Основными механическими свойствами металлов являются прочность, упругость, пластичность, твердость и вязкость.
Уровень механических свойств металлов определяют испытанием специальных образцов.
При испытании на растяжение определяют. предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, временное сопротивление (предел прочности), истинное сопротивление разрыву, относительное удлинение после разрыва, относительное сужение после разрыва.
При растяжении образца в испытательной машине записывающий прибор вычерчивает диаграмму растяжения (рис. 6. а). Она показывает зависимость деформации образца от растягивающей нагрузки.
Рис.6. Диаграмма растяжения образца на низкоуглеродистой стали (а) и схема определения условного предела текучести (б)
На этой диаграмме по оси ординат откладывается нагрузка Р, а по оси абсцисс абсолютное удлинение образца Δl. От начала деформации точки О и до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА представляет прямую линию. Если нагрузку Рпц снять, то полученная образцом деформация исчезнет, и образец примет первоначальные размеры. Если же нагрузку увеличить, то начнется отклонение линии ОА от прямолинейного направления. Таким образом, нагрузка Рпц является предельной, до которой сохраняется пропорциональность между прилагаемой нагрузкой и деформацией образца. Закон прямой пропорциональности носит название закона Гука: относительная линейная деформация ε прямо пропорциональна соответствующему нормальному (действующему перпендикулярно площади) напряжению δ, т. е. ε = δ/E Величина Е характеризует способность металла сопротивляться упругому деформированию. Эта величина называется модулем упругости первого рода или модулем Юнга. Е выражается в единицах силы на единицу площади (Н/м2) (кгс/мм2). Различные металлы имеют различную жесткость, т. е. различную величину модуля упругости. У стали Е находится в пределах (20-21) ×104 у латуни - (10-11) ×104 у алюминиевых сплавов - (7-8) ×104 Н/мм2.
Предел пропорциональности δпц (Н/мм2) представляет напряжение, выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца: δпц = Рпц / Fo), где Fo - площадь поперечного сечения образца.
Выше точки А располагается точка В, ордината которой соответствует нагрузке, вызывающей определенное остаточное удлинение образца: если снять нагрузку, длина образца будет больше начальной. Для практических целей величину этого остаточного удлинения принимают равной 0,05% от начальной расчетной длины образца. Напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от начальной расчетной длины образца, называют условвым пределом упругости δ0,05. При дальнейшем увеличении нагрузки до Рт (точка С) на диаграмме появляется криволинейный участок, который при испытании мягких материалов может перейти в горизонтальную площадку. Это показывает, что даже незначительное увеличение нагрузки вызывает деформацию, «текучесть», образца. После снятия нагрузки образец сохраняет остаточную деформацию. Предел текучести (физический) - наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки. Нагрузку РT можно определить по остановке стрелки силоизмерительного устройства испытательной машины, вызванной деформацией образца без заметного увеличения нагрузки. Предел текучести δ, Н/м2 (физический) вычисляют по формуле δ =РT/Fo.
При испытании большинства металлов горизонтальная площадка на диаграмме отсутствует. В этих случаях определяют предел текучести условный δ0,2 - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца. Предел текучести δ0,2 (Н/м2) (кгс мм2) вычисляют по формуле: δ0,2 = P0,2/Fo.
Для определения нагрузки Р0,2 (рис. б, б) на оси абсцисс от точки О вправо в соответствующем масштабе откладывают отрезок, равный 0,02% начальной расчетной длины образца, и проводят линию, параллельную ОА, до пересечения с диаграммой растяжения (точка С). Точка С определяет высоту ординаты, т. е. нагрузку Р0,2, отвечающую пределу текучести. При дальнейшем увеличении нагрузки до РB (точка D) у пластичных металлов происходит равномерная деформация образца по длине и поперечному сечению, а образцы из хрупких металлов при этой нагрузке разрушаются.
Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рmax, предшествующей разрушению образца, называется временным сопротивлением
δB (Н/м2) (кгс/мм2) и вычисляется по формуле δB =Рmax/Fo. Для хрупких металлов δB характеризует сопротивление разрушению, а для пластичных металлов - сопротивление большим пластическим деформациям.
Далее нагрузка уменьшается. Это связано с тем, что у пластичного металла начинается местное сужение поперечного сечения (образуется шейка). И в точке Е образец разрушается.
У пластичных материалов, получающих заметную пластическую деформацию при растяжении, есть еще одна характеристика - истинное сопротивление разрыву Sk (Н/м2) (кгс/мм2). Это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва Fk: Sк=Рк/Fк.
Пластичность металла при разрыве определяют по двум характеристикам: относительному удлинению и относительному сужению.
Относительное удлинение после разрыва δ (%) - отношение удлинения расчетной длины образца (lк-lo) после разрыва к ее первоначальной длине lo: δ =(lк – lo)/ lo
Относительное сужение после разрыва - отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения образца:
φ = (Fo – Fк/Fo) × 100%
ИСПЫТАНИЕ НА РАСТЯЖЕНИЕ
Машина для испытания на растяжение. Машины для испытания на растяжение (сжатие) состоят из двух основных узлов: нагружающего устройства, обеспечивающего плавное деформирование образца, и силоизмерительного механизма, с помощью которого измеряется сила сопротивления образца создаваемой деформации.
Для массовых испытаний образцов в лабораториях широко применяются вертикальные машины с механическим приводом и маятниковым силоизмерителем, например машина ИМ-4Р. Эта машина обеспечивает нагрузку в двух диапазонах: от 0 до 20000 Н (2000 кгс) и от 0 до 40000 Н (4000 кгс). Скорость растяжения образца при испытании постоянная и составляет 1,2 мм/мин. Схематически устройство этой машины представлено на рис. 7. Образец закрепляется в подвижных захватах 1. Электродвигатель 2 через систему передач приводит в движение тяговый винт 3 и нижний захват, который можно перемещать и вручную с помощью рукоятки 4. Сила сопротивления образца деформации передается измерительному рычагу 10, соединенному тягой 9 через кривошип 6 с маятником 5. Отклонение маятника через поволок 7 приводит в движение вдоль измерительной линейки 12 каретку 8 с пером II, которое записывает кривую растяжения на диаграммной бумаге, намотанной на вращающийся барабан 13, соединенный с помощью шестерен с тяговым винтом 3.
Рис. 7. Устройство машины ИМ-4Р
Контрольные испытания на растяжение проводят на стандартных образцах, форма и размеры которых указаны в ГОСТ 1497-73. Необходимые требования для отбора образцов указываются в технических условиях на металлопродукцию.
§ 7. ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ
Твердость металла можно определять прямыми и косвенными испытаниями.
Прямые испытания на твердость состоят в том, что в образец вдавливают специальный твердый наконечник (из закаленной стали, алмаза или твердого сплава) различной формы (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки остается отпечаток, величина которого характеризует твердость образца.
При косвенных методах оцениваются свойства металла, пропорциональные его твердости.
Испытания на твердость могут быть статическими и динамическими. К первому виду относятся испытания методом вдавливания, ко второму -методом ударного вдавливания.
По значению твердости металла можно составить представление об уровне его свойств - чем выше твердость, тем меньше пластичность металла, и наоборот.
Методы измерения твердости имеют ряд пре имуществ перед другими метолами механических испытаний металла: простота техники испытаний и быстрота, простота формы и небольшие размеры образцов, возможность проводить испытание непосредственно на изделии без его разрушения.
Твердость определяют на специальных приборах - твердомерах. Твердомеры бывают стационарными и переносными. Принципиальное устройство твердомеров для всех методов испытаний на твердость одинаково.
Основными узлами твердомеров являются станина, опорный столик, наконечник, нагружающее устройство, прибор для измерения величины деформации.
Общая схема испытания такова: деталь или образец помещают на опорный столик, с по мощью нагружающего устройств;) в образец вдавливается наконечник и после снятия нагрузки определяется твердость.
В зависимости от цели испытания, свойств испытуемого металла, размеров образца выбирают форму, размер и материал наконечника, величину и длительность приложения нагрузки.
Наиболее часто проводят определение твердости следующими методами: измерение твердости по Бринеллю — по ГОСТ 9012-59, измерение твердости по Роквеллу - по ГОСТ 9013-59: измерение твердости по Виккерсу - по ГОСТ 2999-75: измерение твердости методом ударного отпечатка - по ГОСТ 18661-73.
Существуют общие требования к подготовке образцов и проведению испытаний при определении твердости.
1. Изготовление образцов и подготовка поверхности должны осуществляться способами, исключающими изменения свойств металла из-за нагрева или наклепа.
2. Поверхность образца должна быть чистой, без оксидных пленок, следов ржавления или окалины, трещин и прочих дефектов.
3. Образцы должны быть определенной толщины. После нанесения отпечатка на обратной стороне образца не должно быть следов деформации.
4. Образец должен лежать на подставке жестко и устойчиво. В процессе испытания образец не должен смещаться или прогибаться.
5. Прилагаемая нагрузка должна действовать перпендикулярно поверхности образца.
6. Нагрузка должна прилагаться и возрастать плавно до заданного значения, а далее поддерживаться постоянной в течение определенного времени.
Измерение твердости по Бринеллю. При определении твердости методом Бринелля в испытуемый образец или изделие вдавливается в течение определенного времени металлический шарик. После снятия нагрузки на поверхности образца остается сферический отпечаток. Величина отпечатка зависит от твердости металла: чем тверже металл, тем меньше будет величина отпечатка, Число твердости по Бринеллю обозначается НВ.
Чтобы определить число твердости НВ, надо величину приложенной нагрузки Р разделить на площадь отпечатка F.
Чтобы не производить каждый раз вычисления, при определении числа твердости пользуются специально составленной таблицей (приложение к ГОСТ 9012-59). Зная нагрузку, диаметры шарика и отпечатка по этой таблице можно определить число твердости НВ.
Для испытания применяют шарики из закаленной стали или твердого сплава диаметром 2,5: 5,0 и 10 мм. Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины испытуемою образца и его твердости: чем тоньше и тверже образец, тем меньше должен быть диаметр шарика.
Обычно испытание проводят на специально подготовленной горизонтальной площадке образца.
В зависимости от твердости металла нагрузка на шарик может изменяться от 156 до 30000 Н. Чтобы результаты испытаний были сопоставимы при любом диаметре взятого шарика, между нагрузкой и диаметром шарика должно выдерживаться соотношение: Р=2,5D2, Р=10D2, Р=30D2.
Длительность приложения нагрузки должна быть достаточной для прохождения деформации и возрастать с уменьшением твердости испытуемого металла от 10 до 30 и 60 с.
Диаметр шарика D, нагрузку Р. продолжительность выдержки под нагрузкой t и минимальную толщину образца выбирают по специальной таблице.
Схема прибора для определения твердости по методу Бринелля приведена на рис. 8. На подвеску 1 устанавливают набор грузов 13. Сама подвеска создает нагрузку 1875 H (187,5 кгс).
Рис. 8. Твердомер типа ТБ.
В наборе имеются грузы а, б и в. создающие нагрузки 625 Н (62.5 кгс). 2500 Н (500 кгс) соответственно. В шпинделе 9 закрепляют наконечник с шариком 8. Образец 7 устанавливают на столик 6. Вращением штурвала 5 приводят в движение винт 4 и прижимают образец к шарику до совпадения указателя 10 с риской [при этом создается предварительная нагрузка 1000Н (100 кгс)]. После этого нажатием кнопки включают электродвигатель 2. через эксцентрик 3 и шатун II опускается рычаг 12 с нагруженной подвеской 1. При этом нагрузка передается на шарик и последний вдавливается в образец в течение установленного времени, после которого рычаг с грузами поднимается, снимая нагрузку с шарика. Вращением штурвала 5 против часовой стрелки опускается столик 6. Образец онимается и производится замер оставшегося отпечатка.
Измерение твердости по Роквеллу. При измерении твердости чтим методом индикатор (алмазный конус или стальной шарик) вдавливается в испытуемый образец под действием общей нагрузки Р. Причем сначала прилагается предварительная нагрузка Ро. а затем основная Р1, т. е. Р=Ро+Р1. Твердость определяют по глубине отпечатка. За единицу твердости по Роквеллу принята условная величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. В зависимости от твердости испытуемого образца испытание проводится вдавливанием алмазного конуса или шарика при различной величине основной и общей нагрузки. При испытании твердость можно измерять по трем шкалам: А, В и С (см. прилож. 1).
Схема и общий вид прибора для измерения твердости по метолу Роквелла показан на рис. 9.
Рис.9. Твердомер типа ТР
В зависимости от твердости испытываемого образца выбирают нагрузку и индентор. Нагрузку обеспечивают набором грузов, состоящим из одного постоянного 13 и двух переменных 12 и 11, каждый из которых дает соответственно нагрузку 500 Н (50 кгс), 400 Н (40 кгс) и 500 Н (50 кгс). Твердость образца определяют по шкале индикатора 9. При испытании алмазным конусом под нагрузкой 1500 Н (150 кгс) отсчет производят по черной шкале С, а под нагрузкой 600 Н (60 кгс) черной шкале А: при испытании стальным шариком отсчет производят по красной шкале В. В шпиндель и закрепляют оправку с индентором 6. Образен 5 устанавливают на столик 4 и, вращая по часовой стрелке маховик 3. поднимают столик до упора образца в ограничительный чехол 7 индентора, что создает предварительную нагрузку 100 Н (10 кгс). В момент упора образца в ограничительный чехол маленькая стрелка индикатора (рис. 10, а) должна дойти до красной точки, а большая стрелка установится около нуля черной шкалы С. Совмещают большую стрелку индикатора с нулем шкалы С, вращая барабан 2 (см. рис. 9). Такое
совмещение производится при испытании всеми инденторами с любыми нагрузками. При нажатии на клавишу электродвигатель опускает рычаг 10 с подвеской и грузами - создается общая нагрузка: предварительная + основная. При этом индентор углубляется в образец, а большая стрелка индикатора поворачивается против движения часовой стрелки (рис. 10, б).
Рис. 10. Шкала индикатора типа ТР
Длительность цикла испытания устанавливают рукояткой 14 (см. рис. 9). Нормальный цикл испытания занимает 4 с, а ускоренный - 2 с. После окончания вдавливания основная нагрузка автоматически снимается. При атом большая стрелка индикатора поворачивается по часовой стрелке и указывает на соответствующей шкале число твердости по Роквеллу (рис. 10 в). Вращая маховик 3 против часовой стрелки, опускают стол и освобождают образец 5.
Измерение твердости по Виккерсу. При измерении твердости по этому методу в образец вдавливается алмазный наконечник, имеющий форму правильной четырехгранной пирамиды. Нагрузка Р действует в течение определенного времени.
Величина нагрузки может быть в пределах 10-1000 Н (1,0 - 100,0 кгс). Чем больше нагрузка, тем более точным получается результат Продолжительность выдержки образца под нагрузкой составляет обычно 10-15 с.
Обычно испытания проводятся в стандартных условиях, и для определения твердости пользуются таблицей (приложение к ГОСТ 2999 75) в которой приведена твердость в зависимости от длины диагонали отпечатка при различной нагрузке.
При записи результатов испытаний в обычных условиях твердость по Виккерсу обозначается символом НV. Обычными условиями испытания считаются нагрузка 300 H (30 кгс) и время выдержки 10-15 с. В этом случае твердость записывается например НV 300. Если условия испытания другие, то что указывается индексами. Например, запись НV20/40-250 значит, что при нагрузке 200 Н (20 кгс) и времени выдержки 40 с твердость по Виккерсу 250.
При проведении испытания (рис. 11) сменные грузы 16 устанавливают на подвеску 15 рычага II. Испытываемый образец 5 устанавливают на столик 4. Рукояткой 2 в крайнее левое положение поворачивают головку 7. в которой расположены алмазный индентор 6 (в виде пирамиды), защищенный чехлом 8, и измерительный микроскоп 9. Затем рукояткой 12 взводят механизм грузового привода. Вращая маховик 3, прижимают образец 5 к защитному чехлу 8 индентора и нажимают на педаль 1, что приводит к автоматическому нагружению и разгружению образца. Приложение и снятие нагрузки, выдержка под нагрузкой осуществляются за счет энергии опускающегося груза 13 в масляном амортизаторе 18. В момент приложения нагрузки зажигается сигнальная лампочка 10. Продолжительность испытания может составлять от 10 до 60 с и устанавливается регулятором 17. изменяющим скорость опускания штока 14. После окончания нагружения и снятия нагрузки лампочка гаснет. Столик 4 с образцом опускают, вращая маховик 3. Затем рукояткой 12 поворачивают головку в крайнее правое положение и, наблюдая в окуляр измерительного микроскопа, вращением маховика 3 устанавливают резкость изображения отпечатка.
Рис.11. Схема твердомера типа.
Далее производят измерение диагонали отпечатка. Для этого, вращая левый винт 1 измерительного микроскопа (рис. 12,а). подводят штрих А (рис. 12, б) к левому углу отпечатка, вращая микрометрический винт 2, подводят штрих Б (рис 12, в) к правому углу отпечатка. Величина диагонали определяется по шкале окуляра и показанию микрометрического винтя. Повернув об-
разец на 90°, измеряют вторую диагональ отпечатка и затем вычисляют среднее арифметическое значение из двух измерений.
При серийных испытаниях, когда твердость образцов должна находиться в определенных пределах, пользуются третьим, пунктирным штрихом (рис. 12, б, в). Например, при нагрузке 100 Н (10 кгс) твердость металла может находиться в пределах 160-180, что соответствует длине диагонали отпечатка 340-321 мкм.
Рис. 12. Измерение отпечатка.
Производя отсчеты по шкале окуляра и микрометрическому винту, устанавливают штрих Б, на расстоянии 321 мкм от штриха А. Далее при измерении отпечатков устанавливают только' штрих А на правый угол отпечатка.
Измерительный микроскоп снабжается двум» объективами с различным увеличением: 10х и 3,7х. При пользовании объективом 10х одно деление окулярной шкалы соответствует 100 мкм, а объективом 3,7х - 250 мкм: при этом одно деление лимба микрометрического винта составляет 1 и 2,5 мкм соответственно.
УДАРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
При эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузка, Для определения поведения металла при ударах проводят ударные испытания.
Наиболее распространенным видом испытания является испытание на ударный изгиб. Испытание заключается 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. 13). На пути падения маятника устанавливают образец 2. Падая, маятник его разбивает и поднимается на высоту Н1 (угол β). Высота Н2 меньше Н1, так как часть энергии маятника ушла на разрушение образца. Работа Ан, затраченная на разрушение образца, будет равна: Ан=GН1- GН2 = G(Н1- Н2). Ударная вязкость ан (Дж/м2 (кгс × м/см2) образца отношение работы Ан, за траченной на разрушение стандартного образца к площади его поперечного сечения F в месте надреза: ан=Ан/F.
Рис. 13. Схема испытания на ударный изгиб.
Для определения ударной вязкости в соответствии с ГОСТ применяют надрезанные посередине длины образцы различных типов, отличающиеся площадью поперечного сечения, глубиной и формой надреза.
От качества выполнения надреза зависит правильность испытания, поэтому надрез образцов выполняется особенно тщательно (сверлением, фрезерованием или проточкой шлифовальным кругом). Риски в надрезе не должны быть видны невооруженным глазом. Надрез наносится на образец так, чтобы его ось была перпендикулярна оси образца. У образцов, вырезанных из листов, полос и фасонного проката, надрез должен быть перпендикулярен поверхности проката.
Рис. 14. Маятниковый копер.
Испытания на ударный изгиб проводят на специальной машине - маятниковом копре (рис. 14), Образец 8 устанавливают на двух опорах 9 надрезом внутрь станины 7. Маятник 6 с ножом 5 поднимают на определенную высоту (угол) и закрепляют защелкой 4. Отпущенный маятник, разбивая образец, поднимается, и стрелка 3 шкалы 2 показывает угол его взлета. Останавливают маятник ремнем 10, натягивая его рукояткой 1. По таблице определяют величину работы удара Ан, затраченной на излом образца. На некоторых типах копров работа Ан определяется по дисковому указателю.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие свойства металла определяют при испытании на растяжение?
2. Что характеризуют предел пропорциональности и предел текучести (физический и условный)?
3. Что характеризует временное сопротивление?
4. Что такое истинное сопротивление разрыву?
5. Что такое относительное удлинение и относительное сужение и как их вычисляют?
6. Как проводится испытание на растяжение?
7. В чем заключается испытание на ударный изгиб?
8. В чем заключается испытание на твердость?
9. Как проводят измерение твердости по Бринеллю?
10. Как проводят измерение твердости по Роквеллу?
11. Как проводят измерение твердости по Виккерсу?
12. Как производят измерение твердости методом ударного отпечатка?
ГЛАВА III