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 поверхня металевих матеріалів, особливо легованих сталей, піддають селективному впливу хімічних розчинів виявлення пористості, сегрегації, ліній ковзання, включень, і навіть грос-структуры. 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 температури на 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 непоганий показник фізичного 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.
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 до початкової площі поперечного перерізузразка, 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
Розрахунки та випробування на міцність у машинобудуванні МЕТОДИ МЕХАНІЧНИХ ВИПРОБУВАНЬ МЕТАЛІВ
Методи випробувань на втому
Strength analysis and testing in machine ГОСТ 23026-78
Будівництво. Methods of metals mechanical та ГОСТ 2860-65
testing. Methods of fatigue testing у частині 6Л та 6.2
МКС 77.040.10 ОКП 00 2500
Постановою Державного комітетуСРСР за стандартами від 30 листопада 1979 р. № 4146 дату введення встановлено
Обмеження терміну дії знято за протоколом № 2-92 Міждержавної ради стандартизації, метрології та сертифікації (ІВС 2-93)
Цей стандарт встановлює методи випробувань зразків металів та сплавів на втому:
при розтягуванні - стисканні, згинанні та крученні;
при симетричних та асиметричних циклах напруг або деформацій, що змінюються за простим періодичним законом із постійними параметрами;
за наявності та відсутності концентрації напруг;
при нормальній, підвищеній та зниженій температурах;
за наявності чи відсутності агресивного середовища;
у багато- та малоцикловій пружній та пружнопластичній ділянці.
Терміни, визначення та позначення, що застосовуються у стандарті, - за ГОСТ 23207-78.
Стандарт не встановлює спеціальних методів випробувань зразків, які використовуються при відпрацюванні міцності високонапружених конструкцій.
Розділи 2-4 стандарту та програми можуть бути використані для випробувань на втому елементів машин та конструкцій.
1. МЕТОДИ ВІДБОРУ ЗРАЗКІВ
1.1. Випробування металів на втому проводять на гладких зразках круглого перерізу типів I (чорт. 1, табл. 1) та II (чорт. 2, табл. 2), а також прямокутного перерізу типів III(чорт. 3, табл. 3) та IV (чорт. 4, табл. 4).
Видання офіційне
Передрук заборонено
★
Видання із Зміною № 1, затвердженим у грудні 1985 р. (ІУС 3-86).
Робоча частина зразка типу I
Таблиця 1 мм
Робоча частина зразка типу II
G-2
Таблиця 2 мм
Робоча частина зразка типу IV
Таблиця 4 мм
1.2. Чутливість металу до концентрації напруги та впливу абсолютних розмірів визначають на зразках типів:
V - з V-подібною кільцевою виточкою (чорт. 5, табл. 5-8);
Робоча частина зразка типу У
Таблиця 5
|
При згинанні |
|||||||
Таблиця 6
|
При розтягуванні-стисканні |
|||||||
Таблиця 7
|
При крученні |
|||||||
Таблиця 8
|
При розтягуванні-стисканні |
кручення |
|||||||
VI - із симетричними бічними надрізами V-подібного профілю (чорт. 6, табл. 9);
Робоча частина зразка типу VI
Таблиця 9
VIII - з кільцевою виточкою кругового профілю (чорт. 8, табл. 11); Робоча частина зразка типу VIII
|
При рості- | ||||||
|
кручення |
||||||
IX - з двома симетрично розташованими отворами (чорт. 9, табл. 12);
Робоча частина зразка типу IX
X - із симетричними бічними надрізами V-подібного профілю (чорт. 10, табл. 13).
Робоча частина зразка типу X
Розміри зразків вибирають таким чином, щоб параметр подібності втомного руйнування
(L - периметр робочого перерізу зразка або його частина, що прилягає до зони підвищеної напруженості; G - відносний градієнт першої головної напруги).
При згинанні з обертанням, кручення та розтягування - стисканні зразків типів I, II, V, VIII
L ж" d,
при згинанні в одній площині зразків типів III, IV, VI, а також при розтягуванні - стиску зразків типу VI L = 2Ь;
при розтягуванні - стиску зразків типів III, IV, VII, IX, X L = 2h.
1.3. Для випробування на малоциклову втому застосовують зразки типів II та IV, якщо відсутня небезпека поздовжнього вигину.
Дозволяється застосовувати зразки типів I та III.
1.4. Робоча частина зразків повинна бути виготовлена за точністю не нижче 7-го квалітету ГОСТ 25347-82.
1.5. Параметр шорсткості поверхні робочої частини зразків Ra повинен бути 0,32-0,16 мкм за ГОСТ 2789-73.
Поверхня не повинна мати слідів корозії, окалини, ливарних кірок та кольорів втечі іт. п., якщо це передбачено завданнями дослідження.
1.6. Відстань між захватами випробувальної машини вибирають так, щоб виключити поздовжній згин зразка та вплив зусиль у захватах на напруженість у його робочій частині.
1.7. Вирізка заготовок, маркування та виготовлення зразків не повинні істотно впливати на втомні властивості вихідного матеріалу. Нагрів зразка при виготовленні не повинен викликати структурних змін та фізико-хімічних перетворень у металі; припуски на обробку, параметри режиму та послідовність обробки повинні зводити до мінімуму наклеп та виключати місцевий перегрів зразків при шліфуванні, а також тріщини та інші дефекти. Зняття останньої стружки з робочої частини та головок зразків проводять з однієї установки зразка; задирки на бічних гранях зразків і кромках надрізів повинні бути видалені. Заготовки вирізують у місцях з певною орієнтацією по відношенню до макроструктури та напруженого стану виробів.
1.8. У межах наміченої серії випробувань технологія виготовлення зразків із однотипних металів має бути однаковою.
1.9. Вимір розмірів робочої частини виготовлених зразків до випробувань не повинен викликати пошкодження її поверхні.
1.10. Робочу частину зразка вимірюють з похибкою трохи більше 0,01 мм.
2.1. Машини для випробувань на втому повинні забезпечувати навантаження зразків за однією або декількома схемами, наведеними на рис. 11-16. Машини для випробувань на втому, що забезпечують проведення статистичних випробувань на розрив, повинні відповідати вимогам ГОСТ 1497-84.
2. АПАРАТУРА
Чистий вигин при обертанні зразків типів I, II, V, VIII
Поперечний вигин при обертанні зразків типів I, II, V, VHI при консольному навантаженні
Чистий вигин однієї площини зразків типів I-VIII
Робочий переріз зразка
Поперечний вигин в одній Повторно-змінне розтягування
площини зразків типів I-VIII стиснення зразків типів I-X
при консольному навантаженні
Робочий перетин
| Зразок |
Чорт. 14 Чорт. 15
Повторно-змінне кручення зразків типів I, II, У, VIII
2.2. Сумарна похибка навантаження в процесі випробування зразків залежить від типу машин і частоти навантаження і не повинна перевищувати в інтервалі 0,2-1,0 кожного діапазону навантаження у відсотках вимірюваної величини:
± 2 % - при /< 0,5 Гц;
± 3% - за 0,5
± 5 % - при 50 Гц.
При випробуванні на гідропульсаційних і резонансних машинах без тензометричного силовимірювання в інтервалі 0-0,2 кожного діапазону навантаження похибка вимірювання навантаження не повинна перевищувати ± 5 % напруг, що задаються.
2.3. Похибка вимірювань, підтримання та запису деформацій при малоциклових випробуваннях не повинна перевищувати ± 3 % вимірюваної величини в інтервалі 0,2-1,0 кожного діапазону навантаження.
2.4. Абсолютна похибка вимірювання, підтримки та реєстрації навантажень та деформацій в інтервалі 0-0,2 кожного діапазону не повинна перевищувати абсолютних похибок на початку цього діапазону навантаження.
2.5. Навантаження (при м'якому навантаженні) або деформації (при жорсткому навантаженні) повинні відповідати 0,2-0,8 діапазону вимірювань, що застосовується.
2.6. При випробуванні на малоциклове розтягування або стискування та розтягування - стиснення додаткові деформації вигину зразка від неспіввісності навантаження не повинні перевищувати 5 % деформацій розтягування або стиснення.
2.7. При випробуваннях на малоциклову втому має бути забезпечений безперервний вимір, а також безперервна або періодична реєстрація процесу деформування робочої частини зразка.
2.8. Допускається калібрування випробувального устаткування при статичних режимах (зокрема і несоосность навантаження) з оцінкою динамічної складової похибки розрахунковим чи непрямим способами.
3. ПРОВЕДЕННЯ ВИПРОБУВАНЬ
3.1. При випробуванні зразків допускається м'яке та жорстке навантаження.
3.2. В межах наміченої серії випробувань усі зразки навантажують одним способом та випробовують на однотипних машинах.
3.3. Випробування зразків проводять безперервно до утворення тріщини заданого розміру, повного руйнування або базового числа циклів.
Допускаються перерви у випробуваннях з урахуванням умов їх проведення та обов'язковою оцінкою впливу перерв на результати випробувань.
(Змінена редакція, Зм. № 1).
3.4. У процесі випробування зразків контролюють стабільність навантажень (деформацій), що задаються.
3.5. Випробування серії однакових зразків при асиметричних циклах проводять:
або при однакових для всіх зразків середніх напруг (деформаціях) циклу;
або за однакового всім зразків коефіцієнті асиметрії циклу.
3.6. Для побудови кривої розподілу довговічності та оцінки середнього значення та середньоквадратичного відхилення логарифму довговічності на заданому рівні напруги відчувають серію об'ємом не менше 10 однакових зразків до повного руйнування або утворення макротріщин.
3.7. Випробування на багатоциклову втому
3.7.1. Основними критеріями руйнування щодо меж витривалості і побудові кривих втоми є повне руйнація чи поява макротріщин заданого розміру.
3.7.2. Для побудови кривої втоми та визначення межі витривалості, що відповідає ймовірності руйнування 50%, зазнають не менше 15 однакових зразків.
В інтервалі напруги 0,95-1,05 від межі витривалості, що відповідає ймовірності руйнування 50 %, повинні бути випробувані не менше трьох зразків, при цьому не менше половини з них не повинні руйнуватися до бази випробувань.
3.7.3. База випробувань для визначення меж витривалості приймається:
10 10 6 циклів - для металів та сплавів, що мають практично горизонтальну ділянку на кривій втомі;
100 10 6 циклів - для легких сплавів та інших металів та сплавів, ординати кривих втоми яких по всій довжині безперервно зменшуються зі зростанням числа циклів.
Для порівняльних випробувань база визначення меж витривалості відповідно приймається 3 10^ і 10 10^ циклів.
3.7.4. Для побудови сімейства кривих втоми за параметром ймовірності руйнування, побудови кривої розподілу межі витривалості, оцінки середнього значення та середньоквадратичного відхилення межі витривалості відчувають серії обсягом не менше 10 однакових зразків, на кожному з 4-6 рівнів напруги.
3.7.5. Від 10 до 300 Гц частота циклів не регламентується, якщо випробування проводять у звичайних атмосферних умовах (за ГОСТ 15150-69) та якщо температура робочої частини зразка при випробуваннях не вище 50 °С.
Для зразків з легкоплавких та інших сплавів, що виявляють зміни механічних властивостейдо температури 50 °С, допустиму температуру випробування встановлюють особливо.
3.8. Випробування на малоциклову втому (при довговічності до 5 1(І циклів*)
3.8.1. Основним видом навантаження при випробуваннях є розтяг - стиск.
3.8.2. Верхній рівень частот випробувань обмежується значеннями, що виключають саморозігрів зразка понад 50 °С для легких сплавів і понад 100 °С для сталей.
У всіх випадках частоту циклів вказують при поданні результатів випробувань.
Для реєстрації діаграм деформування допускається в процесі випробувань перехід на нижчі частоти, що відповідають необхідної роздільної здатності та точності приладів вимірювання та реєстрації циклічних напруг та деформацій.
3.8.3 При випробуванні на розтяг - стиснення зразків типів II і IV вимірювання деформацій слід проводити в поздовжньому напрямку.
При випробуванні зразків типів І та ІІІ допускається вимірювати деформації в поперечному напрямку.
Примітка. Для наближеного перерахунку поперечної деформації в поздовжню використовують формулу
Е прод - ^ (е у) попер ^ (Е р) попер'
де (Еу) попер - пружна складова поперечної деформації;
(Ер) попер - пластична складова поперечної деформації.
3.9. Випробування при підвищеній та зниженій температурах
3.9.1. Випробування при підвищеній і зниженій температурах проводять при тих же видах деформації і зразках, що і при нормальній температурі.
* Число циклів 5 ■ 10 4 є умовною межею мало- та багатоциклової втоми. Це значення для пластичних сталей та сплавів характеризує середню кількість циклів для зони переходу від пружнопластичного до пружного циклічного деформування. Для високопластичних сплавів перехідна зона зміщується у бік більших довговічностей, для крихких – у бік менших.
3.9.3. Температуру випробування зразків контролюють за даними динамічного тарування температурного перепаду між зразком і пічним простором. Температурне тарування проводять з урахуванням впливу тривалості випробування. При таруванні термопари закріплюють на зразку.
3.9.4. Термопари довіряють як до випробування, так і після нього за ГОСТ 8.338-2002. При випробуванні на базах більше 10 7 циклів виробляють, крім того, проміжні перевірки термопар.
3.9.5. Нерівномірність розподілу температури по довжині робочої частини при випробуванні гладких зразків типів II та IV не повинна перевищувати 1 % на 10 мм заданої температури випробування. При випробуванні гладких зразків типів I, III та зразків із концентраторами напруг нерівномірність розподілу температури регламентується на відстані ± 5 мм від мінімального перерізу зразка. Відхилення від заданої температури не повинно перевищувати 2%.
3.9.6. У процесі випробування відхилення температури, що допускаються, на робочій частині зразка в °С не повинні виходити за межі:
до 600 включ..........±6;
св. 601 до 900 »............±8;
» 901 » 1200 »............±12.
3.9.7. Навантаження зразків проводять після встановлення теплового режимусистеми "зразок-піч" при досягненні заданої температури зразка.
3.9.8. Базу випробувань приймають відповідно до п. 3.7.3 цього стандарту.
3.9.9. Для сумісності результатів випробування даної серії зразків проводять при однаковій частоті та базі, якщо метою випробувань не є дослідження впливу частоти навантаження. У протоколах випробування вказують як кількість пройдених циклів, а й повний час випробування кожного зразка.
3.10. Випробування в умовах агресивного середовища
3.10.1. Випробування в умовах агресивного середовища проводять за тих же видів деформації і на тих же зразках, що і за відсутності агресивного середовища. Допускається одночасне випробування групи зразків із реєстрацією моменту руйнування кожного.
3.10.2. Зразок повинен безперервно перебувати в газовому або рідинному агресивному середовищі.
3.10.3. При випробуваннях в агресивному середовищі має бути забезпечена стабільність параметрів агресивного середовища та його взаємодії з поверхнею зразка. Вимоги до періодичності контролю складу агресивного середовища визначаються складом середовища проживання і завданнями дослідження.
3.10.4. Для сумісності результатів випробування даної серії зразків проводять при однаковій частоті та базі, якщо метою випробувань не є дослідження впливу частоти навантаження.
3.9-3.9.9,3.10-3.10.4. (Введені додатково, Зм. № 1).
4. ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ
4.1. За результатами випробувань на втому проводять:
побудова кривої втоми та визначення межі витривалості, що відповідають ймовірності руйнування 50%;
побудова діаграм граничних напруг та граничних амплітуд;
побудова кривої втоми в малоцикловій ділянці;
побудова діаграм пружнопластичного деформування та визначення їх параметрів;
побудова кривих втоми за параметром ймовірності руйнування;
визначення межі витривалості для заданого рівня ймовірності руйнування;
визначення середнього значення та середньоквадратичного відхилення логарифму довговічності на заданому рівні напруг або деформацій;
визначення середнього значення та середньоквадратичного відхилення межі витривалості.
Зазначені характеристики опору втоми металів визначають для різних стадій розвитку макротріщин та (або) повного руйнування.
4.2. Обробка результатів випробувань на багатоциклову втому
4.2.1. Вихідні дані та результати кожного випробування зразка фіксують у протоколі випробування (додатки 1 та 2), а результати випробування серії однакових зразків - у зведеному протоколі випробування (додатки 3 та 4).
4.2.2. Криві втоми будують у напівлогарифмічних координатах (o max ; lgN або про а; lg/V) або подвійних логарифмічних координатах (lg o max ; lg/V або lg про а; lg/V).
4.2.3. Криві втоми при асиметричних циклах будують для серії однакових зразків, випробуваних при однакових середніх напругах або однакових коефіцієнтах асиметрії.
4.2.4. Криві втоми за результатами випробувань обмеженого обсягу зразків (п. 3.7.2) будують методом графічного інтерполювання експериментальних результатів або способом найменших квадратів.
4.2.5. Для побудови кривих розподілу довговічності та меж витривалості, оцінки середніх значень та середньоквадратичних відхилень, а також побудови сімейства кривих втоми за параметром ймовірності руйнування результати випробувань піддають статистичній обробці (додатки 5-7).
4.2.6. Діаграми граничних напруг і граничних амплітуд будують за допомогою сімейства кривих втоми, отриманих за результатами випробування не менше трьох-чотирьох серій однакових зразків за різних для кожної серії середніх напруг або коефіцієнтів асиметрії циклу напруг.
4.3. Обробка результатів випробувань на малоциклову втому
4.3.1. Обробку результатів проводять, як зазначено у п. 4.2.4.
4.3.2. Вихідні дані та результати випробувань кожного зразка фіксують у протоколі випробування, а результати випробування серії однакових зразків - у зведеному протоколі випробування (додатки 8 та 9).
4.3.3. За результатами випробувань зразків при жорсткому навантаженні будують криві втоми у подвійних логарифмічних координатах (чорт. 17):
амплітуда повної деформації Е а - число циклів до утворення тріщини N T або до руйнування N;
амплітуда пластичної деформації г ра - число циклів, що відповідає половині числа циклів до утворення тріщини N T або до руйнування N.
Примітки:
1. Амплітуду пластичної деформації Е ра визначають як половину ширини петлі пружнопластичного гістерезису г р або як різницю між амплітудою повної деформації, що задається, і амплітудою пружної деформації, що визначається за виміряним навантаженням, відповідному їй напрузі і модулю пружності.
2. Амплітуду пластичної деформації Е ра при числі циклів, що відповідає половині числа циклів, до утворення тріщини або до руйнування визначають інтерполяцією значень амплітуд при попередньо вибраних числах циклів, близьких до очікуваних.
Криві втоми при жорсткому навантаженні
Ч Рт - 17 Чорт. 18
4.3.4. За результатами випробувань при м'якому навантаженні будують:
криву втоми в напівлогарифмічних або подвійних логарифмічних координатах: амплітуда напруги про а - число циклів до утворення тріщини N T або до руйнування N (чорт. 18);
залежність амплітуди пластичних деформацій (половина ширини петлі гістерезису) гра від числа напівциклів навантаження До параметру амплітуди напруги при обраному коефіцієнті асиметрії циклу напруг (чорт. 19).
Залежність амплітуди пластичних деформацій від напівциклів навантаження
а - для циклічно розміцнюваного матеріалу; б для циклічно стабілізованого матеріалу; в - для циклічно зміцнюваного матеріалу
ПРОТОКОЛ
випробування зразка (додаток до зведеного протоколу №__)
Призначення випробування_
Машина: тип_, №_
Напруги циклу:
максимальне_, середнє_, амплітудне_
Навантаження (кількість поділів за шкалою навантажень):
максимальна_, середня_, амплітудна_
Показання приладів, що реєструють аксіальність навантаження або биття зразка:
на початку випробування_
наприкінці випробування_
Число пройдених циклів_
Частота навантаження_
Критерій руйнування_
Випробування проводив _
Начальник лабораторії _
випробування зразка (додаток до зведеного протоколу №_)
Призначення випробування_
Зразок: шифр_, поперечні розміри_
Машина: тип_, №_
Деформація циклу:
максимальна_, середня_, амплітудна_
Число поділів за індикатором деформації: максимальне_
середня_, амплітудна_
Показання приладів, що реєструють аксіальність навантаження:_
прилад №1_, прилад №2_, прилад №3
Покази лічильника (дата та час):
на початку випробування_
наприкінці випробування_
Число пройдених циклів_
Частота навантаження_
Критерій руйнування_
Випробування проводив
Начальник лабораторії
Мета випробувань___
Матеріал:
марка та стан_
напрямок волокна_
Умови випробувань:
вид навантаження_
база випробувань__
частота навантаження_
Критерій руйнування_
Тип зразків та номінальні розміри їх поперечного перерізу
Стан поверхні_
Випробувальна машина:
Дата випробувань:
початок випробувань першого зразка_, кінець випробувань
останнього зразка_
Начальник лабораторії
Мета випробувань___
Матеріал:
марка та стан_
напрямок волокна_
тип заготівлі (при складній формі додається план вирізки зразків)
Умови випробувань:
вид деформацій_
база випробувань___
частота навантаження_
Критерії руйнування_
тип зразків та номінальні розміри поперечного перерізу_
стан поверхні_
Випробувальна машина:
Дата випробувань:
початок випробувань першого зразка_, кінець випробувань останнього зразка
Відповідальний за випробування цієї серії зразків
Начальник лабораторії
ПОБУДУВАННЯ КРИВОЇ РОЗПОДІЛУ ДОВГОВІЧНОСТІ І ОЦІНКА СЕРЕДНЬОГО ЗНАЧЕННЯ ТА СЕРЕДНЕКВАДРАТИЧНОГО ВІДКЛОНЕННЯ ЛОГАРИФМА ДОВГОВІЧНОСТІ
Результати випробувань серії з зразків при постійному рівні напруги розташовують у варіаційний ряд у порядку зростання довговічності
N l Подібні ряди для зразків з алюмінієвого сплаву марки В95, випробуваних при консольному згині з обертанням до повного руйнування при шести рівнях напруги як приклад, наведені в табл. 1. Криві розподілу довговічності (P-N) будують на ймовірнісному папері, що відповідає логарифмічно нормальному або іншому закону розподілу. По осі абсцис відкладають значення довговічності зразків N, а по осі ординат - значення ймовірності руйнування зразків (накопичені частоти), що обчислюються за формулою р i - 0,5 п ’ де i - номер зразка у варіаційному ряду; п – число випробуваних зразків. Якщо на рівні напруги, що розглядається, зруйнувалися не всі зразки серії, то будують тільки нижню частину кривої розподілу до базової довговічності. На кресленні на логарифмічно нормальному ймовірнісному папері наведено сімейство кривих розподілу P-N, побудоване за даними табл. 1. Таблиця 1 Варіаційні ряди числа циклів до руйнування зразків зі сплаву марки Б95 при о тах, кгс/мм 2 (МПа) * Зразки не зруйнувалися. Криві розподілу довговічності зразків із сплаву марки В95 10*2 3 8 6810 s 2 38 6810 е 2 38 6810 9 2 3 8 6810 е N 1 - а тах = 33 кгс/мм2 (330 МПа); 2-а тах = 28,5 кгс/мм 2 (285 МПа); 3-а тах = 25,4 кгс/мм 2 (254 МПа); 4 а тах = 22,8 кгс/мм 2 (228 МПа); 5-а тах = 21 кгс/мм 2 (210 МПа); 6-а тах = 19 кгс/мм 2 (190 МПа) Оцінку середнього значення а і середньоквадратичного відхилення логарифму довговічності проводять для рівнів напруги, на яких руйнувалися всі зразки серії. Вибіркове середнє значення lg N та вибіркове середньоквадратичне відхилення логарифму довговічності зразків (S lg д,) обчислюють за формулами: У табл. 2 як приклад наведено обчислення lg N і 5j g д, для зразків зі сплаву марки В95, випробуваних при напрузі про шах = 28,5 кгс/мм 2 (285 МПа) (див. табл. 1). Таблиця 2 X(lg^) 2 = 526,70. 526,70 - ^ ■ 10524,75 Об'єм серії зразків n обчислюють за формулою n>^-Z\_o-А 2 2 де у - Коефіцієнт варіації величини х = lg/V; Д а і Д а - граничні відносні помилки для довірчої ймовірності Р - 1 а при оцінці середнього значення і середнього квадратичного відхилення величини х = lg/V відповідно; а – ймовірність помилки першого роду; Z | _ і - квантиль нормованого нормального розподілу, відповідна ймовірність Р = 1- тг 2 2 (значення найчастіше використовуваних квантилів наведені в табл. 3). Значення помилок вибирають у межах Д а = 0,02-0,10 і Д а = 0,1-0,5, ймовірність помилки першого роду приймають 0,05-0,1. Таблиця 3 ПОБУДУВАННЯ СІМЕЙСТВА КРИВИХ Втоми ПО ПАРАМЕТРУ МОЖЛИВОСТІ РОЗРУШЕННЯ Для побудови сімейства кривих втоми випробування доцільно проводити на чотирьох-шістьох рівнях напруги. Мінімальний рівень слід вибирати так, щоб до базового числа циклів руйнувалися приблизно від 5% до 15% зразків, випробуваних на цьому рівні напруги. На наступному (у порядку зростання) рівні напруги має зруйнуватися 40%-60% зразків. Максимальний рівень напруги вибирають з урахуванням вимоги про довжину лівої гілки кривої втоми (N > 5 ■ 10 4 циклів). Рівні, що залишилися, розподіляють рівномірно між максимальним і мінімальним рівнями напруг. Результати випробувань кожного рівня напруги розташовують у варіаційні ряди, виходячи з яких будують сімейство кривих розподілу довговічності в координатах Р-N (додаток 7). Задають значення ймовірності руйнування і підставі кривих розподілу довговічності будують сімейство кривих втоми рівної ймовірності. На кресленні представлені криві втоми зразків зі сплаву В95 марки для ймовірності руйнування Р = 0,5; 0,10; 0,01, побудовані на підставі графіків. Мінімально необхідне число зразків для побудови сімейства кривих втоми визначають залежно від довірчої ймовірності P l = 1-а та граничної відносної помилки А р при оцінці межі витривалості для заданої ймовірності Р на підставі формули ■ Zj-a ■ ф(р) , де у - коефіцієнт варіації межі витривалості; Z-квантиль нормованого нормального розподілу; Ф (р) - функція, яка залежить від ймовірності, на яку визначається межа витривалості. Значення цієї функції, знайдені методом статистичного моделювання, наведено у таблиці. Криві втоми зразків зі сплаву марки В95 ПОБУДУВАННЯ КРИВОЇ РОЗПОДІЛУ МЕЖІ ВИТЯГЛИВОСТІ І ОЦІНКА ЙОГО СЕРЕДНЬОГО ЗНАЧЕННЯ ТА СЕРЕДНЕКВАДРАТИЧНОГО ВІДКЛОНЕННЯ Для побудови кривої розподілу межі витривалості зразки випробовують на шести рівнях напруги. Найвищий рівень напруги вибирають з таким розрахунком, щоб усі зразки при цій напрузі руйнувалися до базового числа циклів. Величину максимальної напруги приймають (1,3-1,5) від значення межі витривалості для Р-0,5. Інші п'ять рівнів розподіляються таким чином, щоб на середньому рівні руйнувалося близько 50%, на двох високих – 70%-80% і не менше 90% та на двох низьких – не більше 10% та 20%-30% відповідно. Значення напруги відповідно до заданої ймовірності руйнування вибирають на підставі аналізу наявних даних для аналогічних матеріалів або за допомогою попередніх випробувань. Після випробувань результати подають у вигляді варіаційних рядів, на підставі яких будують криві розподілу довговічності за методикою, викладеною в додатку 5. З кривих розподілу довговічності будують сімейство кривих втоми для низки ймовірностей руйнації (додаток 8). Для цього доцільно використовувати ймовірності 0,01, 0,10, 0,30, 0,50, 0,70, 0,90 та 0,99. За цими кривими втоми визначають відповідні значення межі витривалості. Межа витривалості для ймовірності руйнування Р = 0,01 знаходять методом графічної екстраполяції відповідної кривої втоми до базового числа циклів. Знайдені значення меж витривалості наносять на графік з координатами: ймовірність руйнування в масштабі, що відповідає нормальному розподілу, - межа витривалості кгс/мм 2 (МПа). Через побудовані точки проводять лінію, що є графічною оцінкою функції розподілу межі витривалості. Розбивають розмах варіювання межі витривалості на 8-12 інтервалів, визначають середні значення межі витривалості та її середньоквадратичне відхилення за формулами: X АР г ст й. ; де R - середнє значення межі витривалості; S„ - середньоквадратичне відхилення межі витривалості; Стд - значення межі витривалості у середині інтервалу; I – число інтервалів; A Pi - збільшення ймовірності всередині одного інтервалу. Як приклад за результатами випробувань на консольний вигин з обертанням 100 зразків із алюмінієвого сплаву марки АВ, представлених у табл. 1, будують функцію розподілу меж витривалості для бази 5 ■ 10 7 циклів і визначають середнє значення та середньоквадратичне відхилення. З варіаційних рядів (табл. 1) будують криві розподілу довговічності (чорт. 1). Значення довговічності зразків із сплаву марки АВ Таблиця 1 при о тах, кгс/мм 2 (МПа) * Зразки не зруйнувалися. Виробляючи горизонтальні розрізи кривих розподілу довговічності (рис. 1) для рівнів ймовірності Р=0,01, 0,10, 0,30, 0,50, 0,70, 0,90, 0,99 (або 1,10, 30 , 50, 70, 90, 99 %), знаходять відповідні довговічності при заданих значеннях напруги, на підставі яких будують криві втоми за параметром ймовірності руйнування (рис. 2). Криві розподілу довговічності зразків із сплаву марки АВ 1 - ящ, = 16,5 кгс/мм 2 (165 МПа); 2 - = 13,5 кгс/мм 2 (135 МПа); 3-а тах = 12,5 кгс/мм 2 (125 МПа); 4 а тах = 12,0 кгс/мм 2 (120 МПа); 5- ящщ = 11,5 кгс/мм 2 (115 МПа); 6- = 11,0 кгс/мм 2 (110 МПа) Криві втоми для зразків зі сплаву марки АВ для різних ймовірностей руйнування 1 - Р = 1%; 2-Р = 10%; 3-Р = 30%; 4-Р = 50%; 5-Р = 70%; 6-Р = 90%; 7- Р = 99% З графіків (рис. 2) знімають значення меж витривалості для бази 5 ■ 10 7 циклів. Значення меж витривалості наведено у табл. 2. За результатами, наведеними у табл. 2, будують криву розподілу витривалості (чорт. 3). Таблиця 2 Значення меж обмеженої витривалості зразків зі сплаву марки АВ (база 5 - 107 циклів) Крива розподілу межі обмеженої витривалості зразків зі сплаву марки АВ (база 5 - 107 циклів) Для визначення середнього значення межі витривалості та її середньоквадратичного відхилення розмах варіювання межі витривалості ділять на 10 інтервалів по 0,5 кгс/мм 2 (5 МПа). Обчислення зазначених характеристик відповідно до наведених формул представлено в табл. 3. Необхідний обсяг втомних випробувань для побудови кривої розподілу межі витривалості визначають за формулою додатка 6. Таблиця 3 Обчислення середнього значення та середньоквадратичного відхилення межі обмеженої витривалості зразків зі сплаву марки АВ Межі інтервалу, Середина інтервалу Значення ймовірностей (4_l) ,■ ■ О.! [(ч_1> ,■ - 4_ll 2 (а/, кгс/мм 2 (МПа) на межах інтервалу 12,106 кгс/мм 2 (121,06 МПа); ^ Д P i [(ст_ 1) г - - о_ 1] 2 = 0,851; S„ = ^Гp5Г = 0,922 кгс/мм 2 (9,22 МПа) ПРОТОКОЛ № випробування зразка (додаток до зведеного протоколу № Призначення випробування_ Приклад: шифр матеріал_ твердість _ Машина: тип Напруги циклу: максимальне_ Деформації циклу: максимальна_ середня _ Покази лічильника (дата та час): на початку випробування_ наприкінці випробування_ поперечні розміри Термообробка_ Мікротвердість_ Масштаб реєстрації: деформації (мм/%) навантаження (мм/МН)_ мінімальне амплітудне мінімальна амплітудна Число пройдених циклів до утворення мікротріщини завдовжки Число пройдених циклів до руйнування Частота навантаження_ Показники лічильника на початку зміни наприкінці зміни Число циклів (час), пройдене зразком за зміну Підпис та дата що здав зміну що прийняв зміну Примітка Випробування проводив_ Начальник лабораторії ЗВІДНИЙ ПРОТОКОЛ №_ Мета випробувань___ Матеріал: марка та стан_ напрямок волокна_ тип заготівлі (при складній формі додається план вирізки зразків) Механічні характеристики_ Умови випробувань: тип навантаження_ вид навантаження_ температура випробування_ частота навантаження_ тип зразка та номінальні розміри поперечного перерізу стан поверхні_ Випробувальна машина: Дата випробувань: початок випробувань першого зразка_ кінець випробувань останнього зразка Відповідальний за випробування цієї серії зразків Начальник лабораторії Під дією сил метал здатний змінювати свою форму та розміри, тобто деформуватися. Рис. 2. Види деформацій стрижня: а -розтяг; б - стиск; в- Вигин; г- кручення; д- зріз Деформаціїможуть бути пружнимиі пластичними (залишковими).Пружні деформації зникають після зняття навантаження, а пластичні залишаються. Величини деформацій залежить від значення діючих сил, а види - від напряму докладання сил. Найчастіше зустрічаються такі основні види деформацій: розтягування, стиск, вигин, крученняі зріз.На практиці метал піддається одному або декільком видам деформацій залежно від сил, що додаються. При виборі металу виготовлення конструкцій, деталей, інструментів виходять із його механічних властивостей. Механічними властивостями
називається сукупність якостей, що характеризують здатність металів протистояти деформації при застосуванні сил. До механічних властивостей відносяться міцність, пружність, пластичність, твердість, в'язкість, міцність втоми (витривалість)та ін. Щоб визначити механічні властивості металу, його випробовують у лабораторіях на спеціальних машинах. Випробування металів на розтяг.Випробування металів на розтяг дозволяє визначити найбільш важливі механічні властивості металів: міцність, пружність і пластичність (рис.3). Рис. 3. Діаграма розтягування металів: а – пластичних; б -крихких Міцність- здатність металів чинити опір руйнуванню під впливом зовнішніх навантажень. Пружність- здатність металів відновлювати початкову форму та розміри після припинення дії навантажень, що спричинили їх зміну. Пластичність
- здатність металів незворотно змінювати свою форму та розміри, не руйнуючись під дією навантажень. Протилежною властивістю пластичності є крихкість. Відомо, що вантаж прикладений до металевого стрижня, викликає в ньому напруги, що розтягують, які визначають як відношення навантаження до площі поперечного перерізу стрижня. σ =
P/F ,
де σ – напруга, Па; F-площа поперечного перерізу, м 2 . Порівняння міцності та пружності металів проводять за величиною граничних напруг. Міцність зазвичай визначається межею міцності,який дорівнює відношенню максимального (найбільшого) навантаження, що спричинило руйнування стрижня, до площі його первісного поперечного перерізу: σ У= Рmах / F про F о- Площа початкового поперечного перерізу стрижня, м 2 . Межа міцності, яка називається також тимчасовим опором, - найважливіша характеристика. Якщо напруги у виробі, конструкції або інструменті перевершать межу міцності, то вони руйнуються. Пружність оцінюється межою пружності,який дорівнює відношенню найбільшого навантаження, яке не викликає залишкових деформацій стрижня, до площі його первісного поперечного перерізу σ уп = Руп/Fо ,
де Руп- Найбільше навантаження, що не викликає залишкових деформацій, Н. Якщо напруги в деталях перевершать межу пружності, то вони змінять свою форму та розміри, що може мати катастрофічні наслідки. Пластичність металів характеризується відносним подовженням та відносним поперечним звуженням. Відносним подовженнямназивається відношення збільшення довжини стрижня після розриву до його початкової довжини: ι - ι 0
δ
= ──────100
де 0 - початкова довжина зразка, мм; ι- довжина зразка після розриву, мм; ι - ι 0 =۵
ι - абсолютне подовження, мм. Відносним звуженнямназивається відношення зменшення площі поперечного перерізу стрижня після розриву до початкової площі поперечного перерізу: Ψ = ────── 100 де F о- Початкова площа поперечного перерізу стрижня; F-площа поперечного перерізу стрижня після розриву, мм 2; F про-F = ۵F- Абсолютне звуження, мм 2 . Чим більше значення відносного подовження та звуження, тим пластичніший метал. У тендітних металів ці величини незначні або дорівнюють нулю. Крихкість металу є негативною властивістю, а пластичність позитивною. Випробування металів на розтяг проводять на розривних машинах, які забезпечують додаток до статичних зразків, тобто. постійних чи плавно зростаючих навантажень. Крихкі метали (чавун, загартована сталь та ін.), що працюють на вигин, відчувають не тільки на розтяг, але і на вигин. При цьому визначають межу міцності на згин (σ ЗВГ) за відповідними формулами. Випробування проводять на розривних машинах, що мають для цього спеціальні пристрої у вигляді двох опор, на які укладають зразок. Посередині зразка створюють навантаження, що рівномірно підвищується, до його руйнування. Межа міцності на вигин - найважливіша характеристика металів конструкцій, що працюють на вигин. Випробовування на вигин піддають більшість суднобудівних металів. Випробовування металів на твердість. Твердістю
називається здатність металу чинити опір проникненню в нього іншого твердішого матеріалу. Нині застосовують різноманітні методи випробування металів на твердість. Найбільш поширені методи, при яких метал під дією статичного навантаження вдавлюють спеціальний наконечник-індентор (кулька, конус або піраміду). Ці методи називають на прізвище їхніх авторів: Брінелля, Роквелла та Віккерса. Твердість визначають також ударним вдавлюванням кульки (метод Польді) та методом пружної віддачі бойка (метод Шора). Приблизно твердість можна оцінити і за поглибленнями, що залишаються креслилом, кернером, зубилом та іншими інструментами. Про твердість судять по глибині відбитка, залишеного на металі наконечником або інструментами, що ріжуть. Чим більша глибина відбитка при однаковому навантаженні на матеріал однакового розміру, тим менша твердість і навпаки. Випробовуючи метал на твердість, можна легко і швидко визначити його механічні властивості, причому у лабораторіях, а й у виробництві. За величиною твердості можна приблизно судити і про інші механічні властивості металів: міцність, зносостійкість і т.п., а також оброблюваність. Чим метал твердіший, тим його важче обробляти. Залежно від твердості вибирають метали виготовлення тих чи інших деталей, конструкцій, інструментів. Розглянемо найпоширеніші методи випробування металів на твердість. Метод Брінелляполягає у втисканні під дією статичного навантаження в поверхню випробуваного зразка сталевої кульки діаметром 2,5; 5 чи 10 мм. Твердість методом Бринелля виявляється у числах твердості НВ (Н - твердість, У - Бринелля). Випробування на твердість за методом Брінелля проводиться на приладах із застосуванням плоских або круглих зразків та деталей. Для отримання точних результатів на поверхні зразків не повинно бути іржі, окалини, вм'ятин тощо. Метод Роквеллаполягає у вдавлюванні під дією статичного навантаження в поверхню випробуваного металу алмазного конуса або сталевого загартованого кульки діаметром 1,59 мм. У приладах (твердомірах) Роквелла, на відміну від приладів Брінелля, число твердості визначають безпосередньо за шкалою індикатора. Числа твердості за Роквеллом немає розмірності і позначаються символом HR (Н - твердість, R - Роквелл). До символу додається позначення шкали індикатора (А, або С), за якою вимірювалася твердість, і відповідне числове значення твердості. За методом Роквелла можна відчувати м'які та тверді метали, а також готові вироби, оскільки відбитки від наконечника незначні. Випробування займає мало часу (не більше 50 с), не потребує жодних вимірів; показання читаються безпосередньо за шкалою індикатора. Метод Віккерсаполягає у втисканні під дією статичного навантаження в поверхню випробуваного металу чотиригранної алмазної піраміди. Метод Польдіполягає у вдавлюванні сталевої кульки під дією динамічного (ударного) навантаження в поверхню випробуваного металу та еталонного зразка. За співвідношенням площ чи діаметрів відбитків розрахунковим шляхом таблицям визначають твердість металу. Вона тим менше, що більше відбиток на випробуваному металі проти відбитком на еталонному зразку, і навпаки. Випробування металів на ударну в'язкість. Ударний
в'язкістю(Динамічної міцністю) називається здатність металів чинити опір дії ударних (динамічних) навантажень. Багато деталей машин, конструкції та інструменти зазнають при експлуатації ударних навантажень. Наприклад, суднові конструкції піддаються ударам хвиль, льоду тощо. тому при їх виготовленні необхідно враховувати цю найважливішу характеристику. Метали, що легко руйнуються під дією ударного навантаження, називаються крихкими.Вони непридатні виготовлення деталей, які у умовах ударних навантажень. В'язкиминазиваються метали, що руйнуються при значних ударних навантаженнях та значних пластичних деформаціях. Випробування металів на ударну в'язкість проводять на механізмах, які називають маятниковими копрамі. Воно полягає в ударному зламі (вигині) маятником копра зразка та у підрахунку витраченої роботи на руйнування зразка. Маятник піднімають на деяку висоту н.З цієї висоти він вільно падає, руйнує зразок і знову піднімається на деяку висоту. h.Робота, витрачена на руйнування зразка, А = P(H - h)або А = Pι(cosβ - cosα), де Р- сила тяжіння (вага) маятника, Н; Н - висота підйому маятника до удару, м; h- Висота підйому маятника після удару, м; l-довжина маятника, м Ударну в'язкість металу визначають за величиною питомої ударної в'язкості а H ,рівної відношенню роботи, витраченої на руйнування зразка, до площі його поперечного перерізу в місці руйнування: а H = А/F де А- робота, витрачена на руйнування зразка, Дж; F- Площа поперечного перерізу зразка в місці руйнування, м2. Сучасний маятниковий копер має шкалу, градуйовану у одиницях роботи. Якщо підняти маятник на деяку висоту Н,то стрілка покаже запас енергії маятника до удару РНвджоулі. Після руйнування зразка маятник піднімається на деяку висоту h,у цей час стрілка покаже запас енергії-маятника Phпісля удару. Таким чином, ударна в'язкість а H =(РН - Ph)/F. Ударна в'язкість залежить не тільки від роду металу, але і від його температури, хімічного складу, структури і т. д. Наприклад, дві марки сталі, з різною структурою можуть мати зовсім різні значення ударної в'язкості, але майже однакові інші механічні властивості. Випробування металів на втомну міцність (витривалість).Багато деталей машин і механізмів, деякі конструкції та інструменти під час експлуатації піддаються дії змінних навантажень, тобто змінюються за значенням, напрямом або за значенням і напрямом одночасно. Таким навантаженням піддаються, наприклад, корпуси суден деталі машин (вали, осі, шатуни, колінчасті вали). Внаслідок тривалого впливу змінних навантажень міцність металу зменшується і деталь, конструкція чи інструмент руйнується. Руйнування металу часто настає при напругах, які значно менше, ніж межа міцності, а іноді навіть менше, ніж межа плинності. Здатність металів чинити опір втомному руйнуванню називається втомною міцністю (витривалістю).Показником її є межа втоми (витривалості), яку визначають у ході випробування на спеціальних машинах. Випробування проводять на змінний вигин, розтягування-стискання та кручення. Найчастіше застосовують спосіб випробування вигином при обертанні (рис. 4). В цьому випадку один кінець зразка закріплюють у патроні, а до іншого через шарикопідшипник підвішують вантаж. При обертанні зовнішні волокна зразка поперемінно відчуватимуть зусилля, що розтягують і стискають. При досягненні деякої кількості змін (циклів) зразок руйнується. Число циклів визначають за встановленим на верстаті лічильнику. Рис. 4. Схема випробування зразка на втомну міцність: 1 -
патрон верстата; 2 – зразок; Підшипник кочення Меж втомиметалів називається максимальна напруга, при якому зразок ще витримує необмежену кількість циклів, не руйнуючись. Межі втоми позначають: при вигині - -1; при розтягуванні-стисканні - σ- 1 p; при крученні - -1. Між межею втоми та межею міцності існує наступна приблизна залежність: σ -1 == 0,47σ ст; σ -1 p =
0,32? τ -1 = 0,22? Втомна міцність залежить від значення змінних напруг, стану поверхонь деталей та інших факторів. Її слід враховувати при створенні, наприклад, швидкохідних суден, надзвукових літаків, космічних кораблів, потужних турбін, що зазнають при експлуатації змінних навантажень. Метали, що працюють у складних умовах, випробовують при підвищених і знижених температурах, в умовах корозії, при стиранні і т.д. Технологічні властивостіхарактеризують здатність металів піддаватися технологічній обробці, метою якої є надання металам певних форм, розмірів та властивостей. До них відносяться: ливарні властивості, ковкість, зварюваність, прожарювання, оброблюваність різанням та ін. Поведінка металу при технологічній обробці визначають за технологічними пробами. Технологічні проби застосовують головним чином визначення придатності матеріалу до того чи іншого способу обробки. Про результати технологічних випробувань судять станом поверхні після випробування (відсутність тріщин, надривів, зламів). Найбільш поширені такі технологічні проби: на вигин у холодному та нагрітому стані; на перегин та видавлювання; на осадку; на роздачу та обтискання труб; іскрова. До фізичним властивостямметалів і сплавів відносяться: щільність, температура плавлення, теплопровідність, електропровідність, теплове розширення, питома теплоємність та здатність намагнічуватися (табл. 1). Хімічні властивості- здатність металів і сплавів чинити опір впливу навколишнього середовища, що проявляється у різних формах. Під впливом кисню повітря та вологи метали піддаються корозії: чавун та сталь іржавіють; бронза покривається зеленим шаром оксиду міді; сталь при нагріванні в печах без захисної атмосфери окислюється, перетворюючись на окалину, а сірчаної кислоті розчиняється. Метали та сплави, стійкі проти окислення при високій температурі нагріву, називаються жаростійкими або окалиностійкими. З них виготовляють такі деталі, як клапани двигунів внутрішнього згоряння та ін. Золото, срібло та нержавіючі сталі слабо піддаються корозії. При виборі матеріалів виготовлення машин необхідно насамперед враховувати його механічні властивості. До таких властивостей відносяться: міцність, пружність, пластичність, ударна в'язкість, твердість та витривалість.За цими властивостями можна провести порівняльну оцінку різних сплавів, а також контроль якості при виготовленні виробів. Механічні властивості визначають за наслідками механічних випробувань. Сплави піддають механічним випробуванням на розтяг, твердість, ударну в'язкість. Зварні з'єднання випробовують на розтяг, ударну в'язкість, загин або сплющування. При механічних випробуваннях сплави піддають різним навантаженням. Навантаження викликає у твердому тілі напругу та деформацію. Напруга- величина навантаження, віднесена до одиниці площі перерізу зразка. Деформація- Зміна форми і розмірів твердого тіла під впливом прикладених зовнішніх сил. Розрізняють деформації розтягування (стиснення), вигину, кручення, зрізу (рис. 3.1). Насправді матеріал може піддаватися декільком видам деформації одночасно. Для визначення міцності, пружності та пластичності матеріали у вигляді зразків круглої та плоскої форми випробовують на розтяг. Випробовують на розривних машинах. В результаті випробувань одержують діаграму розтягування (рис. 3.2). На осі абсцис діаграми відкладають значення деформації, але в осі ординат - навантаження, прикладені до зразка. Міцність- здатність матеріалу чинити опір руйнуванню йод дією навантажень. Оцінюється міцність межею міцності та межею плинності. Рис. 3.1. а -стиск, б -розтягування, в -кручення, г - зріз, д -вигин Рис. Межа міцностіст (тимчасовий опір) - це умовна напруга, що відповідає найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка: де початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка. Межа плинностіа т - найменша напруга, при якій зразок деформується без помітного збільшення навантаження: де Р 1 -навантаження, коли він спостерігається майданчик текучості (точка Б діаграми). Майданчик плинності мають переважно лише пластичні матеріали. Інші сплави майданчика плинності немає. Для таких матеріалів визначають умовну межу плинності, при якій залишкове подовження досягає 0,2% від розрахункової довжини зразка: Пружність- здатність матеріалу відновлювати початкову форму та розміри після зняття навантаження. Оцінюється межею пружності.Межа пружності 0,05 - умовна напруга, що відповідає навантаженню, при якій залишкова деформація вперше досягає 0,05% від розрахункової довжини зразка: де Р 0 05 – навантаження межі пружності (точка А діаграми). Аналогічним чином, змінюючи форми зразка та види навантаження, можна визначити про і (вигин), а сж (стиснення), про кр (кручення) і т.д. Пластичність -здатність матеріалу змінювати, не руйнуючись, форму та розміри під дією зовнішніх сил та зберігати залишкові деформації після зняття навантажень. Оцінюється відносним подовженням та відносним звуженням. Відносне подовження 5 - відношення збільшення (/к - / 0) розрахункової довжини зразка після розриву до його початкової довжини, виражене у відсотках: Відносне звуженняу - відношення різниці початкової та мінімальної площ (Р 0 - Р к)поперечного перерізу зразка після розриву до початкової площі Р 0виражене у відсотках: Чим пластичне сплав, тим більше значення відносного подовження та звуження. У тендітних матеріалів ці значення близькі до нуля. Ударна в'язкість -це здатність матеріалу чинити опір динамічним навантаженням. Визначається як відношення витраченої на злам зразка роботи Адо площі його поперечного перерізу Бу місці надрізу: Для випробовування виготовляють спеціальні стандартні зразки квадратного перерізу. Руйнування зразків може бути крихким або в'язким. Крихке руйнування не супроводжується помітною пластичною деформацією. В'язкому руйнуванню передує значна пластична деформація. Температура переходу від в'язкої руйнації до крихкого називається порогом холодноламкості.Ударна в'язкість різко знижується, а поріг холодноламкості підвищується зі збільшенням розміру зерна та при виділенні по межах зерен крихких складових. За ГОСТ 9454-78 ударну в'язкість позначають літерами КСі, КСУ, КСТ. Перші дві літери КС позначають символ ударної в'язкості, треті літери II, V, Т -вид концентратора напруги (?7- радіус концентратора 1 ±0,07 мм, V -радіус 0,25±0,025 мм, Т -тріщина). Твердістюназивається здатність металу чинити опір проникненню в нього іншого, твердішого тіла або, що рівнозначно, чинити опір пластичній деформації. Твердість вимірюють найчастіше способами Брінелля, Роквелла та Віккерса. Визначення твердості за Брінеллем.При визначенні твердості Бринеллю в плоску поверхню матеріалу вдавлюють під постійним навантаженням Рсталева тверда кулька діаметром 2,5; 5 та 10 мм. Для визначення твердості вимірюють діаметр відбитка та знаходять по ньому число твердості у спеціальних таблицях. Метод Брінелля не слід застосовувати для матеріалів твердістю більше НВ 450, так як сталева кулька може деформуватися і результати спотворюватимуться. Між кількістю твердості за Брінеллем і межею міцності при розтягуванні емпіричним шляхом отримана приблизна залежність: сталь (НВ 125... 175) - ст = 0,343 НВ; сталь (НВ понад 175) - а = 0,362 НВ; алюмінієве лиття - ст = 0,26 НВ; бронза та латунь відпалені - а = 0,55 НВ; сірий чавун - а = (НВ - 40)/6; цинкові сплави - а = 0,09 НВ. Визначення твердості за Роквеллом.При випробуваннях твердості по Роквеллу в матеріал, що випробовується, вдавлюється алмазний або твердосплавний конус з утлом при вершині 120° або сталевий загартований кулька діаметром 1,58 мм. Конус застосовують для випробування твердих матеріалів, а кулька – для м'яких. Товщина зразка при випробуванні за Роквеллом має бути не менше 1,5 мм. Твердість за Роквеллом вимірюється в умовних одиницях. Значення твердості відраховують за циферблатом індикатора, встановленим на приладі. На циферблаті є три шкали: А, В та С. При випробуванні матеріалів з високою твердістю застосовують алмазний конус та вантаж 150 кг. Твердість у разі відраховується за шкалою З і позначається НЯС. Якщо при вимірі береться сталева кулька і вантаж 100 кг, то твердість відраховується за шкалою та позначається НЯВ. При випробуваннях дуже твердих тіл застосовується вантаж 60 кг. Твердість відраховується за шкалою і позначається НДА. Числа твердості за Роквеллом можна приблизно перерахувати до числа твердості за Брінеллем. З експериментальних даних встановлено залежність: НЯС = 10 НВ. Визначення твердості за Віккерсом.Твердість визначають вдавлюванням у випробуваний матеріал з полірованою або шліфованою поверхнею чотиригранної алмазної піраміди з утлом при вершині 136°. Отриманий відбиток має форму ромба. Число твердості за Віккерсом (НУ) за спеціальними таблицями визначають за вимірюваною величиною а(Діагональ відбитка, мм). Цей метод широко застосовується для вимірювання твердості деталей малої товщини та тонких поверхневих шарів, що мають високу твердість.
S c R =/Х АР Г (°й.-°й) 2 >
