Механические свойства материалов (стр. 8 )

HRC или HRC=100-ℓ,

где ℓ=h-h0/0,002;

0,002 – цена деления шкалы индикатора твердомера Роквелла.

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

При использовании в качестве индентора стального шарика твердости HRB определяют по шкале В, т. е. при Р0=10 кгс, Р1=90 кгс. Здесь

HRB=130-ℓ.

Метод микротвердости предназначен для определения твердости очень малых (микроскопических) объемов материалов. Его применяют для определения твердости мелких деталей, тонкой проволоки или ленты, тонких поверхностных слоев и т. д. Главное его назначение – оценка твердости отдельных фаз или структурных составляющих сплавов, а также разницы в твердости разных участков составляющих [6].

В качестве индентора для измерения микротвердости, как и в случае определения твердости по Виккерсу, используют правильную четырехгранную пирамиду с углом при вершине 1360. Эта пирамида плавно вдавливается в образец при нагрузках от 5 до 500 г. Число микротвердости H определяется по формуле:

Н=1854·Ρ/d2 [г/мм2],

где Р– нагрузка, г;

d – диагональ отпечатка, мкм; величина ее обычно колеблется в пределах от 7 до 50 мкм;

d2/1854 – площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка.

Число микротвердости записывают без размерности, например, Н5-300, Н20-250.

Твердость по Шору оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскока бойка.

Испытания твердости проводятся на специальном приборе. В зажиме станины на нужной высоте укрепляется трубка. Внутри трубки может свободно падать боек с алмазным наконечником в виде конуса весом q=2,5 г.

При испытании трубка опускается до упора на испытуемую деталь. При повороте рукоятки на хорошо зачищенную поверхность детали с высоты Н (рисунок 17) падает боек и отскакивает от нее на высоту h.

При падении бойка весом q с высоты H энергия удара будет А1=Нq. При ударе часть энергии израсходуется на необратимый процесс пластической деформации, а оставшаяся энергия пойдет на упругую деформацию, которая возвращается бойку в виде энергии упругого отскока А2=hq. Энергия, затраченная на остаточную деформацию, будет

А=А1-А2=q(H-h).

Таким образом, чем больше энергия, затраченная на остаточную деформацию, тем мягче материал и меньше высота отскока h бойка. Высота отскока бойка фиксируется положением стрелки на шкале индикатора. Боек в исходное положение возвращается специальным устройством.

Шкала имеет 140 делений для оценки высоты отскока. Отскоку в 100 делений соответствует твердость закаленной высокоуглеродистой стали.

 

Рисунок 17 – Схема испытания твердости по методу Шора

Достоинствами этого метода являются простота обращения с прибором, высокая производительность, возможность проверки шлифованных деталей без нарушения качества поверхности.

К недостаткам следует отнести то, что высота отскока зависит от модуля упругости Е, а значит, материалы с различным модулем упругости дают несравнимые результаты; показания прибора неустойчивые и могут иметь лишь сравнительное значение, так как на них влияют размеры образца и состояние его поверхности. Число твердости является величиной условной и обозначается HSD.

Для испытания твердости методом упругого отскока бойка применяется прибор ТБП-4.

Диапазон измерения твердости от 20 до 100 HSD. Пределы допускаемой погрешности прибора по твердости ±2,5 HSD. Цена деления индикатора 1 HSD. Геометрические размеры бойка: длина (101,6±0,5) мм, радиус сферы алмаза (1,0±0,1) мм, диаметр площадки на сфере алмаза 0,30-0,05 мм, диаметр державки 7,938-0,008 мм, масса бойка 36,0-0,5 г.

Так как прибор переносной и легко может быть установлен на испытуемом объекте, его применяют для измерения твердости больших и тяжелых изделий: коленчатых валов, головок шатуна, цилиндров, валков прокатных станов и других деталей, твердость которых трудно измерять другими приборами [6].

4.4 Испытания на сжатие. Схемы разрушения при сжатии

Схема одноосного сжатия характеризуется большим коэффициентом мягкости (α=2). Поэтому испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие материалы. В целом испытания на сжатие распространены гораздо меньше, чем на растяжение.

Одноосное сжатие можно рассматривать как растяжение с обратным знаком. В результате пластической деформации образец укорачивается и уширяется. Следовательно, можно определять относительное укорочение:

ε=100%·(h0-hk)/h0

и относительное уширение:

φ=100%·(Fk-F0)/F0,

где h0 и hk – начальная и конечная высота образца;

F0 и Fк – начальная и конечная площади поперечного сечения.

Схема испытания на сжатие и геометрия используемых образцов показаны на рисунке 18. Испытания на сжатие проводят на тех же машинах, на которых ведутся испытания на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и сжимают подвижным захватом. Для устранения перекоса образца усилие сжатия следует передавать на него с помощью какого-либо направляющего приспособления, например, шарового вкладыша в верхнем захвате.

По мере сжатия на торцевых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусам к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерную бочкообразную форму, а схема напряженного состояния усложняется и становится различной в разных точках образца. В точках 1 и 2 возникает схема объемного сжатия, а в точке 3 – разноименное плоское напряженное состояние. Неоднородность напряженного состояния учесть крайне трудно и на практике ее игнорируют. Поэтому стараются уменьшить силы трения на опорных поверхностях образца. Для этого вводят смазки (вазелин, солидол); прокладки – (тефлон) – между торцовыми поверхностями образца и опорными плитами. Используют образцы с коническими поверхностями на торцах. При этом угол конусности α подбирают так, чтобы tgα был равен коэффициенту трения. Помимо конусности, в образце делают отверстие, устраняющее концентрацию напряжений у острия конуса.

Но полностью устранить контактные силы трения не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие. Оптимальная для цилиндрических образцов величина отношения h0/d0 лежит в пределах 1…3.

Характер разрушения сжимаемых образцов зависит от величины контактных сил трения. Если они велики, то наблюдается разрушение путем среза (рисунок 19, а). Если они незначительны, то фиксируется разрушение отрывом (рисунок 19, б).

 

а – схема; б, в, г – виды образцов

Рисунок 18 – Схема испытания на сжатие и формы испытания образцов

По диаграмме сжатия определяют условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности. Методика определения прочностных свойств по диаграмме сжатия аналогична методике для растяжения.

Отсюда, учитывая правило постоянства объема образца в процессе пластической деформации, можно перестроить первичную диаграмму сжатия.

V= F0h0=Fh=const,

F=F0h0/h=F0/1-ε.

здесь F – площадь поперечного сечения образца.

F/F0=1/1-ε,

φ= F-F0/F0= (F/F0)-1=(1/1-ε)-1=ε/1-ε,

ε=φ/1+φ.

Отсюда видно, что при сжатии, в противоположность растяжению, S<σ, так как F>F0. Диаграммы истинных напряжений обычно строят в координатах S-ε (рисунок 20, кривая 1), хотя в качестве меры деформации можно использовать истинное относительное сжатие:

есж=ln(h0/h).

На рисунке 20 нанесена и кривая условных напряжений (кривая 2), которая при сжатии всегда имеет вид, качественно аналогичный диаграмме истинных напряжений, поскольку на первичной диаграмме нет максимума и участка снижения нагрузки.

 

а б

а – срез; б – отрыв

Рисунок 19 – Схемы разрушения при испытаниях на сжатие

Истинное напряжение сжатия:

S=P/F=P(1-ε)/F0=σ·(1-ε)=σ·(1/1+ψ).

Важной особенностью при сжатии является увеличение площади сечения образца в процессе испытания. Это увеличивает скорость прироста нагрузки на первичных диаграммах сжатия.

 

1 – истинные напряжения; 2 – условные напряжения

Рисунок 20 – Диаграмма напряжений при сжатии

Величина прочностных характеристик при сжатии, особенно предела прочности, значительно выше, чем при растяжении. Схемы сжатия используют в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий.

4.5 Испытания на изгиб. Диаграмма изгиба. Расчет упругих

напряжений. Технологическая проба на изгиб

Применение испытаний на изгиб обусловлено широкой распространенностью этой схемы нагружения в реальных условиях эксплуатации и большей ее мягкости по сравнению с растяжением, что дает возможность оценивать свойства материалов, хрупко разрушающихся при растяжении. Испытания на изгиб удобны для оценки температур перехода из хрупкого состояния в пластическое (например, у хладноломких о. ц.к.-металлов и интерметаллидов).

При испытаниях на изгиб применяют две схемы нагружения образца, лежащего на неподвижных опорах: 1) нагрузка прикладывается сосредоточенной силой на середине расстояния между опорами и 2) нагрузка прикладывается в двух точках на одинаковом расстоянии от опор. Первая схема нашла большее распространение из-за простоты. Следует учитывать, что вторая схема во многих случаях обеспечивает более надежные результаты, поскольку здесь максимальный изгибающий момент возникает на определенном участке длины образца, а не в одном сечении как при использовании первой схемы.