Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

3.Испытания переменной нагрузкой с определением предела выносливости материала.

4.Испытания на ползучесть и длительную прочность.

5.Испытания на сопротивление развитию трещины с определением параметров вязкости разрушения.

2.2.1. Статические испытания

Наиболее часто проводят испытания на одноосное статическое растяжение (ГОСТ 1497–84). Обычно применяют малый пятикратный образец круглого сечения (диаметр 6 мм, расчетная длина 30 мм). На рис. 2.15 показаны два вида диаграмм растяжения: с площадкой и без площадки текучести в координатах нагрузка Р–удлинение l. Диаграмма просто преобразуется в диаграмму в координатах напряжение ζ–относительная деформация δ. При этом ζ = P/F0; δ = ( l/l0) 100 %, где F0, l0 – начальная площадка сечения и длина образца до испытания.

Рис. 2.15. Диаграммы растяжений:

а– с площадкой текучести; б – без площадки текучести;

в– диаграмма истинных напряжений

Диаграмма растяжения состоит из трех участков: упругой деформации ОА, равномерной пластической деформации АВ и сосредоточенной деформации шейки ВС. Участок упругой деформации имеет прямолинейный вид и характеризует жесткость материала. Чем меньшую упругую деформацию претерпевает материал под действием нагрузки, тем выше его жесткость, которая характеризуется модулем упругости: Е = ζ/ δ.

86

Модуль упругости – структурно нечувствительная характеристика, определяемая силами межатомного взаимодействия, является константой материала.

Упругие свойства зависят от температуры металла. При понижении температуры межатомные расстояния уменьшаются, кристаллы сжимаются, что приводит к увеличению модуля упругости. Основной рост модуля упругости происходит в области температур 77 К, ниже температур жидкого азота рост замедляется, а вблизи абсолютного нуля модуль упругости становится температурой независимости.

Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки («течет»), называется физическим пределом текучести ζт; он измеряется в мегапаскалях (MПa). Если нет площадки текучести, то определяют условный предел текучести ζ02, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2 % от первоначальной расчетной длины:

ζт = Рт/ F0.

Предел текучести – основной показатель прочности при расчете допустимых напряжений, характеризующих сопротивление малым пластическим деформациям.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению, называется временным сопротивлением ζв; оно измеряется в мегапаскалях:

ζв = Рв/ F0.

Величина пластической деформации к моменту разрушения характеризует пластичность материала. Различают две характеристики пластичности – относительное удлинение δ (%) и относительное сужение ψ (%):

δ = [(l – l0) / l0] 100 %,

где l – длина образца после разрыва; l0 – первоначальная длина образца;

ψ = [(F– F0)/ F0] 100 %,

здесь F – площадь сечения разрушившегося образца в месте разрыва; F0 – первоначальная площадь сечения образца.

87

Условно принято считать металл надежным при δ ≥ 15 %

и при ψ ≥ 45 %.

Более точно зависимость между деформацией образца и напряжением отражают диаграммы истинных напряжений. Истинное напряжение определяют делением нагрузки на площадь поперечного сечения образца в момент испытания.

Наиболее простым методом испытания свойств является измерение твердости. Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление деформации в поверхностном слое при местных контактных воздействиях. Различают следующие методы определения твердости: по Бринеллю (по диаметру отпечатка шарика); по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса или закаленного шарика); по Виккерсу (для деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев твердость определяют по диагонали отпечатка алмазной пирамиды).

Испытание по методу Бринелля (рис. 2.16, а) состоит во вдавливании в испытуемое тело стального шарика диаметром D под действием постоянной нагрузки Р и измерении диаметра отпечатка d. Число твердости по Бринеллю НВ определяется величиной нагрузки Р, деленной на сферическую поверхность отпечатка. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость металла. На практике твердость определяют не по формулам, а по специальным таблицам, исходя из диаметра отпечатка d. Из опасения возможной деформации шарика метод Бринелля не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ.

а б в

Рис. 2.16. Схема определения твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

88

Временное сопротивление и число твердости по Бринеллю связаны между собой: для стали ζв = 0,34 НВ; для медных сплавов ζв = 0,45 НВ; для алюминиевых сплавов ζв = 0,35 НВ.

При испытании по методу Роквелла (см. рис. 2.16, б) индентором служит алмазный конус (для более мягких материалов – маленький стальной шарик). Конус или шарик вдавливается в металл двумя последовательными нагружениями: предварительным Р0 = 100 Н и основным P1. Имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом и нагрузке Р1 = 1400 Н – шкала С, твердость обозначается HRC, то же при Р1 = 500 Н – шкала A (HRA), а при испытании стальным шариком и Р1 = 900 Н – шкала В (HRB).

Единица твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индикатора на 0,002 мм.

По шкале С определяют значения твердости более твердых материалов, чем методом Бринелля (твердость более 450 НВ).

Твердость по Виккерсу (см. рис. 2.16, в) определяют путем вдавливания правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки Р и измерения диагонали отпечатка d. Нагрузка меняется от 10 до 1000 Н. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть прилагаемая нагрузка. Число твердости по Виккерсу HV определяют с помощью специальных таблиц по величине диагонали отпечатка.

2.2.2. Динамические испытания

Основным динамическим испытанием является метод испытания на ударный изгиб (ГОСТ 9454–78) с определением ударной вязкости металла. Метод основан на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникового копра (рис. 2.17).

Образец устанавливают на опорах копра и наносят удар по стороне образца, противоположной надрезу. Работа, затраченная на разрушение образца, определяется так:

K = Pg (Н – h) = Pgl (cos α2 – cos α1),

где Р – масса маятника; g – ускорение силы тяжести; Н – высота подъема маятника до удара; h – высота подъема маятника после разрушения образца; l – длина маятника; α2, α1 – углы подъема маятника до удара и после разрушения образца.

89