Методы испытания металлов и сплавов

Для установления комплекса механических свойств металлов образцы из исследуемого материала подвергают статическим и динамическим испытаниям.

Статическими называются испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно.

4.2.1. К статическим испытаниям относят испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, а также определение твердости. В результате испытаний на статическое растяжение, которое проводят на разрывных машинах, получают диаграмму растяжения (рис.4.6 а) и диаграмму условных напряжений (рис. 4.6 б) пластичного металла.

Рис. 4.6. Изменение деформации в зависимости от напряжения: а – диаграмма растяжения пластичного материала; б – диаграмма условных напряжений пластичного материала

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме(рис. 4.6), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и пластическую деформацию.

Представленная на рис. 4.6 зависимость между приложенным извне напряжением и вызванной им относительной деформацией характеризует механические свойства металлов:

- наклон прямой ОА (рис. 4.6а) показывает жесткость металла или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения; тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е= s / e);

- напряжение s_пц (рис. 4.6б), которое называется пределом пропорциональности, соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;

- напряжение s_упр (рис. 4.1б), которое называется пределом упругости, и при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями. Часто используют значения остаточной деформации 0,001; 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают s_0,005, s_0,02 и т.д. Предел упругости – важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих элементов приборов и машин;

- напряжение s_0,2, которое называется условным пределомтекучести и которому соответствует пластическая деформация 0,2 %. Физический предел текучести s_т определяется по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растяжение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение s_0,2 несложно определяется при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения. Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают обычно меньше s_0,2 в 1,5 раза;

- максимальное напряжение s_в, которое называется временным сопротивлением, характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению, и определяется по формуле

s_в = Р _max / F_o

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше s_в в 2,4 раза.

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением d и относительным сужением y:

d = [(l_к – l_о) / l_о] * 100,

y = [(F_о – F_к) / F_о] * 100,

где l_о и F_о – начальные длина и площадь поперечного сечения образца;

l_к - конечная длина образца;

F_к – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

4.2.2. Твердость – способность материалов сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела, которое называется индентором.

Существует разные методы определения твердости.

Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки при вдавливании стального шарика в испытуемый материал к площади поверхности полученного сферического отпечатка (рис. 4.7а).

HB = 2P / pD [D - Ö D² – d²],

где Р – нагрузка, кгс;

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр лунки, мм

Рис. 4.7. Схемы испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Роквеллу определяется глубиной проникновения в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120^о или закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 4.7.б).

Конус или шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками:

- предварительной Р_о = 10 н;

- общей Р = Р_о + Р₁, где Р₁ – основная нагрузка.

Твердость обозначается в условных единицах:

- для шкал А и С HR = 100 – (h – h_o) / 0,002

- для шкалы В HR = 130 – (h – h_о) / 0,002

Для определения твердости используется алмазный конус при нагрузке 60 Н (HRA), алмазный конус при нагрузке 150 Н (HRC) или стальной шарик диаметром 1,588 мм (HRB).

Твердость по Виккерсу измеряют для деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой.

Эта твердость определяется как отношение нагрузки при вдавливании в испытуемый материал алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136^о к площади поверхности полученного пирамидального отпечатка (рис. 4.7.в):

HV = 2P * sin a/2 / d² = 1,854 P/d²,

где P – нагрузка, кгс;

a = 136^о – угол между гранями;

d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей, мм.

Величину HV находят по известному d согласно формуле или по расчетным таблицам согласно ГОСТ 2999-75.

Микротвердость, учитывая структурную неоднородность металла, применяют для измерения малых площадей образца. При этом вдавливают пирамиду как при определении твердости по Виккерсу, при нагрузке Р = 5-500 Н, а среднее арифметическое длин обеих диагоналей (d) измеряется в мкм. Для измерения микротвердости используется металлографический микроскоп.

4.2.3. Сопротивление материала разрушению при динамических нагрузках характеризует ударная вязкость. Её определяют (ГОСТ 9454-78) как удельную работу разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра (рис. 4.8): КС = К / S_o (К – работа разрушения; S_o – площадь поперечного сечения образца в месте концентратора).

Рис. 4.8. Схема испытаний на ударную вязкость

Ударную вязкость (МДж/м²) обозначают KCU, KCV и KCT. Буквы КС означают символ ударной вязкости, буквы U, V, T – вид концентратора: U-образный с радиусом надреза r_н = 1 мм, V-образный с r_н = 0,25 мм; T – трещина усталости, созданная в основании надреза; KCU – основной критерий ударной вязкости; KCV и KCT используют в специальных случаях.

Работа, затраченная на разрушение образца, определяется по формуле

А_н = Р * l₁(cos b - cos a),

где Р - масса маятника, кг;

l₁ – расстояние от оси маятника до его центра тяжести;

b - угол после удара;

a - угол до удара

4.2.4. Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжений – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями s_max и s_min в течение периода Т (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Синусоидальный цикл изменения напряжений

Различают симметричные циклы (R = -1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

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).

На усталость деталей машин влияют ряд факторов (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Факторы, влияющие на усталостную прочность

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

- оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке, меньших пределах текучести или временного сопротивления;

- разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды;

- разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение;

- разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Схема излома усталостного разрушения: 1 – очаг зарождения трещины; 2 – зона усталости; 3 – зона долома

4.3. Конструкционная прочность металлов и сплавов

Конструкционная прочность металлов и сплавов – это комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия.

Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкции.

Переход к хрупкому разрушению обусловлен рядом факторов:

- природой сплава (типом решетки, химическим составом, величиной зерна, загрязнением сплава);

- особенностью конструкции (наличием концентраторов напряжений);

- условиями эксплуатации (температурным режимом, наличием нагрузки на металл).

Существует несколько критериев оценки конструкционной прочности металлов и сплавов:

- критерии, определяющие надежность металлов против внезапных разрушений (критическая температура хрупкости; вязкость разрушения; работа, поглощаемая при распространении трещины; живучесть при циклическом нагружении);

- критерии, определяющие долговечность материала (усталостная прочность; контактная выносливость; износостойкость; коррозионная стойкость).

Для оценки надежности материала используют также параметры: 1) ударную вязкость KCV и КCT; 2) температурный порог хладноломкости t ₅₀. Однако эти параметры только качественные, непригодные для расчета на прочность.

Параметром KCV оценивают пригодность материала для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.

Параметр KCT, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Если материал имеет KCT = 0, то это означает, что процесс его разрушения идет без затраты работы. Такой материал хрупок, эксплуатационно ненадежен. И, наоборот, чем больше параметр KCT, определенный при рабочей температуре, тем выше надежность материала в условиях эксплуатации. KCT учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин и т. п.).

Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре.

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис.4.12), наблюдаемое в интервале температур (t_в – t_х) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения).

Рис. 4.12. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCV, KCT

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

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t ₅₀. При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.

4.4. Пути повышения прочности металлов

Принято различать техническую и теоретическую прочность. Техническую прочность определяют значением свойств: предела упругости (s_0,05); предела текучести (s_0,2); предела прочности (s_в); модуля упругости (Е); предела выносливости (s_R).

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смещаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.

Исходя из кристаллического строения и межатомных сил можно ориентировочно определить теоретическую прочность металла по следующей формуле:

t_теор » G / 2p,

где G – модуль сдвига.

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100 – 1000 раз больше технической прочности. Это связано с дефектами в кристаллическом строении, и прежде всего с существованием дислокаций. Прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Схема зависимости сопротивления деформации от плотности и других дефектов в металлах:1 – теоретическая прочность; 2-4 – техническая прочность (2 – усы; 3 – чистые неупрочненные металлы; 4 –сплавы, упрочненные легированием, наклепом, термической или термомеханической обработкой)

Как видно из рисунка 4.13, минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций а, приближенно составляющей 10⁶ – 10⁸ см^-2. Эта величина относится к отожженным металлам. Величина s_0,2 отожженных металлов составляет 10^-5 – 10^{-4 G}. Если а > 10¹² – 10¹³ см^-2, то в этом случае могут образоваться трещины.

Если плотность дислокаций (количество дефектов) меньше величины а (рис.4.13), то сопротивление деформации резко увеличивается и прочность быстро приближается к теоретической.

Повышение прочности достигается:

- созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой, т.е. получение нитевидных кристаллов («усов»);

- повышение плотности дефектов, в том числе дислокаций, а также структурных препятствий, затрудняющих движение дислокаций;

- создание композиционных материалов.

4.5. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизация)

Пластическая деформация (рис. 4.14) приводит к созданию неустойчивого состояния материала из-за возросшей внутренней энергии (внутренних напряжений). Деформирование металла сопровождается его упрочнением или так называемым наклепом. Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.

Рис. 4.14. Влияние нагрева на механические свойства и структуру нагартованного металла

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки, другие внутризеренные процессы и образование новых зерен. Для снятия напряжений кристаллической решетки не требуется высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300 –400 ^оС) снимает искажения решетки, а именно уменьшает плотность дислокаций в результате их взаимного уничтожения, слияния блоков, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т.д.

Исправление искаженной решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом или отдыхом. При этом твердость металла снижается на 20-30 % по сравнению с исходным, а пластичность возрастает.

Параллельно с возвратом при температуре 0,25 – 0,3 Т_пл происходит полигонизация (сбор дислокаций в стенки) и образуется ячеистая структура.

Одним из способов снятия внутренних напряжений при деформации материалов является рекристаллизация. Рекристаллизация, т.е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Между температурами рекристаллизации и плавления существует связь:

Т_рек = а * Т_пл,

где а – коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Для технически чистых металлов а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,8.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т.п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

- первичную рекристаллизацию или рекристаллизацию обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;

- вторичную или собирательную рекристаллизацию, заключающуюся в росте зерен и протекающую при более высокой температуре.

Первичная кристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходят внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из очень мелких зерен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной кристаллизации, заключающийся в росте зерна.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

- зародышевый, состоящий в том, что после первичной кристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, их рост приводит к образованию новых зерен, но их меньше, чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса рекристаллизации зерна в среднем станут крупнее;

- миграционный, состоящий в перемещении границы зерна и увеличении его размеров. Крупные зерна растут за счет «поедания» мелких;

- слияние зерен, состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное. При этом образуется разнозернистая структура с низкими механическими свойствами.

Реализация одного из основных механизмов роста зависит:

- от температуры. При низких температурах рост идет за счет слияния зерен, при высоких – за счет миграции границ зерен;

- от исходного состояния (от степени деформации). При малой степени деформации (3-8%) первичная рекристаллизация затруднена, и рост зерна идет за счет слияния зерен. В конце процесса образуются гигантские зерна. При большой степени деформации (более 10 %) слияние зерен затрудняется, и рост идет за счет миграции границ зерен. Образуются более мелкие зерна. Таким образом, после отжига получается равновесная структура, изменяются механические свойства, снимается наклеп металла, повышается пластичность.

Дата добавления: 2014-01-06