Динамические – нагрузка прилагается ударом и с большой скоростью – ударное растяжение, ударный изгиб с определением ударной вязкости.

Испытания долговечности – усталостные испытания, испытания на ползучесть и длительную прочность, износ.

Испытание на сопротивление развитию трещин с определением параметров вязкости разрушения.

Испытания материалов в условиях сложнонапряжённого состояния, а так же натурные испытания деталей, узлов и готовых конструкций.

Статические и динамическиеиспытания в основном проводят при комнатной температуре, но для некоторых материалов применяют испытания при повышенной или пониженной температуре.

Каждое из указанных испытаний не определяет всех механических свойств материала. Тем не менее, механические испытания образцов стандартных размеров и формы в условиях одинакового напряжённого состояния дают основные исходные данные, позволяющие сравнить и оценить свойства различных материалов.

Ниже рассмотрим подробнее наиболее распространённые виды испытаний.

Статические испытания.

Наиболее распространённым видом статических испытаний является испытание на растяжение, позволяющие определять следующие характеристики: условный предел пропорциональности (σ_пц); условный предел упругости (σ_уп); физический предел текучести (σ_т) и условный предел текучести (σ_0,2); предел прочности (σ_в); истинное сопротивление разрыву (σ_к); относительное удлинение (δ); относительное сужение после разрыва (φ).

Испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84).

При растяжении образца на испытательной машине до разрушения фиксируются графически на диаграмме зависимости между приложенной нагрузкой и удлинением образца – так называемые диаграммы растяжения (см. рисунок 19).

Рисунок 19 - Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (А). Схема определения условного предела текучести σ0,2 (Б).

А Б

Первоначальный прямой участок диаграммы растяжения (0-в) соответствует упругой деформации. Нагрузке в точке «а», определяющей конец прямоугольного участка диаграммы растяжения, соответствует предел пропорциональности. Максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между нагрузкой и деформацией, называется условный предел пропорциональности (σ_пц),который определяется по формуле (1):

σ_пц = Р_пц / F₀(1)

гдеР_пц– приложенная нагрузка, кгс;

F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца, мм².

Нагрузке в точке «в» соответствует предел упругости (σ_уп)– максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию: σ_уп = Р_уп / F₀.

Предел текучести – физический и условный –характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям (участок «с-d» на диаграмме).

Физический предел текучести (σ_т) – напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке: σ_т = Р_т / F₀.

При невозможности определения предела текучести (если нет на диаграмме явно выраженной площадки или «зуба» текучести) определяется условный предел текучести.

Условный предел текучести(σ_0,2) – напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от начальной расчётной длины образца: σ _0,2 = Р_0,2 / F₀.

При дальнейшем нагружении пластическая деформация всё больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объёму образца. В точке «В», где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейка» - сужения поперечного сечения; деформация сосредотачивается на одном участке – из равномерной переходит в местную. Напряжение в материале в этот момент испытания называют пределом прочности.

Предел прочности (или временное сопротивление разрыву)– напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:

σ _в = Р_в / F_0.

В связи с развитием «шейки» нагрузка уменьшается за точкой «В» и при нагрузке Р_к происходит разрушение образца.

Истинное сопротивление разрыву (S_к) –максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца, определяется по формуле (2):

S_к = Р_к / F_к (2)

гдеР_к– нагрузка разрушения, кгс;

F_к- конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения, мм².

На образце после испытания можно определить относительное удлинение (δ) и относительное сужение (φ).

Относительное удлинение определяется по формуле:

δ = [(l_k - l₀) : l₀] х 100 % (3)

где l_k – конечная длина образца, мм;

l₀ –начальная длина образца, мм.

Относительное сужение определяется по формуле:

φ = [(F₀ - F_k) : F₀] х 100 % (4)

где F₀ –начальная площадь поперечного сечения образца, мм²;

F_k – конечная площадь поперечного сечения образца, мм².

Разряд.

Испытание на твёрдость.

Весьма часто для определения прочности пользуются простым, неразрушающим образец, упрощённым методом – измерением твёрдости. Твёрдость так же характеризует сопротивление деформации.

Существует много методов определения твёрдости. Общим для всех методов является создание местных контактных напряжений при воздействии стандартного наконечника на испытуемую поверхность. Методы измерения твёрдости получили широкое применение благодаря быстроте и простоте, портативности оборудования, а так же возможности проводить испытания на готовых деталях без разрушения. Испытание на твёрдость – основной метод оценки качества термической обработки изделия.

Рисунок 20 – Схема испытания на твёрдость

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

Наибольшее распространение на практике получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и метод микротвёрдости.

Твёрдость по Бринеллю(ГОСТ 9012-59)-определяют вдавливанием в испытуемую поверхность под нагрузкой Р в течение определённого времени стального закалённого шарика диаметром D.

Число твёрдости по Бринеллю обозначается НВ –это есть нагрузка Р, делённая на сферическую поверхность отпечатка с диаметром d: НВ = Р/F.

F = π*D*h(5)

Где D – диаметр вдавливаемого шарика, мм;

h - глубина отпечатка, мм.

h = D - / 2(6)

Прибором Бринелля типа ТШ-2М пользуются для определения твёрдости структурно неоднородных материалов, таких как чугун, некоторых цветных металлов, а так же для определения твёрдости незакалённой стали. Нагрузки и шарики, применяемые на приборе Бринелля, сравнительно велики. Максимальная нагрузка равна Р=3000 кг, диаметр шарика 10 мм, время τ = 10 с. Твёрдость при этом обозначается 250 НВ. При других условиях испытания твёрдость обозначается НВ D/Р/τ. Например: 250 НВ 5/750/30, где 250-числовое значение твёрдости.

Нагрузку Р выбирают в зависимости от качества испытываемого материала. Шарики различного диаметра (D = 10; 5; 2,5 мм) применяют в зависимости от толщины испытываемого материала. Полученный отпечаток измеряют лупой или микроскопом в двух взаимно перпендикулярных направлениях, диаметр отпечатка определяется как среднее арифметическое из двух измерений. На практике используют специальные таблицы для перевода диаметра отпечатка в число твёрдости.

Между пределом прочности и числом твёрдости НВдля различных металлов установлена следующая примерная зависимость:

- для стали σ _в ;

-для медных отожжённых сплавов σ _в ;

-для алюминиевых сплавовσ _в

Метод Бринелля применяется для мягких материалов.

Твёрдость по Роквеллу(ГОСТ 9013-59) – определяют вдавливанием в испытуемую поверхность наконечника под определённой нагрузкой Р. В качестве наконечников применяют для отожжённой стали и других материалов (с твёрдостью до 230 НВ) стальной шарик D=1,588 мм, для более твёрдых материалов – алмазный конус с углом 120⁰.

Шарик или конус вдавливают в испытываемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок (см. рис.2) – предварительной Р₀ и основной Р₁. Общая нагрузка: Р = Р₀ + Р₁. Предварительная нагрузка во всех случаях равна 10 кг.

Определение твёрдости проводится на приборе типа ТК-2М. Число твёрдости читается по шкале прибора. Преимуществом способа Роквелла является быстрота измерений.

Имеются три шкалы измерения:

Шкалу С – используют при испытании твёрдых материалов (термически обработанная сталь, в том числе закалённая): вдавливание алмазного конуса при Р = 150 кгс, твёрдость обозначается HRC.

Шкалу А – используют при измерении твёрдости очень твёрдых материалов, тонких изделий или поверхностного слоя до 0,7 мм: вдавливание алмазного конуса при Р = 60 кгс, твёрдость обозначается HRA.

Шкалу В – используют при измерении твёрдости мягких, отожжённых изделий: при вдавливании стального шарика при Р = 100 кгс, твёрдость обозначается HRB.

Число твёрдости по Роквеллу – число отвлечённое и выражается в условных единицах.

За единицу твёрдости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм.

Число твёрдости по Роквеллу HR определяется по формулам:

при измерении по шкале В: HR = 130 – e,

при измерении по шкале C и A: HR = 100 – e.

Величину е определяют по формуле:

е = (h – h₀) /0,002(7)

где h – глубина внедрения наконечника в испытываемый материал под действием общей нагрузки Р,измеренная после снятия основной нагрузки P₁с оставлением предварительной нагрузки P₀, мм_.

h₀ – глубина внедрения наконечника в испытываемый материал под действием предварительной нагрузки P₀, мм.

Между значениями HRA и HRC имеется следующая зависимость:

HRC = 2 HRA – 104.

Значения твёрдости по Роквеллу могут быть переведены в значения твёрдости по Бринеллю. Пример условного обозначения твёрдости по Роквеллу: 45 HRC.

Для более тонких слоёв, менее 0,4 мм применяется метод Супер-Роквелла(ГОСТ 22975-78).Прибор для измерения твёрдости при малых нагрузках типа ТКС-1М.

При измерении твёрдости закалённых материалов применяют алмазный конус и используют (шкалу N), при измерении мягких материалов применяют стальной шарик и используют (шкалу Т). Используются сменные нагрузки Р = 15 кгс; Р = 30 кгс; Р = 45 кгс. Шкала для проведения испытаний выбирается в зависимости от толщины образца и ожидаемой твёрдости таким образом, чтобы на обратной стороне образца не было заметно следов деформации от отпечатка.

Пример условного обозначения твёрдости по Супер-Роквеллу: 73 HRN 15.

Это значит – твёрдость 73, алмазный наконечник (шкала N), нагрузка Р = 15 кгс.

Недостаток измерения твёрдости по методу Роквелла заключается в том, что необходима тщательная подготовка поверхности – шлифование.

Разряд.

Динамические испытания.

Наиболее часто для выявления склонности материала к хрупкому разрушению применяют динамические испытания на ударный изгиб. Динамическая прочность материала оценивается величиной удельной ударной вязкости а_н, которая определяется по формуле:

а_н = А_н /F (8)

где А_н – работа удара, затраченная на разрушение образца, кг*м;

F -площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания, см².

А_н = Р (H - h); Рl (cos β - cos α)(9)

Р –вес маятника, кг;

Н– высота подъёма центра тяжести маятника до удара, м;

h -высота взлёта маятника после удара, м;

l– длинамаятника, т.е. расстояние от его оси до центра тяжести, м;

α и β –углы подъёма маятника соответственно до и после излома образца в градусах.

Другими словами, ударная вязкость – это работа, израсходованная на ударный излом образца, отнесённая к поперечному сечению образца в месте надреза. Испытание на ударную вязкость производится изломом образца маятником, падающим с определённой высоты (Н) и взлетающим после удара на высоту (h).

Схема испытания удар приведена на рисунке 21.

Рисунок 21 – Схема испытания на удар

Чтобы не вычислять величину работы А_н по формуле (9), пользуются специальной таблицей, в которой для каждого угла αначального подъёма маятника и угла βвзлёта маятника указана величина работы.

Для определения ударной вязкости применяются маятниковые копры. Устройство копра приведено на рисунке 22.

Рисунок 22 – Устройство маятникового копра. На станине (1) копра на горизонтальной оси (2), подвешен маятник (3), представляющий собой стержень с прикреплённым к нему тяжёлым плоским диском с ножом (4). Маятник, свободно качающийся вокруг оси (2), может быть поднят на определённую высоту и задержан там специальной защёлкой (5). На станине имеются две опоры (6), предназначенные для установки на них испытываемого образца (7). Образец имеет определённые размеры и надрез. Стрелка (8) служит для указания на шкале (9) угла взлёта маятника после разрушения им образца. При помощи рукоятки (10) натягивают ремень (11) и останавливают раскачивающийся маятник.

Долговечность материала определяют испытанием на усталость, ползучесть, износ, коррозию, и др. методами.

Испытания на усталость применяют, чтобы характеризовать поведение металла в условиях повторно-переменного приложения нагрузки. В таких условиях у металлов более низкая прочность по сравнению с прочностью, определяемой при статических испытаниях. Это происходит вследствие того, что под действием большого числа циклов переменных нагрузок в наиболее нагружённом или ослабленном месте металла зарождается и развивается трещина и образуется участок усталостного излома. Когда оставшаяся неповреждённая часть сечения уже не сможет выдерживать приложенной нагрузки, наступает быстрое (внезапное) разрушение детали, которое проявляется в изломе как зона долома.

Под усталостью понимают процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению.

Свойства материала противостоять усталости называют сопротивлением усталости. Максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором ещё не происходит усталостное разрушение до базы испытания, называют пределом выносливости.

Для испытания металлов на усталость (ГОСТ 25502-82) применяют гладкие образцы круглого и прямоугольного профиля, а для определения чувствительности материала к концентрации напряжений – образцы с надрезами.

Рисунок 23 – Схема при испытании на усталость.

Испытания образцов проводят при напряжениях (деформациях), близких к синусоидальному закону их изменения во времени. Машины для испытаний на усталость должны обеспечивать нагружение образцов по схемам, в частности повторно-переменное растяжение-сжатие (Р) и кручение (М) образцов представлено на рисунке 23.

Свойство материала медленно и непрерывно пластически деформироваться при постоянном напряжении, которое может быть существенно ниже предела текучести, называется ползучестью.

Другой вид постепенного разрушения – это разрушение от износа – явление столь же частое, как и разрушение от усталости. Износ является следствием трения двух поверхностей. В процессе трения у менее износостойкого материала (обычно, но не всегда, менее твёрдого) износ больше. Износ состоит в отрыве отдельных частиц. Важное значение при износе имеет химическое и физическое взаимодействие трущихся пар.

Разряд.

Макроскопический анализ.

Макроанализ заключается в определении строения металла путём просмотра его излома или специально подготовленной поверхности (шлифованной и травлёной) невооружённым глазом или через лупу при небольших увеличениях – до 30 раз. Макроскопический анализ не определяет подробностей строения металла и является предварительным видом исследования, позволяет выбрать те участки, которые требуют дальнейшего микроскопического исследования.

С помощью макроанализа можно определить:

1) Нарушение сплошности металла: усадочную рыхлость, газовые пузыри и раковины, пустоты, образовавшиеся в литом металле, трещины, возникшие при механической или термической обработке, флокены, дефекты сварки (в виде непровара, газовых пузырей, пустот.

2) Дендритное строение и зону транскристаллизации в литом металле.

Для выявления дефектов, нарушающих сплошность, а так же дендритное строение применяют реактивы как глубокого, так и поверхностного травления.

3) Химическую неоднородность сплава (ликвацию). Можно определить неоднородность распределения серы при помощи засвеченной фотобумаги. А так же определить ликвацию углерода и фосфора при помощи специального травителя.

4) Неоднородность строения сплава, вызванную обработкой давлением: полосчатость, линии скольжения (сдвигов) в наклёпанном металле. Направление волокон, созданное обработкой давлением, выявляется реактивом.

5) Неоднородность, созданную термической или химико-термической обработкой. Для исследования образец ломают. В изломе отчётливо просматриваются зоны: поверхностный термически обработанный слой имеет мелкое зерно, матовый фарфоровидный излом и зона исходной сердцевины.

Микроскопический анализ.

Микроскопический анализ металлов заключается в исследовании их структуры с помощью оптического микроскопа и электронного микроскопа при увеличениях более чем в 100 раз. Микроанализ позволяет характеризовать размеры и расположение различных фаз, определение размера зерна, взаимное распределение и соотношение фаз, количество эвтектической или эвтектоидной (перлитной) структуры. В зависимости от режимов термообработки и горячей механической обработки фазы могут быть в виде отдельных включений округлой, пластинчатой или игольчатой (аустенит, мартенсит) формы, а также в виде строк и сетки.

Пользуясь методами микроанализа, можно оценить свойства ряда многофазных сплавов, в частности, чугуна по форме и количеству графита. С помощью микроанализа можно определить структуру сплава не только в равновесном, но и в неравновесном состоянии, что в ряде случаев позволяет установить предшествующую обработку сплава.

Изменение структуры от поверхностного слоя к сердцевине изделия указывает на характер нагрева (наличие окисления или обезуглероживания стали) или на применение химико-термической обработки.

Микроскопический анализ позволяет определить причину нарушения режимов термообработки (по отклонениям в строении металла), что приводит к разрушению изделий в процессе эксплуатации.

Для исследования из детали вырезается проба (темплет). Особое значение имеет выбор места, который зависит от цели исследования и формы детали. Исследование проводится вдоль направления волокна металла и в перпендикулярном направлении. Далее специально подготавливаются микрошлифы со шлифованной и полированной до зеркального блеска поверхностью, отражающей световые лучи. Подготовленная для исследования поверхность пробы называется микрошлифом.

Изучение микроструктуры начинают с рассмотрения микрошлифа в нетравленом виде. При увеличении заметны неметаллические включения (оксиды, силикаты, сульфиды), мелкие поры, графит, микротрещины.

Природа включений при микроанализе может быть установлена: 1) специальным травлением, вызывающим растворение или окрашивание включений; 2) наблюдением шлифа в поляризованном или ультрафиолетовом свете (определение величины зерна алюминиевых сплавов).

Для травления микрошлиф погружают полированной поверхностью в реактив и через некоторое время вынимают; если поверхность становится слегка матовой, травление считается законченным, и шлиф промывают водой или спиртом, высушивают фильтровальной бумагой.

Итак, микроскопический анализ состоит: 1) из приготовления микрошлифов и 2) исследования микрошлифов с помощью металлографического микроскопа.