубине отпечатка П и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р0 равна 100 Н.

При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и общую нагрузку Р=Р0+Р1=1500 Н. Твердость отсчитывают по шкале "С" и обозначают HRC. Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчитывается по шкале "В" и обозначается HRB.

При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмаз­ный конус и общую нагрузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале "А" и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: Н RC 50 - твердость 50 по шкале "С".

При определении твердости способом Виккерса в качестве вдавливае­мого в материал наконечника используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагруз­ки от 50 до 1000 Н (меньшие значения нагрузки для определения твердо­сти тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев ме­талла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микро­скопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу — HV 500.

Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) прибора представляет со­бой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°, та­ким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05-5 Н, а размер отпечатка 5-30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-3, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диа­гонали отпечатка.

Усталостью называют процесс постепенного накопления повреж­дений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обус­ловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых име­ются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся по­сле разрушения образца в результате многократного нагружения и состоящий из двух разных по внешне­му виду частей. Одна часть излома с ровной (затертой) поверхностью обра­зуется вследствие трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть с зернистым изло­мом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены ма­шины для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, а также машины для ис­пытаний на растяжение-сжатие и на повторно-переменное кручение. В результате испытаний определяют предел выносливости, характе­ризующий сопротивление усталости.

Выносливость — свойство материала противостоять усталости. Предел выносливости — это максимальное напряжение, которое может выдер­жать металл без разрушения заданное число циклов нагружения. Между пределом выносливости и пределом прочности существует прибли­женная зависимость: σ_-1≈0,43δв; σ_-1p≈0.36δB, где σ_-1 и σ_-1p — соответст­венно пределы выносливости при изгибе и растяжении-сжатии.

Технологические и эксплуатационные свойства материалов

Технологические свойства. Эти свойства характеризуют способность металлов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. Тех­нологические свойства определяют при технологических пробах, кото­рые дают качественную оценку пригодности металлов к тем или иным способам обработки. Образец, подвергнутый технологической пробе (рис. 15), осматривают. Признаком того, что образец выдержал испы­тание, является отсутствие трещин, надрывов, расслоения или излома. К основным технологическим свойствам относят: обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства и др.

Обрабатываемость резанием — одно из важнейших технологических свойств, потому что подавляющее большинство заготовок, а также дета­лей сварных узлов и конструкций подвергается механической обработ­ке. Одни металлы обрабатываются хорошо до получения чистой и глад­кой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость, плохо. Очень вязкие металлы с низкой твердостью также плохо обрабатываются: по­верхность получается шероховатой, с задирами. Улучшить обрабатывае­мость, например, стали можно термической обработкой, понижая или повышая ее твердость.

Свариваемость — способность металлов образовывать сварное соеди­нение, свойства которого близки к свойствам основного металла. Ее оп­ределяют пробой сваренного образца на загиб или растяжение.

Ковкость — способность металла обрабатываться давлением в холод­ном или горячем состоянии без признаков разрушения. Ее определяют

Рис. 15. Технологические пробы: а — изгиб на определенный угол, б — изгиб до параллельности сторон, в — изгиб до соприкосновения сторон, г— на навивание, д — на сплющивание труб, е — на осадку

Кузнечной пробой на осадку до заданной степени деформации. Высота образца для осадки равна обычно двум его диаметрам. Если на боковой поверхности образца трещина не образуется, то такой образец считается выдержавшим пробу, а испытуемый металл — пригодным для обработки давлением.

Литейные свойства металлов характеризуют способность их образо­вывать отливки без трещин, раковин и других дефектов. Основными литейными свойствами являются жидкотекучесть, усадка и ликвация.

Жидкотекучесть — способность расплавленного металла хорошо за­полнять полость литейной формы.

Усадка при кристаллизации — это уменьшение объема металла при пе­реходе из жидкого состояния в твердое; является причиной образования усадочных раковин и усадочной пористости в слитках и от­ливках.

Ликвация — неоднородность химического состава сплавов, воз­никающая при их кристаллизации, обусловлена тем, что сплавы, в отли­чие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллиза­ции сплава, тем сильнее развивается ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину температурного интервала кристаллизации (для стали, например, сера, кислород, фосфор, углерод).