Механические свойства и методы испытания металлов. Методы испытания металлов Механические свойства металлов методы испытания механических свойств

Расчеты и испытания на прочность в машиностроении МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ

Методы испытаний на усталость

Strength analysis and testing in machine ГОСТ 23026-78

building. Methods of metals mechanical и ГОСТ 2860-65

testing. Methods of fatigue testing в части 6Л и 6.2

МКС 77.040.10 ОКП 00 2500

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 30 ноября 1979 г. № 4146 дата введения установлена

Ограничение срока действия снято по протоколу № 2-92 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 2-93)

Настоящий стандарт устанавливает методы испытаний образцов металлов и сплавов на усталость:

при растяжении - сжатии, изгибе и кручении;

при симметричных и асимметричных циклах напряжений или деформаций, изменяющихся по простому периодическому закону с постоянными параметрами;

при наличии и отсутствии концентрации напряжений;

при нормальной, повышенной и пониженной температурах;

при наличии или отсутствии агрессивной среды;

в много- и малоцикловой упругой и упругопластической области.

Термины, определения и обозначения, применяемые в стандарте, - по ГОСТ 23207-78.

Стандарт не устанавливает специальные методы испытаний образцов, используемые при отработке прочности высоконапряженных конструкций.

Разделы 2-4 стандарта и приложения могут быть использованы для испытаний на усталость элементов машин и конструкций.

1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ

1.1. Испытание металлов на усталость проводят на гладких образцах круглого сечения типов I (черт. 1, табл. 1) и II (черт. 2, табл. 2), а также прямоугольного сечения типов III (черт. 3, табл. 3) и IV (черт. 4, табл. 4).

Издание официальное

Перепечатка воспрещена

★

Издание с Изменением № 1, утвержденным в декабре 1985 г. (ИУС 3-86).

Рабочая часть образца типа I

Таблица 1 мм

Рабочая часть образца типа II

G- 2

Таблица 2 мм

Рабочая часть образца типа IV

Таблица 4 мм

1.2. Чувствительность металла к концентрации напряжений и влиянию абсолютных размеров определяют на образцах типов:

V - с V-образной кольцевой выточкой (черт. 5, табл. 5-8);

Рабочая часть образца типа У

Таблица 5


						При изгибе

Таблица 6


						При растяжении-сжатии

Таблица 7


						При кручении

Таблица 8


						При растяжении-сжатии		кручении

VI - с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля (черт. 6, табл. 9);

Рабочая часть образца типа VI

Таблица 9

VIII - с кольцевой выточкой кругового профиля (черт. 8, табл. 11); Рабочая часть образца типа VIII


				При растя-
						кручении

IX - с двумя симметрично расположенными отверстиями (черт. 9, табл. 12);

Рабочая часть образца типа IX

X - с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля (черт. 10, табл. 13).

Рабочая часть образца типа X

Размеры образцов выбирают таким образом, чтобы параметр подобия усталостного разрушения

(L - периметр рабочего сечения образца или его часть, прилегающая к зоне повышенной напряженности; G - относительный градиент первого главного напряжения).

При изгибе с вращением, кручении и растяжении - сжатии образцов типов I, II, V, VIII

L ж" d,

при изгибе в одной плоскости образцов типов III, IV, VI, а также при растяжении - сжатии образцов типа VI L = 2Ь;

при растяжении - сжатии образцов типов III, IV, VII, IX, X L = 2h.

1.3. Для испытания на малоцикловую усталость применяют образцы типов II и IV, если отсутствует опасность продольного изгиба.

Допускается применять образцы типов I и III.

1.4. Рабочая часть образцов должна быть изготовлена по точности не ниже 7-го квалитета ГОСТ 25347-82.

1.5. Параметр шероховатости поверхности рабочей части образцов Ra должен быть 0,32- 0,16 мкм по ГОСТ 2789-73.

Поверхность не должна иметь следов коррозии, окалины, литейных корок и цветов побежалости ит. п., если это не предусмотрено задачами исследования.

1.6. Расстояние между захватами испытательной машины выбирают так, чтобы исключить продольный изгиб образца и влияние усилий в захватах на напряженность в его рабочей части.

1.7. Вырезка заготовок, маркирование и изготовление образцов не должны оказывать существенного влияния на усталостные свойства исходного материала. Нагрев образца при изготовлении не должен вызывать структурных изменений и физико-химических превращений в металле; припуски на обработку, параметры режима и последовательность обработки должны сводить к минимуму наклеп и исключать местный перегрев образцов при шлифовании, а также трещины и другие дефекты. Снятие последней стружки с рабочей части и головок образцов проводят с одной установки образца; заусенцы на боковых гранях образцов и кромках надрезов должны быть удалены. Заготовки вырезают в местах с определенной ориентацией по отношению к макроструктуре и напряженному состоянию изделий.

1.8. В пределах намеченной серии испытаний технология изготовления образцов из однотипных металлов должна быть одинаковой.

1.9. Измерение размеров рабочей части изготовленных образцов до испытаний не должно вызывать повреждения ее поверхности.

1.10. Рабочую часть образца измеряют с погрешностью не более 0,01 мм.

2.1. Машины для испытаний на усталость должны обеспечивать нагружение образцов по одной или нескольким схемам, приведенным на черт. 11-16. Машины для испытаний на усталость, обеспечивающие также проведение статистических испытаний на разрыв, должны соответствовать требованиям ГОСТ 1497-84.

2. АППАРАТУРА

Чистый изгиб при вращении образцов типов I, II, V, VIII

Поперечный изгиб при вращении образцов типов I, II, V, VHI при консольном нагружении

Чистый изгиб в одной плоскости образцов типов I-VIII

Рабочее сечение образца

Поперечный изгиб в одной Повторно-переменное растяжение

плоскости образцов типов I-VIII сжатие образцов типов I-X

при консольном нагружении

Рабочее сечение

| Образец |

Черт. 14 Черт. 15

Повторно-переменное кручение образцов типов I, II, У, VIII

2.2. Суммарная погрешность нагружения в процессе испытания образцов зависит от типа машин и частоты нагружения и не должна превышать в интервале 0,2-1,0 каждого диапазона нагружения в процентах измеряемой величины:

± 2 % - при /< 0,5 Гц;

± 3 % - при 0,5

± 5 % - при/> 50 Гц.

При испытании на гидропульсационных и резонансных машинах без тензометрического силоизмерения в интервале 0-0,2 каждого диапазона нагружения погрешность измерения нагрузки не должна превышать ± 5 % задаваемых напряжений.

2.3. Погрешность измерений, поддержания и записи деформаций при малоцикловых испытаниях не должна превышать ± 3 % измеряемой величины в интервале 0,2-1,0 каждого диапазона нагружения.

2.4. Абсолютная погрешность измерения, поддержания и регистрации нагрузок и деформаций в интервале 0-0,2 каждого диапазона не должна превышать абсолютных погрешностей в начале этого диапазона нагружения.

2.5. Нагрузки (при мягком нагружении) или деформации (при жестком нагружении) должны соответствовать 0,2-0,8 применяемого диапазона измерений.

2.6. При испытании на малоцикловое растяжение или сжатие и растяжение - сжатие дополнительные деформации изгиба образца от несоосности нагружения не должны превышать 5 % деформаций растяжения или сжатия.

2.7. При испытаниях на малоцикловую усталость должно быть обеспечено непрерывное измерение, а также непрерывная или периодическая регистрация процесса деформирования рабочей части образца.

2.8. Допускается калибровка испытательного оборудования при статических режимах (в том числе и на несоосность нагружения) с оценкой динамической составляющей погрешности расчетным или косвенным способами.

3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

3.1. При испытании образцов допускается мягкое и жесткое нагружение.

3.2. В пределах намеченной серии испытаний все образцы нагружают одним способом и испытывают на однотипных машинах.

3.3. Испытания образцов проводят непрерывно до образования трещины заданного размера, полного разрушения или до базового числа циклов.

Допускаются перерывы в испытаниях с учетом условий их проведения и обязательной оценкой влияния перерывов на результаты испытаний.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

3.4. В процессе испытания образцов контролируют стабильность задаваемых нагрузок (деформаций).

3.5. Испытание серии одинаковых образцов при асимметричных циклах проводят:

либо при одинаковых для всех образцов средних напряжениях (деформациях) цикла;

либо при одинаковом для всех образцов коэффициенте асимметрии цикла.

3.6. Для построения кривой распределения долговечности и оценки среднего значения и среднеквадратического отклонения логарифма долговечности на заданном уровне напряжений испытывают серию объемом не менее 10 одинаковых образцов до полного разрушения или образования макротрещин.

3.7. Испытания на многоцикловую усталость

3.7.1. Основными критериями разрушения при определении пределов выносливости и построении кривых усталости являются полное разрушение или появление макротрещин заданного размера.

3.7.2. Для построения кривой усталости и определения предела выносливости, соответствующего вероятности разрушения 50 %, испытывают не менее 15 одинаковых образцов.

В интервале напряжений 0,95-1,05 от предела выносливости, соответствующего вероятности разрушения 50 %, должны быть испытаны не менее трех образцов, при этом не менее половины из них не должны разрушаться до базы испытаний.

3.7.3. База испытаний для определения пределов выносливости принимается:

10 10 6 циклов - для металлов и сплавов, имеющих практически горизонтальный участок на кривой усталости;

100 10 6 циклов - для легких сплавов и других металлов и сплавов, ординаты кривых усталости которых по всей длине непрерывно уменьшаются с ростом числа циклов.

Для сравнительных испытаний база для определения пределов выносливости соответственно принимается 3 10^ и 10 10^ циклов.

3.7.4. Для построения семейства кривых усталости по параметру вероятности разрушения, построения кривой распределения предела выносливости, оценки среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости испытывают серии объемом не менее 10 одинаковых образцов, на каждом из 4-6 уровней напряжения.

3.7.5. От 10 до 300 Гц частота циклов не регламентируется, если испытания проводят в обычных атмосферных условиях (по ГОСТ 15150-69) и если температура рабочей части образца при испытаниях не выше 50 °С.

Для образцов из легкоплавких и других сплавов, обнаруживающих изменения механических свойств до температуры 50 °С, допускаемую температуру испытания устанавливают особо.

3.8. Испытания на малоцикловую усталость (при долговечности до 5 1(И циклов*)

3.8.1. Основным видом нагружения при испытаниях является растяжение - сжатие.

3.8.2. Верхний уровень частот испытаний ограничивается значениями, исключающими само-разогрев образца свыше 50 °С для легких сплавов и свыше 100 °С для сталей.

Во всех случаях частоту циклов указывают при представлении результатов испытаний.

Для регистрации диаграмм деформирования допускается в процессе испытаний переход на более низкие частоты, соответствующие требуемой разрешающей способности и точности приборов измерения и регистрации циклических напряжений и деформаций.

3.8.3 При испытании на растяжение - сжатие образцов типов II и IV измерение деформаций следует проводить в продольном направлении.

При испытании образцов типов I и III допускается измерять деформации в поперечном направлении.

П римечание. Для приближенного пересчета поперечной деформации в продольную используют формулу

Е прод - ^ (е у) попер ^ (Е р) попер’

где (Еу) попер - упругая составляющая поперечной деформации;

(Ер) попер - пластическая составляющая поперечной деформации.

3.9. Испытания при повышенной и пониженной температурах

3.9.1. Испытания при повышенной и пониженной температурах проводят при тех же видах деформации и тех же образцах, что и при нормальной температуре.

* Число циклов 5 ■ 10 4 является условной границей мало- и многоцикловой усталости. Это значение для пластичных сталей и сплавов характеризует среднее число циклов для зоны перехода от упругопластического к упругому циклическому деформированию. Для высокопластичных сплавов переходная зона смещается в сторону больших долговечностей, для хрупких - в сторону меньших.

3.9.3. Температуру испытания образцов контролируют по данным динамической тарировки температурного перепада между образцом и печным пространством. Температурную тарировку проводят с учетом влияния длительности испытания. При тарировке термопары закрепляют на образце.

3.9.4. Термопары поверяют как до испытания, так и после него по ГОСТ 8.338-2002. При испытании на базах более 10 7 циклов производят, кроме того, промежуточные поверки термопар.

3.9.5. Неравномерность распределения температуры по длине рабочей части при испытании гладких образцов типов II и IV не должна превышать 1 % на 10 мм заданной температуры испытания. При испытании гладких образцов типов I, III и образцов с концентраторами напряжений неравномерность распределения температуры регламентируется на расстоянии ± 5 мм от минимального сечения образца. Отклонение от заданной температуры не должно превышать 2 %.

3.9.6. В процессе испытания допускаемые отклонения температуры на рабочей части образца в °С не должны выходить за пределы:

до 600 включ..........±6;

св. 601 до 900 »............±8;

» 901 » 1200 »............±12.

3.9.7. Нагружение образцов проводят после установившегося теплового режима системы «образец-печь» при достижении заданной температуры образца.

3.9.8. Базу испытаний принимают в соответствии с п. 3.7.3 настоящего стандарта.

3.9.9. Для сопоставимости результатов испытания данной серии образцов проводят при одинаковой частоте и базе, если целью испытаний не является исследование влияния частоты нагружения. В протоколах испытания указывают не только число пройденных циклов, но и полное время испытания каждого образца.

3.10. Испытания в условиях агрессивной среды

3.10.1. Испытания в условиях агрессивной среды проводят при тех же видах деформации и на тех же образцах, что и при отсутствии агрессивной среды. Допускается одновременное испытание группы образцов с регистрацией момента разрушения каждого.

3.10.2. Образец должен непрерывно находиться в газовой или жидкостной агрессивной среде.

3.10.3. При испытаниях в агрессивной среде должна быть обеспечена стабильность параметров агрессивной среды и ее взаимодействия с поверхностью образца. Требования к периодичности контроля состава агрессивной среды определяются составом среды и задачами исследования.

3.10.4. Для сопоставимости результатов испытания данной серии образцов проводят при одинаковой частоте и базе, если целью испытаний не является исследование влияния частоты нагружения.

3.9-3.9.9,3.10-3.10.4. (Введены дополнительно, Изм. № 1).

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. По результатам испытаний на усталость проводят:

построение кривой усталости и определение предела выносливости, соответствующих вероятности разрушения 50 %;

построение диаграмм предельных напряжений и предельных амплитуд;

построение кривой усталости в малоцикловой области;

построение диаграмм упругопластического деформирования и определение их параметров;

построение кривых усталости по параметру вероятности разрушения;

определение предела выносливости для заданного уровня вероятности разрушения;

определение среднего значения и среднеквадратического отклонения логарифма долговечности на заданном уровне напряжений или деформаций;

определение среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости.

Указанные характеристики сопротивления усталости металлов определяют для различных стадий развития макротрещин и (или) полного разрушения.

4.2. Обработка результатов испытаний на многоцикловую усталость

4.2.1. Исходные данные и результаты каждого испытания образца фиксируют в протоколе испытания (приложения 1 и 2), а результаты испытания серии одинаковых образцов - в сводном протоколе испытания (приложения 3 и 4).

4.2.2. Кривые усталости строят в полулогарифмических координатах (o max ; lgN или о а; lg/V) или двойных логарифмических координатах (lg o max ; lg/V или lg о а; lg/V).

4.2.3. Кривые усталости при асимметричных циклах строят для серии одинаковых образцов, испытанных при одинаковых средних напряжениях или при одинаковых коэффициентах асимметрии.

4.2.4. Кривые усталости по результатам испытаний ограниченного объема образцов (п. 3.7.2) строят методом графического интерполирования экспериментальных результатов или по способу наименьших квадратов.

4.2.5. Для построения кривых распределения долговечности и пределов выносливости, оценки средних значений и среднеквадратических отклонений, а также построения семейства кривых усталости по параметру вероятности разрушения результаты испытаний подвергают статистической обработке (приложения 5-7).

4.2.6. Диаграммы предельных напряжений и предельных амплитуд строят с помощью семейства кривых усталости, полученных по результатам испытания не менее трех-четырех серий одинаковых образцов при разных для каждой серии средних напряжениях или коэффициентах асимметрии цикла напряжений.

4.3. Обработка результатов испытаний на малоцикловую усталость

4.3.1. Обработку результатов проводят, как указано в п. 4.2.4.

4.3.2. Исходные данные и результаты испытаний каждого образца фиксируют в протоколе испытания, а результаты испытания серии одинаковых образцов - в сводном протоколе испытания (приложения 8 и 9).

4.3.3. По результатам испытаний образцов при жестком нагружении строят кривые усталости в двойных логарифмических координатах (черт. 17):

амплитуда полной деформации Е а - число циклов до образования трещины N T или до разрушения N;

амплитуда пластической деформации г ра - число циклов, соответствующее половине числа циклов до образования трещины N T или до разрушения N.

Пр имечания:

1. Амплитуду пластической деформации Е ра определяют как половину ширины петли упругопластического гистерезиса г р или как разность между задаваемой амплитудой полной деформации и амплитудой упругой деформации, определяемой по измеренной нагрузке, соответствующему ей напряжению и модулю упругости материала.

2. Амплитуду пластической деформации Е ра при числе циклов, соответствующем половине числа циклов, до образования трещины или до разрушения определяют интерполяцией значений амплитуд при предварительно выбранных числах циклов, близких к ожидаемым.

Кривые усталости при жестком нагружении Кривая усталости при мягком нагружении

Че Р т - 17 Черт. 18

4.3.4. По результатам испытаний при мягком нагружении строят:

кривую усталости в полулогарифмических или двойных логарифмических координатах: амплитуда напряжений о а - число циклов до образования трещины N T или до разрушения N (черт. 18);

зависимость амплитуды пластических деформаций (половина ширины петли гистерезиса) г ра от числа полуциклов нагружения К по параметру амплитуды напряжения при выбранном коэффициенте асимметрии цикла напряжений (черт. 19).

Зависимость амплитуды пластических деформаций от числа полуциклов нагружения

а - для циклически разупрочняющегося материала; б для циклически стабилизирующегося материала; в - для циклически упрочняющегося материала

ПРОТОКОЛ

испытания образца (приложение к сводному протоколу №__)

Назначение испытания_

Машина: тип_, №_

Напряжения цикла:

максимальное_, среднее_, амплитудное_

Нагрузки (число делений по шкале нагрузок):

максимальная_, средняя_, амплитудная_

Показания приборов, регистрирующих аксиальность нагрузки или биение образца:

в начале испытания_

в конце испытания_

Число пройденных циклов_

Частота нагружения_

Критерий разрушения_

Испытания проводил _

Начальник лаборатории _

испытания образца (приложение к сводному протоколу №_)

Назначение испытания_

Образец: шифр_, поперечные размеры_

Машина: тип_, №_

Деформация цикла:

максимальная_, средняя_, амплитудная _

Число делений по индикатору деформации: максимальное_

среднее_, амплитудное_

Показания приборов, регистрирующих аксиальность нагрузки:_

прибор № 1_, прибор № 2_, прибор № 3

Показания счетчика (дата и время):

в начале испытания_

в конце испытания_

Число пройденных циклов_

Частота нагружения_

Критерий разрушения_

Испытания проводил

Начальник лаборатории

Цель испытаний___

Материал:

марка и состояние_

направление волокна_

Условия испытаний:

вид нагружения_

база испытаний__

частота нагружения_

Критерий разрушения_

Тип образцов и номинальные размеры их поперечного сечения

Состояние поверхности_

Испытательная машина:

Дата испытаний:

начало испытаний первого образца_, конец испытаний

последнего образца_

Начальник лаборатории

Цель испытаний___

Материал:

марка и состояние_

направление волокна_

тип заготовки (при сложной форме прилагается план вырезки образцов)

Условия испытаний:

вид деформаций_

база испытаний___

частота нагружения_

Критерии разрушения_

тип образцов и номинальные размеры поперечного сечения_

состояние поверхности_

Испытательная машина:

Дата испытаний:

начало испытаний первого образца_, конец испытаний последнего образца

Ответственный за испытание данной серии образцов

Начальник лаборатории

ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ОЦЕНКА СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ОТКЛОНЕНИЯ ЛОГАРИФМА ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Результаты испытаний серии из п образцов при постоянном уровне напряжения располагают в вариационный ряд в порядке возрастания долговечности

N l

Подобные ряды для образцов из алюминиевого сплава марки В95, испытанных при консольном изгибе с вращением до полного разрушения при шести уровнях напряжения в качестве примера, приведены в табл. 1.

Кривые распределения долговечности (P-N) строят на вероятностной бумаге, соответствующей логарифмически нормальному или другому закону распределения. По оси абсцисс откладывают значения долговечности образцов N, а по оси ординат - значения вероятности разрушения образцов (накопленные частоты), вычисляемые по формуле

р i - 0,5 п ’

где i - номер образца в вариационном ряду; п - число испытанных образцов.

Если на рассматриваемом уровне напряжения разрушились не все образцы серии, то строят только нижнюю часть кривой распределения до базовой долговечности.

На чертеже на логарифмически нормальной вероятностной бумаге приведено семейство кривых распределения P-N, построенное по данным табл. 1.

Таблица 1

Вариационные ряды числа циклов до разрушения образцов из сплава марки Б95


	при о тах, кгс/мм 2 (МПа)

* Образцы не разрушились.

Кривые распределения долговечности образцов из сплава марки В95

10*2 3 8 6810 s 2 38 6810 е 2 38 6810 9 2 3 8 6810 е N

1 - а тах = 33 кгс/мм 2 (330 МПа); 2- а тах = 28,5 кгс/мм 2 (285 МПа); 3- а тах = 25,4 кгс/мм 2 (254 МПа); 4- а тах = 22,8 кгс/мм 2 (228 МПа); 5- а тах = 21 кгс/мм 2 (210 МПа); 6- а тах = 19 кгс/мм 2 (190 МПа)

Оценку среднего значения а и среднеквадратического отклонения о логарифма долговечности проводят для уровней напряжения, на которых разрушались все образцы серии. Выборочное среднее значение lg N и выборочное среднеквадратическое отклонение логарифма долговечности образцов (S lg д,) вычисляют по формулам:

В табл. 2 в качестве примера приведено вычисление lg N и 5j g д, для образцов из сплава марки В95, испытанных при напряжении о шах = 28,5 кгс/мм 2 (285 МПа) (см. табл. 1).

Таблица 2

X (lg^) 2 = 526,70.

526,70 - ^ ■ 10524,75

Объем серии образцов n вычисляют по формуле

n>^-Z\_o-А 2 2

где у - коэффициент вариации величины х = lg/V;

Д а и Д а - предельные относительные ошибки для доверительной вероятности Р - 1- а при оценке среднего значения и среднего квадратического отклонения величины х = lg/V соответственно; а - вероятность ошибки первого рода;

Z | _ и - квантиль нормированного нормального распределения, соответствующая вероятность Р = 1- тг 2 2 (значения наиболее часто используемых квантилей приведены в табл. 3).

Значения ошибок выбирают в пределах Д а = 0,02-0,10 и Д а = 0,1-0,5, вероятность ошибки первого рода а принимают 0,05-0,1.

Таблица 3

ПОСТРОЕНИЕ СЕМЕЙСТВА КРИВЫХ УСТАЛОСТИ ПО ПАРАМЕТРУ ВЕРОЯТНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ

Для построения семейства кривых усталости испытания целесообразно проводить на четырех-шести уровнях напряжения.

Минимальный уровень следует выбирать так, чтобы до базового числа циклов разрушались примерно от 5 % до 15 % образцов, испытуемых на этом уровне напряжения. На следующем (в порядке возрастания) уровне напряжения должно разрушиться 40 %-60 % образцов.

Максимальный уровень напряжения выбирают с учетом требования на протяженность левой ветви кривой усталости (N > 5 ■ 10 4 циклов). Оставшиеся уровни распределяют равномерно между максимальным и минимальным уровнями напряжений.

Результаты испытаний для каждого уровня напряжения располагают в вариационные ряды, на основании которых строят семейство кривых распределения долговечности в координатах Р-N (приложение 7).

Задают значения вероятности разрушения и на основании кривых распределения долговечности строят семейство кривых усталости равной вероятности.

На чертеже представлены кривые усталости образцов из сплава марки В95 для вероятности разрушения Р = 0,5; 0,10; 0,01, построенные на основании графиков.

Минимально необходимое число образцов для построения семейства кривых усталости определяют в зависимости от доверительной вероятности P l = 1- а и предельной относительной ошибки А р при оценке предела выносливости для заданной вероятности Р на основании формулы

■ Zj-a ■ ф(р) ,

где у - коэффициент вариации предела выносливости;

Z- квантиль нормированного нормального распределения;

Ф (р) - функция, зависящая от вероятности, для которой определяется предел выносливости. Значения этой функции, найденные методом статистического моделирования, приведены в таблице.

Кривые усталости образцов из сплава марки В95

ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ И ОЦЕНКА ЕГО СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ОТКЛОНЕНИЯ

Для построения кривой распределения предела выносливости образцы испытывают на шести уровнях напряжения.

Самый высокий уровень напряжения выбирают с таким расчетом, чтобы все образцы при этом напряжении разрушались до базового числа циклов. Величину максимального напряжения принимают (1,3- 1,5) от значения предела выносливости для Р- 0,5. Остальные пять уровней распределяются таким образом, чтобы на среднем уровне разрушалось около 50 %, на двух высоких - 70 %-80 % и не менее 90 % и на двух низких - не более 10 % и 20 %-30 % соответственно.

Значение напряжений в соответствии с заданной вероятностью разрушения выбирают на основании анализа имеющихся данных для аналогичных материалов или с помощью предварительных испытаний.

После испытаний результаты представляют в виде вариационных рядов, на основании которых строят кривые распределения долговечности по методике, изложенной в приложении 5.

На основании кривых распределения долговечности строят семейство кривых усталости для ряда вероятностей разрушения (приложение 8). Для этого целесообразно использовать вероятности 0,01, 0,10, 0,30, 0,50, 0,70, 0,90 и 0,99.

По этим кривым усталости определяют соответствующие значения предела выносливости. Предел выносливости для вероятности разрушения Р = 0,01 находят методом графической экстраполяции соответствующей кривой усталости до базового числа циклов.

Найденные значения пределов выносливости наносят на график с координатами: вероятность разрушения в масштабе, соответствующем нормальному распределению, - предел выносливости в кгс/мм 2 (МПа). Через построенные точки проводят линию, представляющую собой графическую оценку функции распределения предела выносливости. Разбивают размах варьирования предела выносливости на 8-12 интервалов, определяют средние значения предела выносливости и его среднеквадратическое отклонение по формулам:

X АР г ст й. ;

S c R =\/Х АР Г (°й.-°й) 2 >

где a R - среднее значение предела выносливости;

S„ - среднеквадратическое отклонение предела выносливости;

Стд - значение предела выносливости в середине интервала;

I - число интервалов;

A Pi - приращение вероятности внутри одного интервала.

В качестве примера по результатам испытаний на консольный изгиб с вращением 100 образцов из алюминиевого сплава марки АВ, представленных в табл. 1, строят функцию распределения пределов выносливости для базы 5 ■ 10 7 циклов и определяют среднее значение и среднеквадратическое отклонение.

На основании вариационных рядов (табл. 1) строят кривые распределения долговечности (черт. 1).

Значения долговечности образцов из сплава марки АВ

Таблица 1



	при о тах, кгс/мм 2 (МПа)

* Образцы не разрушились.

Производя горизонтальные разрезы кривых распределения долговечности (черт. 1) для уровней вероятности Р=0,01, 0,10, 0,30, 0,50, 0,70, 0,90, 0,99 (или 1,10, 30, 50, 70, 90, 99 %), находят соответствующие долговечности при заданных значениях напряжений, на основании которых строят кривые усталости по параметру вероятности разрушения (черт. 2).

Кривые распределения долговечности образцов из сплава марки АВ

1 - Ящ, = 16,5 кгс/мм 2 (165 МПа); 2 - = 13,5 кгс/мм 2 (135 МПа);

3- а тах = 12,5 кгс/мм 2 (125 МПа); 4- а тах = 12,0 кгс/мм 2 (120 МПа); 5- Ящщ = 11,5 кгс/мм 2 (115 МПа); 6- = 11,0 кгс/мм 2 (110 МПа)

Кривые усталости для образцов из сплава марки АВ для различных вероятностей разрушения

1 - Р = 1 %; 2- Р = 10 %; 3-Р= 30 %; 4-Р= 50 %; 5-Р= 70 %; 6-Р= 90 %; 7- Р= 99 %

С графиков (черт. 2) снимают значения пределов выносливости для базы 5 ■ 10 7 циклов. Значения пределов выносливости приведены в табл. 2.

По результатам, приведенным в табл. 2, строят кривую распределения выносливости (черт. 3).

Таблица 2

Значения пределов ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ (база 5 - 10 7 циклов)

Кривая распределения предела ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ (база 5 - 10 7 циклов)

Для определения среднего значения предела выносливости и его среднеквадратического отклонения размах варьирования предела выносливости делят на 10 интервалов по 0,5 кгс/мм 2 (5 МПа). Вычисление указанных характеристик в соответствии с приведенными формулами представлено в табл. 3.

Необходимый объем усталостных испытаний для построения кривой распределения предела выносливости определяют по формуле приложения 6.

Таблица 3

Вычисление среднего значения и среднеквадратического отклонения предела ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ

Границы интервала,	Середина интервала	Значение вероятностей	(4_l) ,■ ■ О.!	[(ч_1> ,■ - 4_ll 2
	(а /, кгс/мм 2 (МПа)	на границах интервала

12,106 кгс/мм 2 (121,06 МПа); ^ Д P i [(ст_ 1) г - - о_ 1 ] 2 = 0,851;

S„ = ^Гp5Г = 0,922 кгс/мм 2 (9,22 МПа)

ПРОТОКОЛ №

испытания образца (приложение к сводному протоколу №

Назначение испытания_

Образец: шифр

материал_

твердость _

Машина: тип

Напряжения цикла:

максимальное_

Деформации цикла:

максимальная_

средняя _

Показания счетчика (дата и время):

в начале испытания_

в конце испытания_

поперечные размеры

Термообработка_

Микротвердость_

Масштаб регистрации: деформации (мм/%) нагрузки (мм/МН)_

минимальное

амплитудное

минимальная

амплитудная

Число пройденных циклов до образования микротрещины длиной

Число пройденных циклов до разрушения Частота нагружения_

Показания счетчика

в начале смены

в конце смены

Число циклов (время), пройденное образцом за смену

Подпись и дата

сдавшего смену

принявшего смену

Примечание

Испытания проводил_

Начальник лаборатории

СВОДНЫЙ ПРОТОКОЛ №_

Цель испытаний___

Материал:

марка и состояние_

направление волокна_

тип заготовки (при сложной форме прилагается план вырезки образцов)

Механические характеристики_

Условия испытаний:

тип нагружения_

вид нагружения_

температура испытания_

частота нагружения_

тип образца и номинальные размеры поперечного сечения

состояние поверхности_

Испытательная машина:

Дата испытаний:

начало испытаний первого образца_

конец испытаний последнего образца

Ответственный за испытание данной серии образцов

Начальник лаборатории

Для разных изделий применяются разные виды и марки металлов и сплавов. Выбор обычно основывается на характеристиках материалов. При проектировании любой конструкции учитываются свойства и испытания металлов, которым они были подвержены.

Производимые испытания над разного рода металлами помогают определить механические, термические, химические свойства металлов. Соответственно, в зависимости от выявляемых свойств металла, проводятся и определенные виды испытаний.

О том, какие свойства и испытания металлов имеют большое значение, и какими они бывают мы и поговорим далее.

Свойства металлов.

Каждый вид металла имеет определенный набор свойств - механических, технологических и эксплуатационных, которые характеризуют его способность к нагреву и охлаждению, свариванию, устойчивость к большим нагрузкам и прочее. Наиболее важные из них следующие:

литейные - эти свойства металла важны при отливе, для качественных отливок;
жидкотекучесть;
усадка (т.е. изменение объемов и размеров при охлаждении и затвердевании);
ликвация (химический состав может быть неоднородным по объему);
свариваемость (важно при проведении сварочных работ, оценивается это свойство уже по готовому сварному соединению);
обработка давлением - важно как металл реагирует на внешние нагрузки, не разрушается ли он под давлением;
обработка резанием - обозначает поведение металла под воздействием разных режущих инструментов;
ударная вязкость;
износостойкость - сопротивление металла к поверхностным разрушениям под воздействием трения;
коррозионная стойкость - стойкость к воздействию щелочных сред, кислот;
жаростойкость - сопротивление окислению под воздействием высоких температур;
жаропрочность - материал должен сохранять все свои свойства даже под воздействием высоких температур;
хладостойкость - сохранение пластичности металла при низких температурах;
антифрикционность - свойство, характеризующееся тем, как металл может прирабатываться к другим материалам.

Все эти свойства выявляются в ходе испытаний: механических, химических и прочих.

Механические испытания металлов.

При проведении таких испытаний на металл оказывают разную нагрузку - динамическую (ударное увеличение напряжения в металле) или статическую (постепенное увеличение напряжения).

В ходе нагрузок в металле могут возникать разные виды напряжения:

сдвиговое;
растягивающее;
сжимающее.

Так, например, при скручивании металла в материале возникает сдвиговое напряжение, тогда как разгибание или сгибания приводят одновременно к сжимающему и растягивающему напряжению.

Согласно этим нагрузкам и возникающему напряжению могут проводиться такие виды механических испытаний:

на растяжение;
на изгиб;
на удар (определяется ударная вязкость металла).

Кроме того механические испытания предполагают проверку на усталость материала (обычно при изгибе), на глубокую вытяжку и ползучесть. Также проводятся испытания на твердость, которые осуществляются методом вдавливания и динамическим способом (на металл скидывают боек с наконечником из алмаза).

Химические испытания металлов.

Методы химических испытаний применяют для того, чтобы определить состав металла, его качество и пр. В ходе таких испытаний обычно выявляется наличие ненужных и нежелательных примесей, а также количество легирующих примесей.

Химические испытания также помогают получить оценку стойкости металла к воздействию разных реагентов.

Один из видов таких испытаний - это селективное воздействие определенными химическими растворами. Это помогает определить такие показатели, как пористость, количество включений, сегрегации и прочее.

Испытания методом контактных отпечатков необходимы для определения уровня содержания в металле фосфора и серы.

Сезонное растрескивание металла определяется с помощью специальных растворов, воздействию которых подвергается материал. Проводится и ряд других испытаний.

Оптические и физические испытания.

В ходе испытаний металл не только подвергают разного рода воздействиям, но и тщательным образом исследуют под микроскопом. Такие исследования позволяют оценить качество металла, его пригодность, структурные характеристики и прочее.

Кроме того металлы подвергаются радиографическому контролю. Эти исследования осуществляются с помощью гамма-излучения и жесткого рентгеновского излучения. Такой контроль позволяет определить имеющиеся дефекты в металле. Часто радиографическому исследованию подвергаются сварные швы.

Существует также ряд других методов контроля, которым подвергается металл. Среди них:

Магнитно-порошковый - применяется только для никеля, железа и кобальта, а также их сплавов. Этим методом определяются дефекты некоторых видов стали.
Ультразвуковой - также позволяет выявлять дефекты только с помощью импульса ультразвука.
Специальные методы - это и прослушивание со стетоскопом, и испытания на циклическую вязкость и пр.

Все эти испытания, в том числе контрольные, очень важны: они помогают определить какие металлы подходят для разных конструкций, каким обработкам можно подвергать материал, какие режимы сварки использовать и прочее.

Для установления комплекса механических свойств металлов образцы из исследуемого материала подвергают статическим и динамическим испытаниям.

Статическими называются испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно.

К статическим испытаниям относят испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, а также определение твердости.

В результате испытаний на статическое растяжение, которое проводят на разрывных машинах, получают диаграмму растяжения (рис.6 а) и диаграмму условных напряжений (рис. 6 б) пластичного металла.

Рис. 6 диаграмма растяжения пластичного материала; б – диаграмма условных напряжений пластичного материала

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме, упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и пластическую деформацию.

Представленная на рис. 6 зависимость между приложенным извне напряжением и вызванной им относительной деформацией характеризует механические свойства металлов:

Наклон прямой ОА (рис. 6а) показывает жесткость металла или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения; тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости(Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е= s / e);

Напряжение sпц (рис. 6б), которое называется пределом пропорциональности, соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;

Напряжение sупр (рис. 6б), которое называется пределом упругости, и при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями. Часто используют значения остаточной деформации 0,001; 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают s0,005, s0,02 и т.д. Предел упругости – важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих элементов приборов и машин;

Напряжение s0,2, которое называется условным пределомтекучести и которому соответствует пластическая деформация 0,2 %. Физический предел текучести sт определяется по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растяжение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение s0,2 несложно определяется при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения. Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают обычно меньше s0,2 в 1,5 раза;

Максимальное напряжение sв, которое называется временным сопротивлением, характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению, и определяется по формуле

sв = Р max / Fo

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше sв в 2,4 раза.

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением d и относительным сужением y:

d = [(lк – lо) / lо] * 100,

y = [(Fо – Fк) / Fо] * 100,

где lо и Fо – начальные длина и площадь поперечного сечения образца;

lк - конечная длина образца;

Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Твердость– способность материалов сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела, которое называется индентором.

Существует разные методы определения твердости.

Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки при вдавливании стального шарика в испытуемый материал к площади поверхности полученного сферического отпечатка (рис. 4.7а).

HB = 2P / pD ,

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр лунки, мм

Рис. 7. Схемы испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Роквеллу определяется глубиной проникновения в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120о или закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 7.б).

Конус или шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками:

Предварительной Ро = 10 н;

Общей Р = Ро + Р1, где Р1 – основная нагрузка.

Твердость обозначается в условных единицах:

Для шкал А и С HR = 100 – (h – ho) / 0,002

Для шкалы В HR = 130 – (h – hо) / 0,002

Для определения твердости используется алмазный конус при нагрузке 60 Н (HRA), алмазный конус при нагрузке 150 Н (HRC) или стальной шарик диаметром 1,588 мм (HRB).

Твердость по Виккерсу измеряют для деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой.

Эта твердость определяется как отношение нагрузки при вдавливании в испытуемый материал алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136о к площади поверхности полученного пирамидального отпечатка (рис. 7.в):

HV = 2P * sin a/2 / d2 = 1,854 P/d2,

a = 136о – угол между гранями;

d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей, мм.

Величину HV находят по известному d согласно формуле или по расчетным таблицам согласно ГОСТ 2999-75.

Микротвердость, учитывая структурную неоднородность металла, применяют для измерения малых площадей образца. При этом вдавливают пирамиду как при определении твердости по Виккерсу, при нагрузке Р = 5-500 Н, а среднее арифметическое длин обеих диагоналей (d) измеряется в мкм. Для измерения микротвердости используется металлографический микроскоп.

Сопротивление материала разрушению при динамических нагрузках характеризует ударная вязкость. Её определяют (ГОСТ 9454-78) как удельную работу разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра (рис. 4.8): КС = К / So (К – работа разрушения; So – площадь поперечного сечения образца в месте концентратора).

Рис. 8. Схема испытаний на ударную вязкость

Ударную вязкость (МДж/м2) обозначают KCU, KCV и KCT. Буквы КС означают символ ударной вязкости, буквы U, V, T – вид концентратора: U-образный с радиусом надреза rн = 1 мм, V-образный с rн = 0,25 мм; T – трещина усталости, созданная в основании надреза; KCU – основной критерий ударной вязкости; KCV и KCT используют в специальных случаях.

Работа, затраченная на разрушение образца, определяется по формуле

Ан = Р * l1(cos b - cos a),

где Р - масса маятника, кг;

l1 – расстояние от оси маятника до его центра тяжести;

b - угол после удара;

a - угол до удара

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжений – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями smax и smin в течение периода Т (рис. 9).

Рис. 9. Синусоидальный цикл изменения напряжений

Различают симметричные циклы (R = -1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью (ГОСТ 23207 – 78).

На усталость деталей машин влияют ряд факторов (рис. 10).

Рис. 10. Факторы, влияющие на усталостную прочность

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке, меньших пределах текучести или временного сопротивления;

Разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды;

Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение;

Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома (рис. 11).

Рис. 11. Схема излома усталостного разрушения: 1 – очаг зарождения трещины; 2 – зона усталости; 3 – зона долома

Лабораторная работа № 5

ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ

Цель лабораторной работы - освоить методику и получить навыки испытания металлов на твердость.

При выполнении лабораторной работы необходимо:

1)усвоить сущность метода испытания металлов на твердость, его преимущества перед другими методами определения механических

2)изучить устройство приборов для измерения твердости;

3) определить твердость стали, чугуна, цветных металлов (алюминия, меди и других), по значениям твердости НВ определить предел прочности металлов.

Оснащение участка лабораторной работы:

оборудование - пресс Бринелля, твердомер Роквелла, наконечники со стальными закаленными шариками выбранного диаметра, наконечник с алмазным конусом, лупа с градуированной шкалой, настольные тиски, напильники и шлифовальный круг;

материалы - образцы углеродистой стали, чугуна и цветных сплавов;

плакаты - таблицы значений твердости.

Твердость - это свойство металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, тела определенной формы и размеров. Определение твердости является наиболее широко распространенным методом испытания металлов, позволяющим без разрушения изделия и изготовления специальных образцов судить о качестве изделий. Приборы для испытания на твердость обладают высокой производительностью (до 100 испытаний в час), значительно превышающей производительность других испытательных машин.

Твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его

Преимущества метода измерения твердости:

1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания,(и другими механическими свойствами (главным образом, пределом прочности) существует количественная зависимость.

Величина твердости характеризует предел прочности металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию (образование шейки). Такая пластическая деформация аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника. В ряде случаев и у хрупких металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью.

По значениям твердости можно определять и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и могут выполняться непосредственно на проверяемых деталях.

Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения контролируемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.

Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла (метод измерения микротвердости). В последнем случае можно измерять твердость отдельных структурных составляющих в сплавах.

Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев детали не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определение характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного контроля.

Методы испытания на твердость - вдавливание, царапание, качание, упругая отдача, магнитный.

Наиболее распространенным является метод вдавливания, при котором твердость определяют:

по величине поверхности отпечатка от вдавливания стального

шарика при испытании на прессе Бринелля;

по глубине отпечатка при вдавливании алмазного конуса или стального шарика при испытании на приборе Роквелла.

Испытуемый образец или деталь должны иметь подготовленную гладкую плоскую площадку. Толщину испытуемого образца или изделия выбирают такой, чтобы на обратной стороне образца (изделия) не было заметных следов деформаций. Нагрузку следует прилагать по оси вдавливания наконечника перпендикулярно к испытуемой поверхности. При вдавливании наконечника с малыми нагрузками требуется более совершенная обработка поверхности.

Определение твердости способом Бринелля

1вердость по способу Ьринелля определяют путем вдавливания в испытуемый образец стального закаленного шарика диаметром D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени

Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой, имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм.

Диаметр шарика может быть различным и выбирается в зависимости от толщины испытуемого материала; твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и сР (табл. 5.1).

6 B - 3,5 HB (МПа) для углеродистых сталей в нормализованном состоянии;

6в=3,6 НВ дня низколегированных конструкционных сталей в улучшенном состоянии;

6в= 5,5 НВ для меди, латуни и бронзы в отожженном состоянии;

6в = 4,0 НВ для тех же сплавов в наклепанном состоянии.

Для алюминия и его сплавов с твердостью 20...45 НВ а в = 3,5 НВ, для дуралюмина отожженного о в = 3,6 НВ, а после закалки и старения о в = 3,5 НВ. НВ принимается в кгс/мм 2 , тогда а в выражается в МПа.

Чтобы избежать длительных вычислений, на практике пользуются готовыми таблицами с заранее подсчитанными значениями твердости для отпечатков разных диаметров, полученных при разных нагрузках. Перед испытанием поверхность образца обрабатывают, чтобы она была гладкой, без окалины и других дефектов.

К недостаткам способа Бринелля следует отнести невозможность испытаний:

металлов, имеющих твердость свыше 4500 МПа, при этом будет деформироваться сам стальной закаленный шарик и результаты испытаний будут неточны;

твердости мелких деталей и тонкого поверхностного слоя (менее 1 ...2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла.

1.изучить работу твердомера;

2.очистить поверхность образцов от загрязнения и окалины с помощью напильника или на шлифовальном круге;

3.выбрать в зависимости от заданных условий испытаний диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой;

4.закрепить наконечник с шариком в шпинделе пресса установочным винтом;

5.установить на подвеску твердомера требуемое для испытания

количество сменных грузов;

6.установить упор на нужную продолжительность выдержки и закрепить стопорным винтом;

7.установить на столик испытуемый образец и вращением маховика

поднять его до упора в наконечник с шариком, прикладывая этим предварительную нагрузку, равную 1 ООО Н, при этом центр будущего отпечатка должен находиться на расстоянии не менее диаметра шарика от края образца, а от центра соседнего отпечатка - не менее двух диаметров шарика;

8.нажать на спусковую кнопку и привести в действие электродвигатель, передавая нагрузку на образец;

9.после автоматического выключения электродвигателя опустить столик, снять образец и измерить диаметр отпечатка при помощи лупы в двух взаимно перпендикулярных направления. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,5 мм при испытании шариком диаметром 10,5 мм и с точностью до 0,01 мм при испытании шариком диаметром 2,5 мм;

10.по величине диаметра отпечатка в таблице найти число твердости НВ;

11.результаты испытания занести в протокол испытаний (табл. 5.2)..

Таблица 5.2.

2 Определение твердости способом Роквелла

Измерение твердости по способу Роквелла производят путем вдавливания алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р 0 и основной Р. Общая нагрузка Р равна сумме предварительной и

основной: Р = Р 0 + Р^ (рис. 5.2).

0 во всех случаях равна 100 Н, а основная Р и общая Р при вдавливании:

стального шарика (шкала В) Р х = 900 Н; Р = 100 + 900 = 1000 Н;

алмазного конуса (шкала С) Р { = 1400 Н; Р = 100 + 1400 = 1500 Н;

алмазного конуса (шкала А) Р у = 500 Н; Р = 100 + 500 = 600 Н.

Рис. 5.2. Схема определения твердости по способу Роквелла

где h - глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием общей нагрузки Р; h Q - глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки Р 0 ; с - постоянная, равная 0,002 мм.

Индикатор прибора имеет две шкалы: черную - для испытаний алмазным конусом при различных основных нагрузках и красную - для испытаний шариковым наконечником. Красная шкала смещена относительно нулевого деления черной шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечника. Это смещение сделано по той причине, что глубина вдавливания шарика часто превышает 0,2 мм, т. е. стрелка при вдавливании делает поворот более чем на 100 делений (при очень мягком материале). Определение твердости на приборе Роквелла имеет широкое применение, поскольку на нем можно испытать как мягкие, так и твердые, а также тонкие материалы.

Шкала С используется при испытаниях сталей твердостью HRC = 20...70 и тонких поверхностных слоев толщиной свыше 0,5 мм, шкала А - при испытании твердых сплавов твердостью свыше HRC = 70, тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3...0,5 мм). Число HRA можно перевести в число HRC

по формуле:

HRC = 2HRA - 104. (5-5)

Шкала В применяется при испытании металлов средней твердости и изделий толщиной от 0,8 до 2 мм. Числа твердости по Роквеллу можно приближенно пересчитать в числа твердости по Бринеллю. На основании экспериментальных данных установлена следующая зависимость:

НВ = 100 HRC (5.6)

в интервале твердости 2000...4500 МПа по Бринеллю, где НВ -твердость по Бринеллю; HRC - твердость по Роквеллу (шкала С).

Для перевода числа твердости по Роквеллу с одной шкалы на другую пользуются специальными справочными таблицами. Поверхности образцов (как испытуемая, так и опорная) должны быть плоскими, параллельными друг другу, отшлифованными, без окалины, забоин и т. п.

К достоинствам способа Роквелла следует отнести высокую производительность (время испытания 30...60 с, результат испытания считается прямо на шкале прибора), простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытания. Этот способ не рекомендуется применять для определения твердости неоднородных по структуре сплавов, криволинейных поверхностей и для испытания деталей, которые под действием нагрузки могут деформироваться.

изучить работу твердомера;

подготовить образцы к испытанию так же, как и при испытаниях

на приборе Бринелля;

подобрать наконечник и закрепить его в шпинделе при помощи

установочного винта;

подобрать и подвесить грузы соответственно выбранному наконечнику и шкале, по которой предполагается вести испытание (см. табл. 5.3);

установить испытуемый образец на столик прибора;

вращением маховика постепенно подвести испытуемую поверхность образца до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим его вращением произвести предварительное нагружение Р 0 до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой на шкале. Если она значительно перейдет за красную точку (влево), то необходимо загрузить прибор, выбрать на испытуемой поверхности другое место и начать испытание заново. Затем необходимо повернуть ободок индикатора до совпадения нулевой отметки черной шкалы с большой стрелкой;

слегка нажать на платформу и тем самым произвести нагруже- ние образца через наконечник общей нагрузкой (предварительная Р плюс основная Р { ). В это время большая стрелка поворачивается против часовой стрелки после секундной выдержки в полностью нагруженном состоянии, происходит автоматическое снятие нагрузки />, во время которого большая стрелка движется по часовой стрелке;

после полной остановки стрелки произвести отсчет числа твердости по соответствующей шкале индикатора: в случае применения алмазного наконечника - по черной шкале С или А, при шариковом наконечнике - по красной шкале В;

результаты испытаний внести в протокол испытаний (табл. 5.4);

10) вращением маховика против часовой стрелки опустить столик и снять образец.

1.Цель и задачи работы.

2.Краткое описание способов измерения твердости.

3. Схемы иллюстрирующие способы проведения испытаний.

4.Таблицы значений твердости по результатам измерений.

5.Определение предела прочности металла по значениям твердости

-;- , . lurja-jAfe^

6.Выводы по работе.

4.2.1. К статическим испытаниям относят испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, а также определение твердости. В результате испытаний на статическое растяжение, которое проводят на разрывных машинах, получают диаграмму растяжения (рис.4.6 а) и диаграмму условных напряжений (рис. 4.6 б) пластичного металла.

Рис. 4.6. Изменение деформации в зависимости от напряжения: а – диаграмма растяжения пластичного материала; б – диаграмма условных напряжений пластичного материала

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме(рис. 4.6), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Представленная на рис. 4.6 зависимость между приложенным извне напряжением и вызванной им относительной деформацией характеризует механические свойства металлов:

Наклон прямой ОА (рис. 4.6а) показывает жесткость металла или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения; тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е= s / e);

Напряжение s пц (рис. 4.6б), которое называется пределом пропорциональности, соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;

Напряжение s упр (рис. 4.1б), которое называется пределом упругости, и при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями. Часто используют значения остаточной деформации 0,001; 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают s 0,005, s 0,02 и т.д. Предел упругости – важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих элементов приборов и машин;

Напряжение s 0,2 , которое называется условным пределомтекучести и которому соответствует пластическая деформация 0,2 %. Физический предел текучести s т определяется по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растяжение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение s 0,2 несложно определяется при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения. Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают обычно меньше s 0,2 в 1,5 раза;

Максимальное напряжение s в, которое называется временным сопротивлением, характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению, и определяется по формуле

s в = Р max / F o

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше s в в 2,4 раза.

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением d и относительным сужением y:

d = [(l к – l о) / l о ] * 100,

y = [(F о – F к) / F о ] * 100,

где l о и F о – начальные длина и площадь поперечного сечения образца;

l к - конечная длина образца;

F к – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

4.2.2. Твердость – способность материалов сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела, которое называется индентором.

Существует разные методы определения твердости.

Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки при вдавливании стального шарика в испытуемый материал к площади поверхности полученного сферического отпечатка (рис. 4.7а).

HB = 2P / pD ,

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр лунки, мм

Рис. 4.7. Схемы испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Роквеллу определяется глубиной проникновения в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120 о или закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 4.7.б).

Конус или шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками:

Предварительной Р о = 10 н;

Общей Р = Р о + Р 1 , где Р 1 – основная нагрузка.

Твердость обозначается в условных единицах:

Для шкал А и С HR = 100 – (h – h o) / 0,002

Для шкалы В HR = 130 – (h – h о) / 0,002

Твердость по Виккерсу измеряют для деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой.

Эта твердость определяется как отношение нагрузки при вдавливании в испытуемый материал алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136 о к площади поверхности полученного пирамидального отпечатка (рис. 4.7.в):

HV = 2P * sin a/2 / d 2 = 1,854 P/d 2 ,

a = 136 о – угол между гранями;

d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей, мм.

Величину HV находят по известному d согласно формуле или по расчетным таблицам согласно ГОСТ 2999-75.

Микротвердость, учитывая структурную неоднородность металла, применяют для измерения малых площадей образца. При этом вдавливают пирамиду как при определении твердости по Виккерсу, при нагрузке Р = 5-500 Н, а среднее арифметическое длин обеих диагоналей (d) измеряется в мкм. Для измерения микротвердости используется металлографический микроскоп.

4.2.3. Сопротивление материала разрушению при динамических нагрузках характеризует ударная вязкость. Её определяют (ГОСТ 9454-78) как удельную работу разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра (рис. 4.8): КС = К / S o (К – работа разрушения; S o – площадь поперечного сечения образца в месте концентратора).

Рис. 4.8. Схема испытаний на ударную вязкость

Ударную вязкость (МДж/м 2) обозначают KCU, KCV и KCT. Буквы КС означают символ ударной вязкости, буквы U, V, T – вид концентратора: U-образный с радиусом надреза r н = 1 мм, V-образный с r н = 0,25 мм; T – трещина усталости, созданная в основании надреза; KCU – основной критерий ударной вязкости; KCV и KCT используют в специальных случаях.

Работа, затраченная на разрушение образца, определяется по формуле

А н = Р * l 1 (cos b - cos a),

где Р - масса маятника, кг;

l 1 – расстояние от оси маятника до его центра тяжести;

b - угол после удара;

a - угол до удара

4.2.4. Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжений – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями s max и s min в течение периода Т (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Синусоидальный цикл изменения напряжений

На усталость деталей машин влияют ряд факторов (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Факторы, влияющие на усталостную прочность

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

Рис. 4.11. Схема излома усталостного разрушения: 1 – очаг зарождения трещины; 2 – зона усталости; 3 – зона долома

4.3. Конструкционная прочность металлов и сплавов

Конструкционная прочность металлов и сплавов – это комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия.

Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкции.

Переход к хрупкому разрушению обусловлен рядом факторов:

Природой сплава (типом решетки, химическим составом, величиной зерна, загрязнением сплава);

Особенностью конструкции (наличием концентраторов напряжений);

Условиями эксплуатации (температурным режимом, наличием нагрузки на металл).

Существует несколько критериев оценки конструкционной прочности металлов и сплавов:

Критерии, определяющие надежность металлов против внезапных разрушений (критическая температура хрупкости; вязкость разрушения; работа, поглощаемая при распространении трещины; живучесть при циклическом нагружении);

Критерии, определяющие долговечность материала (усталостная прочность; контактная выносливость; износостойкость; коррозионная стойкость).

Для оценки надежности материала используют также параметры: 1) ударную вязкость KCV и КCT; 2) температурный порог хладноломкости t 50 . Однако эти параметры только качественные, непригодные для расчета на прочность.

Параметром KCV оценивают пригодность материала для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.

Параметр KCT, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Если материал имеет KCT = 0, то это означает, что процесс его разрушения идет без затраты работы. Такой материал хрупок, эксплуатационно ненадежен. И, наоборот, чем больше параметр KCT, определенный при рабочей температуре, тем выше надежность материала в условиях эксплуатации. KCT учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин и т. п.).

Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре.

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис.4.12), наблюдаемое в интервале температур (t в – t х) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения).

Рис. 4.12. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCV, KCT

Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t > t в) до кристаллического блестящего при хрупком разрушении (t < t х). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (t в – t н) либо одной температурой t 50 , при которой в изломе образца имеется 50 % волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается наполовину.

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t 50 . При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.

4.4. Пути повышения прочности металлов

Принято различать техническую и теоретическую прочность. Техническую прочность определяют значением свойств: предела упругости (s 0,05); предела текучести (s 0,2); предела прочности (s в); модуля упругости (Е); предела выносливости (s R).

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смещаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.

Исходя из кристаллического строения и межатомных сил можно ориентировочно определить теоретическую прочность металла по следующей формуле:

t теор » G / 2p,

где G – модуль сдвига.

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100 – 1000 раз больше технической прочности. Это связано с дефектами в кристаллическом строении, и прежде всего с существованием дислокаций. Прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Схема зависимости сопротивления деформации от плотности и других дефектов в металлах:1 – теоретическая прочность; 2-4 – техническая прочность (2 – усы; 3 – чистые неупрочненные металлы; 4 –сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической или термомеханической обработкой)

Как видно из рисунка 4.13, минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций а , приближенно составляющей 10 6 – 10 8 см -2 . Эта величина относится к отожженным металлам. Величина s 0,2 отожженных металлов составляет 10 -5 – 10 -4 G . Если а > 10 12 – 10 13 см -2 , то в этом случае могут образоваться трещины.

Если плотность дислокаций (количество дефектов) меньше величины а (рис.4.13), то сопротивление деформации резко увеличивается и прочность быстро приближается к теоретической.

Повышение прочности достигается:

Созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой, т.е. получение нитевидных кристаллов («усов»);

Повышение плотности дефектов, в том числе дислокаций, а также структурных препятствий, затрудняющих движение дислокаций;

Создание композиционных материалов.

4.5. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизация)

Пластическая деформация (рис. 4.14) приводит к созданию неустойчивого состояния материала из-за возросшей внутренней энергии (внутренних напряжений). Деформирование металла сопровождается его упрочнением или так называемым наклепом . Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.

Рис. 4.14. Влияние нагрева на механические свойства и структуру нагартованного металла

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки, другие внутризеренные процессы и образование новых зерен. Для снятия напряжений кристаллической решетки не требуется высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300 –400 о С) снимает искажения решетки, а именно уменьшает плотность дислокаций в результате их взаимного уничтожения, слияния блоков, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т.д.

Исправление искаженной решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом или отдыхом. При этом твердость металла снижается на 20-30 % по сравнению с исходным, а пластичность возрастает.

Параллельно с возвратом при температуре 0,25 – 0,3 Т пл происходит полигонизация (сбор дислокаций в стенки) и образуется ячеистая структура.

Одним из способов снятия внутренних напряжений при деформации материалов является рекристаллизация. Рекристаллизация , т.е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Между температурами рекристаллизации и плавления существует связь:

Т рек = а * Т пл,

где а – коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Для технически чистых металлов а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,8.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т.п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

Первичную рекристаллизацию или рекристаллизацию обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;

Вторичную или собирательную рекристаллизацию, заключающуюся в росте зерен и протекающую при более высокой температуре.

Первичная кристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходят внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из очень мелких зерен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной кристаллизации, заключающийся в росте зерна.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

- зародышевый, состоящий в том, что после первичной кристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, их рост приводит к образованию новых зерен, но их меньше, чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса рекристаллизации зерна в среднем станут крупнее;

- миграционный , состоящий в перемещении границы зерна и увеличении его размеров. Крупные зерна растут за счет «поедания» мелких;

- слияние зерен , состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное. При этом образуется разнозернистая структура с низкими механическими свойствами.

Реализация одного из основных механизмов роста зависит:

От температуры. При низких температурах рост идет за счет слияния зерен, при высоких – за счет миграции границ зерен;

От исходного состояния (от степени деформации). При малой степени деформации (3-8%) первичная рекристаллизация затруднена, и рост зерна идет за счет слияния зерен. В конце процесса образуются гигантские зерна. При большой степени деформации (более 10 %) слияние зерен затрудняется, и рост идет за счет миграции границ зерен. Образуются более мелкие зерна. Таким образом, после отжига получается равновесная структура, изменяются механические свойства, снимается наклеп металла, повышается пластичность.