Механические свойства и способы определения их количественных характеристик: твердость, ударная вязкость, усталостная прочность

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012)

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.7.1 а)

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D равным 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – Р =30D², литой бронзы и латуни –
Р =10D², алюминия и других очень мягких металлов – Р =2,5D².

Продолжительность выдержки t: для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи микроскопа Бринелля, имеющего встроенную линейку.

Твердость по Бринеллю обозначается НВ и определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности полученного отпечатка F:

Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; t = 10 с.

Метод Роквелла (ГОСТ 9013)

Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 7.1 б).

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной закалённый шарик диаметром 1/16¢¢ (Æ 1,588 мм), для более твердых материалов – алмазный конус с углом при вершине 120^о.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка Р_о (10 кгс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой Р_о.

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (табл. 7.1)

Таблица 7.1.

Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Метод Виккерса

Твердость определяется по величине отпечатка (рис.7.1 в).

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136^o.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа состоит в том, что с его помощью можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои, а также высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс. Размер диагонали отпечатка определяется перемещением перекрестия с помощью барабана микрометра. Величина микротвёрдости рассчитывается по формуле:

где Н₂₀₀ – микротвёрдость, с указанием величины нагрузки;

Р – величина нагрузки, г;

d – диагонали отпечатка, мм.

Метод царапания.

Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

На поверхности исследуемого образца наносят царапину шириной 1 мм под действием определенной нагрузки. На эталонном образце наносят царапину такой же ширины и наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.

Динамический метод (по Шору)

Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

Ударная вязкость (ГОСТ 9454)

В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы. Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.

Вязкость также зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

Влияние температуры на вязкость.

С повышением температуры вязкость увеличивается (см. рис. 7. 2).

Предел текучести s_тсущественно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву s_отне зависит от температуры. При температуре выше Т_в предел текучести меньше сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии.

При температуре ниже Т_н сопротивление отрыву меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур Т_н - Т_в .

Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Рис. 7.2. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Способы оценки ударной вязкости.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

На рис. 7.3 приведена схема методики проведения испытаний на ударный изгиб. Испытание проводят с использованием маятникового копра, на образцах с надрезами (концентраторами) определенной формы и размеров (рис. 7.3, в). Маятник поднимают на определенную высоту отклоняя на угол a₁ (рис. 7.3, а). Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника (рис. 7.3, а и б). При нажатии кнопки пуска, маятник падает и ударяет ножом по образцу, разрушив его, отклоняется на угол a₂, величина которого обратно пропорциональна работе, потраченной на разрушение образца.

Рис.7.3. Схема испытания на ударную вязкость: а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом; в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

На разрушение образца затрачивается работа:

A=P(H–h),

где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (а_н) – удельная работа разрушения.

где: F₀ –– площадь

Ударная вязкость обозначает KCV, KCU, KCT, KC – последняя буква символа ударной вязкости показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 7.3 в), отсутствие третьей буквы – образец без надреза.

Серийные испытания для оценки склонности металла к хладноломкости и определения критических порогов хладноломкости поперечного сечения в месте надреза выполняют по ГОСТ 9454 – 78. Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура (а_н – Т) (рис. 7.3 г), определяя пороги хладноломкости.

Порог хладноломкости - температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладноломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации.

Оценка вязкости по виду излома.

При вязком состоянии металла в изломе более 90 % волокон, за верхний порог хладоломкости Т_в принимается температура, обеспечивающая такое состояние. При хрупком состоянии металла в изломе 10 % волокон, за нижний порог хладоломкости Т_н принимается температура, обеспечивающая такое состояние. В технике за порог хладоломкости принимают температуру, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40 ^oС.

Испытания на выносливость (ГОСТ 2860).

Испытания на выносливость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.

Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис.7.4.

1 – очаг разрушения, образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение;

2 – зона распространения трещины, постепенное распространение трещины, гладкая притертая поверхность, имеющая концентрическое линии;

3 – окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается, а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое

Рис 7.4. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе круглого образца

Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“. Схема представлена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б)

Основные характеристики:

Предел выносливости (s_–1 – при симметричном изменении нагрузки, s_R – при несимметричном изменении нагрузки) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N.

Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время.

Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.