Расчеты и испытания на прочность в машиностроении МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ
Методы испытаний на усталость
Strength analysis and testing in machine ГОСТ 23026-78
building. Methods of metals mechanical и ГОСТ 2860-65
testing. Methods of fatigue testing в части 6Л и 6.2
МКС 77.040.10 ОКП 00 2500
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 30 ноября 1979 г. № 4146 дата введения установлена
Ограничение срока действия снято по протоколу № 2-92 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 2-93)
Настоящий стандарт устанавливает методы испытаний образцов металлов и сплавов на усталость:
при растяжении - сжатии, изгибе и кручении;
при симметричных и асимметричных циклах напряжений или деформаций, изменяющихся по простому периодическому закону с постоянными параметрами;
при наличии и отсутствии концентрации напряжений;
при нормальной, повышенной и пониженной температурах;
при наличии или отсутствии агрессивной среды;
в много- и малоцикловой упругой и упругопластической области.
Термины, определения и обозначения, применяемые в стандарте, - по ГОСТ 23207-78.
Стандарт не устанавливает специальные методы испытаний образцов, используемые при отработке прочности высоконапряженных конструкций.
Разделы 2-4 стандарта и приложения могут быть использованы для испытаний на усталость элементов машин и конструкций.
1. МЕТОДЫ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ
1.1. Испытание металлов на усталость проводят на гладких образцах круглого сечения типов I (черт. 1, табл. 1) и II (черт. 2, табл. 2), а также прямоугольного сечения типов III (черт. 3, табл. 3) и IV (черт. 4, табл. 4).
Издание официальное
Перепечатка воспрещена
★
Издание с Изменением № 1, утвержденным в декабре 1985 г. (ИУС 3-86).
Рабочая часть образца типа I
Таблица 1 мм
Рабочая часть образца типа II
G- 2
Таблица 2 мм
Рабочая часть образца типа IV
Таблица 4 мм
1.2. Чувствительность металла к концентрации напряжений и влиянию абсолютных размеров определяют на образцах типов:
V - с V-образной кольцевой выточкой (черт. 5, табл. 5-8);
Рабочая часть образца типа У
Таблица 5
|
При изгибе |
|||||||
Таблица 6
|
При растяжении-сжатии |
|||||||
Таблица 7
|
При кручении |
|||||||
Таблица 8
|
При растяжении-сжатии |
кручении |
|||||||
VI - с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля (черт. 6, табл. 9);
Рабочая часть образца типа VI
Таблица 9
VIII - с кольцевой выточкой кругового профиля (черт. 8, табл. 11); Рабочая часть образца типа VIII
|
При растя- | ||||||
|
кручении |
||||||
IX - с двумя симметрично расположенными отверстиями (черт. 9, табл. 12);
Рабочая часть образца типа IX
X - с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля (черт. 10, табл. 13).
Рабочая часть образца типа X
Размеры образцов выбирают таким образом, чтобы параметр подобия усталостного разрушения
(L - периметр рабочего сечения образца или его часть, прилегающая к зоне повышенной напряженности; G - относительный градиент первого главного напряжения).
При изгибе с вращением, кручении и растяжении - сжатии образцов типов I, II, V, VIII
L ж" d,
при изгибе в одной плоскости образцов типов III, IV, VI, а также при растяжении - сжатии образцов типа VI L = 2Ь;
при растяжении - сжатии образцов типов III, IV, VII, IX, X L = 2h.
1.3. Для испытания на малоцикловую усталость применяют образцы типов II и IV, если отсутствует опасность продольного изгиба.
Допускается применять образцы типов I и III.
1.4. Рабочая часть образцов должна быть изготовлена по точности не ниже 7-го квалитета ГОСТ 25347-82.
1.5. Параметр шероховатости поверхности рабочей части образцов Ra должен быть 0,32- 0,16 мкм по ГОСТ 2789-73.
Поверхность не должна иметь следов коррозии, окалины, литейных корок и цветов побежалости ит. п., если это не предусмотрено задачами исследования.
1.6. Расстояние между захватами испытательной машины выбирают так, чтобы исключить продольный изгиб образца и влияние усилий в захватах на напряженность в его рабочей части.
1.7. Вырезка заготовок, маркирование и изготовление образцов не должны оказывать существенного влияния на усталостные свойства исходного материала. Нагрев образца при изготовлении не должен вызывать структурных изменений и физико-химических превращений в металле; припуски на обработку, параметры режима и последовательность обработки должны сводить к минимуму наклеп и исключать местный перегрев образцов при шлифовании, а также трещины и другие дефекты. Снятие последней стружки с рабочей части и головок образцов проводят с одной установки образца; заусенцы на боковых гранях образцов и кромках надрезов должны быть удалены. Заготовки вырезают в местах с определенной ориентацией по отношению к макроструктуре и напряженному состоянию изделий.
1.8. В пределах намеченной серии испытаний технология изготовления образцов из однотипных металлов должна быть одинаковой.
1.9. Измерение размеров рабочей части изготовленных образцов до испытаний не должно вызывать повреждения ее поверхности.
1.10. Рабочую часть образца измеряют с погрешностью не более 0,01 мм.
2.1. Машины для испытаний на усталость должны обеспечивать нагружение образцов по одной или нескольким схемам, приведенным на черт. 11-16. Машины для испытаний на усталость, обеспечивающие также проведение статистических испытаний на разрыв, должны соответствовать требованиям ГОСТ 1497-84.
2. АППАРАТУРА
Чистый изгиб при вращении образцов типов I, II, V, VIII
Поперечный изгиб при вращении образцов типов I, II, V, VHI при консольном нагружении
Чистый изгиб в одной плоскости образцов типов I-VIII
Рабочее сечение образца
Поперечный изгиб в одной Повторно-переменное растяжение
плоскости образцов типов I-VIII сжатие образцов типов I-X
при консольном нагружении
Рабочее сечение
| Образец |
Черт. 14 Черт. 15
Повторно-переменное кручение образцов типов I, II, У, VIII
2.2. Суммарная погрешность нагружения в процессе испытания образцов зависит от типа машин и частоты нагружения и не должна превышать в интервале 0,2-1,0 каждого диапазона нагружения в процентах измеряемой величины:
± 2 % - при /< 0,5 Гц;
± 3 % - при 0,5
± 5 % - при/> 50 Гц.
При испытании на гидропульсационных и резонансных машинах без тензометрического силоизмерения в интервале 0-0,2 каждого диапазона нагружения погрешность измерения нагрузки не должна превышать ± 5 % задаваемых напряжений.
2.3. Погрешность измерений, поддержания и записи деформаций при малоцикловых испытаниях не должна превышать ± 3 % измеряемой величины в интервале 0,2-1,0 каждого диапазона нагружения.
2.4. Абсолютная погрешность измерения, поддержания и регистрации нагрузок и деформаций в интервале 0-0,2 каждого диапазона не должна превышать абсолютных погрешностей в начале этого диапазона нагружения.
2.5. Нагрузки (при мягком нагружении) или деформации (при жестком нагружении) должны соответствовать 0,2-0,8 применяемого диапазона измерений.
2.6. При испытании на малоцикловое растяжение или сжатие и растяжение - сжатие дополнительные деформации изгиба образца от несоосности нагружения не должны превышать 5 % деформаций растяжения или сжатия.
2.7. При испытаниях на малоцикловую усталость должно быть обеспечено непрерывное измерение, а также непрерывная или периодическая регистрация процесса деформирования рабочей части образца.
2.8. Допускается калибровка испытательного оборудования при статических режимах (в том числе и на несоосность нагружения) с оценкой динамической составляющей погрешности расчетным или косвенным способами.
3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
3.1. При испытании образцов допускается мягкое и жесткое нагружение.
3.2. В пределах намеченной серии испытаний все образцы нагружают одним способом и испытывают на однотипных машинах.
3.3. Испытания образцов проводят непрерывно до образования трещины заданного размера, полного разрушения или до базового числа циклов.
Допускаются перерывы в испытаниях с учетом условий их проведения и обязательной оценкой влияния перерывов на результаты испытаний.
(Измененная редакция, Изм. № 1).
3.4. В процессе испытания образцов контролируют стабильность задаваемых нагрузок (деформаций).
3.5. Испытание серии одинаковых образцов при асимметричных циклах проводят:
либо при одинаковых для всех образцов средних напряжениях (деформациях) цикла;
либо при одинаковом для всех образцов коэффициенте асимметрии цикла.
3.6. Для построения кривой распределения долговечности и оценки среднего значения и среднеквадратического отклонения логарифма долговечности на заданном уровне напряжений испытывают серию объемом не менее 10 одинаковых образцов до полного разрушения или образования макротрещин.
3.7. Испытания на многоцикловую усталость
3.7.1. Основными критериями разрушения при определении пределов выносливости и построении кривых усталости являются полное разрушение или появление макротрещин заданного размера.
3.7.2. Для построения кривой усталости и определения предела выносливости, соответствующего вероятности разрушения 50 %, испытывают не менее 15 одинаковых образцов.
В интервале напряжений 0,95-1,05 от предела выносливости, соответствующего вероятности разрушения 50 %, должны быть испытаны не менее трех образцов, при этом не менее половины из них не должны разрушаться до базы испытаний.
3.7.3. База испытаний для определения пределов выносливости принимается:
10 10 6 циклов - для металлов и сплавов, имеющих практически горизонтальный участок на кривой усталости;
100 10 6 циклов - для легких сплавов и других металлов и сплавов, ординаты кривых усталости которых по всей длине непрерывно уменьшаются с ростом числа циклов.
Для сравнительных испытаний база для определения пределов выносливости соответственно принимается 3 10^ и 10 10^ циклов.
3.7.4. Для построения семейства кривых усталости по параметру вероятности разрушения, построения кривой распределения предела выносливости, оценки среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости испытывают серии объемом не менее 10 одинаковых образцов, на каждом из 4-6 уровней напряжения.
3.7.5. От 10 до 300 Гц частота циклов не регламентируется, если испытания проводят в обычных атмосферных условиях (по ГОСТ 15150-69) и если температура рабочей части образца при испытаниях не выше 50 °С.
Для образцов из легкоплавких и других сплавов, обнаруживающих изменения механических свойств до температуры 50 °С, допускаемую температуру испытания устанавливают особо.
3.8. Испытания на малоцикловую усталость (при долговечности до 5 1(И циклов*)
3.8.1. Основным видом нагружения при испытаниях является растяжение - сжатие.
3.8.2. Верхний уровень частот испытаний ограничивается значениями, исключающими само-разогрев образца свыше 50 °С для легких сплавов и свыше 100 °С для сталей.
Во всех случаях частоту циклов указывают при представлении результатов испытаний.
Для регистрации диаграмм деформирования допускается в процессе испытаний переход на более низкие частоты, соответствующие требуемой разрешающей способности и точности приборов измерения и регистрации циклических напряжений и деформаций.
3.8.3 При испытании на растяжение - сжатие образцов типов II и IV измерение деформаций следует проводить в продольном направлении.
При испытании образцов типов I и III допускается измерять деформации в поперечном направлении.
П римечание. Для приближенного пересчета поперечной деформации в продольную используют формулу
Е прод - ^ (е у) попер ^ (Е р) попер’
где (Еу) попер - упругая составляющая поперечной деформации;
(Ер) попер - пластическая составляющая поперечной деформации.
3.9. Испытания при повышенной и пониженной температурах
3.9.1. Испытания при повышенной и пониженной температурах проводят при тех же видах деформации и тех же образцах, что и при нормальной температуре.
* Число циклов 5 ■ 10 4 является условной границей мало- и многоцикловой усталости. Это значение для пластичных сталей и сплавов характеризует среднее число циклов для зоны перехода от упругопластического к упругому циклическому деформированию. Для высокопластичных сплавов переходная зона смещается в сторону больших долговечностей, для хрупких - в сторону меньших.
3.9.3. Температуру испытания образцов контролируют по данным динамической тарировки температурного перепада между образцом и печным пространством. Температурную тарировку проводят с учетом влияния длительности испытания. При тарировке термопары закрепляют на образце.
3.9.4. Термопары поверяют как до испытания, так и после него по ГОСТ 8.338-2002. При испытании на базах более 10 7 циклов производят, кроме того, промежуточные поверки термопар.
3.9.5. Неравномерность распределения температуры по длине рабочей части при испытании гладких образцов типов II и IV не должна превышать 1 % на 10 мм заданной температуры испытания. При испытании гладких образцов типов I, III и образцов с концентраторами напряжений неравномерность распределения температуры регламентируется на расстоянии ± 5 мм от минимального сечения образца. Отклонение от заданной температуры не должно превышать 2 %.
3.9.6. В процессе испытания допускаемые отклонения температуры на рабочей части образца в °С не должны выходить за пределы:
до 600 включ..........±6;
св. 601 до 900 »............±8;
» 901 » 1200 »............±12.
3.9.7. Нагружение образцов проводят после установившегося теплового режима системы «образец-печь» при достижении заданной температуры образца.
3.9.8. Базу испытаний принимают в соответствии с п. 3.7.3 настоящего стандарта.
3.9.9. Для сопоставимости результатов испытания данной серии образцов проводят при одинаковой частоте и базе, если целью испытаний не является исследование влияния частоты нагружения. В протоколах испытания указывают не только число пройденных циклов, но и полное время испытания каждого образца.
3.10. Испытания в условиях агрессивной среды
3.10.1. Испытания в условиях агрессивной среды проводят при тех же видах деформации и на тех же образцах, что и при отсутствии агрессивной среды. Допускается одновременное испытание группы образцов с регистрацией момента разрушения каждого.
3.10.2. Образец должен непрерывно находиться в газовой или жидкостной агрессивной среде.
3.10.3. При испытаниях в агрессивной среде должна быть обеспечена стабильность параметров агрессивной среды и ее взаимодействия с поверхностью образца. Требования к периодичности контроля состава агрессивной среды определяются составом среды и задачами исследования.
3.10.4. Для сопоставимости результатов испытания данной серии образцов проводят при одинаковой частоте и базе, если целью испытаний не является исследование влияния частоты нагружения.
3.9-3.9.9,3.10-3.10.4. (Введены дополнительно, Изм. № 1).
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
4.1. По результатам испытаний на усталость проводят:
построение кривой усталости и определение предела выносливости, соответствующих вероятности разрушения 50 %;
построение диаграмм предельных напряжений и предельных амплитуд;
построение кривой усталости в малоцикловой области;
построение диаграмм упругопластического деформирования и определение их параметров;
построение кривых усталости по параметру вероятности разрушения;
определение предела выносливости для заданного уровня вероятности разрушения;
определение среднего значения и среднеквадратического отклонения логарифма долговечности на заданном уровне напряжений или деформаций;
определение среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости.
Указанные характеристики сопротивления усталости металлов определяют для различных стадий развития макротрещин и (или) полного разрушения.
4.2. Обработка результатов испытаний на многоцикловую усталость
4.2.1. Исходные данные и результаты каждого испытания образца фиксируют в протоколе испытания (приложения 1 и 2), а результаты испытания серии одинаковых образцов - в сводном протоколе испытания (приложения 3 и 4).
4.2.2. Кривые усталости строят в полулогарифмических координатах (o max ; lgN или о а; lg/V) или двойных логарифмических координатах (lg o max ; lg/V или lg о а; lg/V).
4.2.3. Кривые усталости при асимметричных циклах строят для серии одинаковых образцов, испытанных при одинаковых средних напряжениях или при одинаковых коэффициентах асимметрии.
4.2.4. Кривые усталости по результатам испытаний ограниченного объема образцов (п. 3.7.2) строят методом графического интерполирования экспериментальных результатов или по способу наименьших квадратов.
4.2.5. Для построения кривых распределения долговечности и пределов выносливости, оценки средних значений и среднеквадратических отклонений, а также построения семейства кривых усталости по параметру вероятности разрушения результаты испытаний подвергают статистической обработке (приложения 5-7).
4.2.6. Диаграммы предельных напряжений и предельных амплитуд строят с помощью семейства кривых усталости, полученных по результатам испытания не менее трех-четырех серий одинаковых образцов при разных для каждой серии средних напряжениях или коэффициентах асимметрии цикла напряжений.
4.3. Обработка результатов испытаний на малоцикловую усталость
4.3.1. Обработку результатов проводят, как указано в п. 4.2.4.
4.3.2. Исходные данные и результаты испытаний каждого образца фиксируют в протоколе испытания, а результаты испытания серии одинаковых образцов - в сводном протоколе испытания (приложения 8 и 9).
4.3.3. По результатам испытаний образцов при жестком нагружении строят кривые усталости в двойных логарифмических координатах (черт. 17):
амплитуда полной деформации Е а - число циклов до образования трещины N T или до разрушения N;
амплитуда пластической деформации г ра - число циклов, соответствующее половине числа циклов до образования трещины N T или до разрушения N.
Пр имечания:
1. Амплитуду пластической деформации Е ра определяют как половину ширины петли упругопластического гистерезиса г р или как разность между задаваемой амплитудой полной деформации и амплитудой упругой деформации, определяемой по измеренной нагрузке, соответствующему ей напряжению и модулю упругости материала.
2. Амплитуду пластической деформации Е ра при числе циклов, соответствующем половине числа циклов, до образования трещины или до разрушения определяют интерполяцией значений амплитуд при предварительно выбранных числах циклов, близких к ожидаемым.
Кривые усталости при жестком нагружении Кривая усталости при мягком нагружении
Че Р т - 17 Черт. 18
4.3.4. По результатам испытаний при мягком нагружении строят:
кривую усталости в полулогарифмических или двойных логарифмических координатах: амплитуда напряжений о а - число циклов до образования трещины N T или до разрушения N (черт. 18);
зависимость амплитуды пластических деформаций (половина ширины петли гистерезиса) г ра от числа полуциклов нагружения К по параметру амплитуды напряжения при выбранном коэффициенте асимметрии цикла напряжений (черт. 19).
Зависимость амплитуды пластических деформаций от числа полуциклов нагружения
а - для циклически разупрочняющегося материала; б для циклически стабилизирующегося материала; в - для циклически упрочняющегося материала
ПРОТОКОЛ
испытания образца (приложение к сводному протоколу №__)
Назначение испытания_
Машина: тип_, №_
Напряжения цикла:
максимальное_, среднее_, амплитудное_
Нагрузки (число делений по шкале нагрузок):
максимальная_, средняя_, амплитудная_
Показания приборов, регистрирующих аксиальность нагрузки или биение образца:
в начале испытания_
в конце испытания_
Число пройденных циклов_
Частота нагружения_
Критерий разрушения_
Испытания проводил _
Начальник лаборатории _
испытания образца (приложение к сводному протоколу №_)
Назначение испытания_
Образец: шифр_, поперечные размеры_
Машина: тип_, №_
Деформация цикла:
максимальная_, средняя_, амплитудная _
Число делений по индикатору деформации: максимальное_
среднее_, амплитудное_
Показания приборов, регистрирующих аксиальность нагрузки:_
прибор № 1_, прибор № 2_, прибор № 3
Показания счетчика (дата и время):
в начале испытания_
в конце испытания_
Число пройденных циклов_
Частота нагружения_
Критерий разрушения_
Испытания проводил
Начальник лаборатории
Цель испытаний___
Материал:
марка и состояние_
направление волокна_
Условия испытаний:
вид нагружения_
база испытаний__
частота нагружения_
Критерий разрушения_
Тип образцов и номинальные размеры их поперечного сечения
Состояние поверхности_
Испытательная машина:
Дата испытаний:
начало испытаний первого образца_, конец испытаний
последнего образца_
Начальник лаборатории
Цель испытаний___
Материал:
марка и состояние_
направление волокна_
тип заготовки (при сложной форме прилагается план вырезки образцов)
Условия испытаний:
вид деформаций_
база испытаний___
частота нагружения_
Критерии разрушения_
тип образцов и номинальные размеры поперечного сечения_
состояние поверхности_
Испытательная машина:
Дата испытаний:
начало испытаний первого образца_, конец испытаний последнего образца
Ответственный за испытание данной серии образцов
Начальник лаборатории
ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И ОЦЕНКА СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ОТКЛОНЕНИЯ ЛОГАРИФМА ДОЛГОВЕЧНОСТИ
Результаты испытаний серии из п образцов при постоянном уровне напряжения располагают в вариационный ряд в порядке возрастания долговечности
N l Подобные ряды для образцов из алюминиевого сплава марки В95, испытанных при консольном изгибе с вращением до полного разрушения при шести уровнях напряжения в качестве примера, приведены в табл. 1. Кривые распределения долговечности (P-N) строят на вероятностной бумаге, соответствующей логарифмически нормальному или другому закону распределения. По оси абсцисс откладывают значения долговечности образцов N, а по оси ординат - значения вероятности разрушения образцов (накопленные частоты), вычисляемые по формуле р i - 0,5 п ’ где i - номер образца в вариационном ряду; п - число испытанных образцов. Если на рассматриваемом уровне напряжения разрушились не все образцы серии, то строят только нижнюю часть кривой распределения до базовой долговечности. На чертеже на логарифмически нормальной вероятностной бумаге приведено семейство кривых распределения P-N, построенное по данным табл. 1. Таблица 1 Вариационные ряды числа циклов до разрушения образцов из сплава марки Б95 при о тах, кгс/мм 2 (МПа) * Образцы не разрушились. Кривые распределения долговечности образцов из сплава 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/мм 2 (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) Оценку среднего значения а и среднеквадратического отклонения о логарифма долговечности проводят для уровней напряжения, на которых разрушались все образцы серии. Выборочное среднее значение lg N и выборочное среднеквадратическое отклонение логарифма долговечности образцов (S lg д,) вычисляют по формулам: В табл. 2 в качестве примера приведено вычисление lg N и 5j g д, для образцов из сплава марки В95, испытанных при напряжении о шах = 28,5 кгс/мм 2 (285 МПа) (см. табл. 1). Таблица 2 X (lg^) 2 = 526,70. 526,70 - ^ ■ 10524,75 Объем серии образцов n вычисляют по формуле n>^-Z\_o-А 2 2 где у - коэффициент вариации величины х = lg/V; Д а и Д а - предельные относительные ошибки для доверительной вероятности Р - 1- а при оценке среднего значения и среднего квадратического отклонения величины х = lg/V соответственно; а - вероятность ошибки первого рода; Z | _ и - квантиль нормированного нормального распределения, соответствующая вероятность Р = 1- тг 2 2 (значения наиболее часто используемых квантилей приведены в табл. 3). Значения ошибок выбирают в пределах Д а = 0,02-0,10 и Д а = 0,1-0,5, вероятность ошибки первого рода а принимают 0,05-0,1. Таблица 3 ПОСТРОЕНИЕ СЕМЕЙСТВА КРИВЫХ УСТАЛОСТИ ПО ПАРАМЕТРУ ВЕРОЯТНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ Для построения семейства кривых усталости испытания целесообразно проводить на четырех-шести уровнях напряжения. Минимальный уровень следует выбирать так, чтобы до базового числа циклов разрушались примерно от 5 % до 15 % образцов, испытуемых на этом уровне напряжения. На следующем (в порядке возрастания) уровне напряжения должно разрушиться 40 %-60 % образцов. Максимальный уровень напряжения выбирают с учетом требования на протяженность левой ветви кривой усталости (N > 5 ■ 10 4 циклов). Оставшиеся уровни распределяют равномерно между максимальным и минимальным уровнями напряжений. Результаты испытаний для каждого уровня напряжения располагают в вариационные ряды, на основании которых строят семейство кривых распределения долговечности в координатах Р-N (приложение 7). Задают значения вероятности разрушения и на основании кривых распределения долговечности строят семейство кривых усталости равной вероятности. На чертеже представлены кривые усталости образцов из сплава марки В95 для вероятности разрушения Р = 0,5; 0,10; 0,01, построенные на основании графиков. Минимально необходимое число образцов для построения семейства кривых усталости определяют в зависимости от доверительной вероятности P l = 1- а и предельной относительной ошибки А р при оценке предела выносливости для заданной вероятности Р на основании формулы ■ Zj-a ■ ф(р) , где у - коэффициент вариации предела выносливости; Z- квантиль нормированного нормального распределения; Ф (р) - функция, зависящая от вероятности, для которой определяется предел выносливости. Значения этой функции, найденные методом статистического моделирования, приведены в таблице. Кривые усталости образцов из сплава марки В95 ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ И ОЦЕНКА ЕГО СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ И СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО ОТКЛОНЕНИЯ Для построения кривой распределения предела выносливости образцы испытывают на шести уровнях напряжения. Самый высокий уровень напряжения выбирают с таким расчетом, чтобы все образцы при этом напряжении разрушались до базового числа циклов. Величину максимального напряжения принимают (1,3- 1,5) от значения предела выносливости для Р- 0,5. Остальные пять уровней распределяются таким образом, чтобы на среднем уровне разрушалось около 50 %, на двух высоких - 70 %-80 % и не менее 90 % и на двух низких - не более 10 % и 20 %-30 % соответственно. Значение напряжений в соответствии с заданной вероятностью разрушения выбирают на основании анализа имеющихся данных для аналогичных материалов или с помощью предварительных испытаний. После испытаний результаты представляют в виде вариационных рядов, на основании которых строят кривые распределения долговечности по методике, изложенной в приложении 5. На основании кривых распределения долговечности строят семейство кривых усталости для ряда вероятностей разрушения (приложение 8). Для этого целесообразно использовать вероятности 0,01, 0,10, 0,30, 0,50, 0,70, 0,90 и 0,99. По этим кривым усталости определяют соответствующие значения предела выносливости. Предел выносливости для вероятности разрушения Р = 0,01 находят методом графической экстраполяции соответствующей кривой усталости до базового числа циклов. Найденные значения пределов выносливости наносят на график с координатами: вероятность разрушения в масштабе, соответствующем нормальному распределению, - предел выносливости в кгс/мм 2 (МПа). Через построенные точки проводят линию, представляющую собой графическую оценку функции распределения предела выносливости. Разбивают размах варьирования предела выносливости на 8-12 интервалов, определяют средние значения предела выносливости и его среднеквадратическое отклонение по формулам: X АР г ст й. ; где a R - среднее значение предела выносливости; S„ - среднеквадратическое отклонение предела выносливости; Стд - значение предела выносливости в середине интервала; I - число интервалов; A Pi - приращение вероятности внутри одного интервала. В качестве примера по результатам испытаний на консольный изгиб с вращением 100 образцов из алюминиевого сплава марки АВ, представленных в табл. 1, строят функцию распределения пределов выносливости для базы 5 ■ 10 7 циклов и определяют среднее значение и среднеквадратическое отклонение. На основании вариационных рядов (табл. 1) строят кривые распределения долговечности (черт. 1). Значения долговечности образцов из сплава марки АВ Таблица 1 при о тах, кгс/мм 2 (МПа) * Образцы не разрушились. Производя горизонтальные разрезы кривых распределения долговечности (черт. 1) для уровней вероятности Р=0,01, 0,10, 0,30, 0,50, 0,70, 0,90, 0,99 (или 1,10, 30, 50, 70, 90, 99 %), находят соответствующие долговечности при заданных значениях напряжений, на основании которых строят кривые усталости по параметру вероятности разрушения (черт. 2). Кривые распределения долговечности образцов из сплава 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) Кривые усталости для образцов из сплава марки АВ для различных вероятностей разрушения 1 - Р = 1 %; 2- Р = 10 %; 3-Р= 30 %; 4-Р= 50 %; 5-Р= 70 %; 6-Р= 90 %; 7- Р= 99 % С графиков (черт. 2) снимают значения пределов выносливости для базы 5 ■ 10 7 циклов. Значения пределов выносливости приведены в табл. 2. По результатам, приведенным в табл. 2, строят кривую распределения выносливости (черт. 3). Таблица 2 Значения пределов ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ (база 5 - 10 7 циклов) Кривая распределения предела ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ (база 5 - 10 7 циклов) Для определения среднего значения предела выносливости и его среднеквадратического отклонения размах варьирования предела выносливости делят на 10 интервалов по 0,5 кгс/мм 2 (5 МПа). Вычисление указанных характеристик в соответствии с приведенными формулами представлено в табл. 3. Необходимый объем усталостных испытаний для построения кривой распределения предела выносливости определяют по формуле приложения 6. Таблица 3 Вычисление среднего значения и среднеквадратического отклонения предела ограниченной выносливости образцов из сплава марки АВ Границы интервала, Середина интервала Значение вероятностей (4_l) ,■ ■ О.! [(ч_1> ,■ - 4_ll 2 (а /, кгс/мм 2 (МПа) на границах интервала 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 № испытания образца (приложение к сводному протоколу № Назначение испытания_ Образец: шифр материал_ твердость _ Машина: тип Напряжения цикла: максимальное_ Деформации цикла: максимальная_ средняя _ Показания счетчика (дата и время): в начале испытания_ в конце испытания_ поперечные размеры Термообработка_ Микротвердость_ Масштаб регистрации: деформации (мм/%) нагрузки (мм/МН)_ минимальное амплитудное минимальная амплитудная Число пройденных циклов до образования микротрещины длиной Число пройденных циклов до разрушения Частота нагружения_ Показания счетчика в начале смены в конце смены Число циклов (время), пройденное образцом за смену Подпись и дата сдавшего смену принявшего смену Примечание Испытания проводил_ Начальник лаборатории СВОДНЫЙ ПРОТОКОЛ №_ Цель испытаний___ Материал: марка и состояние_ направление волокна_ тип заготовки (при сложной форме прилагается план вырезки образцов) Механические характеристики_ Условия испытаний: тип нагружения_ вид нагружения_ температура испытания_ частота нагружения_ тип образца и номинальные размеры поперечного сечения состояние поверхности_ Испытательная машина: Дата испытаний: начало испытаний первого образца_ конец испытаний последнего образца Ответственный за испытание данной серии образцов Начальник лаборатории Механические свойства характеризуют сопротивление металла деформации и разрушению под действием механических сил (нагрузки). К основным механическим свойствам относят: Прочность Прочность
– это способность металла не разрушаться под действием механических сил (нагрузки). Пластичность
– это способность металла изменять форму (деформироваться) под действием механических сил (нагрузки) без разрушения. Определяет способность металла противостоять ударным (динамическим) механическим силам (ударным нагрузкам). Твердость
– это способность металла сопротивляться проникновению в него других более твердых материалов. Для определения механических свойств выполняют следующие
виды испытаний: Испытания на растяжение; К условиям испытаний образцов относятся: температура, вид и
характер приложения нагрузки к образцам. Температура проведения испытаний: Нормальная (+20°С); Вид нагрузок:
Характер приложения нагрузки:
Нагрузка возрастает медленно и плавно или остаётся постоянной - статические испытания; Механические испытания выполняют на стандартных образцах. Форма и размеры образцов устанавливаются в зависимости от вида испытаний. Для механических испытаний на растяжение используют стандартные цилиндрические (круглого сечения) и плоские (прямоугольного сечения) образцы. Для цилиндрических образцов в качестве основных приняты образцы диаметром dо=10 мм короткий lо=5×do = 50 мм и длинный lо=10×do = 100 мм. Плоские образцы имеют толщину равную толщине листа, а ширина устанавливается равной 10, 15, 20 или 30 мм. Плоский образец без головок для захватов разрывной машины Плоский образец с головками Статическими
называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка к образцу возрастает медленно и плавно. При статических испытаниях на растяжение определяются следующие основные механические характеристики металла: Предел текучести (σ т); – это напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки. – это напряжение при максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца. – это отношение приращения длины образца после разрушения к его начальной длине до испытания. – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрушения к его начальной площади до испытания. При испытании на статическое растяжение железо и другие пластические металлы имеют площадку текучести, когда образец удлиняется при постоянной нагрузке Рm. При максимальной нагрузке Рmax в одном участке образца появляется сужение поперечного сечения, так называемая “шейка”. В шейке начинается разрушение образца. Так как сечение образца уменьшается, то разрушение образца происходит при нагрузке меньше максимальной. В процессе испытания приборы рисуют диаграмму растяжения, по которой определяют нагрузки. После испытания разрушенные образцы складывают вместе и измеряют конечную длину и диаметр шейки. По этим данным рассчитывают прочность и пластичность. Динамическими называют испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях. Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с надрезом (концентратором напряжений) одним ударом маятникового копра. Стандарт предусматривает образцы с надрезами трех видов: образец U – образный с радиусом R = 1 мм (метод KCU); образец V – образный с радиусом R = 0.25 мм (метод KCV); образец I – образный с усталостной трещиной (метод КСТ). Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. После испытания по шкале маятникового копра определяют работу удара, которую затрачивают на разрушение образца. Площадь сечения образца определяют до разрушения. Твердостью называется свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации в поверхностном слое при вдавливании шарика, конуса или пирамиды. Измерение твердости отличается простотой и быстротой осуществления и выполняется без разрушения изделия. Широкое применение нашли три метода определения твердости: Твердость по Бринеллю (единица твердости обозначается HB); Определение твердости по Бринеллю заключается во вдавливании стального шарика диаметром D = 10 мм в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диаметра отпечатка d после снятия нагрузки. Твердость по Бринеллю обозначают цифрами и буквами НВ, например, 180 НВ. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость. Чем выше твердость, тем больше прочность металла и меньше пластичность. Чем мягче металл, тем меньше устанавливают нагрузку на приборе. Так при определении твердости стали и чугуна нагрузку принимают 3000 Н, никеля, меди и алюминия – 1000 Н, свинца и олова – 250 Н. Определение твердости по Роквеллу заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом (шкалы А и С) или стального шарика диаметром 1.6 мм (шкала В) в испытуемый образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной (Ро)и основной (Р) нагрузок и в измерении глубины внедрения наконечника (h). Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указание шкалы. Например, 60 HRC (твердость 60 по шкале С). Определение твердости по Виккерсу заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки и в измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки. Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоёв с высокой твердостью. Твердость по Виккерсу обозначается цифрами и буквами HV, например, 200 HV. Технологические испытания на статический изгиб служит для определения способности металла воспринимать заданный по форме и размерам загиб. Аналогичные испытания проводят и на сварных соединениях. Испытанию на загиб подвергают образцы из листового и фасонного (пруток, квадрат, уголок, швеллер и др.) металла. Для листового металла ширина образца (b) принимается равной двойной толщине(2 t), но не менее 10 мм. Радиус оправки указывается в технических условиях. Различают три вида изгиба: Загиб до определенного угла; Отсутствие в образце трещин, надрывов, расслоений или излома является признаком того, что образец выдержал испытание. Для установления комплекса механических свойств металлов образцы из исследуемого материала подвергают статическим и динамическим испытаниям. Статическими называются испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. К статическим испытаниям относят испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, а также определение твердости. В результате испытаний на статическое растяжение, которое проводят на разрывных машинах, получают диаграмму растяжения (рис.6 а) и диаграмму условных напряжений (рис. 6 б) пластичного металла. Рис. 6 диаграмма растяжения пластичного материала; б – диаграмма условных напряжений пластичного материала Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме, упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением. Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и пластическую деформацию. Представленная на рис. 6 зависимость между приложенным извне напряжением и вызванной им относительной деформацией характеризует механические свойства металлов: Наклон прямой ОА (рис. 6а) показывает жесткость металла или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения; тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости(Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е= s / e); Напряжение sпц (рис. 6б), которое называется пределом пропорциональности, соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А; Напряжение sупр (рис. 6б), которое называется пределом упругости, и при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями. Часто используют значения остаточной деформации 0,001; 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают s0,005, s0,02 и т.д. Предел упругости – важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих элементов приборов и машин; Напряжение s0,2, которое называется условным пределомтекучести и которому соответствует пластическая деформация 0,2 %. Физический предел текучести sт определяется по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растяжение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение s0,2 несложно определяется при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения. Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают обычно меньше s0,2 в 1,5 раза; Максимальное напряжение sв, которое называется временным сопротивлением, характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению, и определяется по формуле sв = Р max / Fo Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше sв в 2,4 раза. Пластичность материала характеризуется относительным удлинением d и относительным сужением y: d = [(lк – lо) / lо] * 100, y = [(Fо – Fк) / Fо] * 100, где lо и Fо – начальные длина и площадь поперечного сечения образца; lк - конечная длина образца; Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва. Твердость– способность материалов сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела, которое называется индентором. Существует разные методы определения твердости. Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки при вдавливании стального шарика в испытуемый материал к площади поверхности полученного сферического отпечатка (рис. 4.7а). HB = 2P / pD , D – диаметр шарика, мм; d – диаметр лунки, мм Рис. 7. Схемы испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу Твердость по Роквеллу определяется глубиной проникновения в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120о или закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 7.б). Конус или шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: Предварительной Ро = 10 н; Общей Р = Ро + Р1, где Р1 – основная нагрузка. Твердость обозначается в условных единицах: Для шкал А и С HR = 100 – (h – ho) / 0,002 Для шкалы В HR = 130 – (h – hо) / 0,002 Для определения твердости используется алмазный конус при нагрузке 60 Н (HRA), алмазный конус при нагрузке 150 Н (HRC) или стальной шарик диаметром 1,588 мм (HRB). Твердость по Виккерсу измеряют для деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой. Эта твердость определяется как отношение нагрузки при вдавливании в испытуемый материал алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136о к площади поверхности полученного пирамидального отпечатка (рис. 7.в): HV = 2P * sin a/2 / d2 = 1,854 P/d2, a = 136о – угол между гранями; d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей, мм. Величину HV находят по известному d согласно формуле или по расчетным таблицам согласно ГОСТ 2999-75. Микротвердость, учитывая структурную неоднородность металла, применяют для измерения малых площадей образца. При этом вдавливают пирамиду как при определении твердости по Виккерсу, при нагрузке Р = 5-500 Н, а среднее арифметическое длин обеих диагоналей (d) измеряется в мкм. Для измерения микротвердости используется металлографический микроскоп. Сопротивление материала разрушению при динамических нагрузках характеризует ударная вязкость. Её определяют (ГОСТ 9454-78) как удельную работу разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра (рис. 4.8): КС = К / So (К – работа разрушения; So – площадь поперечного сечения образца в месте концентратора). Рис. 8. Схема испытаний на ударную вязкость Ударную вязкость (МДж/м2) обозначают KCU, KCV и KCT. Буквы КС означают символ ударной вязкости, буквы U, V, T – вид концентратора: U-образный с радиусом надреза rн = 1 мм, V-образный с rн = 0,25 мм; T – трещина усталости, созданная в основании надреза; KCU – основной критерий ударной вязкости; KCV и KCT используют в специальных случаях. Работа, затраченная на разрушение образца, определяется по формуле Ан = Р * l1(cos b - cos a), где Р - масса маятника, кг; l1 – расстояние от оси маятника до его центра тяжести; b - угол после удара; a - угол до удара Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжений – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями smax и smin в течение периода Т (рис. 9). Рис. 9. Синусоидальный цикл изменения напряжений Различают симметричные циклы (R = -1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин. Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью (ГОСТ 23207 – 78). На усталость деталей машин влияют ряд факторов (рис. 10). Рис. 10. Факторы, влияющие на усталостную прочность Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей: Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке, меньших пределах текучести или временного сопротивления; Разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды; Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение; Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома (рис. 11). Рис. 11. Схема излома усталостного разрушения: 1 – очаг зарождения трещины; 2 – зона усталости; 3 – зона долома Лабораторная
работа № 5 ИСПЫТАНИЕ
МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ Цель
лабораторной работы
- освоить методику и получить навыки
испытания металлов на твердость. При
выполнении лабораторной работы
необходимо:
1)усвоить
сущность метода испытания металлов на
твердость, его преимущества перед
другими методами определения механических 2)изучить
устройство приборов для измерения
твердости; 3)
определить твердость стали, чугуна,
цветных металлов (алюминия, меди и
других), по значениям твердости НВ
определить предел прочности металлов. Оснащение
участка лабораторной работы: оборудование
-
пресс Бринелля, твердомер Роквелла,
наконечники со стальными закаленными
шариками выбранного диаметра, наконечник
с алмазным конусом, лупа с градуированной
шкалой, настольные тиски, напильники и
шлифовальный круг; материалы
- образцы углеродистой стали, чугуна и
цветных сплавов; плакаты
- таблицы значений твердости. Твердость
- это свойство металла сопротивляться
проникновению в него другого, более
твердого, тела определенной формы и
размеров. Определение твердости является
наиболее широко распространенным
методом испытания металлов, позволяющим
без разрушения изделия и изготовления
специальных образцов судить о качестве
изделий. Приборы для испытания на
твердость обладают высокой
производительностью (до 100 испытаний
в час), значительно превышающей
производительность других испытательных
машин. Твердость
характеризует сопротивление пластической
деформации и представляет собой
механическое свойство металла,
отличающееся от других его Преимущества
метода измерения твердости: 1.
Между твердостью пластичных металлов,
определяемой способом вдавливания,(и
другими механическими свойствами
(главным образом, пределом прочности)
существует количественная зависимость. Величина
твердости характеризует предел прочности
металлов, получающих в испытаниях
на растяжение сосредоточенную пластическую
деформацию (образование шейки). Такая
пластическая деформация аналогична
деформации, создаваемой в поверхностных
слоях металла при измерении твердости
вдавливанием наконечника. В ряде случаев
и у хрупких металлов (например, серых
чугунов) наблюдается качественная
зависимость между пределом прочности
и твердостью. По
значениям твердости можно определять
и некоторые пластические свойства
металлов. Твердость, определенная
вдавливанием, характеризует также
предел выносливости некоторых металлов,
в частности меди, дуралюмина и сталей
в отожженном состоянии. Измерение
твердости по технике выполнения
значительно проще, чем определение
прочности, пластичности и вязкости.
Испытания твердости не требуют
изготовления специальных образцов и
могут выполняться непосредственно
на проверяемых деталях. Измерение
твердости обычно не влечет за собой
разрушения контролируемой детали, и
после измерения ее можно использовать
по своему назначению, в то время как
для определения прочности, пластичности
и вязкости необходимо изготовление
специальных образцов из детали. Твердость
можно измерять на деталях небольшой
толщины, а также в очень тонких слоях,
не превышающих (для некоторых способов
измерения твердости) десятых долей
миллиметра, или в микрообъемах
металла (метод измерения микротвердости).
В последнем случае можно измерять
твердость отдельных структурных
составляющих в сплавах. Поскольку
при измерении твердости в большинстве
случаев детали не разрушаются, то
эти измерения можно применять для
сплошного контроля деталей, в то время
как определение характеристик прочности
и пластичности проводят в качестве
выборочного контроля. Методы
испытания на твердость -
вдавливание, царапание, качание,
упругая отдача, магнитный.
Наиболее
распространенным является метод
вдавливания, при котором твердость
определяют: по
величине поверхности отпечатка от
вдавливания стального шарика
при испытании на прессе Бринелля; по
глубине отпечатка при вдавливании
алмазного конуса или стального шарика
при испытании на приборе Роквелла. Испытуемый
образец или деталь должны иметь
подготовленную гладкую плоскую площадку.
Толщину испытуемого образца или изделия
выбирают такой, чтобы на обратной стороне
образца (изделия) не было заметных следов
деформаций. Нагрузку следует прилагать
по оси вдавливания наконечника
перпендикулярно к испытуемой поверхности.
При вдавливании наконечника с малыми
нагрузками требуется более совершенная
обработка поверхности. Определение
твердости способом Бринелля
1вердость
по способу Ьринелля определяют путем
вдавливания в испытуемый образец
стального закаленного шарика диаметром
D
под
действием заданной нагрузки Р в течение
определенного времени Диаметр
отпечатка измеряют специальной лупой,
имеющей шкалу с ценой деления 0,1 мм. Диаметр
шарика может быть различным и выбирается
в зависимости от толщины испытуемого
материала; твердость измеряют при
постоянном соотношении между величиной
нагрузки Р и сР (табл. 5.1). 6 B
-
3,5 HB
(МПа)
для углеродистых сталей в нормализованном
состоянии; 6в=3,6
НВ дня низколегированных конструкционных
сталей в улучшенном состоянии; 6в=
5,5 НВ для меди, латуни и бронзы в отожженном
состоянии; 6в
= 4,0 НВ для тех же сплавов в наклепанном
состоянии. Для
алюминия и его сплавов с твердостью
20...45 НВ а в
= 3,5 НВ, для дуралюмина отожженного о в
= 3,6 НВ, а после закалки и старения о в =
3,5 НВ. НВ принимается в кгс/мм 2 ,
тогда а в
выражается в МПа. Чтобы
избежать длительных вычислений, на
практике пользуются готовыми таблицами
с заранее подсчитанными значениями
твердости для отпечатков разных
диаметров, полученных при разных
нагрузках. Перед испытанием поверхность
образца обрабатывают, чтобы она была
гладкой, без окалины и других дефектов. К
недостаткам способа Бринелля следует
отнести невозможность испытаний: металлов,
имеющих твердость свыше 4500 МПа, при
этом будет деформироваться сам
стальной закаленный шарик
и результаты испытаний будут неточны; твердости
мелких деталей и тонкого поверхностного
слоя (менее 1 ...2 мм), так как шарик
будет
продавливать тонкий слой металла. 1.изучить
работу твердомера; 2.очистить
поверхность образцов от загрязнения и
окалины с помощью напильника или на
шлифовальном круге; 3.выбрать
в зависимости от заданных
условий испытаний диаметр шарика,
нагрузку и время
выдержки под нагрузкой; 4.закрепить
наконечник с шариком в шпинделе пресса
установочным
винтом; 5.установить
на подвеску твердомера требуемое для
испытания количество
сменных грузов; 6.установить
упор на нужную продолжительность
выдержки и закрепить стопорным
винтом; 7.установить
на столик испытуемый образец и вращением
маховика поднять
его до упора в наконечник с шариком,
прикладывая этим предварительную
нагрузку, равную 1 ООО Н, при этом центр
будущего отпечатка должен находиться
на расстоянии не менее диаметра шарика
от края образца, а от центра соседнего
отпечатка - не менее двух диаметров
шарика; 8.нажать
на спусковую кнопку и привести в действие
электродвигатель, передавая нагрузку
на образец; 9.после
автоматического выключения электродвигателя
опустить столик, снять образец и измерить
диаметр отпечатка при помощи лупы в
двух взаимно перпендикулярных направления.
Диаметр отпечатка измеряют с точностью
до 0,5 мм при испытании шариком диаметром
10,5 мм и с точностью до 0,01 мм при испытании
шариком диаметром 2,5 мм; 10.по
величине диаметра отпечатка в таблице
найти число твердости НВ; 11.результаты
испытания занести в протокол испытаний
(табл. 5.2)..
Таблица
5.2. 2
Определение твердости способом Роквелла
Измерение
твердости по способу Роквелла производят
путем вдавливания алмазного конуса с
углом при вершине 120° или стального
закаленного шарика диаметром 1,588 мм в
испытуемый образец под действием двух
последовательно прилагаемых нагрузок:
предварительной
Р
0
и
основной Р. Общая нагрузка Р равна сумме
предварительной и основной:
Р = Р
0
+
Р^
(рис. 5.2).
S c R =\/Х АР Г (°й.-°й) 2 >
- пластичность
- ударную вязкость
- твердостьВиды и условия механических испытаний металлов
- испытания на статический изгиб;
- испытания на ударный изгиб;
- измерение твердости.
- низкая (ниже +20°С, температура 0...-60°С);
- высокая (выше+20°С, температура +100...+1200°С).растяжение
сжатие
изгиб
кручение
срез
- нагрузка прилагается с большими скоростями; нагрузка ударная - динамические испытания;
- нагрузка многократная повторно-переменная; нагрузка изменяется по величине или по величине и направлению (растяжение и сжатие) - испытания на выносливость.Образцы для механических испытаний
Механические свойства, определяемые при статических испытаниях
- предел прочности или временное сопротивление (σ в);
- относительное удлинение (δ);
- относительное сужение (ψ).
Механические испытания на ударный изгиб
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ
- твердость по Роквеллу (единица твердости обозначается HR);
- твердость по Виккерсу (единица твердости обозначается HV).
Испытания на статический изгиб
- загиб вокруг оправки до параллельности сторон;
- загиб вплотную до соприкосновения сторон (сплющивание).
стального шарика (шкала В) Р х = 900 Н; Р = 100 + 900 = 1000 Н;
алмазного конуса (шкала С) Р { = 1400 Н; Р = 100 + 1400 = 1500 Н;
алмазного конуса (шкала А) Р у = 500 Н; Р = 100 + 500 = 600 Н.
Рис. 5.2. Схема определения твердости по способу Роквелла
I
где h - глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием общей нагрузки Р; h Q - глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки Р 0 ; с - постоянная, равная 0,002 мм.
Индикатор прибора имеет две шкалы: черную - для испытаний алмазным конусом при различных основных нагрузках и красную - для испытаний шариковым наконечником. Красная шкала смещена относительно нулевого деления черной шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечника. Это смещение сделано по той причине, что глубина вдавливания шарика часто превышает 0,2 мм, т. е. стрелка при вдавливании делает поворот более чем на 100 делений (при очень мягком материале). Определение твердости на приборе Роквелла имеет широкое применение, поскольку на нем можно испытать как мягкие, так и твердые, а также тонкие материалы.
Шкала С используется при испытаниях сталей твердостью HRC = 20...70 и тонких поверхностных слоев толщиной свыше 0,5 мм, шкала А - при испытании твердых сплавов твердостью свыше HRC = 70, тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3...0,5 мм). Число HRA можно перевести в число HRC
по формуле:
HRC = 2HRA - 104. (5-5)
Шкала В применяется при испытании металлов средней твердости и изделий толщиной от 0,8 до 2 мм. Числа твердости по Роквеллу можно приближенно пересчитать в числа твердости по Бринеллю. На основании экспериментальных данных установлена следующая зависимость:
НВ = 100 HRC (5.6)
в интервале твердости 2000...4500 МПа по Бринеллю, где НВ -твердость по Бринеллю; HRC - твердость по Роквеллу (шкала С).
Для перевода числа твердости по Роквеллу с одной шкалы на другую пользуются специальными справочными таблицами. Поверхности образцов (как испытуемая, так и опорная) должны быть плоскими, параллельными друг другу, отшлифованными, без окалины, забоин и т. п.
К достоинствам способа Роквелла следует отнести высокую производительность (время испытания 30...60 с, результат испытания считается прямо на шкале прибора), простоту обслуживания, точность измерения и сохранение качественной поверхности после испытания. Этот способ не рекомендуется применять для определения твердости неоднородных по структуре сплавов, криволинейных поверхностей и для испытания деталей, которые под действием нагрузки могут деформироваться.
изучить работу твердомера;
подготовить образцы к испытанию так же, как и при испытаниях
на приборе Бринелля;
подобрать наконечник и закрепить его в шпинделе при помощи
установочного винта;
подобрать и подвесить грузы соответственно выбранному наконечнику и шкале, по которой предполагается вести испытание (см. табл. 5.3);
установить испытуемый образец на столик прибора;
вращением маховика постепенно подвести испытуемую поверхность образца до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим его вращением произвести предварительное нагружение Р 0 до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой на шкале. Если она значительно перейдет за красную точку (влево), то необходимо загрузить прибор, выбрать на испытуемой поверхности другое место и начать испытание заново. Затем необходимо повернуть ободок индикатора до совпадения нулевой отметки черной шкалы с большой стрелкой;
слегка нажать на платформу и тем самым произвести нагруже- ние образца через наконечник общей нагрузкой (предварительная Р плюс основная Р { ). В это время большая стрелка поворачивается против часовой стрелки после секундной выдержки в полностью нагруженном состоянии, происходит автоматическое снятие нагрузки />, во время которого большая стрелка движется по часовой стрелке;
после полной остановки стрелки произвести отсчет числа твердости по соответствующей шкале индикатора: в случае применения алмазного наконечника - по черной шкале С или А, при шариковом наконечнике - по красной шкале В;
результаты испытаний внести в протокол испытаний (табл. 5.4);
10) вращением маховика против часовой стрелки опустить столик и снять образец.
1.Цель и задачи работы.
2.Краткое описание способов измерения твердости.
3. Схемы иллюстрирующие способы проведения испытаний.
4.Таблицы значений твердости по результатам измерений.
5.Определение предела прочности металла по значениям твердости
-;- , . lurja-jAfe^
6.Выводы по работе.
Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности. В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов.
Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.
Статическими называют испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействию постоянной силы или силы возрастающей очень медленно.
Динамическими называют такие испытания, при которых испытываемый металл подвергается воздействию удара или силы, возрастающей очень быстро.
Кроме того, существуют испытания на усталость, износ, ползучесть, которые дают более полное представление о свойствах металлов.
Испытания на растяжение. Статическое испытание на растяжение - весьма распространенный способ механических испытаний. Для статических испытаний изготавливают круглые образцы или плоские образцы для листовых материалов (рис.20 ). Образцы состоят из рабочей части и головок, предназначенных для закрепления в захватах разрывной машины. Расчетная длинаl 0 берется несколько меньше рабочей длиныl 1 . Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части круглого образца равен 20мм . Образцы других диаметров называют пропорциональными.
Рис.20. Образцы для статических испытаний металлов:
1 - круглый, 2 - плоский
Растягивающее усилие создает напряжение в испытуемом образце и вызывает его удлинение; когда напряжение превысит предел прочности, он разрывается.
На рис.21 приведена диаграмма растяжения мягкой стали, построенная в системе прямоугольных координат. По оси ординат отложено усилиеР кГ , по оси абсцисс - деформация (абсолютное удлинение образца l мм ). Эта диаграмма получается при постепенном увеличении растягивающего усилия вплоть до разрыва образца.
Рис.21. Диаграмма растяжения мягкой стали
Величина напряжения в любой точке диаграммы может быть определена путем деления усилияР на площадь поперечного сечения образца.
На диаграмме можно отметить несколько характерных точек. Участок ОА является отрезком прямой и показывает, что до точкиА удлинение образца пропорционально усилию (нагрузке); каждому приращению нагрузки соответствует и одинаковое приращение деформации. Такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой являетсязаконом пропорциональности .
При дальнейшем нагружении образца наблюдается отклонение от закона пропорциональности: на диаграмме появляется криволинейный участок. До точки В деформации у образца упругие.
Точкой С на диаграмме отмечено начало горизонтальной площадки, которая показывает, что образец удлиняется без увеличения нагрузки: металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без увеличения нагрузки продолжается деформация образца называетсяфизическим пределом текучести . Предел текучести т определяется по формуле
кГ мм 2 ,
где Р с .
Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали и для латуни некоторых марок. Высокоуглеродистые стали и другие металлы не имеют площадки текучести. Для таких металлов определяют условный предел текучести при остаточном удлинении 0.2%. Напряжение, при котором растягиваемый образец получает остаточное удлинение, равное 0.2% своей расчетной длины, называется условным пределом текучести и обозначается 0.2
кГ мм 2 .
Точка D показывает наибольшую наибольшую нагрузку, которую может выдержать образец. Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называетсяпределом прочности при растяжении (временным сопротивлением разрыву) и определяется по формуле
кГ мм 2 ,
где P .
Для точки D удлинение l 3 образца и сужение его поперечного сечения происходит равномерно по всей длине рабочей части. По достижении точкиD деформация образца сосредотачивается в месте наименьшего сопротивления и дальнейшее удлинение l 4 протекает за счет образования шейки, по которой происходит разрыв образца при нагрузкеР К .
При разрыве упругая деформация l уп исчезает и абсолютное остаточное удлинение l ост сложится из удлинения равномерного l 1 и удлинения местного l 2 , т.е.
l ост = l 1 + l 2 .
Для оценки пластичности металла важно знать относительное удлинение и относительное сужение площади поперечного сечения в процентах.
Относительное удлинение (в %) определяется по формуле
,
где l 1 -длина образца после разрыва,мм ;
l 0 -расчетная длина образца,мм ;
При удлинении одновременно уменьшается площадь поперечного сечения. В месте разрыва эта площадь будет наименьшей. Относительное сужение (в %) определяется по формуле
,
где F 0 - начальная площадь поперечного сечения образца,мм 2 ;
F 1 - площадь в месте разрыва,мм 2 .
У хрупких металлов относительное удлинение и относительной сужение близки к нулю; у пластичных металлов они достигают нескольких десятков процентов.
Таким образом, статическое испытание на растяжение дает характеристики прочности - уп , т (или 0,2 ) и характеристики пластичности - и .
Испытания на твердость .
Испытания на твердость проводятся вдавливанием твердого наконечнека.
По методу Бринелля стальной закаленный шарик диаметромD (10; 5 или 2.5мм ) вдавливается в испытуемый образец силойР (3000;1000; 750кГ или меньше). В результате на поверхности образца остается отпечаток в форме шарового сегмента диаметромd (рис.22 ). Величина отпечатка будет тем меньше, чем тверже металл. Число твердости по Бринеллю НВ вычисляется по формуле
кГ мм 2 ,
;F - величина поверхности отпечатка,мм 2 .
Рис.22. Схема испытания по Бринеллю
Для малых изделий применяют шарики меньшего диаметра при меньших усилиях вдавливания. Толщина металла под отпечатком должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до среза поверхности не меньше D .
Для испытания на твердость по Бринеллю в настоящее время применяют в основном рычажные прессы.
Как показали исследования, между пределом прочности металлов при растяжении в и твердость по БринеллюНВ существует зависимость:
для катаной и кованой стали в = 0.36НВ ;
для литой стали...................... в =(0.3-0.4) НВ :
для серого чугуна.................... в =0.1 НВ .
По методу Бринелля можно испытывать материалы с твердостью НВ до 450; если материалы тверже, то стальной шарик может деформироваться. Этот метод непригоден также для испытания тонколистового материала.
По методу Роквела испытание на твердость производится путем вдавливания в образец стального шарика диаметромD =1.58мм (116 дюйма) или алмазного конуса с углом 120 0 .
Стальной шарик применяется для испытания мягких металлов (твердость меньше 220 по шкале Бринелля) при нагрузке 100 кГ , алмазный конус - для испытания твердых металлов при нагрузке 150кГ . Образец помещают на столик 2 прибора Роквелла (рис.23 ) и вращением маховика 1 поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом 3 (или стальным шариком). Вращение маховика продолжают до тех пор пока давление конуса или шарика не станет равным 10кГ (предварительная нагрузка), что указывается малой стрелкой индикатора 4. Далее прикладывают основную нагрузку с помощью рукоятки 5. Вдавливание длится 5-6сек , затем основная нагрузка снимается. После этого большая стрелка индикатора показывает величину твердости.
Рис.23 . Пресс Роквелла
Циферблат индикатора имеет две шкалы: красную В для испытания стальным шариком и чернуюС для испытания алмазным конусом.
Твердость по Роквеллу является величиной условной, характеризующей разность глубин отпечатков. Число твердости по Роквеллу обозначается HR с добавлением индекса шкалы, по которой производилось испытание, напримерHR В илиHR С. Для испытания очень твердых материалов применяют алмазный конус при нагрузке 60кГ . Отсчет производят по черной шкале.
Метод Виккерса, позволяющий измерить твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов; он пригоден для определения твердости тонких поверхностных слоев (например при химико-термической обработке).
По этому методу в образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136 0 . Нагрузка может применяться от 5 до 120кГ. Замер отпечатка производится с помощью микроскопа, находящегося на приборе.
Число твердости определяется по формуле
кГ мм 2 ,
;F - площадь пирамидального отпечатка,мм 2
Практически величина HV берется из таблиц.
Испытания на микротвердость производят вдавливанием алмазной пирамиды с углом при вершине 136 0 под нагрузкой от 2 до 200г ; число твердости выражаетсякГ мм 2 . По этому методу можно определять твердость отдельных структурных составляющих сплавов, мелких деталей, металлических нитей, окисных пленок и т.д. Нарис.24,а показан прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость.
Столик 11 и стойка 4 тубуса опираются на станину 1 прибора. Испытуемый предмет 2 устанавливается на столик под объектив 9, через который производят наводку на фокус микроскопа и установку нитей с помощью окулярного микроскопа 6. Затем алмазная пирамида 10 вдавливается в испытуемый предмет в течении 5-7 сек. После снятия нагрузки микроскопом измеряют диагональd (рис.24,б ), совмещая пересечение нитей станачала с правым углом отпечатка (пунктирные линии), а затем с левым (сплошные линии).
По величине диагонали определяют площадь отпечатка и твердость по выше приведенной формуле (HV n ).
Прочие механические испытания .Испытания ударной нагрузкой проводят для деталей машин и механизмов испытывающих ударные (динамические) нагрузки, так как некоторые металлы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются при малых ударных нагрузках, например, сталь с крупнозернистой структурой и чугун.
Ударные испытания на изгиб проводят над образцами стандартной формы на приборах, называемых маятниковыми копрами.
Сопротивление удару называют ударной вязкостью и определяют в килограммометрах на квадратный сантиметр.
Рис.24. Прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость
Ударная вязкость а н вычисляется по формуле
кГ м см 2 ,
где А н - работа удара, затраченная на излом образца,кГ м;
F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза,см 2 .
Испытания на усталость . Многие детали машин (шатуны двигателей, коленчатые валы и др.) в процессе работы подвергаются нагрузкам, изменяющимся по величине и направлению. При таких повторно-переменных напряжениях металл постепенно из вязкого состояния переходит в хрупкое (устает). Хрупкое состояние объясняется появлением микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют металл. В результате этого разрушение наступает при напряжениях меньших, чем предел прочности.
Микротрещины появляются и развиваются с поверхности преимущественно в сечениях с резкими изломами линии контура (например, при наличии шпоночных канавок, отверстий и др.).
Испытания на усталость (выносливость ) производят на различных машинах. Наиболее распространены машины для испытания:
изгибом при вращении;
при растяжении-сжатии;
при кручении.
Для металлов, работающих в сложных условиях, испытательные машины снабжаются установками и приспособлениями, обеспечивающими испытания при повышенных и пониженных температурах, при коррозии и в других специальных условиях.
Рис.25. Испытание на выдавливание
Технологические испытания (пробы ). Они определяют возможность производить те или иные технологические операции с данным металлом.
Испытание на выдавливание служит для определения способности тонкого листового металла к холодной штамповке и вытяжке. Испытание состоит в выдавливании лунки округлой головкой 1 (рис.25 ) до появления первой трещины в пластинке 2, зажатой в кольцевой поверхности.
Глубина выдавленной лунки при появлении первой трещины и является количественной мерой пробы.
Испытание на перегиб определяет способность металла выдерживать повторные перегибы и применяется для оценки качества листового материала толщиной до 5мм , а также проволоки и прутков.
Испытание на осадку определяет способность холодного металла принимать заданную форму при сжатии. Образец-цилиндр, высота которого равна двум диаметрам, считается выдержавшим пробу, если при осадке до заданной высоты на нем не появляются трещины, надрывы и излом.
Испытание на свариваемость. Два бруска испытуемого металла сваривают и испытывают на загиб или на растяжение, после чего сравнивают результаты с теми, которые соответствуют цельному (несваренному) образцу из того же металла. При хорошей свариваемости сопротивление разрыву сварного шва должно соответствовать не менее 80% от предела прочности цельного бруска.
Методы физико-химического анализа.
Макроанализ. Для макроанализа приготовляют образец-шлиф, или излом, по которому выявляют макроструктуру-строение металла и сплава, видимое невооруженным глазом или при малом увеличении до х 5 раз.
Поготовка шлифа состоит в выравнивании и шлифовании поверхности на шлифовальном машине. Затем, шлиф травят реактивами, которые растворяют или окрашивают разные по составу или ориентации части на шлифе.
С помощью макроанализа можно обнаружить усадочные раковины и рыхлости, пустоты, трещины, неметаллические включения (шлак, графит в сером чугуне и т.д.), наличие и характер расположения некоторых вредных примесей, например серы.
Микроанализ . Шлиф для микроанализа приготовляют также, как и для макроанализа, однако после шлифования его полируют до зеркального блеска.
По шлифу с помощью металлографического микроскопа выявляют микроструктуру: наличие, количество и форму тех или иных структурных составляющих, загрязненность посторонними включениями. Наличие и размеры пор определяют по нетравленным шлифам; для выявления основной структуры шлиф подвергают травлению. Так как металлы непрозрачны, шлифы из них можно изучать только в отраженном свете с помощью металлографического микроскопа.
На рис.26 приведена схема, поясняющая видимость границ зерен протравленного шлифа однофазного металла. Под действием реактивов при травлении металл по границам зерен растворяется сильнее, вследствие чего там образуются углубления-микробородки. Лучи света в них рассеиваются, поэтому границы зерен под микроскопом темнее; лучи от плоской поверхности зерен отражаются и каждое зерно на шлифе кажется светлым, при этом часто наблюдается различная окраска зерен, что объясняется неодинаковой растворимостью вследствие анизотропности.
Рис.26. Схема отражения лучей протравленным шлифом
однофазного металла
Наряду с обычным световым микроскопом широко применяют электронный микроскоп, в котором вместо световых лучей используются электронные: эти лучи испускает раскаленная вольфрамовая спираль. Электронный микроскоп обеспечивает электронно-оптическое увеличение до десятков тысяч раз.
Рентгеноструктурный анализ дает возможность установить типы кристаллических решеток металлов и сплавов, а также их параметры. Определение структуры металлов, размещение атомов в кристаллической решетке и измерение расстояния между ними основано на дифракции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов в кристалле, так как длина волн этих лучей соизмерима с межатомными расстояниями в кристаллах. Зная длину волны ренгеновских лучей, можно вычислить расстояние между атомами в кристалле и построить модель расположения атомов.
Ренгенографический анализ (просвечивание) основан на проникновении рентгеновских лучей сквозь тела, непрозрачные для видимого света. Проходя сквозь металлы, ренгеновские лучи частично поглащаются, причем сплошным металлом лучи сильнее поглащаются, чем в тех частях, где находятся газовые и шлаковые включения или трещины. Величину, форму и род этих пороков можно наблюдать на светящемся экране, установленном по ходу лучей за исследуемой деталью. Так как рентгеновские лучи действуют на фотографическую эмульсию подобно световым, то светящийся экран можно заменить кассетой с фотопленкой и получить снимок объекта.
Таким образом, ренгеновским просвечиванием можно обнаружить внутри детали даже микроскопические дефекты.
Термический анализ сводится к выявлению критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов и сопровождается построением кривых в координатах «температура - время».
Если в металле не происходит никаких фазовых превращений, кривая охлаждения (нагревания) будет плавной без перегибов и уступов; если же при охлаждении (или нагревании) металла в нем происходят фазовые превращения, которые сопровождаются выделением (при нагревании - поглощением) тепла, на кривой появятся горизонтальные участки или изломы (т.е. изменения направления кривой). Эти изломы и горизонтальные участки позволяют определять температуры превращений.
Дилатометрический анализ (дилатометрия - от лат. расширять) основан на измерении изменений объема, происходящих в металле или сплаве при фазовых превращениях, и применяется для определения критических точек в твердых образцах. Дилатометрический анализ проводят на приборах-дилатометрах.
Дефектоскопия. Магнитная дефектоскопия применяется для выявления дефектов в деталях, подверженных высоким переменным напряжениям. Такие дефекты, как трещины, волосовины, пузыри, неметаллические включения и т.п., в условиях переменной нагрузки становятся очень опасными, так как понижают динамическую прочность деталей.
Магнитное испытание слагается из трех основных операций: намагничивания изделий, покрытия их ферромагнитным порошком, наружного осмотра и размагничивания изделий.
У намагниченных изделий с пороками магнитные силовые линии, стремясь обогнуть места пороков (ввиду их пониженной магнитной проницаемости), выходят за пределы поверхности изделия и затем входят в него, образуя неоднородное магнитное поле. Поэтому при покрытии изделий магнитным порошком частицы последнего располагаются над пороком, образуя резко очерченные рисунки (рис.27 ). По характеру этих рисунков судят о величине и форме пороков металла.
Ультразвуковая дефектоскопия позволяет испытывать любые металлы (а не только ферромагнитные) и выявлять пороки в толще металла на значительной глубине, которые не обнаруживаются магнитным методом.
Для исследования металла применяют ультразвуковые колебания с частотой от 2 до 10 млн. гц. При такой частоте колебания распространяются в металле, подобно лучам, почти не рассеиваясь по сторонам: ими можно «просвечивать» металлы на глубину свыше 1м .
Рис.27. Схема расположения магнитных силовых линий на
детали с пороком
Ультразвук отражается на поверхности раздела разнопордных сред. Поэтому, рапространяясь в металле, ультразвук не проходит через трещины, раковины, неметаллические включения, образуя, таким образом, акустическую тень (рис.28 ). Здесь,а -зона акустической тени.
Для излучения и приема ультразвука используются соответственно пьезоэлектрические излучатели и приемники.
Применение радиоактивных изотопов (меченных атомов) .В металлургии и металловедении радиоактивные изотопы применяют для разных целей. Например, в шлак вводят радиоактивные изотопы фосфора, серы, марганца и др. и изучают скорость перехода этих элементов в металл и скорость восстановления их равновесного распределения между металлом и шлаком в металлургических плавках при изменении температуры или состава шлака. Введение радиоактивного углерода в железо при цементации позволяет изучать скорость диффузии и распределение углерода в нем.
Рис.28. Схема ультразвукового исследования детали
Для выявления распределения олова в никеле в жидкий сплав добавляют радиактивное олово. Затвердевший сплав кладут на кассету с фотопластинкой и после соответствующей выдержки пластинку проявляют.
На рис.29 приведена микрорадиоавтография такого сплава, из которой (по распределению потемнений) видно, что радиактивное, а с ним и обычное олово окаймляет зерна никеля.
Рис.29. Микрорадиоавтография сплава никеля с оловом
Радиоактивные изотопы помогают следить за износом огнеупорной кладки в доменных печах или деталей машин.
