1.1.2. Методы механического испытания.

Статические испытания на растяжение

Д ля таких испытаний изготовляют круглые или плоские образцы (рис1.1,а, б), форма и размеры которых установлены ГОСТом. Цилиндрические образцы диаметром d₀ = 10 мм, имеющие расчётную дину l₀ = 10d₀, называют нормальными, а образцы, у которых длина l₀ = 5d₀ – короткими. При испытании на растяжение образец растягивается под действием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.

И спытания проводят на специальных разрывных машинах, которые снабжены самопишущим прибором, автоматически вычерчивающим кривую деформации, называемую диаграммой растяжения.

На рис.1.2 показана типичная диаграмма растяжения в координатах: нагрузка F – удлинение Δl. Эта диаграмма может быть преобразована в диаграмму: напряжение σ – относительное удлинение ε, т.к. напряжение – это величина нагрузки F, отнесённая к площади A₀ поперечного сечения образца (σ= F/A₀), а относительная деформация при растяжении – отношение удлинения образца Δl к его начальной длине l₀ (ε = Δl/ l₀). Диаграмма отражает характерные участки и точки, позволяющие определить ряд свойств материала. На участке О-А удлинение образца происходит прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше F_п на участке А-В прямая пропорциональность нарушается, но деформация остаётся упругой (обратимой). На участке выше точки В возникают заметные остаточные деформации и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке F_Т появляется горизонтальный участок диаграммы – площадка текучести C-D.

Т акая площадка наблюдается главным образом у деталей, выполненных из пластичных материалов. На кривых растяжения хрупких материалов площадка текучести отсутствует. Выше точки D нагрузка возрастает до точки М, соответствующей максимальной нагрузки F_М, после которой начинается её падение, связанное с образованием шейки (место утонения образца) и разрушением образца. После образования шейки происходит падение нагрузки до точки К, образец удлиняется и происходит его разрушение. С образованием шейки разрушаются только пластичные материалы.

Усилия, соответствующие основным точкам диаграмма растяжения, позволяют установить следующие характеристики сопротивления металла деформации, выраженные в мегапаскалях, МПа:

предел пропорциональности σ_П – наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией:

;

предел упругости σ_у – напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определённым допуском (обычно 0,05%):

;

предел текучести σ_Т – напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки (материал течёт):

;

(если площадка текучести на диаграмме растяжения отсутствует, то определяется условный предел текучести σ_0,2 – напряжение, вызывающее относительную пластическую деформацию, равную 0,2%);

предел прочности (временное сопротивление) σ_В – напряжение, которое равно отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:

.

Пределы текучести и прочности являются обязательными характеристиками в стандартах марок стали.

Показателями пластичности металлов являются относительное остаточное удлинение δ и относительное остаточное сужение ψ.

Относительное остаточное удлинение рассчитывается как отношение удлинения Δl образца после разрыва к его первоначальной расчётной длине , выраженное в процентах,

,

где l – длина образца после разрыва; l₀ – расчётная (начальная) длина образца.

Относительное остаточное сужение определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах,

,

Здесь А₀ – начальная площадь поперечного сечения образца; А – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

1.1.3. Методы определения твёрдости. Определение твёрдости получило широкое применения в производственных условиях представляя собой наиболее простой и быстрый способ определения механических свойств. Так как для измерения твёрдости испытывают поверхностные слои металла, то для получения правильного результата поверхность детали не должна иметь наружных дефектов (трещин, крупных царапин и т.д.).

Существуют различные методы измерения твёрдости. Остановимся на двух наиболее распространённых методах.

Измерение твёрдости методом Бринелля. Сущность этого метода заключается в том, что в поверхность испытуемого материала вдавливается стальной закалённый шарик диаметром 2,5; 5 или 10 мм под действием нагрузки соответственно 1,87; 7,5 и 30 кН. На поверхности образца остаётся отпечаток, по диаметру которого определяют твёрдость. На практике пользуются специальными таблицами, которые дают перевод диаметра отпечатка в число твёрдости, обозначаемое НВ. Этот способ применяют главным образом для измерения твёрдости незакалённых металлов и сплавов.

Измерение твёрдости методом Роквелла. Измерение твёрдости по этому методу осуществляют путём вдавливания в испытуемы1 материал стального шарика диаметром 1,6 мм или конусного алмазного наконечника с углом при вершине 120º. В отличие от метода Бринелля твёрдость по Роквеллу определяют не по диаметру отпечатка, а по глубине вдавливания шарика или конуса.

Вдавливание производится под действием двух последовательно приложенных нагрузок: предварительной, равной 100 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной, примерно, 1000 Н (шарик), 600 Н (конус) или 1500 Н (конус). Твёрдость определяют по разности глубин вдавливания отпечатков. Для испытания твёрдых металлов необходима нагрузка 1500 Н, а вдавливание стальным шариком нагрузкой 1000 Н производят для определения твёрдости незакалённой стали. Испытание сверхтвёрдых материалов производят алмазным наконечником нагрузкой 600 Н. Глубина вдавливания измеряется автоматически, а твёрдость после измерения отсчитывается по трём шкалам: А, В и С. Твёрдость (число твёрдости) по Роквеллу обозначается следующим образом: HRC (1500 Н), HRA (600 Н), HRB (1000 Н).

Определение твёрдости по Роквеллу имеет широкое применение, так как даёт возможность испытывать мягкие и твёрдые материалы; размер отпечатков очень незначителен, поэтому можно испытывать готовые изделия без их повреждения.

1.1.4. Определение ударной вязкости. Определение ударной вязкости производят на специальном маятниковом копре. Для испытаний применяется стандартный надрезанный образец, который устанавливается на опорах копра. Маятник определённой массы поднимают на высоту Н, отпускают, он падает и разрушает образец, подымаясь с другой стороны на высоту h. Удар наносится по стороне образца, противоположной надрезу. По разности высот H и h определяют работу Р, затраченную на разрушение образца. Ударную вязкость а определяют как отношение работы Р к площади А поперечного сечения образца

.

Для облегчения расчётов пользуются таблицами, в которых для каждого угла подъёма маятника после разрушения образца указана работа удара.

Определение сопротивления усталости. Многие детали машин в процессе работы, кроме воздействия статических нагрузок подвергаются знакопеременным (циклическим) нагрузкам. В результате длительной службы материал постепенно переходит из пластичного состояния в хрупкое («устаёт»). Это объясняется тем, что знакопеременные нагрузки приводят к образованию в деталях микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют связь между зёрнами металла, вследствие чего разрушение наступает при меньших напряжениях, чем предел текучести. Способность материала противостоять действию знакопеременных нагрузок называют его выносливостью Пределом выносливости считается наибольшее напряжение, которое материал, не разрушаясь, выдерживает заданное число циклов нагружения. Число циклов может колебаться от 10⁶ до 10⁷.