«Основные виды испытаний прокатной продукции»

 

Испытание на твердость

Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора [под индентором понимается твердосплавный наконечник, внедряемый в поверхность металла] в его поверхность. Испытания на твердость – самый доступный и распространенный вид механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.

 

При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012–59) в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки Р измеряется диаметр отпечатка d (рис. 1, а). Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка М:

(1)

Для получения сопоставимых результатов при определении твердости НВ шариками различного диаметра необходимо соблюдать условие подобия. Подобие отпечатков при разных D и Р будет обеспечено, если угол φ остается постоянным (рис. 1, а). Подставив в формулу (1) , получим следующее выражение:

  (2)

Из формулы (2) следует, что значение НВ будет оставаться постоянным, если P/D² = const и φ = const. Выбор отношения P/D², а следовательно и нагрузки вдавливания Р, зависит от уровня твердости материала. Чем более твердый материал, тем рекомендуется большее отношение P/D². Исходя из этого, в ГОСТ 9012–59 приведены следующие значения отношений P/D² (МПа): 294 (стань, чугун, высокопрочные сплавы); 98 (алюминий, медь, никель и их сплавы); 49 (магний и его сплавы); 24,5 (подшипниковые сплавы); 9,8 (олово, свинец). При D = 10 мм, Р = 29400 Н (P/D² = 294 МПа) и времени выдержки под нагрузкой 10 с твердость по Бринеллю обозначается символом НВ с указанием числа твердости. При этом размерность (кгс/мм²) не ставится, например 200 НВ. При использовании шариков других диаметров (1, 2, 2,5 и 5 мм) изменяется нагрузка вдавливания, а символ твердости НВ дополняется тремя индексами. Например, 180 HB_2,5/187,5/30 обозначает, что при D = 2,5 мм, Р = 187,5 кгс (1839 Н) и времени выдержки под нагрузкой 30 с число твердости по Бринеллю равно 180.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 НВ, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013–59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис. 1, в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р₀, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₀. Затем прикладывается основная нагрузка P₁ под действием которой индентор вдавливается на глубину h₁. После этого снимают нагрузку Р₁ но оставляют предварительную нагрузку Р₀. При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h₀. Разность (h – h₀) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, С, или В, обозначающая соответствующую шкалу измерений. Обозначения твердости и значения нагрузок вдавливания для разных шкал измерений методом Роквелла приведены ниже:

 

 

 

 

Шкала	А	С	В
Индентор	Алмазный конус	Алмазный конус	Стальной шарик
Обозначение твердости	HRA	HRC	HRB
Нагрузки вдавливания, кгс (Н): Р0 Р1 Р	10 (98,1) 50 (490,5) 60 (588,6)	10 (98,1) 140(1373,4) 150 (1471,5)	10 (98,1) 90 (882,9) 100 (981)

 

 

Различие в нагрузке  Р₁, для шкал А и С объясняется тем, что по шкале А измеряют твердость особо твердых материалов и в этом случае во избежание повреждений алмазного конуса рекомендуется меньшая нагрузка вдавливания.

Числа твердости по Роквеллу подсчитывают по формулам

HRA(HRC) = 100 – [(h – h₀/0,002];

HRB = 130 – [(h – h₀/0,002],

где 100 и 130 – предельно заданное число делений индикатора часового типа с ценой деления 0,002 мм. Например, 50 HRC означает, что твердость, определенная методом Роквелла по шкале С при вдавливании алмазного конуса, равна 50 (размерность не ставится).

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Испытание на ударную вязкость

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

Согласно ГОСТ 9454–78, для определения ударной вязкости применяют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распространенными типами являются образцы с U-образным (рис. 1, а) и V-образным (рис. 1, б) надрезами.

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис. 2).

Работа К, МДж, затраченная на ударный излом образца, может быть определена по следующей формуле:

где G – вес маятника; h₁ – высота подъема маятника до испытаний; h₂ – высота подъема маятника после испытаний.

Рис. 1. Образцы для испытаний на ударную вязкость:

а – с U-образным надрезом; б – с V-образным надрезом

Рис. 2. Схема испытаний на ударную вязкость:

а – схема маятникового копра; б – расположение образца на копре;

1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец

 

Указатель на шкале копра фиксирует величину работы К и проградуирован с учетом потерь (трение в подшипниках, сопротивление стрелки указателя, сопротивления воздуха и др.).

Ударная вязкость обозначается символом КС, МДж/м², и подсчитывается как отношение работы К к площади поперечного сечения образца в надрезе F. Если образец с U-образным надрезом, то к символу добавляется буква U (KCU), а если с V-образным надрезом, то добавляется буква V (KCV).

Вместе с тем ударная вязкость является сложной механической характеристикой и состоит из двух составляющих: удельной работы зарождения трещины КС_з и удельной работы ее распространения КС_p , т.е.

Для охрупченных материалов основная часть работы идет на зарождение трещины, а работа распространения трещины незначительна. Для пластичных материалов работа распространения трещины имеет преобладающее значение. Анализ составляющих ударной вязкости позволяет более рационально выбрать материал и определить его назначение.

Существует несколько методов определения составляющих ударной вязкости. Наиболее широкое распространение получили методы Б.А. Дроздовского и А.П. Гуляева. По методу Б.А. Дроздовского испытывают ударные образцы с V-образным надрезом с заранее выращенной усталостной трещиной. Считается, что при разрушении образца вся работа динамического излома расходуется на распространение трещины, т.е. при таком испытании определяется величина КС_р.

Рис. 3. Схема определения составляющих ударной вязкости по методу А.П. Гуляева

 

Работа зарождения трещины КС₃ в этом случае подсчитывается как разность между полной ударной вязкостью образца без усталостной трещины КС и работой ее распространения КС_р.

По методу А.П. Гуляева испытывают несколько ударных образцов, имеющих различный радиус округления в вершине надреза r. После испытаний и подсчета ударной вязкости каждого образца строится график (рис. 3). Экстраполируя прямую на ось ординат, получают удельную работу распространения трещины КС_р. В этом случае образец с радиусом надреза, близким к нулю, отождествляется с образцом, имеющим усталостную трещину.

При сравнении оба метода дают достаточно близкие значения составляющих ударной вязкости.

Испытание на растяжение

Испытания на растяжение позволяют получить достаточно полную информацию о механических свойствах материала. Для этого применяют специальные образцы, имеющие в поперечном сечении форму круга (цилиндрические образцы) или прямоугольника (плоские образцы).

На рис. 2.6 представлена схема цилиндрического образца на различных стадиях растяжения. Согласно ГОСТ 1497–84, геометрические параметры образцов на растяжение должны отвечать следующим соотношениям: (где l_о – начальная расчетная длина образца, f₀ – начальная площадь поперечного сечения расчетной части образца). Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины l₀ к начальному диаметру d₀, т. е. l₀/d₀, называют кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с кратностью 2,5, 5 и 10. Самым распространенным является образец с кратностью 5.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины.

На рис. 2.7 представлена принципиальная схема типичной испытательной машины, основными элементами которой являются: приводной нагружащий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.

В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах нагрузка (Р) – абсолютное удлинение образца (∆l) (рис. 2.8).

На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характерных участка: участок ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; участок АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; участок ВС – также криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.

В области упругой деформации (участок ОА) зависимость между нагрузкой Р и абсолютным упругим удлинением образца ∆l пропорциональна и известна под названием закона Гука:

P=k∆l, где  k=EF₀/l₀  – коэффициент, зависящий от геометрии образца (площади поперечного сечения F₀ и длины l₀) и свойств материала (параметр Е).

Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости, характеризующим жесткость материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия. Чем выше E, тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:

 где σ=P/F₀ – нормальное напряжение; δ=∆l/l₀ – относительная упругая деформация.

Наряду с модулем нормальной упругости Е существует модуль сдвига (модуль касательной упругости) G, который связывает пропорциональной зависимостью касательное напряжение τ с углом сдвига (относительным сдвигом) γ:

τ = Gγ.

Еще одним важным параметром упругих свойств материалов является коэффициент Пуассона μ, равный отношению относительной поперечной деформации (∆d/d₀) к относительной продольной деформации (∆l/l₀). Этот коэффициент характеризует стремление материала сохранять а процессе упругой деформации свой первоначальный объем.

От коэффициента Пуассона μ зависит соотношение между Е и G:

E/G = 2(l +μ).                                                                                            (1)

Как следует из уравнения (2.1), Е больше G, так как для смещения атомов отрывом требуется большее усилие, чем сдвигом.

Значения модуля нормальной упругости Е, модуля сдвига G к коэффициента Пуассона μ для некоторых материалов приведены в табл. 1.

Таблица  1

Значения модуля нормальной упругости Ж, модуля сдвига G и коэффициента Пуассона μ для некоторых материалов

 

Материал	E, МПа	G, МПа	μ
Сталь 20	210 000	82031	0,28
Медь листовая	113000	42164	0,34
Латунь	97000	34155	0,42
Цинк	82000	32283	0,27
Алюминий	68000	25564	0,33
Свинец	17000	5862	0,45

 

При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме растяжения может проявляться небольшой горизонтальный участок, который называют площадкой текучести АA' (см. рис. 2.8, а).

На этой стадии деформации в действие включаются новые источники дислокаций, происходит их спонтанное размножение и лавинообразное распространение по плоскостям скольжения. Макроскопическим проявлением этих процессов является образование на рабочей поверхности образца узких полос скольжения, получивших название линий Чернова–Людерса. Эти линии располагаются под утлом 45° к продольной оси образца по направлению действия максимальных касательных напряжений и отчетливо видны на его полированной поверхности. Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести.

С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца. На участке ОАВ деформация распределена равномерно по всей длине образца, а на участке ВС деформация практически вся сосредоточена в зоне шейки.

При растяжении определяют следующие показатели прочности и пластичности материалов.

Показатели прочности материалов характеризуются удельной величиной – напряжением, равным отношению нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Дадим определение наиболее часто используемым показателям прочности материалов.

Предел   текучести   (физический)   (σ_τ, МПа) – это наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:

σ_τ=P_τ/F₀ где P_τ – нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (см. рис. 2.8, а).

Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 2.8, б), то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Условный  предел  текучести (σ₀₂, МПа) – это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца: σ_0,2=P_0,2/F₀, где P_0,2 – нагрузка, соответствующая остаточному удлинению ∆l_0,2=0,002l₀.

Временное сопротивление (предел прочности) (σ_в, МПа) – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке P_max, предшествующей разрыву образца: σ_в=P_max/F₀.

Истинное сопротивление разрыву (S_k, МПа) – это напряжение, определяемое отношением нагрузки P_k в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва F_k: S_k=P_k/F_k , где F F_k=πd_k²/4.

Показатели пластичности. Пластичность – одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Дадим определение наиболее часто используемым показателям пластичности материалов.

Предельное равномерное удлинение (δ_p, %) – это наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или, другими словами, это отношение абсолютного приращения расчетной длины образца ∆l_р до нагрузки Р_max к ее первоначальной длине (см. рис. 2.8, а): δ_p=(∆l_р/l₀)100=[(l_р-l₀)/l₀]100.

Аналогично предельному равномерному удлинению существует предельное равномерное  сужение (ψ_р, %): ψ_p=∆F_р/F₀)100=[(F₀-F_p)/F₀]100, где F_p=πd_p²/4 – площадь поперечного сечения образца, соответствующая P_max. Из условия постоянства объема образца при растяжении можно получить ψ_p=δ_p/(1+δ_p).

При разрушении образца на две части определяют конечные показатели пластичности: относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва.

Относительное удлинение после разрыва (δ, %) – это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва ∆l_k, к ее первоначальной длине: δ=(∆l_k/ l₀)100=[(l_k-l₀)/l₀]100.

Относительное удлинение после разрыва зависит от соотношения l₀ и f₀, т. е. от кратности образцов. Чем меньше отношение l₀/√ F₀ и кратность образца, тем больше δ. Это объясняется влиянием шейки образца, где имеет место сосредоточенное удлинение. Поэтому индекс у δ указывает на кратность образца, например δ_2,5, δ₅,δ₁₀.

Относительное   сужение   после   разрыва (ψ, %) – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва ∆ F_k к начальной площади поперечного сечения: ψ=(∆F_k/F₀)100=[(F₀-F_k)/F₀]100.

В отличие от конечного относительного удлинения конечное относительное сужение не зависит от соотношения l₀ и f₀ (кратности образца), так как в последнем случае деформацию оценивают в одном, наиболее узком, сечении образца.

Диаграммы условных и истинных напряжений и деформаций. Протяженность первичных диаграмм растяжения вдоль осей координат Р и ∆l зависит от абсолютных размеров образцов. При постоянной кратности образца чем больше его длина и площадь поперечного сечения, тем выше и протяженнее первичная диаграмма растяжения. Однако если эту диаграмму представить в относительных координатах, то диаграммы для образцов одной кратности, но разных размеров будут одинаковы. Так, если по оси ординат откладывать условные напряжения σ, равные отношению нагрузки Р к начальной площади поперечного сечения F₀, а по оси абсцисс – условные удлинения δ, равные отношению абсолютного приращения длины образца ∆l к его начальной длине l₀, то диаграмму называют диаграммой условных напряжений и деформаций (или просто условной диаграммой). На рис. 2.9, а схематически представлена условная диаграмма σ–δ. На этой диаграмме отмечены условный предел текучести σ_0,2, временное сопротивление σ_в, конечное условное напряжение σ_k, условное предельное равномерное удлинение δ_р и условное относительное удлинение после разрыва δ_k.

Однако более объективную информацию можно получить, если диаграмму растяжения представить в других координатах: S–ε. Истинное напряжение S определяется как отношение текущей нагрузки Р к текущей площади поперечного сечения F (которое непрерывно уменьшается в процессе растяжения: S=P/F.

Истинное удлинение учитывает непрерывно изменяющуюся длину образца в процессе его растяжения, и поэтому е можно определить как сумму бесконечно малых относительных деформаций dl/l при переменном l:

Диаграмму в координатах S–ε называют диаграммой истинных напряжений и деформаций (или просто истинной диаграммой). На истинной диаграмме, как и на условной, можно найти характерные точки, соответствующие истинному пределу текучести S*_0,2, истинному временному сопротивлению S_в, истинному сопротивлению разрыву S_k , а также истинному предельному равномерному удлинению е и истинному конечному удлинению ε_p, (рис. 2.9, б).