Механические свойства характеризуют сопротивление металла деформации и разрушению под действием механических сил (нагрузки).
К основным механическим свойствам относят:
— прочность — пластичность — ударную вязкость — твердость
Прочность – это способность металла не разрушаться под действием механических сил (нагрузки).
Пластичность – это способность металла изменять форму (деформироваться) под действием механических сил (нагрузки) без разрушения.
Ударная вязкость определяет способность металла противостоять ударным (динамическим) механическим силам (ударным нагрузкам).
Твердость – это способность металла сопротивляться проникновению в него других более твердых материалов.
Виды и условия механических испытаний металлов
Для определения механических свойств выполняют следующие виды испытаний:
— испытания на растяжение; — испытания на статический изгиб; — испытания на ударный изгиб; — измерение твердости.
К условиям испытаний образцов относятся: температура, вид и характер приложения нагрузки к образцам.
Температура проведения испытаний:
— нормальная (+20°С); — низкая (ниже +20°С, температура 0…-60°С); — высокая (выше+20°С, температура +100…+1200°С).
Вид нагрузок:
| растяжение |
| сжатие |
| изгиб |
| кручение |
| срез |
Характер приложения нагрузки:
— нагрузка возрастает медленно и плавно или остаётся постоянной — статические испытания; — нагрузка прилагается с большими скоростями; нагрузка ударная — динамические испытания; — нагрузка многократная повторно-переменная; нагрузка изменяется по величине или по величине и направлению (растяжение и сжатие) — испытания на выносливость.
Образцы для механических испытаний
Механические испытания выполняют на стандартных образцах. Форма и размеры образцов устанавливаются в зависимости от вида испытаний.
Для механических испытаний на растяжение используют стандартные цилиндрические (круглого сечения) и плоские (прямоугольного сечения) образцы. Для цилиндрических образцов в качестве основных приняты образцы диаметром dо=10 мм короткий lо=5×do = 50 мм и длинный lо=10×do = 100 мм.
Короткий круглый образец
Длинный круглый образец
Плоские образцы имеют толщину равную толщине листа, а ширина устанавливается равной 10, 15, 20 или 30 мм.
Плоский образец без головок для захватов разрывной машины
Плоский образец с головками
Преимущества и недостатки метода
Сначала об уникальных возможностях методики:
- получают данные об эксплуатационных свойствах сварки;
- изучают механические характеристики соединений;
- устанавливают расчетные величины для определения максимальных нагрузок (данные необходимы для проектных работ);
- проверяются возможности диффузного слоя, зоны термического влияния, где возможны внутренние дефекты.
При малых затратах на изучение образцов получают данные, по которым судят о прочностных характеристиках деталей серийного выпуска. Выбирают оптимальный вариант сварки различных сплавов.
Недостатки очевидны. Предполагается разрушение образцов, они не подлежат восстановлению. Такой метод контроля нельзя применять для приемки сварных соединений. Методики нужны для исследований на стадии запуска серий в производство.
Особенность механических испытаний сварных соединений – обязательность разрушения образцов под разнонаправленными нагрузками.
Механические свойства, определяемые при статических испытаниях
Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка к образцу возрастает медленно и плавно.
При статических испытаниях на растяжение определяются следующие основные механические характеристики металла:
— предел текучести (σ т); — предел прочности или временное сопротивление (σ в); — относительное удлинение (δ); — относительное сужение (ψ).
Предел текучести – это напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.
Предел прочности – это напряжение при максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Относительное удлинение – это отношение приращения длины образца после разрушения к его начальной длине до испытания.
Относительное сужение – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрушения к его начальной площади до испытания.
При испытании на статическое растяжение железо и другие пластические металлы имеют площадку текучести, когда образец удлиняется при постоянной нагрузке Рm.
При максимальной нагрузке Рmax в одном участке образца появляется сужение поперечного сечения, так называемая “шейка”. В шейке начинается разрушение образца. Так как сечение образца уменьшается, то разрушение образца происходит при нагрузке меньше максимальной. В процессе испытания приборы рисуют диаграмму растяжения, по которой определяют нагрузки. После испытания разрушенные образцы складывают вместе и измеряют конечную длину и диаметр шейки. По этим данным рассчитывают прочность и пластичность.
2.4. Механические испытания металлов
Механические испытания металлов — это определение механических свойств металлических сплавов (для краткости — металлов), их способности выдерживать разного рода нагрузки в определенных пределах. По характеру действия на металл нагрузки, а соответственно, и испытания разделяют на статические (растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамические (ударные — ударная вязкость, твердость), усталостные (многократные циклические нагружения), длительные (воздействие атмосферных сред, ползучесть, релаксация) и специальные. Из всего многообразия испытаний основными являются испытания на растяжение, твердость, удар, изгиб и некоторые другие.
При испытаниях металлов на растяжение используют унифицированные образцы и специальные машины. В процессе испытаний по мере нарастания усилия все изменения, происходящие с металлическим образцом, фиксируются в виде диаграммы (рис. 2.5) с координатами: нагрузка по оси ординат и удлинение по оси абсцисс. С помощью диаграммы определяют предел пропорциональности апц, предел текучести ат, максимальное усилие — временное сопротивление aD и разрыв. Предел пропорциональности — это наибольшее напряжение (отношение усилия к площади сечения образца), до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией, когда образец упруго деформируется пропорционально нагрузке, т.е. во сколько раз увеличивается нагрузка, во столько же раз увеличивается удлинение. Если нагрузку снять, то длина образца вернется к начальной или увеличится незначительно (на 0,03… 0,001 %), определяя предел упругости.
Предел текучести — это напряжение, при котором образец деформируется (удлиняется) без заметного увеличения растягивающей нагрузки (горизонтальная площадка на диаграмме). Если снять нагрузку, то длина образца практически не уменьшится. При дальнейшем увеличении нагрузки на образец создается напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке на растяжение, предшествующей разрушению образца, называемое временным сопротивлением ав (пределом прочности при растяжении). Далее удлинение образца увеличивается, образуется шейка, по которой образец разрывается.
Диаграмма растяжения дает возможность судить о способности металла деформироваться (растягиваться), не разрушаясь, т.е. харастеризует его пластические свойства, которые можно выразить также относительным удлинением и сужением образца в момент разрыва (оба параметра выражают в процентах).
Относительное удлинение — это отношение приращения длины образца в момент перед разрывом к первоначальной его длине. Относительное сужение — это отношение уменьшения площади поперечного сечения шейки образца в месте его разрыва к первоначальной площади поперечного сечения образца.
Испытание на твердость — простой и быстрый способ проверки прочности металлического материала (далее для краткости металла) в условиях сложнонапряженного состояния. В производстве наиболее широко применяют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также некоторые другие. Поверхностные слои испытуемого металла не должны иметь поверхностных дефектов (трещин, царапин и др.).
Суть способа определения твердости методом Бринелля (твердость НВ) заключается во вдавливании стального закаленного шарика в испытуемый образец (изделие) при заданном режиме (величина нагрузки, продолжительность нагружения). После окончания испытания определяют площадь отпечатка (лунки) от шарика и вычисляют отношение величины усилия, с которым вдавливался шарик, к площади отпечатка в испытуемом образце (изделии).
Учитывая по опыту предполагаемую твердость испытуемого образца, применяют шарики разных диаметров (2,5; 5 и 10 мм) и нагрузки 0,6…30 кН (62,5…3 000 кгс). На практике используют таблицы перевода диаметра отпечатка в число твёрдости НВ. Данный способ определения твердости имеет ряд недостатков: отпечаток шарика повреждает поверхность изделия; сравнительно велико время измерения твердости; невозможно измерить твердость изделий, соизмеримую с твердостью шарика (шарик деформируется); затруднительно измерить твердость тонких и мелких изделий (происходит их деформация). В чертежах и технической документации твердость по Бринеллю обозначают НВ.
При определении твердости методом Роквелла используется прибор, в котором индентор — твердый наконечник 6 (рис. 2.6) под действием нагрузки проникает в поверхность испытуемого металла, по измеряется при этом не диаметр, а глубина отпечатка. Прибор настольного типа, имеет индикатор 8 с тремя шкалами — А. В, С для отсчета твердости соответственно в диапазонах 20… 50;
25… 100; 20 … 70 единиц шкалы. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 2 мкм. При работе со шкалами А и С наконечником служит алмазный конус с углом 120° при вершине или конус из твердого сплава. Алмазный конус применяют при испытаниях твердых сплавов, а твердосплавный конус — для деталей неответственного назначения твердостью 20…50 единиц.
Рис. 2.6. Прибор Роквелла для определения твердости: I — рукоятка освобождения груза; 2 — груз; 3 — маховик; 4 — подъемный винт; 5 — столик; 6 — наконечник прибора; 7 — образец испытуемого металла; 8 — индикатор
При работе со шкалой В инден-тором служит маленький стальной шарик диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма). Шкала В предназначена для измерения твердости сравнительно мягких металлов, так как при значительной твердости шарик деформируется и проникает в материал слабо, на глубину менее 0,06 мм. При пользовании шкалой С наконечником является алмазный конус, в этом случае прибором измеряют твердость закаленных деталей. В производственных условиях, как правило, пользуются шкалой С. Вдавливание наконечников осуществляют при определенной нагрузке. Так, при измерении по шкалам А, В и С нагрузка составляет соответственно 600; 1 ООО; 1 500 Н, твердость обозначают в соответствии со шкалой — HRA, HRB, HRC (величины ее безразмерные).
При работе на приборе Роквелла образец испытуемого металла 7 размещают на столике 5 и с помощью маховика 3 подъемным винтом 4 и грузом 2 создают требуемое усилие на наконечнике 6, фиксируя его перемещение по шкале индикатора 8. Затем поворотом рукоятки 7 снимают усилие с испытуемого металла и определяют значение твердости по шкале твердомера (индикатор).
Метод Виккерса — способ определения твердости материала вдавливанием в испытуемое изделие алмазного наконечника (ин-дентора), имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с двухгранным углом при вершине 136°. Твердость по Виккерсу HV — отношение нагрузки на индентор к площади пирамидальной поверхности отпечатка. Выбор вдавливающей нагрузки
50… 1000 Н (5… 100 кгс) зависит от твердости и толщины проверяемого образца.
Известны другие способы испытаний металлов на твердость, например, на приборе Шора и динамическим вдавливанием шарика. В тех случаях, когда твердость закаленной или закаленной и шлифованной детали необходимо определить, не оставив какого-либо следа от замера, пользуются прибором Шора, принцип работы которого основан на упругой отдаче — высоте отскока легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытываемого тела с определенной высоты.
Твердость на приборе Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскока бойка с алмазным наконечником. Оценка приближенная, так как, например, степень упругости тонкой пластинки и массивной детали большой толщины при одинаковой твердости будет разной. Но, поскольку прибор Шора портативен, его удобно применять для контроля твердости значительных по размерам деталей.
Для ориентировочного определения твердости очень больших изделий (например, вал прокатного стана) можно использовать ручной прибор Польди (рис. 2.7), действие которого основано на динамическом вдавливании шарика. В специальной обойме 3 находится боек 2 с буртиком, в который упирается пружина 7. В щель, находящуюся в нижней части обоймы 3, вставляются стальной шарик 6 и эталонная пластина 4 с известной твердостью. При определении твердости прибор устанавливают на проверяемую деталь 5 в месте измерения и по верхней части бойка 2 ударяют молотком 1 со средней силой один раз. После этого сравниваются размеры отпечатков лунок на проверяемой детали 5 и эталонной пластине 4, полученных одновременно от шарика при ударе по бойку. Далее по специальной таблице определяют число твердости испытуемого изделия.
Кроме рассмотренных твердомеров в производстве применяют универсальные портативные электронные твердомеры ТЭМП-2, ТЭМП-З, предназна-ченные для измерения твердости разных материалов (стали, меди, алюминия, резины и др.) и изделий из них (трубопроводов, рельсов, шестерен, отливок, поковок и др.) с использованием шкал Бринелля (НВ), Роквелла (HRC), Шора (HSD) и Виккерса (HV).
Рис. 2.7. Ручной прибор Польди для определения твердости: 1 — молоток; 2— боек; 3 — обойма; 4— эталонная пластина; 5 — проверяемая деталь; 6 —шарик; 7 — пружина; — —аправление усилия на боек
Принцип работы твердомеров динамический, основан на определении отношения скорости удара и отскока ударника 6 (рис. 2.8) (шарика 7 диаметром 3 мм), которое преобразуется электронным блоком 1 в трехзначное число условной твердости, отображаемое на жидкокристаллическом (ЖК) индикаторе 2 (например, 462). По измеренному числу условной твердости с помощью переводных таблиц находят числа твердости, соответствующие известным шкалам твердости.
Рис. 2.8. Портативный электронный твердомер ТЭМП-З: 1 — электронный блок; 2 — ЖК-индикатор; 3 — толкатель; 4 — спусковая кнопка; 5 — датчик; 6 — ударник; 7 — шарик; 8 — опорное кольцо; 9 — испытываемая поверхность изделия
Для измерения твердости этим методом прибор подготавливают следующим образом. Толкателем 3, расположенным на электронном блоке 1, заталкивают шарик 7, находящийся в датчике 5, в цанговый зажим и одновременно взводят спусковую кнопку 4, находящуюся сверху датчика 5. Далее датчик плотно прижимают опорным кольцом 8 к испытываемой поверхности 9 изделия и нажимают на спусковую кнопку 4. После соударения ударника 6 с испытуемой поверхностью изделия на ЖК-индикаторе появится результат в виде трехзначного числа условной твердости.
Окончательным значением измеренной условной твердости является среднее арифметическое пяти измерений. Один раз в год выполняют периодическую поверку прибора, пользуясь образцовыми мерами твердости не ниже второго разряда соответствующих шкал твердости (Бринелля, Роквелла, Шора и Виккерса), соблюдая при этом нормированные условия. С помощью указанных приборов кроме твердости можно определять временное сопротивление (предел прочности на растяжение) и предел текучести.
Наряду с твердомерами в производстве для определения твердости материала используют тарированные напильники. С их помощью контролируют твердость стальных деталей в тех случаях, когда нет твердомера или когда площадь для измерения очень мала или место недоступно для индентора прибора, а также тогда, когда изделие имеет весьма значительные размеры. Тарированные напильники — это напильники с заведомо известной твердостью, изготовленные из стали У10, они бывают трехгранные, квадратные и круглые с определенной насечкой. Сцепляемость насечки напильника с контролируемым металлом определяется по наличию следов царапания на контролируемой детали без смятия вершин зубьев на напильнике. В процессе эксплуатации острота зубьев напильника должна периодически проверяться на сцепляемость с контрольными образцами (кольцами). Напильники изготавливают двух групп твердости, соответственно для контроля нижнего и верхнего пределов твердости изделий. Контрольные кольца (пластинки) делают грех видов с твердостью 57…59; 59…61 и 61 …63 HRC для поверки тарированных напильников, твердость которых соответствует пределам твердости контрольных образцов.
Испытание на удар (ударный изгиб)
является одной из важнейших характеристик (динамической) прочности металлов. Особенно важно также испытание изделйй, работающих при ударных и знакопеременных нагрузках и при низких температурах. В этом случае металл, легко разрушающийся под действием удара без заметной пластической деформации, называют хрупким, а металл, разрушающийся под действием ударной нагрузки после значительной пластической деформации, — вязким. Установлено, что металл, хорошо работающий при испытании в статических условиях, разрушается при ударной нагрузке, так как не обладает ударной вязкостью.
Для испытания на ударную вязкость (сопротивления материала ударным нагрузкам) применяют маятниковый копер Шарпи (рис. 2.9), на котором разрушают специальный образец — мена-же, представляющий собой стальной брусок прямоугольной формы с односторонним U- или V-образным надрезом посередине. Маятник копра с определенной высоты ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу, разрушая его. При этом определяют работу, совершенную маятником до удара и после удара, учитывая его массу и высоты падения Н и подъема h после разрушения образца. Разницу работ относят к площади поперечного сечения образца. Полученное при делении частное и характеризует ударную вязкость металла: чем вязкость меньше, тем материал более хрупкий.
Испытанию на изгиб подвергают хрупкие материалы (закаленная сталь, чугун), которые разрушаются без заметной пластической деформации. Так как момент начала разрушения определить не представляется возможным, то об изгибе судят по отношению изгибающего момента к соответствующему прогибу. Кроме этого, проводят испытание на кручение для определения пределов пропорциональности, упругости, текучести и других характеристик материала, из которого изготовлены ответственные детали (коленчатые валы, шатуны), работающие при большой нагрузке на кручение.
Рис. 2.9. Маятниковый копер Шарпи: 1 — маятник; 2 — образец; Н, h — высоты падения и подъема маятника;—- —траектория движения маятника
Помимо рассмотренных проводятся и другие испытания металлов, например, на усталость, ползучесть и длительную прочность. Усталость — это изменение состояния материала изделия до его разрушения под действием многократных знакопеременных (циклических) нагрузок, которые изменяются по величине или направлению, или и по величине, и по направлению. В результате длительной службы металл постепенно переходит из пластического состояния в хрупкое («устает»). Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости (пределом усталости) — наибольшим напряжением цикла, которое может выдержать материал без разрушения, при заданном числе повторно-переменных нагружений (циклы нагружения). Например, для стали установлены 5 млн циклов нагружения, для легких литейных сплавов — 20 млн. Такие испытания проводят на специальных машинах, в которых образец подвергают чередующимся напряжениям сжатия и растяжения, знакопеременным изгибам, кручению, повторным ударным нагрузкам и другим видам силового воздействия.
Ползучесть (крип) — это медленное нарастание пластической деформации материала под воздействием длительно действующей нагрузки при определенной температуре, по величине меньшей нагрузки, создающей остаточную деформацию (т.с. меньше, чем предел текучести материала детали при данной температуре). При этом пластическая деформация может достигнуть такой величины, которая изменяет форму, размеры изделия и приводит к его разрушению. Ползучести подвержены почти все конструкционные материалы, но для чугуна и стали она существенна при нагреве свыше 300 °С и возрастает с повышением температуры. У металлов с низкой температурой плавления (свинец, алюминий) и полимерных материалов (резина, каучук, пластмассы) ползучесть наблюдается при комнатной температуре. Испытывают металл на ползучесть на специальной установке, в которой образец при заданной температуре нагружается грузом постоянной массы в течение длительного времени (например, 10 тыс. ч). При этом периодически точными приборами измеряют величину деформации. С увеличением нагрузки и повышением температуры образца степень его деформации увеличивается. Предел ползучести — это такое напряжение, которое за 100 тыс. ч вызывает удлинение образца при определенной температуре не более I %. Длительная прочность — это прочность материала, который в течение длительного времени находился в состоянии ползучести. Предел длительной прочности — напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной температуре за определенное время, соответствующее условиям эксплуатации изделий.
Испытания материалов необходимы для создания надежных машин, способных длительное время работать без поломок и аварий в чрезвычайно тяжелых условиях. Это винты самолетов и вертолетов, роторы турбин, детали ракет, паропроводы, паровые котлы и другое оборудование.
Для устройств, работающих в иных условиях, проводят специфические испытания, подтверждающие их высокую надежность и работоспособность.
Механические испытания на ударный изгиб
Динамическими называют испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях.
Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором напряжений) одним ударом маятникового копра.
Стандарт предусматривает образцы с надрезами трех видов:
образец U – образный с радиусом R = 1 мм (метод KCU);
образец V – образный с радиусом R = 0.25 мм (метод KCV);
образец I – образный с усталостной трещиной (метод КСТ).
Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
После испытания по шкале маятникового копра определяют работу удара, которую затрачивают на разрушение образца. Площадь сечения образца определяют до разрушения.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ
Твердостью называется свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации в поверхностном слое при вдавливании шарика, конуса или пирамиды. Измерение твердости отличается простотой и быстротой осуществления и выполняется без разрушения изделия. Широкое применение нашли три метода определения твердости:
— твердость по Бринеллю (единица твердости обозначается HB); — твердость по Роквеллу (единица твердости обозначается HR); — твердость по Виккерсу (единица твердости обозначается HV).
Определение твердости по Бринеллю заключается во вдавливании стального шарика диаметром D = 10 мм в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки.
Твердость по Бринеллю обозначают цифрами и буквами НВ, например, 180 НВ. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость. Чем выше твердость, тем больше прочность металла и меньше пластичность. Чем мягче металл, тем меньше устанавливают нагрузку на приборе. Так при определении твердости стали и чугуна нагрузку принимают 3000 Н, никеля, меди и алюминия – 1000 Н, свинца и олова – 250 Н.
Определение твердости по Роквеллу заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом (шкалы А и С) или стального шарика диаметром 1.6 мм (шкала В) в испытуемый образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной (Ро )и основной (Р) нагрузок и в измерении глубины внедрения наконечника (h). Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указание шкалы. Например, 60 HRC (твердость 60 по шкале С).
Определение твердости по Виккерсу заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки. Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоёв с высокой твердостью. Твердость по Виккерсу обозначается цифрами и буквами HV, например, 200 HV.
Испытания на статический изгиб
Технологические испытания на статический изгиб служит для определения способности металла воспринимать заданный по форме и размерам загиб. Аналогичные испытания проводят и на сварных соединениях.
Испытанию на загиб подвергают образцы из листового и фасонного (пруток, квадрат, уголок, швеллер и др.) металла. Для листового металла ширина образца (b) принимается равной двойной толщине(2•t), но не менее 10 мм. Радиус оправки указывается в технических условиях.
Различают три вида изгиба:
— загиб до определенного угла; — загиб вокруг оправки до параллельности сторон; — загиб вплотную до соприкосновения сторон (сплющивание).
Отсутствие в образце трещин, надрывов, расслоений или излома является признаком того, что образец выдержал испытание.
Особенности механических исследований
Главная особенность состоит в том, что механические исследования – это разрушающие методы контроля. Т.е. в большинстве случаев исследуемые образцы разрушаются или повреждаются. Но если разрушение – не лучший вариант в определенном случае, приходится выбирать другие методы испытания.
В помещении, где проводятся эксперименты, должен поддерживаться один температурный режим. Данные, полученные в ходе проверки, обязательно фиксируются.
Для получения максимально точных результатов проверяют несколько образцов из одной партии. Вполне вероятно, что результаты будут различаться. Тогда из полученных показателей выводится среднее значение – это и будет самый точный результат.
Механические испытания целесообразно применять при серийном выпуске деталей, когда из каждого тиража берут количество изделий, регламентированное стандартами, и проводят исследования. Только по одному образцу выдать корректное заключение не получится. Если изделие единичное, для него стоит использовать неразрушающие методы контроля.
Результаты испытаний зависят от разных факторов. Это и первоначальное состояние заготовок, и наличие дефектов в металле. Поэтому перед определением технических характеристик нужно провести дефектоскопию сварных соединений, например, ультразвуковой контроль.
