Определение микротвердости.

Применение метода. Этим методом определяют твер­дость отдельных фаз и структурных составляющих, твердость внутри отдельных зерен, тонкого поверх­ностного слоя (после хи­мико-термической обра­ботки) и тонких листов и фольги.

Испытание проводят в соответствии с требова­ниями ГОСТ 9450-76.

При определении микротвердости в испытывае­мый образец под действи­ем нагрузки Р вдавлива­ется алмазный наконечник, имеющий форму пирамиды.

При испытании величина нагрузки может находиться в пределах 0,05—5 Н (0,005—0,5 кгс).

Рис. 9. Схема расположения отпечатка при измерении микротвердости

После снятия нагрузки на поверхности остается отпе­чаток в виде пирамиды с квадратным основанием (рис. 9). Для определения числа твердости Н (кгс/мм²) нагрузку Р делят на условную площадь боковой поверх­ности отпечатка:

,

где Р — нагрузка на пирамиду;

α — угол между боковы­ми гранями пирамиды, равный 136°;

d — диагональ отпе­чатка.

Чтобы не проводить вычисления, пользуются таблицами (приложение к ГОСТ 9450—76), в которых приведены значения микротвердости в зависимости от прила­гаемой нагрузки и длины диагонали отпечатка (чем больше длина диагонали, тем меньше твердость ме­талла).

Число микротвердости записывается так: Н с обозна­чением величины нагрузки и полученного результата.

Например, Н₁₀—180; это значит, что определение проводилось при нагрузке Р = 10 гс (0,1 Н) и микротвердость металла составляет 180 кгс/мм².

Микротвердость определяют на плоской полированной чистой поверхности. При приготовлении образца особое внимание обращают на то, чтобы не произошло наклепа или нагрева поверхности, что может привести к искажению величины микротвердости.

При выборе нагрузки руководствуются величиной площади участка, твердость которого измеряется, и толщиной образца (или слоя). Минимальная толщина об­разца должна быть больше диагонали отпечатка в 1,5 ра­за. Расстояние от центра отпечатка до края образца или края соседнего отпечатка должно быть не меньше 2d.

Твердость НВ для многих материалов связана с пределом прочности σ_в эмпирическими формулами: для катаной и кованой стали σ_в = 0,36·НВ; для литой стали σ_в = (0,3-0,4)·НВ; для серого чугуна σ_в = 0,1·НВ.

1.2.2. Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках

При эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Чтобы определить поведение металла при ударе, проводят ударные испытания.Эти испытания классифицируют по виду деформации (на ударный разрыв, ударное сжатие, ударный изгиб), по числу ударов (испытания однократным ударом и многократными ударами), по температурным условиям (при нормальной, повышенной и пониженной темпера­турах).

Наиболее распространенным видом испытания явля­ется испытание на ударный изгиб. Испытание заключа­лся в том, что образец определен­ного размера с надре­зом доводится до разрушения ударом.

Маятник 1 массой G поднимается на высоту Н₁ (угол α) и опускается (рис. 10), на пути падения маятника устанавливают образец 2. Падая, маятник его разбивает и поднимается на высоту Н₂ (угол β). Высота Н₂ меньше Н₁, так как часть энергии маятника ушла на разрушение образца. Работа А_Н, затраченная на разрушение образца, будет равна

.

Ударная вязкость КС(МДж/м² или кгс*м/см²) образца — отношение работы А_Н,затраченной на разрушение стандартного об­разца, к площади его поперечно­го сечения в месте надреза F:

.

Рис. 10. Схема испытания на ударный изгиб

Для определения ударной вязкости применяют надрезанные посередине длины образцы различных типов (рис. 11).

Испытания проводят в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах с концентраторами напряжений трех видов: U с радиусом R = 1 мм, V с радиусом R = 0,25 мм и Т – усталостная трещина (рис. 11). В зависимости от формы надреза ударная вязкость обозначается KCU, KCV или KCT.

Поскольку наиболее распространены испытания на удар образцов с U-образным надрезом, в справочниках чаще всего проводится обозначение ударной вязкости KCU, МДж/м².

При испытании нестандарт­ных образцов устанавлива­ют переводные коэффици­енты, необходимые для сравнения с ударной вязко­стью стандартных образцов.

При понижении температуры у многих сплавов резко пада­ет ударная вязкость вследствие изменения характера разруше­ния с вязкого на хрупкий. Установить порог хладноломкости позволяет серия испытаний образцов на удар при разных тем­пературах (рис. 12).

Порогхладноломкости обозначаетсяТ_ХР или T₅₀ (темпе­ратура, при которой в изломе 50 % волокнистой (вязкой) со­ставляющей).

Порог хладноломкости должен быть ниже, чем температу­ра, при которой будет работать машина. Эта разница ΔТ = Т_Э – Т₅₀(Т_Э— температура эксплуатации) называется температурным запасом вязкости; чем больше эта величина, тем надежнее ма­териал. Недостаток ударных испытаний — они не использу­ются для прочностных расчетов, а позволяют только получать сравнительные оценки поведения различных материалов при ударных нагрузках.

Рис. 11. Образцы для испытаний на удар:

а – U-образный надрез;

б – V-образный надрез;

в – образец с трещиной

Рис. 12. Зависимость ударной вязкости от температуры:

t₅₀ – середина интервала, температура, при которой в изломе 50% волокнистой (вязкой) составляющей; 1 – вязкий излом; 2 – смешанный излом; 3 – хрупкий излом

Ударная вязкость КС характеризует степень надежности ма­териала — его способности сопротивляться распространению имеющихся дефектов и трещин.

1.2.3. Механические свойства, определяемые при переменных (циклических) нагрузках.

В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величине и направлению (знаку). Таким знакопеременным вибрационным нагрузкам подвергаются, например, локомотивные и вагонные рессоры, оси, валы, шатуны, зубчатые колеса. Под действием знакопеременных нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. 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), а образовавшиеся изломы – усталостными.

Усталостный излом (рис. 13) обычно имеет очаг возникновения (зарождения) трещины (концентратор) напряжений 1, зону развития усталостной трещины 2 (зону усталости) и зону хрупкого долома зернистого строения 3, образующуюся в момент окончательного разрушения.

Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о

скачкообразном продвижении трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

Рис. 13. Излом усталостного разрушения: 1 – очаг зарождения трещины, 2 – зона усталости, 3 - зона долома (схема)

Очагами возникновения трещин часто являются пороки металла, острые выступы и углы, следы грубой обработки резцом, риски, подрезы, вмятины на поверхности. В таких местах концентрируются напряжения, ускоряющие возникновение трещин усталости.

Под действием знакопеременных нагрузок усталостные трещины постепенно развиваются, что приводят к разрушениям деталей, а в ряде случаев и к авариям.

О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость (ГОСТ 25.502-79), один из типов которых показан на рис. 14.

Рис. 14. Образец для испытаний на усталость по схеме нагружения изгиб с вращением

Эти испытания проводят на специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение (растяжение, сжатие, изгиб, кручение). Образцы (не менее 15 шт.) испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения.

По результатам испытаний серии образцов строят кривую усталости (кривую Веллера), на которой по оси абсцисс откладывают число циклов, а по оси ординат – напряжение. Часто диаграммы строят в полулогарифмических координатах (рис. 15).

Перегиб на диаграмме характеризует значение предела выносливости (σ_-1). Предел выносливости – максимальное напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостного разрушения образца после заданного (базового) числа циклов нагружения.

Рис. 15. Кривая усталости

1.3. Технологические свойства.

Технологические испытания металлов имеют очень большое практическое значение, так как правильно выбрать метод изготовления и обработки детали можно только в том случае, если знать его технологические свойства. Среди технологических свойств главное место занимает технологичность материала – его пригодность для изготовления деталей машин, приборов и инструментов требуемого качества при минимальных затратах. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей. Кроме того, неправильно выбранный способ изготовления и обработки деталей значительно их удорожает. Материалы с низкими технологическими свойствами находят в автомобилестроении ограниченное применение. Чтобы выявить эти свойства, применяются технологические испытания на выдавливание, перегиб, осадку и др. Например, листовая сталь марки 08кп (0,08% С), из которой изготовляют кабину и двери автомобиля, проходит испытание на выдавливание.

В зависимости от способа производства заготовок и деталей определяющими являются следующие свойства.

Литейные свойства — способность жидких материалов за­полнять литейные формы и образовывать плотные отливки. Эти свойства характеризуются жидкотекучестыо материала, его усадкой и ликвацией.

Жидкотекучесть — способность материалов заполнять по­лости литейной формы и точно воспроизводить очертания этой формы. Жидкотекучесть определяется в соответствии с ГОСТ 16438—70 по спиральной пробе. Материал заливается в форму, имеющую вид спирального прутка, и жидкотекучесть оценива­ется длиной в сантиметрах части канала, залитого сплавом.

Усадка — свойство материалов уменьшаться в линейных размерах и в объеме при охлаждении от температуры заливки до комнатной. С усадкой связано появление в отливках усадоч­ных раковин, пористости, рыхлости, коробления, трещин. Усад­ка определяется по ГОСТ 16817—71.

Ликвация — это неоднородность химического состава спла­ва, возникающая при кристаллизации. Различают зональную, внутрикристаллическую (дендритную) ликвацию и ликвацию по плотности. Зональная ликвация в отливках возникает из-за раз­ности температур затвердевания отдельных составляющих и разной плотности этих составляющих сплавов. В чугуне и стали ликвируют сера, фосфор, углерод, располагаясь в верхней и цен­тральной частях отливок. В сплавах, затвердевающих с мелкозер­нистой структурой, зональная ликвация уменьшается. Внутрикристаллическая ликвация образуется при ускоренном охлаж­дении отливок, она может быть уменьшена технической обра­боткой (отжигом) отливки. Ликвация по плотности возникает в сплавах, содержащих тяжелые металлы (например, в свинцовых бронзах); такая ликвация предотвращается перемешиванием сплава перед заливкой и ускоренным охлаждением при кри­сталлизации.

Деформируемость (ковкость, штампуемость). Деформиру­емость — способность материалов к значительным пластическим деформациям без разрушения и образования пороков.

Деформируемость проверяется технологическими пробами. Технологические пробы проводятся в соответствии с ГОСТ 8817—82 — на осадку в горячем состоянии; ГОСТ 10702—78 — на осадку в холодном состоянии; ГОСТ 1579—80, 13813—68 — на перегиб; ГОСТ 10447—80 — на навивку проволоки и др.

Свариваемость — способность материалов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам сва­риваемых материалов.

Контроль свариваемости проводят по ГОСТ 23870—79, 3242—79, 6996—66, 13585—68.

Обрабатываемость резанием. Обрабатываемость резанием характеризуется качеством обработки (шероховатостью обра­ботанной поверхности и точностью размеров), стойкостью ин­струмента, сопротивлением резанию, видом стружкообразования. Практически обрабатываемость стали резанием определя­ют сравнительными испытаниями, путем обтачивания образцов испытуемой стали и стали 45 с определенными прочностными характеристиками (σ_в = 650 МПа, НВ 170—180), принимаемой за эталон.

Закаливаемость — способность стали повышать твердость в результате термической обработки (закалки).

Прокаливаемость — способность стали получать при тер­мической обработке (закалке) закаленный слой с определенной структурой на ту или иную глубину. Испытания на прокаливаемость проводят в соответствии с ГОСТ 5657—69.

1.4. Качество материала.

Качество материала — это совокупность свойств (физиче­ских, механических, технологических) материала, обусловлива­ющих его пригодность удовлетворять определенным потребно­стям в соответствии с назначением.

Эксплуатационная надежность и долговечность машин за­висят от свойств их деталей и сборочных единиц, которые в свою очередь в значительной степени определяются конструк­тивной прочностью материалов.

Конструктивная прочность — это совокупность характе­ристик, обусловливающих работоспособность материала в кон­кретных условиях эксплуатации.

Поведение материала в машине (конструкции) зависит не только от его свойств, но и от рабочей среды, условий нагружения и т.д.

Под конструктивной прочностью не следует понимать проч­ность конструкции. Прочность конструкции (машины) в целом — это конструкционная прочность. Она определяется при стендовых, эксплуатационных испытаниях. На нее влияют дефекты конструирования, изготовления, а также величина и распреде­ление остаточных напряжений и другие факторы.

Таким образом, качество материала или его конструктив­ная прочность, — это комплексное понятие, учитывающее проч­ность, пластичность, надежность и долговечность материала.

Прочность и пластичность материала — способность мате­риала сопротивляться деформации и разрушению при приложе­нии нагрузки,

Надежность материала — способность материала рабо­тать кратковременно вне расчетной ситуации, сопротивляться развитию трещины (сопротивление движению вязкой трещины и хрупкому разрушению).

Долговечность материала — время, в течение которого ма­териал способен эксплуатироваться.

Прочность материала определяют параметры:

предел прочности при растяжении σ_в, МПа;

предел текучести σ_0,2, МПа.

Пластичность материала определяют параметры:

относительное удлинение δ, %;

относительное сужение ψ, %.

Жесткость материала определяет модуль упругости Е, МПа.

Надежность материала определяют параметры:

ударная вязкость KCU, МДж/м^:;

порог хладноломкости (характеризует сопротивление хруп­кому разрушению) Т₅₀,°С;

сопротивление материала распространению трещины, или вязкость разрушения (важнейшая характеристика высокопроч­ных материалов) К_1с, МПа•м^1/2;

живучесть N_Ж.

Долговечность материала характеризуют:

предел выносливости (сопротивление усталости) σ_-1, МПа;

интенсивность изнашивания, а также сопротивление корро­зии и ползучести (ползучесть — свойство материала медленно и непрерывно пластически деформироваться при постоянном на­пряжении, которое может быть даже ниже предела текучести) I_h.

Нет материала, хорошего во всех отношениях, да такой ма­териал и не нужен. Если детали работают на износ (например, щеки дробилок, зубья ковшей экскаваторов), то для их изготов­ления не нужен материал, обладающий высокой упругостью, высокой жаростойкостью, а для рессор и пружин, наоборот, требуется материал с высоким пределом упругости и т.д.

Как получить требуемые свойства материала? Для этого надо знать, отчего они зависят. Замечательный русский горный инженер Павел Петрович Аносов (1799—1839) впервые устано­вил, что свойства материала связаны с его строением. Русский ученый Дмитрий Константинович Чернов (1839—1921), «отец ме­таллографии», заложил научные основы материаловедения.

Последующие работы Н.С. Курнакова и других выдающих­ся россий­ских ученых А.Ф. Иоффе, Н.Н. Давыденкова, Г.В. Курдюмова, А.А, Боч­вара, К.П. Бунина, С.С. Штейнберга, а также А. Котрелла, Э. Бейка (США), Г. Таммана, А. Мартенса (Германия) и многих других показали связь свойств материалов с их составом и строением и позво­лили установить закономер­ности этой взаимосвязи.

1.5. Разрушение металлов.

Процесс разрушения состоит из двух стадий — зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца (де­тали).

Разрушение может быть вязким и хрупким. Вязкое разруше­ние про­исходит со значительной пластической деформацией; при хрупком разрушении пластическая деформация мала. Возникновение микротрещин независимо oт характера разрушения связано с образованием скоплений дислокаций перед каким-либо препятствием или в результате взаимодействия дефектов кристал­лической решетки.

Вязкое и хрупкое разрушения различаются между собой по величине пласти­ческой зоны в вершине трещины. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вяз­ком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распро­странения трещины. Скорость распространения хрупкой трещи­ны весьма велика — близка к скорости звука. Поэтому неред­ко хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастро­фическим» разрушением.

Большинство металлических материалов, используемых в практике, может разрушаться и вязко и хрупко. Так, например, многие высокопрочные стали, алюминиевые и титановые спла­вы, которые при одноосном растяжении не являются хрупкими, могут разрушаться хрупко, то есть без макропластической де­формации, при других условиях испытания.

К типично хрупким материалам, которые разрушаются без заметной макропластической деформации даже при самом «мягком» виде нагружения, относятся чугуны, многие литые сплавы, высокоуглеродистые закаленные и низкоотпущенные стали, низкоуглеродистые стали в случае разрушения при отри­цательных температурах, стекло, керамика и т. д. С точки зрения микроструктуры существуют два вида разрушения — транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по грани­цам зерен.

При распространении трещины по телу зерна (металлы с К8 и Г12 решеткой) может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда являет­ся хрупким.

По внешнему виду излома (визуальное наблюдение) можно судить о характере разрушения. Волокнистый излом свидетельствует о вязком разрушении, кристаллический излом является результатом хрупкого разрушения.

Вопросы для повторения раздела.

1. Укажите физические и механические свойства материалов.

2. Какие характеристики определяют при испытании на растяжение?

3. Назовите методы измерения твердости металлов.

4. Как связано число твердости HB с временным сопротивлением σ_в?

5. Каким способ надо измерять твердость листовой мягкой стали толщиной 2 мм?

6. Для чего и как производятся динамические и циклические испытания?

7. Дайте понятия о технологических свойствах материалов.

8. Что такое конструктивная прочность?