Подбор методов испытаний материала

Исходя из требуемых свойств к материалу, определяем методы испытаний, которым необходимо подвергнуть выбранный нами материал.

Испытания на твердость по методу «Роквелла»

(ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В).

При этом определяют твердость, соответственно, HRA, HRC и HRB. В на­стоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Ро­квелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после снятия основной нагрузки.

Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок - предвари­тельной Р₀ и основной Р₁ которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р₀ + Р₁ После выдержки в течение нескольких секунд ос­новную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предва­рительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно де­ление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.

На рис. 2 представлена схема измерения твердости по методу Рок­велла алмазным или твердосплавным конусом. При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором - алмазным ко­нусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как

HRC= t/0,002=100-(H-h)/0,002

По шкале В (нагрузка 100 кгс, шарик)

HRB = 130-(H-h)/0,002

Рис. 2. Схема определения твердости по Роквеллу (индентор - конус)

На практике значения твердости по Роквеллу не рассчитываются по формулам, а считываются с соответствующей (черной или красной) шкалы прибора. Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB -для низкой. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной на­грузкой.

Испытания ударной вязкости

Испытания на ударную вязкость относятся к динамическим. Для определения ударной вязкости используют образцы с надрезом, который служит концентратором напряжений. Используют U- и V- образные образцы (рис. 9). В зависимости от формы надреза ударную вязкость обозначают KCU или KCV.

Рис. 9

Образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 10), так чтобы удар маятника происходил против надреза, раскрывая его.

Рис. 10

Маятник поднимают на высоту h₁, при падении он разрушает образец, поднимаясь на высоту h₂, h₁ > h₂. Таким образом, работа разрушения составит: A = mg *(h₁ - h₂) кДж [кгс*м]. Её значение считываются со шкалы, установленной на маятниковом копре [1, с. 38].

Ударная вязкость - это относительная работа разрушения, то есть работа, отнесённая к площади F образца до разрушения. Таким образом, KCU(KCV) = A/ F.

Разрушение металла при ударной нагрузке развивается в две стадии. На первой зарождается трещина, на второй она распространяется до разрушения образца. Таким образом, суммарная величина работы разрушения складывается из двух составляющих - работы по зарождению (А_з) и распространению (А_р) трещины. Эти составляющие зависят от структуры материала. Надёжность материала определяется работой распространения трещины. У хрупких материалов величина А_р близка к нулю.

У многих металлов и сплавов (имеющих объемно-центрированную кубическую и гексагональную решётки) с понижением температуры наблюдается переход от вязкого разрушения к хрупкому, проявляющийся в снижении ударной вязкости и изменении характера излома. Температурный интервал изменения характера разрушения называется порогом хладноломкости [1, с. 39].

Испытания проводят при разных температурах, при каждой температуре анализируют вид излома и определяют в нём количество волокнистой составляющей.

По результатам испытаний строят график (рис. 11)

Рис. 11

Различают верхнюю Т_в и нижнюю Т_н границы порога хладноломкости. В этом интервале температур происходит переход от вязкого волокнистого излома к хрупкому кристаллическому. Часто порог хладноломкости определяют по температуре испытания, при которой в изломе имеется 50% вязкой волокнистой составляющей Т₅₀ [1, с. 39].

Желательно эксплуатировать материал выше Т_в. Разница между Т_раб. и Т_в называют запасом вязкости.

Испытания на Хладноломкость

Она отсутствует у металлов с гранецентрированной кубической решеткой.

На переход от вязкого разру­шения к хрупкому указывают из­менения строения излома и рез­кое снижение ударной вязкости (рис. 45) в интервале температур (t_в – t_х) (граничные значе­ния температур вязкого и хруп­кого разрушения).

Строение излома изменяется от волокни­стого матового при вязком раз­рушении (t ≥ t_в) до кристал­лического блестящего при хруп­ком разрушении (t < t_x). Порог хладноломкости обозначают ин­тервалом температур (t_в – t_н) ли­бо одной температурой t₅₀ которой в изломе образца имеет­ся 50 % волокнистой составляю­щей, и КСТ снижается наполовину.