Недостатки неразрушающих методов контроля

1. Испытания обычно включают в себя косвенные измерения свойств, не имеющих непосредственного значения при эксплуатации. Связь между этими измерениями и эксплуатационной надежностью должна быть доказана другими способами.

2. Испытания обычно качественные и редко – количественные. Обычно они не дают возможности измерения разрушающих нагрузок и срока службы до разрушения даже косвенно. Они могут, однако, обнаружить дефект или проследить процесс разрушения.

3. Обычно требуются исследования на специальных образцах и исследование рабочих условий для интерпретации результатов испытания. Там, где соответствующая связь не была доказана, и в случаях, когда возможности методики ограничены, наблюдатели могут не согласиться в оценке результатов испытаний.

3. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ

3.1. Химические методы исследования

Химические методы анализа широко используют для анализа руд, горных пород, минералов и других материалов при определении в них компонентов с содержанием от десятых долей до нескольких десятков процента. Химические методы анализа характеризуются высокой точностью (погрешность анализа обычно составляет десятые доли процента).

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА — совокупность методов качественных и количественных анализов веществ, основанных на применении химических реакций.

Качественные химические методы анализа включают использование реакций обнаружения, характерных для неорганических ионов в растворах и для функциональных групп органических соединений. Эти реакции обычно сопровождаются изменением окраски раствора, образованием осадков или выделением газообразных продуктов.

В зависимости от количества анализируемого вещества различают макроанализ (1 - 0,1 г), полумикроанализ (0,1 - 0,01 г), микроанализ (0,01 - 0,001 г) и ультрамикрохимический (0,0001 г) анализ (см. микрохимический анализ).

В качественном анализе наибольшее значение имеют инфракрасная спектроскопия и ядерный магнитный резонанс. Используют также химические методы и методы, основанные на измерении таких физических характеристик вещества, как, например, плотность, растворимость, температуры плавления и кипения. Для фазового качественного анализа применяются рентгеновский структурный анализ и термогравиметрия. Часто фазы сначала выделяют химическим и электрохимическим растворением. Основной метод изотопного качественного анализа — масс-спектрометрия.

Инфракрасная спектроскопия (колебательная спектроскопия, средняя инфракрасная спектроскопия, ИК-спектроскопия, ИКС) — раздел спектроскопии, изучающий взаимодействие инфракрасного излучения с веществами.

При пропускании инфракрасного излучения через вещество происходит возбуждение колебательных движений молекул или их отдельных фрагментов. При этом наблюдается ослабление интенсивности света, прошедшего через образец. Однако поглощение происходит не во всём спектре падающего излучения, а лишь при тех длинах волн, энергия которых соответствует энергиям возбуждения колебаний в изучаемых молекулах. Следовательно, длины волн (или частоты), при которых наблюдается максимальное поглощение ИК-излучения, могут свидетельствовать о наличии в молекулах образца тех или иных функциональных групп и других фрагментов, что широко используется в различных областях химии для установления структуры соединений.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

Рентгеноструктурный анализ (рентгенодифракционный анализ) — один из дифракционных методов исследования структуры вещества. В основе данного метода лежит явление дифракции рентгеновских лучей на трёхмерной кристаллической решётке.

Метод позволяет определять атомную структуру вещества, включающую в себя пространственную группу элементарной ячейки, её размеры и форму, а также определить группу симметрии кристалла.

Рентгеноструктурный анализ и по сей день является самым распространённым методом определения структуры вещества в силу его простоты и относительной дешевизны.

Термогравиметрия - метод термического анализа, при котором регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры.
Экспериментально получаемая кривая зависимости изменения массы от температуры (называемая термогравиметрической кривой или термограммой) позволяет судить о термостабильности и составе образца в начальном состоянии, о термостабильности и составе веществ, образующихся на промежуточных стадиях процесса и о составе остатка, если таковой имеется. Этот метод является эффективным в том случае, когда образец выделяет летучие вещества в результате различных физических и химических процессов.

Масс-спектрометрия — метод исследования вещества, основанный на определении отношения массы к заряду ионов, образующихся при ионизации представляющих интерес компонентов пробы.

Почти все масс-спектрометры — это вакуумные приборы, поскольку ионы очень нестабильны в присутствии посторонних молекул. Однако существуют некоторые приборы, которые можно условно отнести к масс-спектрометрам, но в которых используется не вакуум, а поток особого чистого газа.

Масс-спектр — это зависимость интенсивности ионного тока (количества вещества) от отношения массы к заряду (природы вещества). Поскольку масса любой молекулы складывается из масс составляющих её атомов, масс-спектр всегда дискретен, хотя при низком разрешении масс-спектрометра пики разных масс могут перекрываться или даже сливаться. Природа анализируемого вещества, особенности метода ионизации и вторичные процессы в масс-спектрометре могут влиять на масс-спектр. Так, ионы с одинаковыми отношениями массы к заряду могут оказаться в разных частях спектра и даже сделать часть его непрерывным.

К количественным химическим методам анализа относят гравиметрический анализ, титриметрический анализ с визуальной индикацией конечной точки титрования, седиментационный анализ и газоволюмометрию.

Гравиметрический анализ (весовой анализ) — важнейший метод количественного химического анализа, в котором взвешивание является не только начальной, но и конечной стадией определения. Гравиметрический анализ основан на законе сохранения массы веществ при химических превращениях. Измерительным прибором служат аналитические весы. Результаты анализа выражают обычно в процентах. Гравиметрический анализ сыграл большую роль при становлении закона постоянства состава химических соединений, закона кратных отношений, периодического закона и др., применяется при определении химического состава различных объектов (горных пород и минералов), при установлении качества сырья и готовой продукции и т. д.

Титриметрический анализ (титрование) – метод количественного или массового анализа, который часто используется в аналитической химии, основанный на измерении объёма раствора реактива точно известной концентрации, расходуемого для реакции с определяемым веществом. Титрование — процесс определения титра исследуемого вещества. Титрование производят с помощью бюретки, заполненной титрантом до нулевой отметки. Титровать, начиная от других отметок, не рекомендуется, так как шкала бюретки может быть неравномерной. Заполнение бюреток рабочим раствором производят через воронку или с помощью специальных приспособлений, если бюретка полуавтоматическая. Конечную точку титрования (не следует путать с точкой эквивалентности) определяют индикаторами или физико-химическими методами (по электропроводности, светопропусканию, потенциалу индикаторного электрода и т. д.). По количеству пошедшего на титрование рабочего раствора рассчитывают результаты анализа.

Седиментацио́нный ана́лиз — совокупность методов определения размеров частиц в дисперсных системах и молекулярной массы макромолекул в растворах полимеров по скорости седиментации в условиях седиментационно-диффузного равновесия.

Газоволюмометрия (газовый объёмный анализ) основана на избирательной абсорбции составных частей газовой смеси в сосудах, заполненных тем или иным поглотителем, с последующим измерением уменьшения объёма газа с помощью бюретки.

Химические методы анализа широко используют для анализа руд, горных пород, минералов и других материалов при определении в них компонентов с содержанием от десятых долей до нескольких десятков процента. Химические методы анализа характеризуются высокой точностью (погрешность анализа обычно составляет десятые доли процента). Однако эти методы постепенно вытесняются более экспрессными физико-химическими и физическими методами анализа.

3.2. Физические методы испытаний

Исследования металлов проводятся с целью, определения физических свойств, изучения внутреннего строения металлов, их механических свойств, оценки технологических свойств.

Физические свойства (плотность, теплопроводность, электрические, магнитные, оптические и др.) определяют обычными физическими методами. Исследование физических свойств служит основой изучения внутреннего строения металлов и сплавов, так как фазовый состав и происходящие превращения одной фазы в другую четко отражаются на физических свойствах металлов. Изучая физические свойства, можно судить о происходящих в металле превращениях.

Оценка технологических свойств производится с помощью специальных технологических проб, которые разрабатываются для решения узкой технологической задачи. При этом из-за большой сложности изучаемого явления приходится пользоваться измерениями с невысокой точностью.

Примером подобных проб могут служить пробы на отбел чугунов, на прокаливаемость сталей, на жидкотекучесть расплавленного металла, на осаживание и др. Ниже более подробно будет описана технологическая проба на излом, очень широко используемая при оценке особенностей структуры металлов.

Исследования структуры металлов и сплавов, их фазового состава и его изменений под действием температуры и вводимых добавок, исследование механических свойств металлов и сплавов осуществляются с помощью большого числа разнообразных методов анализа, из которых здесь будут рассмотрены лишь наиболее употребительные.

К основным физическим методам исследования относятся:

1. Термический анализ основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки.

2. Дилатометрический метод.

При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергии колебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы.

Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.

3. Магнитный анализ.

Используется для исследования процессов, связанных с переходом из паромагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.

3.3. Физико-химические методы испытаний

Общее число физико-химических методов довольно велико, оно составляет несколько десятков. Наибольшее практическое значе­ние среди них имеют следующие методы:

1) электрохимические - основаны на измерении электрической проводимости, потенциалов, силы тока и других электрохимических или электрофизических параметров анализируемой системы;

2) спектральные - основаны на измерении различных эффек­тов взаимодействия вещества с электромагнитным излучением и ка­кого-либо спектрального параметра (длины волны, частоты колеба­ний, энергии). Эта группа методов является наиболее обширной и важной по практическому значению;

3) хроматографические (разделения и анализа) - основаны на процессах адсорбции (абсорбции) и десорбции определяемого веще­ства. Широко используются и незаменимы при разделении близких по свойствам компонентов сложных смесей (аминокислот, моносаха­ридов, жирных кислот и др.). Аналитическим параметром в данном случае является положение хроматографического пика на хроматограмме.

Параметр, который измеряют инструментально и по которому в дальнейшем проводят анализ, называется аналитическим сигналом; это качественная характеристика метода. Количественной харак­теристикой является интенсивность аналитического сигнала.

4. РАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ

4.1. Разрушение металлов

Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещины, ее распространение через сечение, окончательное разрушение.

Различают хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков - благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно.

Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю.

Различают транскристаллитное разрушение – трещина распространяется по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (всегда хрупкое).

Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кристаллический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость излома перпендикулярна нормальным напряжениям.

Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.

Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом. По излому можно определить характер разрушения.

4.2. Физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства

Физические свойства. К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расшире­ние, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.

Цветом называют способность металлов от­ражать световое излучение с определенной дли­ной волны. Например, медь имеет розово-крас­ный цвет, алюминий — серебристо-белый.

Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плот­ности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м³) и тяжелые. Плотность имеет боль­шое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стре­мятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.

Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416°С, тантал 2950°С, титан 1725°С. и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Темпера­тура плавления имеет большое значение при вы­боре металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектриче­ских приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в граду­сах Кельвина (К).

Тепловые свойства. Теплоёмкость металлов обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость С_р), так и электронным газом (электронная теплоёмкость С_э). Хотя концентрация электронов проводимости в металлах очень велика и не зависит от температуры, электронная теплоёмкость мала и у большинства металлов наблюдается только при температурах в несколько градусов кельвина. Теплопроводность металлов осуществляется главным образом электронами проводимости.

Теплопроводностью называют, спо­собность металлов передавать тепло от более на­гретых к менее нагретым участкам тела. Сереб­ро. медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность при­мерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для де­талей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образу­ются трещины. Некоторые детали машин (порш­ни двигателей, лопатки турбин) должны быть из­готовлены из материалов с хорошей тeплопpoводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м·К).

Тепловым расширением называют спо­собность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаж­дении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения б = (l₂ –l₁) [l₁ (t₂ – t₁)], где l₁ и l₂ длины тела при температурах t₁ и t₂. Коэффициент объемного расширения равен 3σ. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горя­чей объемной штамповке, изготовлении литей­ных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, ук­ладке железнодорожных рельс.

Теплоемкостью называют способность ме­талла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размер­ность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемко­сти — количеству тепла, выраженному в боль­ших калориях, которое требуется для повыше­ния температуры 1 кг металла на 1°С (в едини­цах СИ — Дж/(кг.К).

Способность металлов проводить электриче­ский ток оценивают двумя взаимно противопо­ложными характеристиками — электропро­водностью и электросопротивлени­ем. Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), а удельная электро­проводность — в См/м, аналогично электросо­противление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление — в Ом/м. Хорошая элек­тропроводность необходима, например, для токоведущих проводов (медь, алюминий). При изго­товлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротив­лением (нихром, константан, манганин). С по­вышением температуры металла его электропро­водность уменьшается, а с понижением — увели­чивается.

Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или маг­нитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная по­стоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, ни­кель, кобальт и их сплавы, называемые ферро­магнитными. Материалы с магнитными свойства­ми применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов со­противляться окислению или вступать в соеди­нение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Хими­ческое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды на­зывают коррозией.

Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зо­не высоких температур.

Сопротивление металлов коррозии, окалине (образованию и растворению) определяют по из­менению массы испытуемых образцов на едини­цу поверхности за единицу времени.

Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.

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

Напряжение — величина нагрузки, отне­сенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация – изме­нение формы и размеров твердого тела под вли­янием приложенных внешних сил. Различают де­формации растяжения (сжатия), изгиба, круче­ния, среза (рис. 4.1). В действительности матери­ал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое рас­тяжение (ГОСТ 1497—73).

Рис. 4.1 Виды деформаций: а — сжатие, б — растяжение,

в — кручение, г — срез, д - изгиб

Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 4.2). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значе­ния деформации, а по оси ординат — нагрузки, приложенные к образцу.

Механические свойства и способы определения их количественных характеристик

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1. статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

2. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.

3. повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение: ГОСТ 1497 - 84 получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. .

Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения от напряжения

Рис. 4.2. Диаграмма растяжения: а – абсолютная, б – относительная;

в – схема определения условного предела текучести

Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки.

Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.

Предел пропорциональности ( ) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

, (4.1)

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа.

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%).

В обозначении указывается значение остаточной деформации .

, (4.2)

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.

Физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.

, (4.3)

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести – это напряжение вызывающее остаточную деформацию

, (4.4)

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.

Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности.

В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца.

Предел прочности – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

, (4.5)

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение.

Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца (рис. 4.3).

(4.6)

где - конечная площадь поперечного сечения образца.

Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.

Рис. 4.3. Истинная диаграмма растяжения

Истинные напряжения определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения в данный момент времени.

(4.7)

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность –способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Характеристики:

· относительное удлинения :

(4.8)

где и – начальная и конечная длина образца.

– абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.

· относительное сужение:

(4.9)

где - начальная площадь поперечного сечения

-площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.

Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.

Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.

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. 4.4.

Рис. 4.4. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю;

б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012-59). Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.4.4 а). В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 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 – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .

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

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

(3.10)

Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80.

Метод Роквелла ГОСТ 9013-59. Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 4.4 б). Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1,6 мм, для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) 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 .

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (табл. 4.1)

Таблица 4.1

Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Метод Виккерса. Твердость определяется по величине отпечатка (рис.4.4 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:

(4.11)

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

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои.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

(4.12)

Испытание проводят на оптиче­ском микроскопе ПМТ-3, снабженном механиз­мом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.

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. Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. 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. В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454-78) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Прочность — способность материала со­противляться разрушению под действием нагру­зок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности мате­риала является также удельная прочность — от­ношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности у_в (временное со­противление) — это условное напряжение в Па (Н/м²). соответствующее наибольшей нагруз­ке, предшествующей разрушению образца:

у_в = P_max/F_o, (4.13)

где Р_mах — наибольшая нагрузка, Н;

F_o—начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м². Истинное сопротивле­ние разрыву S_k — это напряжение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения об­разца после разрыва F_к (S_к = Р_к/ F_к).

Предел текучести (физический) у_т — это наи­меньшее напряжение (в МПа), при котором об­разец деформируется без заметного увеличения нагрузки: у_т = Р_т/ F_о, (4.14)

где Р_т — нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.

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

Упругость — способность материала вос­станавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р_уп оце­нивают пределом пропорциональности упц и пре­делом упругости у_ун.

Предел пропорциональности у_пц — напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напря­жением и деформацией образца у _пц = Р_пц / Р_о.

Предел упругости (условный) у_0,05 — это условное напряжение в МПа. соответствую­щее нагрузке, при которой остаточная деформа­ция впервые достигает 0,05 %, от расчетной длины образца l_o:

у_0,05 = P_0,05/F_0, (4.15)

где P_0,05 — нагрузка предела упругости, Н.

Пластичность, т.е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, характери­зуется относительным удлинением и относитель­ным сужением.

Относительное удлинение (после разрыва) д — это отношение приращения (l_k— l_o) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине l_o, выраженное в процентах:

д = ((1_к -1_о)/1_о) 100%. (4.16)

Относительное сужение (после разрыва) Ш — это отношение разности начальной и минимальной площадей (F_o - F_к) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади Fo поперечного сечения, выраженное в про центах:

Ш = [( F₀ – F_k) / F_о] 100%. (4.17)

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

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

Для испытания (ГОСТ 9454—78) изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испы­тывают образец на маятниковых копрах. Свобод­но падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.

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

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.

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

Влияние температуры. С повышением температуры вязкость увеличивается (см. рис. 4.5). Предел текучести S_т существенно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву S_от не зависит от температуры. При температуре выше Тв предел текучести меньще сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии.

Прт 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

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. 4.5. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Способы оценки вязкости. Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению.Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника,который поднимают на определенную высоту (рис. 4.6)

Рис.4.6. 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:

, (4.18)

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.

, (4.19)

где: F₀ - площадь поперечного сечения в месте надреза.

ГОСТ 9454 – 78 ударную вязкость обозначает KCV. KCU. KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 4.6 в)

Серийные испытания для оценки склонности металла к хладоломкости и определения критических порогов хладоломкости.

Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура ( а_н – Т) (рис. 4.6 г), определяя пороги хладоломкости.

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

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

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 40oС.

Испытания на выностивость (ГОСТ 2860-90) 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. 4.7.

Рис. 4.7. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе круглого образца: 1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение;

2 – постепенное распространение трецины, гладкая притертая поверхность;

3 – окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается,

а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое

Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“. Схема представлена на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б)

Основные характеристики: Предел выносливпсти ( – при симметричном изменении нагрузки, – 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.

Усталостью называют процесс постепен­ного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разруше­нию. Усталость металла обусловлена концентра­цией напряжений в отдельных его объемах, в ко­торых имеются неметаллические включения, га­зовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный из­лом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 4.9) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть 1 излома с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения по­верхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца.

Рис. 4.9. Устатолостный излом

Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-перемен­ного изгибания вращающегося образца, закреп­ленного одним или обоими концами, а также ма­шины для испытаний на растяжение — сжатие и на повторно-переменное кручение. В результа­те испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

Технологические свойства. Эти свойства ха­рактеризуют способность металлов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. Технологические свойства определяют при техноло­гических пробах, которые дают качественную оценку пригодности металлов к тем или иным способам обработки. Образец, подвергнутый технологической пробе (рис. 4.10), осматривают.

Рис. 4.10. Технологические пробы: а – изгиб на определенный угол,

б – изгиб до параллельности сторон, в – изгиб до соприкосновения сторон,

г – на навивание, д – на сплю­щивание труб, е – на осадку

Признаком того, что образец выдержал испытание, является отсутствие трещин, надрывов, расслоения или излома. К основным технологическими свойствам относят: обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства и др.