Методы механических испытаний материалов

Цель работы: Ознакомление со способами механических испытаний материалов, изучение методики одного из видов испытаний материалов. Изучение методов определения твердости материалов.

Оборудование и материалы: Разрывная машина Р-10, муфельная электропечь печь, штангенциркуль, твердомер    ТДМ-2, микротвердомер ПМТ-3, паспорта и инструкции к оборудованию, набор образцов.

Задание:

1. Изучите теоретическую часть работы.
2. Ознакомьтесь с методикой проведения испытаний по одной из схем (растяжение, сжатие, изгиб, определение твердости или микротвердости материала).
3. Изучите принцип действия  и порядок работы на разрывной машине, твердомере и микротвердомере.
4. Проведите испытания материала по указанной преподавателем методике и определите характеристики материала.
5. Оформите полученные результаты.

Содержание отчета:

1. Краткая характеристика методов испытаний.
2. Описание используемого оборудования и образцов.
3. Методика проведения испытаний.
4. Данные испытаний образцов и выводы.

1. Общая характеристика методов испытаний

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение материала под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам относятся: прочность (сопротивление деформации), сопротивление разрушению (пластичность, вязкость).

Испытания, проводимые для выявления механических свойств материалов делят на две группы: статические и динамические.

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно.

К ним относятся:

   1) испытания на растяжение – применяются преимущественно для сравнительно пластичных материалов, разрушению которых предшествует пластическая деформация;

   2) испытания на сжатие – наиболее пригодны для хрупких материалов, образцы которых разрушаются практически без пластической деформации;

  3) испытания на кручение – применяют для пластичных, а также для малопластичных металлов;

  4) испытания на изгиб – применяют для малопластичных материалов, главным образом для серых и белых чугунов, инструментальных сталей в состоянии высокой твердости, а также с целью определения влияния коррозии.

Наиболее распространенным видом таких испытаний являются испытания на растяжение. При этом виде испытаний удается определить сразу несколько механических характеристик материала.

Размеры и формы принимаемых образцов стандартизированы в ГОСТе, и он допускает широкий выбор разных видов образцов, однако обычно при испытаниях на растяжение используют образец цилиндрической формы с утолщениями по краям.

Как правило, машины для испытаний снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения (рис.5).

Кривая, приведенная на рисунке, характеризует деформацию металла под действием напряжений σ, величина которых является условной

σ = Р/F₀,

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения.

До точки А деформация нарастает пропорционально напряжению. Модуль упругости материала определяется как тангенс угла наклона ОА к оси абсцисс или Е = σ/δ, где δ – относительная деформация. Модуль упругости определяет жесткость материала, и его физический смысл сводится к тому, что он характеризует сопротивляемость материала упругой деформации. Модуль упругости практически не зависит от структуры материала и определяется силами межатомной связи. Другие механические свойства изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.

Следует отметить, что пропорциональность между напряжением и деформацией справедлива с определенным приближением. Точные измерения показывают отклонение от закона пропорциональности. Это явление называют неупругостью. Неупругость связана с движением точечных дефектов дислокаций и атомов в приграничных объемах и является причиной внутреннего трения.

Напряжение в точке А называют пределом пропорциональности σ_пц. Напряжения, не превышающие σ_пц, практически вызывают только упругие (в микроскопическом объеме) деформации, поэтому зачастую предел пропорциональности отождествляют с условным пределом упругости. Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация не превышает 0,05 % первоначальной длины образца:

σ _0.05 = P_0,05/F₀

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию равную 0,2 %, называют условным пределом текучести:

σ_0,2 = P_0.2/F₀

При испытании металлов с ОЦК-решёткой при достижении определённого напряжения σ_т на кривой растяжения образуется площадка. Напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки, называется физическим пределом текучести:

σ_т = Р_т /F₀.

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает значительно большую пластическую деформацию во всем объеме металла. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_max, перед разрушением образца называют временным сопротивлением, или пределом прочности:

σ_в = Р_max/F₀

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся удлинение:

и относительное сужение:

Где l₀ и l_k – длина образца, а F₀ и F_k – площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно. Отношение изменения длины к начальной длине образца определяет условное удлинение. Истинное удлинение определяется как:

Истинное сопротивление разрушению S_k определяется как отношение нагрузки в момент разрушения к минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрушения:

S_k = Р_k/F_k

Характеристики материалов σ_0,2, σ_в, δ, y, а также Е являются базовыми и включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также входят в расчеты прочности.

Для материалов с прочностью выше 2500 МПа, а также для чугуна, литых алюминиевых сплавов и прочих материалов, хрупких при растяжении используют другие более мягкие виды испытаний – сжатие, изгиб, кручение. При этом получают те же характеристики прочности, что и при растяжении – σ_0,2сж, σ_всж и т.д., но количественно отличающиеся (вследствие другого напряженного состояния в образце).

Для определения прочности зачастую пользуются простым и не разрушающим образец методом – измерением твердости.

Под динамическими понимают испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях. К ним относят испытания на удар (определение надежности).

Эти испытания применяют для металлов с решеткой ОЦК, т.е. для сталей (главным образом пластичных конструкционных). Эти испытания излишни для сталей и сплавов с аустенитной структурой – их трудно перевести в хрупкое состояние. При испытаниях определяют ударную вязкость материала.                                    

Разрушение образца, расположенного на двух опорах, осуществляют ударом маятника копра (рис. 6, а). Образец для испытаний (рис. 6, б) имеет посередине концентратор одного из трех видов: U с радиусом концентратора R = 1 мм, V с радиусом концентратора R = 0,25 мм и углом 45º и Т – с усталостной трещиной. В последнем случае надрез глубиной в 1 мм делается механически и затем создается усталостная трещина тоже глубиной в 1 мм.

Соответственно ударная вязкость обозначается КСU, КСV, КСТ. Под ударной вязкостью КС, Дж/м² понимают работу удара К, отнесенную к начальной площади поперечного сечения S₀ образца в месте концентратора:

КС = К/S₀

Работу удара К определяют по шкале маятникового копра.

Ударная вязкость включает в себя работу зарождения трещины (а_з) и работу распространения трещины (а_р), т.е.   КС = а_з + а_р. При ударных испытаниях лучше определять

Рис. 6. Схема маятникового копра (а), образцы для испытания на удар (б): 1 - маятник; 2 - образец; 3 - шкала

работу распространения трещины, поскольку она характеризует надежность материала или склонность к хрупкому разрушению.

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

При знакопеременной нагрузке в материале могут образовываться трещины и затем происходить разрушения при напряжениях меньших, чем предел прочности.

Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство металлов сопротивляться усталости – выносливостью.

Твердость как характеристика свойств материала.

Определения твердости являются широко применяемыми в лабораторных и в заводских условиях способами испытаний для характеристики механических свойств металлов.

Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность наконечника, изготовленного из малодеформирующегося материала (твердая закаленная сталь, алмаз, сапфир или твердый сплав) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы.

Существует несколько способов изменения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (способ вдавливания), царапанием поверхности(способ царапания), ударом или же по отскоку наконечника-шарика. Твердость, определенная царапанием, характеризует сопротивление разрушению (в основном по срезу); твердость, определенная по отскоку, характеризует упругие свойства; твердость, определенная вдавливанием – сопротивление пластической деформации.

Преимущества измерения твердости:

1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дюралюминия и стали в отожженном состоянии.

2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки.

3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению.

4. 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.

Для полной характеристики свойств металла необходимо наряду с измерением твердости проводить и другие механические испытания.

Следует различать два способа определения твердости вдавливанием: измерение твердости (макротвердости) и измерение микротвердости.

Измерение макротвердости характерно тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее сна сравнительно большую глубину, зависящую прежде всего от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того. Во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром до 10 мм, в результате чего в деформируемом объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава в количествах и с расположением, характерным для измеряемого материала. Измеренная твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытываемого материала.

Измерение микротвердости имеет целью определить твердость отдельных зерен, фаз, структурных составляющих сплава (а не «усредненную» твердость, как при измерении макротвердости). В данном случае объем, деформируемый вдавливанием должен быть меньше объема (площади) измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой. Кроме того, микротвердость измеряют для характеристики свойств очень малых по размерам деталей.

Значительное влияние на результаты испытаний твердости оказывает состояние поверхности измеряемого материала.

Если поверхность неровная – криволинейная или с выступами, то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку, а для измерения микротвердости – полированную (при изготовлении шлифа нельзя допускать наклепа в поверхностном слое). 

 Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания с определенной нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность протекающей при этом деформации, заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным материалом. Преобладание в этом случае касательных напряжений позволяет производить оценку пластической деформации и хрупких металлов (чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются без макроскопически заметной пластической деформации.

В последнее время все более широко применяются динамические малогабаритные переносные твердомеры. Типичным представителем такого оборудования является твердомер ТДМ-2.

Твердомер динамический малогабаритный типа ТДМ-2 предназначен для экспрессного неразрушающего измерения и контроля твердости конструкционных, углеродистых и нержавеющих сталей, а также сплавов из цветных металлов по шкалам Роквелла HRC и Бринелля НВ и разбраковки материалов по твердости. Твердомер может использоваться в производственных, лабораторных и полевых условиях в машиностроении, металлургии, энергетике и других отраслях промышленности.

Твердомер позволяет производить измерения твердости на любых крупногабаритных изделиях, в том числе в труднодоступных зонах, на плоских и выпуклых поверхностях с радиусом кривизны не менее 15 мм, под различными углами, и с параметром шероховатости не более Ra 2,5 по ГОСТ 2789-73. Диапазоны измерения твердости на основных шкалах:

- по шкале "С" Роквелла, HRC 20...70;

- по шкале Бринелля,       НВ       90... 450;

Принцип работы твердомера основан на измерении отношения скоростей индентора (ударного элемента) при падении и отскоке от поверхности контролируемого изделия. Отношение скоростей индентора перемещения при отскоке и падении характеризует твердость контролируемого материала.

Твердомер состоит из преобразователя, электронного блока и зарядного устройства.

Преобразователь, совмещенный с ударным механизмом, формирует напряжение, пропорциональное скорости перемещения индентора. Он представляет собой отдельно выполненное механическое устройство, связанное с электронным блоком при помощи кабеля. Его подвижная часть (индентор) при помощи предварительно взведенной пружины сбрасывается при нажатии спусковой кнопки на контролируемую поверхность. На конце индентора расположен твердосплавный шарик, непосредственно контактирующий с контролируемой поверхностью. При этом индентор (внутри которого находится постоянный магнит) перемещается внутри катушки индуктивности и своим магнитным полем наводит в катушке электродвижущую силу. Напряжение с выхода катушки индуктивности подается на вход электронного блока.

Электронный блок производит усиление и преобразование аналогового сигнала преобразователя в цифровой код, математическую обработку полученной измерительной информации, хранение переменных и промежуточных результатов измерений, управление режимами работы прибора и индикацию результатов непосредственно в единицах твердости. Входной сигнал от преобразователя поступает на вход усилителя. С выхода усилителя сигнал подается на вход пикового детектора. Аналоговый сигнал с выхода пикового детектора поступает на вход аналого-цифрового преобразователя, который после преобразования передает эту информацию в микро-ЭВМ для дальнейшей обработки. Микро- ЭВМ представляет собой однокристальную микромощную ЭВМ, имеющую внутреннее постоянное запоминающее устройство. Микро-ЭВМ через шины адреса данных и управления связана с системным супервизором, оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), клавиатурой и цифровым индикатором. Системный супервизор осуществляет сброс микро-ЭВМ при включении и выключении питания, при выходе напряжения питания за допустимые пределы, а также при появлении сбоев в микро-ЭВМ. ОЗУ используется для хранения промежуточных данных. Клавиатура представляет собой пленочное герметично защищенное поле из 4 кнопок и предназначена для управления работой твердомера. Цифровой индикатор представляет собой четырехразрядный однострочный индикатор. Блок питания обеспечивает стабилизированное напряжение для всей электрической схемы.

Порядок выполнения работы при испытаниях на растяжение.

1. Снимите геометрические размеры с приготовленных для испытаний образцов.

2. Проведите термообработку части образцов в муфельной печи по схеме, приложенной преподавателем.

3. Установите испытываемый образец с помощью преподавателя (учебного мастера) в испытательной машине.

4. Проведите испытания и снимите показания приборов.

5. По приведенным выше формулам определите σ_в, δ и сделайте вывод о влиянии данного вида термообработки на свойства материала.

6. Полученные результаты представьте в виде таблицы.                                                            

Порядок выполнения работы при измерении микротвердости.

1. Закрепить предмет пластилином на столике так, чтобы исследуемая поверхность была параллельна рабочей поверхности столика.

2.Поместить на утолщенную часть штока груз.

3. Выбрать место на образце для отпечатка.

4. Плавно повернуть столик против часовой стрелки до упора, не допуская при этом толчков.

5. Медленным поворотом рукоятки против часовой стрелки опустить шток так, чтобы алмаз коснулся исследуемой поверхности. Рукоятку поворачивать на 180 в течение 10-15 с. После выдержки под нагрузкой (5с) повернуть рукоятку в исходное положение.

6. Измерить диагональ отпечатка. Передвигая предметный столик, подвести отпечаток к перекрестию (рис.1). Измерительный барабанокуляр-микрометра совмещен с «0». Затем, вращая измерительный барабан, добиться совмещения перекрестия окуляра с противоположными 2-мя сторонами отпечатка (рис.2).Произвести отчет по окуляр-микрометру. Число делений, умноженное на цену деления измерительного барабана, дает истинную величину диагонали отпечатка Н=1854·Р/С² (кг/мм²), где Р – нагрузка (г); С – диагональ, мкм, цена деления 0,000310 мм.

Порядок выполнения работы при измерении твердости.

Подготовить прибор к работе согласно технической инструкции.

Установить требуемую шкалу твердости, а также требуемые значения параметров в подрежимах "Угол" и "Статистика". При измерении твердости прибор автоматически учитывает поправочные коэффициенты в соответствии с выбранным углом наклона преобразователя.

Подготовить поверхность в месте измерения твердости. Поверхность не должна иметь окалины, защитных покрытий, следов грубой обработки, окисной пленки, выбоин и смазки. Для измерения необходимо подготовить площадку размером 20x20 мм с шероховатостью поверхности не более Ra 2,5. При измерении твердости на выгнутых криволинейных поверхностях радиус кривизны должен быть не менее 15 мм. Если масса контролируемого изделия менее 3 кг или толщина стенки менее 10 мм, то необходимо с помощью смазки ЦИАТИМ - 221 по ГОСТ 9433-80 или смазки УТ (консталин) по ГОСТ 1957-73 притереть контролируемое изделие к металлической плите массой более 3 кг, имеющей плоскошлифованную поверхность. Контакт должен обеспечивать отсутствие воздушных пустот. Некачественное притирание дает существенное отклонение измеренной величины твердости от действительной. Если контролируемое изделие не удается притереть к массивной металлической плите, то проводить измерения не разрешается, ввиду возникновения недопустимых погрешностей.

"Взвести" преобразователь, плавно загрузив индентор с помощью толкателя до защелкивания ударного механизма.

Установить "взведенный" преобразователь на контролируемую поверхность, плотно прижать его и нажать на спусковую кнопку.

Снять показание твердости.

Для корректной индикации среднеарифметического значения результата измерения необходимо провести соответствующее количество измерений на данном изделии (т.е. не меньше 3 или 5).

Для получения необходимой точности измерений расстояния между точками снятия отсчетов (лунками) на поверхности контролируемого изделия должны быть не менее 3 мм.

Во избежание порчи прибора категорически запрещается работать вблизи источников мощного электромагнитного излучения (электродуговая сварка, электродуговые спектроанализаторы, импульсные регуляторы и т.п.).

Контрольные вопросы

1. Что понимают под механическими испытаниями?

2. В чем разница между статическими и динамическими испытаниями?

3. Какие механические характеристики можно определить при испытаниях на растяжение?

4. Как определяется модуль упругости? В чем его физический смысл?

5. для каких материалов используют испытания на сжатие, изгиб, кручение? Почему?

6. Что означают характеристики материалов σ_0,2, σ_в, δ, ψ, Е?

7. Что понимают под ударной вязкостью материала? Как определяют ударную вязкость?

8. В чем разница между понятиями «прочность» и «твердость»? Существует ли корреляция между ними?

9. Какие существуют способы измерения твердости?

Лабораторная работа №3