Випробування механічних властивостей і випробування довговічності матеріалів (стр. 5 из 7)
Модуль пружності - структурно нечутлива характеристика, визначувана силами міжатомної взаємодії, є константою матеріалу.
Пружні властивості залежать від температури металу. При пониженні температури міжатомні відстані зменшуються, кристали стискаються, що приводить до збільшення модуля пружності. Основне зростання модуля пружності відбувається в області температур до 77 К, нижче за температури рідкого азоту зростання сповільнюється, а поблизу температури абсолютного нуля модуль пружності стає незалежний від температури.
Найменша напруга, при якій зразок деформується без помітного збільшення навантаження («тече»), називається фізичною межею текучості σ т, він вимірюється в мегапаскалях (МПа). Якщо немає ділянки текучості, то визначають умовну межу текучості σ 0.2, при якому зразок одержує залишкове подовження, рівне 0,2 % первинної розрахункової довжини:
Межа текучості - основний показник міцності при розрахунку допустимих напруг, що характеризують опір малим пластичним деформаціям.
Напруга, відповідна найбільшому навантаженню, передуючому руйнуванню, називається тимчасовим опором (σ в); він вимірюється в МПа:
Величина пластичної деформації до моменту руйнування характеризує пластичність матеріалу. Розрізняють дві характеристики пластичності: відносне подовження 8,%, і відносне звуження ψ %:
σ =[( l- l0)/ l0]*100
де l - довжина зразка після розриву; l0 - первинна довжина зразка;
де F - площа перетину зруйнованого зразка в місці розриву; F0–первинна площа перетину зразка.
Умовно прийнято вважати метал надійним при δ ≥ 15 %, ψ ≥45 %.
Більш точну залежність між деформацією зразка і напругою показують діаграми істинних напруг (рис. 2.1, в). Істинну напругу визначають розподілом навантаження на площу поперечного перетину зразка у момент випробування.
Рис. 2.2. Схема визначення твердості:
а - по Брінеллю; б - по Роквеллу; в - по Віккерсу
Найпростішим методом випробування властивостей є вимірювання твердості. Твердістю називають властивість матеріалу чинити опір деформації в поверхневому шарі при місцевих контактних діях. Розрізняють наступні методи визначення твердості: по Брінеллю (по діаметру відбитка кульки); по Роквеллу (по глибині вдавлювання алмазного конуса або загартованої кульки); по Віккерсу (для деталей малої товщини або тонких поверхневих шарів твердість визначають по діагоналі відбитка алмазної піраміди). Схеми цих методів приведені на рис. 2.2.
Випробування по методу Брінелля (рис. 2.2, а) полягає у вдавлюванні у випробовуване тіло сталевої кульки діаметром D під дією постійного навантаження Р і вимірюванні діаметра відбитка d. Число твердості по Брінеллю НВ визначається величиною навантаження Р, діленого на сферичну поверхню відбитка. Чим менше діаметр відбитка, тим вище твердість металу. На практиці твердість визначають не по формулах, а по спеціальних таблицях, виходячи з діаметра відбитка d. З побоювання можливої деформації кульки метод Брінелля не рекомендується застосовувати для сталі з твердістю більше 450 НВ.
Тимчасовий опір і число твердості по Брінеллю зв'язаний між собою: для сталі σ в = 0,34 НВ, для мідних сплавів σ в = 0,45 НВ, для алюмінієвих сплавів σ в = 0,35 НВ.
При випробуванні по методу Роквелла (рис. 2.2, б) індентором служить алмазний конус (для більш м'яких матеріалів маленька сталева кулька). Конус і кулька вдавлюються в метал двома послідовними навантаженнями: попереднім Р0= 100 Н і основним Р1, Існує три шкали. При випробуванні алмазним конусом і навантаженню Р1 = 1400 Н - шкала С, твердість позначається HRC, те ж при Р1 = 500 Н - шкала А (НRА), а при випробуванні сталевою кулькою і Р1 = 900 Н - шкала В (НRВ).
Одиниця твердості по Роквеллу — безрозмірна величина, відповідна осьовому переміщенню індикатора на 0,002 мм.
По шкалі С визначають значення твердості більш твердих матеріалів, ніж методом Брінелля (твердість більше 450 НВ).
Твердість по Віккерсу (рис. 2.2, в) визначають шляхом вдавлювання правильної чотиригранної піраміди під дією навантаження Р і вимірювання діагоналі відбитка d. Навантаження міняється від 10 до 1000 Н. Чим тонше матеріал, тим менше повинне бути прикладене навантаження. Число твердості по Віккерсу НV визначають за допомогою спеціальних таблиць по величині діагоналі відбитка.
В деяких випадках визначають мікротвердість окремих ділянок металу. Цей метод використовують для вимірювання твердості окремих зерен або дуже тонких шарів.
2.2 Динамічні випробування
Основним динамічним випробуванням є метод випробування на ударний вигин (ГОСТ 9454) з визначенням ударної в'язкості металу. Метод заснований на руйнуванні зразка з надрізом одним ударом маятникового копра (мал. 2.3).
Зразок встановлюють на опорах копра і завдають удару по стороні зразка, протилежній надрізу. Робота, що втитрачається на руйнування зразка, визначається так:
К= Рg (Н-h) = Рg1 (соs а2 - соs а1)
Рис. 2.3. Схема випробувань на ударну в'язкість
де Р - маса маятника; g - прискорення сили тяжіння, Н, h - висота підйому маятника до удару і після руйнування зразка; l - довжина маятника; а1, а2-кути підйому маятника до удару і після руйнування зразка. Величини Р, Н, l, а1 - постійні, тому при випробуваннях значення роботи руйнування визначають за допомогою спеціальних таблиць по значенню а2 (h).
Ударна в'язкість КС, Дж/см2, визначається як відношення роботи руйнування К, що затрачується на деформацію і руйнування ударним вигином надрізаного зразка, до початкової площі поперечного перетину зразка в місці надрізу S0 по формулі КС = К/S0.
Залежно від виду концентратора напруг розрізняють зразки трьох типів, з радіусом дна надрізу 1,0 мм (тип U); 0,25 мм (тип V) і ініційованою тріщиною (тип Т) (рис. 2.4).
Введення ударних випробувань зразків з тріщинами є слідством того, що працездатність матеріалу визначається не стільки опором зародженню тріщини, скільки опором її розповсюдження. Звичайні зразки мають перетин 10x10 мм, але для особливо відповідальних випадків і для оцінки працездатності крупних деталей застосовують зразки перетином 25x25 мм з ініційованою тріщиною. Чим гостріше надріз, тим більше жорстким випробуванням піддається метал. Вид надрізу входить в позначення роботи удару і ударної в'язкості.
Рис. 2.4. Основні види зразків для випробувань в'язкості (ГОСТ 9454):
а - тип I (тип Менаже); б - тип II (тип Шарлі); в - тип 15 (з ініційованою тріщиною)
Роботу удару позначають двома буквами КU, КV, КT, а ударну в'язкість -трьома буквами КСU, КСV, КСТ. В цих позначеннях останні букви є символами концентраторів напруг.
Випробування ударної в'язкості широко застосовують для оцінки схильності металу до крихкого руйнування при низьких температурах. Перевагою цього методу є простота експерименту, врахування впливу швидкості навантаження і концентрацій. Для оцінки холодноламкості звичайно проводять випробування серії зразків при температурах, що знижуються. Криву залежність ударної в'язкості від температури називають серіальними кривими холодноламкості (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Зміна ударної в'язкості сталі СтЗ при пониженні температури випробувань
За допомогою цих кривих визначають температурний поріг холодноламкості. При температурі експлуатації нижче порогу холодноламкості метал застосовувати не слід.
Технічними умовами на поставку металопродукції відповідального призначення звичайно обумовлюють мінімально допустиме значення ударної в'язкості при заданій температурі.
Оцінку холодноламкості можна також проводити по виду зламу зразка, що руйнувався. Метод заснований на визначенні співвідношення площ в'язких і крихких ділянок зламу ударних зразків. В'язкий злам має характерну волоконну будову з попелястим відтінком. З пониженням температури кількість волоконної складової в зламі знижується, з'являються кристалічні блискучі ділянки.
Звичайно за критичну температуру приймають таку, при якій частка волоконної складової структури рівна 50 %.
Визначення складових ударної в'язкості дозволяє виявити вплив різних чинників на обидві стадії руйнування.
2.3 Трибологічне випробування
При трибологічних випробуваннях (випробуваннях на знос, зносостійкість) основними поняттями є зношування, знос і зносостійкість.
Зношуванням називається процес поступової зміни розмірів, форми або стану поверхні зразка або деталі унаслідок руйнування поверхневого шару в процесі тертя.
Знос - результат зношування, визначуваний за допомогою кількісної оцінки процесу зношування.
Зносостійкість - здатність матеріалів або деталей чинити опір зношуванню в умовах зовнішнього тертя.
Знос конкретних деталей і вузлів визначається природою контактуючих матеріалів і умовами тертя.
Велике число чинників, що впливають на процес зношування деталей машин, обумовлює виконання наступних етапів випробувань:
1)звичайні лабораторні випробування фізичних і механічних властивостей матеріалів;
2)випробування матеріалів на тертя і знос на лабораторних установках;
3)стендові випробування вузлів тертя;
4)натурні (експлуатаційні) випробування деталей машин і механізмів.
При вивченні на першому етапі фізичних і механічних властивостей матеріалів і прогнозуванні на їх основі зносостійкості цих матеріалів звичайно ґрунтуються на тому, що між зносостійкістю і твердістю, зносостійкістю і модулем пружності або коефіцієнтом жорсткості існує близька до прямолінійної залежність.