Навчальний посібникдля професійно-технічних училищ. - М.: Машинобудування, 1990. - 256 с.: Іл. — ISBN 5-217-00830-X. У доступній формі викладено основи теорії міцності, пластичності металів та сплавів. Розглянуто пристрій, принцип дії, правила експлуатації приладів та обладнання для проведення випробувань, дефектоскопії. Наведено математичні засади обробки результатів вимірювань. Навчальний посібник можна використовувати під час підготовки робочих з виробництва. Техніка безпеки, протипожежна безпека та виробнича санітарія
Основні відомості щодо техніки безпеки.
Протипожежна безпека.
Виробнича санітарія.
Основні властивості матеріалів
Початкові металеві матеріали. Основні відомості про виробництво металів та сплавів.
Основні властивості металів та сплавів.
Неметалічні матеріали, їх властивості та сфери застосування.
Основи теорії пружної та пластичної деформації та руйнування
Загальна характеристика та атомно-кристалічна будова металів та сплавів.
Поняття про напружено-деформований стан.
Пружна та пластична деформації.
Вплив температури на міцність та пластичність металів та сплавів.
Відомості про процес руйнування.
Механічні випробування металів та сплавів
Класифікація методів випробувань.
Статичні випробування.
Випробування на ударний згин.
Випробування на втому.
Випробування на тривалу міцність та повзучість.
Вимірювання твердості.
Обладнання та прилади для проведення механічних випробувань
Класифікація обладнання та приладів для проведення механічних випробувань.
Пристрій та принцип дії машин для статичних випробувань.
Пристрій та принцип дії машин для ударних випробувань.
Пристрій та принцип дії машин для повторно-змінних навантажень (випробування на втому).
Пристрій та принцип дії машин для проведення спеціальних випробувань.
Прилади для виміру твердості.
Контрольно-вимірювальні засоби, що застосовуються під час випробувань.
Неруйнівні методи контролю. Визначення фізичних властивостейметалів та сплавів
Класифікація методів неруйнівного контролю.
Дефекти металів та сплавів, причини їх виникнення.
Теплові методи виявлення дефектів
Термічний аналіз фазових перетворень у металах та сплавах.
Термічний аналіз за високих температур.
Термічний аналіз при високих швидкостяхнагрівання та охолодження.
Калориметричний аналіз.
Дилатометричний метод.
Магнітні методи.
Електричні методи
Параметричний вихрострумовий метод.
Акустичні методи
Методи капілярного контролю.
Методи течії.
Радіографічний та радіоскопічний методи.
Випробування не металевих матеріалів
Випробування будівельних матеріалівта виробів.
Випробування текстильних матеріалів.
Випробування пластичних мас.
Спеціальні види випробувань
Випробування на оброблюваність металів різанням.
Технологічні тести.
Випробування слюсарного інструменту.
Основні відомості про стандартизацію, метрологію та контроль якості продукції
Державні стандарти та метрологія.
Стандартизація та якість продукції.
Стандарти на випробування матеріалів та готової продукції.
Вимоги до зразків для випробувань та методи обробки результатів випробувань
Проби та виготовлення з них зразків для випробувань.
Статистична обробка результатів випробувань.
Оформлення результатів випробувань.
Список літератури
Міцністю називається здатність металу не піддаватися руйнуванню під впливом зовнішніх навантажень. Цінність металу як машинобудівного матеріалу поряд з іншими властивостями визначається міцністю.
Величина міцності вказує, яка сила потрібна, щоб подолати внутрішній зв'язок між молекулами.
Випробування металів на міцність під час розтягування проводиться на спеціальних машинах різної потужності. Ці машини складаються з навантажувального механізму, який створює зусилля, здійснює розтягування зразка і показує величину зусилля, прикладеного до зразка. Механізми бувають механічної та гідравлічної дії.
Потужність машин різна і сягає 50 т. На рис. 7, а показано пристрій машини, що складається з станини 2 і затискачів 4, за допомогою яких закріплюються зразки 3, що випробовуються.
Верхній затискач закріплений у станині нерухомо, а нижній за допомогою особливого механізму при випробуванні опускається повільно, розтягуючи зразок.
Рис. 7. Випробування металів на розтягування:
а – прилад для випробування металів на розтяг; б – зразки для випробування на розтягування: I – круглий, II – плоский
Навантаження, що передається при випробуванні на зразок, може бути визначено за положенням стрілки приладу вимірювальної шкалою 1.
Випробування зразків має завжди проводитися в однакових умовах, щоб отримані результати можна було порівнювати. Тому відповідними стандартами встановлено певні розміри зразків для випробування.
Стандартними зразками для випробування на розтяг є зразки круглого і плоского перерізів, показані на рис. 7, б.
Плоскі зразки застосовують при випробуванні листів, смугового матеріалу тощо, а якщо профіль металу дозволяє, то роблять круглі зразки.
Межею міцності (σ b) називається найбільша напруга, яка може відчувати матеріал до її руйнування; межа міцності металу дорівнює відношенню найбільшого навантаження при випробуванні зразка на розрив початкової площі поперечного перерізу зразка, тобто.
b = P b /F 0 ,
де Р b - найбільше навантаження, що передує розриву зразка, кгс;
F 0 - Початкова площа поперечного перерізу зразка, мм 2 .
В цілях безпечної роботимашин та споруд необхідно, щоб при експлуатації напруги в матеріалі не перевищували встановленої межі пропорційності, тобто найбільшої напруги, при якій не викликаються деформації.
Межа міцності деяких металів при випробуванні на розтягування, кгс/мм 2:
Свинець 1,8
Алюміній 8
Методи визначення механічних властивостейметалів поділяють на:
- статичні, коли навантаження зростає повільно та плавно (випробування на розтяг, стиснення, вигин, кручення, твердість);
- динамічні, коли навантаження зростає з великою швидкістю(Випробування на ударний вигин);
- циклічні, коли навантаження багаторазово змінюється за величиною та напрямом (випробування на втому).
Випробування на розтягування
При випробуванні на розтяг визначають межу міцності (σ в), межу плинності (σ т), відносне подовження (δ ) і відносне звуження (ψ ). Випробування проводять на розривних машинах з використанням стандартних зразків з площею поперечного перерізу Fo та робочою (розрахунковою) довжиною lo. В результаті проведення випробувань одержують діаграму розтягування (рис. 1). На осі абсцис вказується значення деформації, на осі ординат – значення навантаження, що додається до зразка.
Межа міцності (σ в) – це максимальне навантаження, яке витримує матеріал без руйнування, віднесене до початкової площі поперечного перерізу зразка (Pmax/Fo).
Рис. 1. Діаграма розтягування
При розтягуванні зразок подовжується, а його поперечний перерізбезперервно зменшується. Справжня напруга визначається розподілом чинного в певний момент навантаження на площу, яку зразок має в цей момент. Справжні напруги у повсякденній практиці не визначають, а користуються умовними напругами, вважаючи, що поперечний переріз F зразка залишається незмінним.
Межа плинності (σ т) – це навантаження, коли відбувається пластична деформація, віднесена до початкової площі поперечного перерізу зразка (Рт / Fo). Однак при випробуваннях на розтяг у більшості сплавів майданчика плинності на діаграмах немає. Тому визначається умовна межа плинності (σ 0.2) – напруга, якій відповідає пластична деформація 0,2%. Вибране значення 0,2% досить точно характеризує перехід від пружних деформацій до пластичних.
До характеристик матеріалу відносять також межа пружності (σ пр), під яким мають на увазі напругу, при якому пластична деформація досягає заданого значення. Зазвичай використовують значення залишкової деформації 0,005; 0,02; 0,05%. Таким чином, σ 0,05 = Рпр / Fo (Рпр - навантаження, при якому залишкове подовження становить 0,05%).
Межа пропорційності σ пц = Рпц / Fo (Рпц - максимальне навантаження, при дії якого ще виконується закон Гука).
Пластичність характеризується відносним подовженням (δ) і відносним звуженням (?):
δ = [(lk - lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,
де lk – кінцева довжина зразка; lo і Fo - початкова довжина та площа поперечного перерізу зразка; Fk – площа поперечного перерізу в місці розриву.
Для малопластичних матеріалів випробування на розтягнення викликають утруднення, оскільки незначні перекоси при встановленні зразка вносять істотну похибку визначення руйнівного навантаження. Такі матеріали, як правило, випробовують на вигин.
Випробування на твердість
Нормативні документи:
Твердість – здатність матеріалу чинити опір проникненню до нього іншого, твердішого тіла – індентора. Твердість матеріалу визначають методами Брінелля, Роквелла, Віккерса, Шора (рис.2).
 |
 |
 |
| а | б | в |
Рис. 2. Схеми визначення твердості по Брінеллю(а), Роквеллу(б) та Віккерсу(в)
Твердість металу по Брінеллю вказується літерами НВ та числом. Для перекладу числа твердості до системи СІ користуються коефіцієнтом К = 9,8 106, який множать значення твердості по Бринеллю: НВ = НВ К, Па.
Метод визначення твердості за Брінеллем не рекомендується застосовувати для сталей із твердістю понад НВ 450 та кольорових металів із твердістю понад 200 НВ.
Для різних матеріалів встановлений кореляційний зв'язок між межею міцності (в МПа) і числом твердості НВ: в ≈ 3,4 НВ - для гарячекатаних вуглецевих сталей; у ≈ 4,5 НВ - для мідних сплавів, у ≈ 3,5НВ - для алюмінієвих сплавів.
Визначення твердості методом Роквелла здійснюють шляхом вдавлювання металу алмазного конуса або сталевої кульки. Прилад Роквелла має три шкали – А,В,С. Алмазний конус застосовують для випробування твердих матеріалів (шкали А та С), а кулька – для випробування м'яких матеріалів (шкала В). Залежно від шкали, твердість позначається літерами HRB, HRC, HRA і виражається в спеціальних одиницях.
При вимірі твердості за методом Віккерса роблять вдавлювання в поверхню металу (шліфувану або поліровану) чотиригранної алмазної піраміди. Цей метод застосовують визначення твердості деталей малої товщини і тонких поверхневих шарів, які мають високу твердість (наприклад, після азотування). Твердість по Віккерсу позначають HV. Переведення числа твердості HV в систему СІ проводиться аналогічно до переведення числа твердості НВ.
При вимірі твердості за методом Шора кулька з індентором падає на зразок перпендикулярно його поверхні, а твердість визначається по висоті відскоку кульки і позначається HS.
Метод Кузнєцова – Герберта – Ребіндера – твердість визначається часом загасання коливань маятника, опорою якого є досліджуваний метал.
Випробування на ударну в'язкість
Ударна в'язкість характеризує здатність матеріалу чинити опір динамічним навантаженням і схильності до тендітного руйнування. Для випробування на удар виготовляють спеціальні зразки з надрізом, які потім руйнують маятниковому копре (рис.3). За шкалою маятникового копра визначають роботу, витрачену на руйнування, і розраховують основну характеристику, одержувану внаслідок цих випробувань – ударну в'язкість. Вона визначається ставленням роботи руйнування зразка до площі поперечного перерізу і вимірюється в МДж/м 2 .
Для позначення ударної в'язкості застосовують літери КС і додають третю, яка вказує на вид надрізу на зразку: U, V, T. Запис KCU означає ударну в'язкість зразка з U-подібним надрізом, KCV - з V-подібним надрізом, а KCT - з тріщиною , створеної на підставі надрізу. Робота руйнування зразка під час проведення ударних випробувань містить дві складові: роботу зародження тріщини (Аз) і розповсюдження тріщини (Ар).
Визначення ударної в'язкості особливо важливе для металів, які працюють при низьких температурах і виявляють схильність до холоднокламкості, тобто до зниження ударної в'язкості при зниженні температури експлуатації.
Рис. 3. Схема маятникового копра та ударного зразка
При проведенні ударних випробувань зразків з надрізом за низьких температур визначають поріг холодноламкості, який характеризує вплив зниження температури на схильність матеріалу до крихкого руйнування. При переході від в'язкого до тендітного руйнування спостерігається різке зниження ударної в'язкості в інтервалі температур, що має назву температурний поріг холодноламкості. При цьому змінюється будова зламу від волокнистого матового (в'язке руйнування) до кристалічного блискучого (крихке руйнування). Поріг холодноламкості позначають інтервалом температур (tв.- tхр.) або однією температурою t50, при якій у зламі зразка спостерігається 50% волокнистої складової або величина ударної в'язкості знижується вдвічі.
Про придатність матеріалу до роботи при заданій температурі судять за температурним запасом в'язкості, який визначається за різницею між температурою експлуатації і перехідною температурою холодноламкості, і чим він більший, тим надійніший матеріал.
Випробування на втому
Втома - процес поступового накопичення пошкоджень матеріалу під дією повторно-змінних напруг, які призводять до утворення тріщин та руйнувань. Втома металу викликається концентрацією напруг в окремих його обсягах (у місцях скупчення неметалевих та газових включень, структурних дефектів). Властивість металу чинити опір втомі називається витривалістю.
Випробування на втому проводять на машинах для повторно-змінного згинання зразка, що обертається, закріпленого одним або обома кінцями, або на машинах для випробувань на розтягування-стиск, або на повторно-змінне скручування. В результаті випробувань визначають межу витривалості, що характеризує опір матеріалу втоми.
Межа витривалості - максимальна напруга, при дії якої не відбувається руйнування втоми після базової кількості циклів навантаження.
Межа витривалості позначається R, де R - коефіцієнт асиметрії циклу.
Для визначення межі витривалості проводять випробування щонайменше десять зразків. Кожен зразок випробовують тільки при одному напрузі до руйнування або за базового числа циклів. Базове число циклів має бути не нижче 107 навантажень (для сталі) та 108 (для кольорових металів).
Важливою характеристикою конструкційної міцності є живучість при циклічному навантаженні, під якою розуміють тривалість експлуатації деталі від моменту зародження першої тріщини макроскопічної втомної розміром 0,5 ... 1 мм до остаточного руйнування. Живучість має особливе значення для надійності експлуатації виробів, безаварійна робота яких підтримується шляхом раннього виявлення та запобігання подальшому розвитку втомних тріщин.
Металам притаманні висока пластичність, тепло- та електропровідність. Вони мають характерний металевий блиск.
Властивості металів мають близько 80 елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва. Для металів, а також для металевих сплавів, особливо конструкційних, велике значення мають механічні властивості, основними з яких є міцність, пластичність, твердість та ударна в'язкість.
Під дією зовнішнього навантаження у твердому тілі виникають напруга та деформація. віднесена до первісної площі поперечного перерізу зразка.
Деформація –це зміна форми та розмірів твердого тіла під дією зовнішніх сил або в результаті фізичних процесів, що виникають у тілі при фазових перетвореннях, усадці тощо. Деформація може бути пружна(зникає після зняття навантаження) та пластична(Зберігається після зняття навантаження). При дедалі більшому навантаженні пружна деформація, як правило, переходить у пластичну, і далі зразок руйнується.
Залежно від способу застосування навантаження методи випробування механічних властивостей металів, сплавів та інших матеріалів діляться на статичні, динамічні та знакозмінні.
Міцність –здатність металів чинити опір деформації чи руйнуванню статичним, динамічним чи знакозмінним навантаженням. Міцність металів при статичних навантаженнях випробовують на розтягування, стиск, вигин та кручення. Випробування на розрив є обов'язковим. Міцність при динамічних навантаженнях оцінюють питомою ударною в'язкістю, а при знакозмінних навантаженнях - міцністю втоми.
Для визначення міцності, пружності та пластичності метали у вигляді зразків круглої або плоскої форми випробовують на статичне розтягування. Випробування проводять на розривних машинах. В результаті випробувань одержують діаграму розтягування (рис. 3.1) . По осі абсцис цієї діаграми відкладають значення деформації, а осі ординат – значення напруги, прикладеного до зразка.
З графіка видно, що хоч би мало було прикладене напруга, воно викликає деформацію, причому початкові деформації є завжди пружними і величина їх перебуває у прямій залежності від напруги. На кривій, що наведена на діаграмі (рис. 3.1), пружна деформація характеризується лінією ОАта її продовженням.
Рис. 3.1. Крива деформація
Вище точки Апорушується пропорційність між напругою та деформацією. Напруга викликає не тільки пружну, а й залишкову, пластичну деформацію. Величина її дорівнює горизонтальному відрізку від штрихової лінії до суцільної кривої.
При пружному деформуванні під впливом зовнішньої сили змінюється відстань між атомами в кристалічній решітці. Зняття навантаження усуває причину, що спричинила зміну міжатомної відстані, атоми стають колишні місця і деформація зникає.
Пластичне деформування є зовсім іншим, значно складнішим процесом. При пластичному деформуванні одна частина кристала переміщається по відношенню до іншої. Якщо зняти навантаження, то переміщена частина кристала не повернеться на старе місце; деформація збережеться. Ці зрушення виявляються при мікроструктурному дослідженні. Крім того, пластичне деформування супроводжується дробленням блоків мозаїки всередині зерен, а при значних ступенях деформації спостерігається також помітна зміна форм зерен та їх розташування у просторі, причому між зернами (іноді й усередині зерен) виникають порожнечі (пори).
Подана залежність ОАВ(див. рис. 3.1) між прикладеним ззовні напругою ( σ ) та викликаною ним відносною деформацією ( ε ) характеризує механічні властивості металів.
· нахил прямий ОАпоказує жорсткість металу, або характеристику того, як навантаження, що додається ззовні, змінює міжатомні відстані, що в першому наближенні характеризує сили міжатомного тяжіння;
· тангенс кута нахилу прямої ОА пропорційний модулю пружності (Е), який чисельно дорівнює частці від поділу напруги на відносну пружну деформацію:
· Напруга, яка називається межею пропорційності ( σ пц) відповідає моменту появи пластичної деформації. Чим точніше метод виміру деформації, тим нижче лежить точка А;
· У технічних вимірах прийнята характеристика, що називається межею плинності (σ 0,2). Це напруга, що викликає залишкову деформацію, що дорівнює 0,2% від довжини або іншого розміру зразка, вироби;
· максимальна напруга ( σ в) відповідає максимальному напрузі, досягнутому при розтягуванні, і називається тимчасовим опором або межею міцності .
Ще однією характеристикою матеріалу є величина пластичної деформації, що передує руйнуванню та визначається як відносна зміна довжини (або поперечного перерізу) – так зване відносне подовження (δ ) або відносне звуження (ψ ), вони характеризують пластичність металу. Площа під кривою ОАВпропорційна роботі, яку треба витратити, щоб зруйнувати метал. Цей показник визначається у різний спосіб(головним чином шляхом удару за надрізаним зразком), характеризує в'язкість металу.
При розтягуванні зразка до руйнування фіксуються графічно (рис. 3.2) залежності між зусиллям і подовженням зразка, в результаті цього отримують так звані діаграми деформації.
Рис. 3.2. Діаграма "зусилля (напруга) - подовження"
Деформація зразка при навантаженні сплаву спочатку є макропружною, а потім поступово і в різних зернах при неоднаковому навантаженні переходить у пластичну, що відбувається шляхом зсувів дислокаційного механізму. Накопичення дислокацій в результаті деформації веде до зміцнення металу, але при значній їх щільності, особливо в окремих ділянках, виникають осередки руйнування, що призводять, зрештою, до повного руйнування зразка в цілому.
Міцність при випробуванні на розтяг оцінюють такими характеристиками:
1) межею міцності на розрив;
2) межею пропорційності;
3) межею плинності;
4) межею пружності;
5) модулем пружності;
6) межею плинності;
7) відносним подовженням;
8) відносним рівномірним подовженням;
9) відносним звуженням після розриву.
Межа міцності на розрив (Між міцності або тимчасовий опір розриву) σ в,- це напруга, що відповідає найбільшому навантаженню Р Впопередньої руйнації зразка:
σ = Р в / F 0 ,
Ця характеристика є обов'язковою для металів.
Межа пропорційності (σ пц) – це умовна напруга Рпц, при якому починається відхилення від пропорційної залежності мости між деформацією та навантаженням. Він дорівнює:
σ пц = Р пц / F 0.
Значення σ пц вимірюють в кгс/мм 2 або МПа .
Межа плинності (σ т) - це напруга ( Рт) при якому зразок деформується (тече) без помітного збільшення навантаження. Обчислюється за такою формулою:
σ т = Рт/ F 0 .
Межа пружності (σ 0,05) - напруга, при якому залишкове подовження досягає 0,05% довжини ділянки робочої частини зразка, що дорівнює базі тензометра. Межа пружності σ 0,05 обчислюють за формулою:
σ 0,05 = Р 0,05 /F 0 .
Модуль пружності (Е) – відношення збільшення напруги до відповідного збільшення подовження в межах пружної деформації. Він дорівнює:
Е = Рl 0 / l ср F 0 ,
де ∆Р- Збільшення навантаження; l 0- Початкова розрахункова довжина зразка; l порівн- Середнє збільшення подовження; F 0 – Початкова площа поперечного перерізу.
Межа плинності
(умовний)
- напруга при якому залишкове подовження досягає 0,2% довжини ділянки зразка на його робочій частині, подовження якого береться до уваги при визначенні зазначеної характеристики.
Обчислюється за такою формулою:
σ 0,2 = Р 0,2 /F 0 .
Умовну межу плинності визначають лише за відсутності на діаграмі розтягування майданчика плинності.
Відносне подовження (після розриву) - Одна з характеристик пластичності матеріалів, що дорівнює відношенню збільшення розрахункової довжини зразка після руйнування ( l до) до початкової розрахункової довжини ( l 0) в процентах:
Відносне рівномірне подовження (δ р)- Відношення збільшення довжини ділянок у робочій частині зразка після розриву до довжини до випробування, виражене у відсотках.
Відносне звуження після розриву (ψ ), як і відносне подовження - характеристика пластичності матеріалу. Визначається як відношення різниці F 0 та мінімальної ( F до) площі поперечного перерізу зразка після руйнування до початкової площі поперечного перерізу ( F 0), виражене у відсотках:
Пружність – властивість металів відновлювати свою колишню форму після зняття зовнішніх сил, що спричиняють деформацію. Гнучкість - властивість, зворотне пластичності.
Найчастіше визначення міцності користуються простим, не руйнуючим виріб (зразок), спрощеним методом – виміром твердості.
Під твердістю матеріалу розуміється опір проникненню в нього стороннього тіла, тобто, по суті, твердість теж характеризує опір деформації. Існує багато методів визначення твердості. Найбільш поширеним є метод Брінелля (рис. 3.3, а), коли у випробуване тіло під дією сили Рвпроваджується кулька діаметром D. Число твердості за Брінеллем (НВ) є навантаження ( Р), поділена на площу сферичної поверхні відбитка (діаметром d).
Рис. 3.3. Випробування на твердість:
а – за Брінеллем; б - за Роквеллом; в – за Віккерсом
При вимірі твердості методом Віккерса (рис. 3.3 б) вдавлюється алмазна піраміда. Вимірявши діагональ відбитка ( d), судять про твердість (HV) матеріалу.
При вимірі твердості методом Роквелла (рис. 3.3, в) індентором служить алмазний конус (іноді маленька сталева кулька). Число твердості - це значення, зворотне глибині вдавлювання ( h). Є три шкали: А, У, З (табл. 3.1).
|
|
Методи Брінелля та Роквелла за шкалою B застосовують для м'яких матеріалів, а метод Роквелла за шкалою C – для твердих, а метод Роквелла за шкалою A та метод Віккерса – для тонких шарів (аркушів). Описані методи виміру твердості характеризують середню твердість металу. Щоб визначити твердість окремих структурних складових сплаву, треба різко локалізувати деформацію, вдавлювати алмазну піраміду на певне місце, знайдене на шліфі зі збільшенням у 100 – 400 разів під дуже невеликим навантаженням (від 1 до 100 гс) з наступним виміром під мікроскопом діагоналі . Отримана характеристика ( Н) називається мікротвердістю , та характеризує твердість певної структурної складової.
Таблиця 3.1 Умови випробування під час вимірювання твердості методом Роквелла
|
Умови випробування |
Позначення т вердості |
|
|
Р= 150 кгс |
||
|
При випробуванні алмазним конусом та навантаженні Р= 60 кгс |
||
|
При вдавлюванні сталевої кульки та навантаженні Р= 100 кгс |
Значення НВ вимірюють у кгс/мм 2 (у цьому випадку одиниці часто не вказуються) або СІ – у МПа (1 кгс/мм 2 = 10 МПа).
В'язкість – здатність металів чинити опір ударним навантаженням. В'язкість – властивість, зворотна крихкості. Багато деталей у процесі роботи відчувають як статичні навантаження, але піддаються також ударним (динамічним) навантаженням. Наприклад, такі навантаження зазнають колеса локомотивів та вагонів на стиках рейок.
Основний вид динамічних випробувань – ударне навантаження надрізаних зразків за умов вигину. Динамічне навантаження ударом здійснюється на маятникових копрах (рис. 3.4), а також вантажем, що падає. При цьому визначають роботу, витрачену на деформацію та руйнування зразка.
Зазвичай у цих випробуваннях визначають питому роботу, витрачену на деформацію та руйнування зразка. Її розраховують за такою формулою:
КС =K/ S 0 ,
де КС- Питома робота; До- Повна робота деформації та руйнування зразка, Дж; S 0- Поперечний переріз зразка в місці надрізу, м 2 або см 2 .
Рис. 3.4. Випробування на ударну в'язкість за допомогою маятникового копра
Ширина зразків всіх типів вимірюється до випробувань. Висоту зразків з U- та V-подібним надрізом вимірюють до випробувань, а з Т-подібним надрізом вже після випробувань. Відповідно питома робота деформації руйнування позначається KCU, KCV та КСТ.
Крихкість металів в умовах низьких температур називають холодоємкістю . Значення ударної в'язкості у своїй значно нижче, ніж за кімнатної температурі.
Ще однією характеристикою механічних властивостей матеріалів є втомна міцність. Деякі деталі (вали, шатуни, ресори, пружини, рейки тощо) у процесі експлуатації зазнають навантажень, що змінюються за величиною або одночасно за величиною та напрямком (знаком). Під впливом таких знакозмінних (вібраційних) навантажень метал втомлюється, міцність його знижується і деталь руйнується. Це явище називають втомоюметалу, а злами, що утворилися, - втомними. Для таких деталей потрібно знати межа витривалості, тобто. величину найбільшої напруги, яку метал може витримати без руйнування при заданій кількості змін навантаження (циклів) ( N).
Зносостійкість –опір металів зношування внаслідок процесів тертя. Це важлива характеристика, наприклад, для контактних матеріалів і, зокрема, для контактного дроту та струмознімальних елементів струмоприймача електрифікованого транспорту. Знос полягає у відриві з поверхні, що труться, окремих її частинок і визначається по зміні геометричних розмірів або маси деталі.
Втомна міцність і зносостійкість дають найбільш повне уявлення про довговічність деталей у конструкціях, а в'язкість характеризує надійність цих деталей.
Хімічні випробування зазвичай полягають у тому, що стандартними методами якісного та кількісного хімічного аналізу визначається склад матеріалу та встановлюється наявність або відсутність небажаних та легуючих домішок. Вони часто доповнюються оцінкою стійкості матеріалів, зокрема з покриттями, до корозії під впливом хімічних реагентів. При макротравленні поверхню металевих матеріалів, особливо легованих сталей, піддають селективному впливу хімічних розчинів виявлення пористості, сегрегації, ліній ковзання, включень, і навіть грос-структури. Присутність сірки та фосфору у багатьох сплавах вдається виявити методом контактних відбитків, при якому поверхня металу притискається до сенсибілізованого фотопаперу. За допомогою спеціальних хімічних розчинів оцінюється схильність матеріалів до сезонного розтріскування. Проба на іскру дозволяє швидко визначити тип досліджуваної сталі.
Методи спектроскопічного аналізу особливо цінні тим, що дозволяють оперативно проводити якісне визначення малих кількостей домішок, які неможливо виявити іншими хімічними методами. Такі багатоканальні прилади з фотоелектричною реєстрацією, як квантометри, поліхроматори та квантоваки автоматично аналізують спектр металевого зразка, після чого індикаторний пристрій вказує вміст кожного присутнього металу.
Механічні методи
Механічні випробування зазвичай проводять для з'ясування поведінки матеріалу у певному напруженому стані. Такі випробування дають важливу інформацію про міцність та пластичність металу. На додаток до стандартним видамвипробувань може застосовуватися спеціально розроблене обладнання, яке відтворює ті чи інші специфічні умови експлуатації виробу. Механічні випробування можуть проводитися в умовах або поступового застосування напруг (статичного навантаження), або ударного навантаження (динамічного навантаження).
Види напруги.
За характером дії напруги поділяються на розтягувальні, стискаючі та зсувні. Скручують моменти викликають особливий вид зсувних напруг, а згинальні моменти - поєднання розтягуючих і стискаючих напруг (зазвичай за наявності зсувних). Всі ці різні видинапруги можуть бути створені в зразку за допомогою стандартного обладнання, що дозволяє визначати гранично допустимі та руйнівні напруги.
Випробування розтягування.
Це – один із найпоширеніших видів механічних випробувань. Ретельно підготовлений зразок поміщають у захоплення потужної машини, яка прикладає до нього зусилля, що розтягують. Реєструється подовження, що відповідає кожному значенню напруги, що розтягує. За даними може бути побудована діаграма напруга – деформація. При малих напругах задане збільшення напруги викликає лише невелике збільшення деформації, що відповідає пружній поведінці металу. Нахил лінії напруга – деформація служить мірою модуля пружності, доки досягне межа пружності. Вище межі пружності починається пластичний перебіг металу; Подовження швидко збільшується до руйнування матеріалу. Межа міцності при розтягуванні – це максимальна напруга, яку метал витримує під час випробування.
Випробування на ударну в'язкість.
Один із найважливіших видів динамічних випробувань – випробування на ударну в'язкість, які проводяться на маятникових копрах із зразками, що мають надріз або без надрізу. За вагою маятника, його початковій висоті та висоті підйому після руйнування зразка обчислюють відповідну роботу удару (методи Шарпі та Ізода).
Випробування на втому.
Такі випробування мають на меті дослідження поведінки металу при циклічному додатку навантажень та визначення межі витривалості матеріалу, тобто. напруги, нижче за який матеріал не руйнується після заданого числа циклів навантаження. Найчастіше застосовується машина для випробування на втому при згинанні. При цьому зовнішні волокна циліндричного зразка піддаються дії напруг, що циклічно змінюються - то розтягуючих, то стискаючих.
Випробування на глибоку витяжку.
Зразок листового металузатискається між двома кільцями, і в нього вдавлюється кульовий пуансон. Глибина вдавлювання та час до руйнування є показниками пластичності матеріалу.
Випробування на повзучість.
У таких випробуваннях оцінюється спільний вплив тривалого застосування навантаження та підвищеної температурина пластичну поведінку матеріалів при напругах, що не перевищують межі плинності, що визначається у випробуваннях малої тривалості. Надійні результати можуть бути отримані лише на обладнанні, що забезпечує точний контроль за температурою зразка та точний вимір дуже малих змін розмірів. Тривалість випробувань на повзучість зазвичай становить кілька тисяч годин.
Визначення твердості.
Твердість найчастіше вимірюють методами Роквелла і Брінелля, у яких мірою твердості служить глибина вдавлювання «індентора» (наконечника) певної форми під впливом відомої навантаження. На склероскопі Шора твердість визначається відскоком бойка з алмазним наконечником, що падає з певної висоти на поверхню зразка. Твердість – дуже гарний показникфізичного стану металу За твердістю даного металу часто можна з упевненістю судити про його внутрішню структуру. Випробування на твердість часто беруть на озброєння відділи технічного контролюна виробництвах. У тих випадках, коли однією з операцій є термообробка, нерідко передбачається суцільний контроль за твердістю всієї продукції, що виходить з автоматичної лінії. Такий контроль якості неможливо здійснити іншими описаними вище методами механічних випробувань.
Випробування на злам.
У таких випробуваннях зразок з шийкою руйнують різким ударом, а потім злам досліджують під мікроскопом, виявляючи пори, включення, волосинки, флокени та сегрегацію. Подібні випробування дозволяють оцінити розмір зерна, товщину загартованого шару, глибину цементації або розвуглецювання та інші елементи грос-структури в сталях.
Оптичні та фізичні методи.
Мікроскопічне дослідження.
Металургійний і (меншою мірою) поляризаційний мікроскопи часто дозволяють надійно судити про якість матеріалу та його придатність для виду застосування, що розглядається. При цьому вдається визначити структурні характеристики, зокрема розміри та форму зерен, фазові співвідношення, наявність та розподіл диспергованих сторонніх матеріалів.
Радіографічний контроль.
Жорстке рентгенівське або гамма-випромінювання спрямовується на випробувану деталь з одного боку та реєструється на фотоплівці, розташованій з іншого боку. На отриманій тіньовій рентгено- або гаммаграмі виявляються такі недосконалості, як пори, сегрегація та тріщини. Зробивши опромінення у двох різних напрямках, можна визначити точне розташування дефекту. Такий метод часто застосовується контролю якості зварних швів.
Магнітно-порошковий контроль.
Цей метод контролю придатний лише феромагнітних металів – заліза, нікелю, кобальту – та його сплавів. Найчастіше він застосовується для сталей: деякі види поверхневих та внутрішніх дефектів вдається виявити нанесенням магнітного порошку на попередньо намагнічений зразок.
Ультразвуковий контроль.
Якщо метал послати короткий імпульс ультразвуку, він частково відіб'ється від внутрішнього дефекту – тріщини чи включення. Відображені ультразвукові сигнали реєструються приймальним перетворювачем, посилюються і видаються на екрані електронного осцилографа. За виміряним часом їхнього приходу до поверхні можна обчислити глибину дефекту, від якого відбився сигнал, якщо відома швидкість звуку в даному металі. Контроль проводиться дуже швидко і часто не вимагає виведення деталей з експлуатації.
Спеціальні методи.
Існує ряд спеціалізованих методів контролю, що мають обмежену застосовність. До них відноситься, наприклад, метод прослуховування зі стетоскопом, що ґрунтується на зміні вібраційних характеристик матеріалу за наявності внутрішніх дефектів. Іноді проводять випробування на циклічну в'язкість визначення демпфирующей здатності матеріалу, тобто. його здатність поглинати вібрації. Вона оцінюється по роботі, що перетворюється на теплоту в одиниці об'єму матеріалу за повний цикл обертання напруги. Інженеру, що займається проектуванням будівель і машин, схильних до вібрацій, важливо знати здатність компійних матеріалів, що демпфує.
