Разрушающие и неразрушающие методы определения механических свойств материалов

Введение

Детали машин и механизмов работают под разными нагрузками: одни детали испытывают постоянно действующие нагрузки в одном направлении, другие – удары, третьи – нагрузки, изменяющиеся по величине и направлению. Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных или низких температурах. Поэтому разработаны различные разрушающие и неразрушающие методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов. Изучение методов определения характеристик различных материалов, среди которых широкое распространение нашли металлы и сплавы, представляет собой актуальную задачу, поскольку одним из недостатков, сдерживающих широкое использование некоторых материалов в технике, являются их относительно невысокие механические свойства.В настоящее время применяют две группы методов, различающихся между собой способами проведения необходимых исследований и измерения основных характеристик:- неразрушающие методы, когда все измерения производятся непосредственно на объекте или на конструкции без повреждения элементов;- разрушающие методы, связанные с отбором проб или образцов из конструкций или деталей и нарушением сплошности материала.Целью данной работы являлось изучение разрушающих и неразрушающих методов определения механических свойств материалов.1 Разрушающие методы определения механических свойств материаловДля конструкционных материалов особенно важны механические свойства: прочность, твердость, выносливость и др. Количественные характеристики механических нагрузок определяют в результате испытаний. Многообразие условий службы материалов обуславливает проведение большого числа механических испытаний.Механические свойства материалов определяют поведение материала при деформации и разрушении под действием внешних нагрузок. Характеристики механических свойств получают при механических испытаниях.Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: - статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); - динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; - циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).Механические свойства при статическом нагружении определяют путем растяжения, сжатия, изгиба, кручения стандартных образцов определенной формы и размеров, изготовленных из исследуемого материала. Испытания проводят с помощью специальных машин и механизмов.1.1 Испытание на растяжениеНа сегодняшний день существует несколько методик испытания образцов материалов. При этом одним из самых простых и показательных являются испытания на растяжение (на разрыв), позволяющие определить предел пропорциональности, предел текучести, модуль упругости и другие важные характеристики материала. Так как важнейшей характеристикой напряженного состояния материала является деформация, то определение значения деформации при известных размерах образца и действующих на образец нагрузок позволяет установить вышеуказанные характеристики материала.Испытания металлов на растяжение проводятся согласно ГОСТ 1497-84. Для этого используются стандартные цилиндрические (рис. 1, а) или плоские образцы с головками (рис. 1, б). абРисунок 1 – Образцы для испытаний металлов на растяжениеИспытание на растяжение металла заключаются в растяжении образца с построением графика зависимости удлинения образца (Δl) от прилагаемой нагрузки (P), с последующим перестроением этой диаграммы в диаграмму условных напряжений (σ – ε).Диаграмма растяжения металла представлена на рис. 2.Прилагаемая нагрузка для растяжения образца зависит от геометрии этого образца. Чем больше площадь сечения, тем более высокая нагрузка необходима для растяжения образца. По этой причине, получаемая машинная диаграмма не дает качественной оценки механических свойств материала. Чтобы исключить влияние геометрии образца, машинную диаграмму перестраивают в координатах σ − ε путем деления ординат P на первоначальную площадь сечения образца A0 и абсцисс ∆l на lо. Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений. Уже по этой, новой диаграмме, определяют механические характеристики материала.Рисунок 2 – Диаграмма растяжения металлаИз этого испытания можно получить характеристики прочности и пластичности.Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.Упругость – свойство тел изменять форму и размеры под действием нагрузок и самопроизвольно восстанавливать исходную конфигурацию при прекращении внешних воздействий.Предел упругости (в МПа) – это наибольшее напряжение, после которого образец возвращается к прежней форме и размерам: (1)Предел пропорциональности (в МПа) – наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией МПа (2)Предел текучести – напряжение, при котором рост деформации происходит без заметного увеличения нагрузки:, МПа (3)Если площадка текучести по диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести 0,2 – напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2%: , МПа (4)Предел прочности (в МПа) – это наибольшее напряжение, которое металл выдерживает, не разрушаясь: (5)Предел прочности является обязательной характеристикой в стандартах классификации марок материалов.Пластичность – свойство материала изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом. Показатели пластичности:- относительное удлинение рассчитывается как отношение прироста длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:δ = 100∙(lк – l0) / l0, (%). (6)где l1 – длина образца после разрыва, мм.- относительное сужение определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженным в процентах: (7)или, (%), (8)где F1 – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения, мм2.Относительное удлинение и относительное сужение являются одновременно и критериями надежности: материал, имеющий бóльшие значения δ и ψ, более надежен.Изменение размеров образцов в результате растяжения показано на рис. 3.а - до растяжения, б - после разрываРисунок 3 – Изменение формы и размеров образца при испытании на растяжениеХарактеристики материалов σв; σ0,2; δ; ψ являются базовыми; они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в сертификаты, в паспорта приемочных испытаний, входят в расчеты прочности.1.2 Определение ударной вязкостиРазрушение – процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит в результате развития нескольких трещин или слияния рядом расположенных трещин в одну магистральную трещину, по которой происходит полное разрушение.В зависимости от степени пластической деформации различают два вида разрушения: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает значительную пластическую деформацию, разрушение происходит путем сдвига. При хрупком макропластическая деформация отсутствует, разрушение происходит путем отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна действующим нормальным напряжениям [5, c. 374].Свойство материалов хрупко разрушаться с понижением температуры называется хладноломкостью. Ее показателем и является критическая температура хрупкости ТХР (называемая также температурой перехода в хрупкое состояние или порогом хладноломкости).На практике чаще встречаются случаи смешанных разрушений (вязко-хрупких), когда в изломе наблюдаются волокнистые и кристаллические составляющие. Реальные сплавы разрушаются, как правило, вязко при высоких и хрупко при низких температурах. Для установления степени надежности материала определяют его сопротивление разрушению: вязкому (удельная энергия разрушения KС) и хрупкому (порог хладноломкости Т50) при испытаниях на ударный изгиб.Метод определения ударной вязкости при испытаниях на ударный изгиб (ГОСТ 9454-78) основан на разрушении образца с надрезом посередине (концентратором) одним ударом маятникого копра, когда концы образца свободно лежат на опорах копра (рис. 4). В результате испытаний определяют полную работу (K), затраченную на разрушение образца (работу удара), или удельную работу, т.е. ударную вязкость (KС) [6, c. 585].1 – нож маятника, 2 – образец, 3 – опораРисунок 4 – Схема испытания на ударный изгиб на маятниковом копреОбразцы для испытаний на ударный изгиб имеют квадратное сечение и надрезы (концентраторы) следующих видов:- U-образный (образец Менаже, рис. 5, а);- V-образный (образец Шарпи, рис. 5, б);- T-образный (надрез V-образный с заранее нанесенной усталостной трещиной, рис. 5, в) [7, c. 232].а – образец с U-образным надрезом; б – образец с V-образным надрезом;в – образец с T-образным надрезомРисунок 5 – Типы образцов для динамических испытанийметаллов на ударный изгибДля испытания используют маятниковые копры с максимальной энергией удара маятника от 4,9 (0,5) до 294 (30) Дж (кгс⋅м). Образец устанавливают горизонтально в специальный шаблон (рисунок 5), обеспечивающий установку надреза в середине пролета между опорами. Удар маятника наносят со стороны, противоположной надрезу, в плоскости его симметрии, и перпендикулярно продольной оси образца [8, c. 158].Работу удара обозначают двумя буквами и цифрами: первая буква (K) – символ работы удара, вторая буква (U, V или T) – вид концентратора; последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. Индекс указывает температуру испытаний, отличную от комнатной.Ударная вязкость – это работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Ее обозначают путем прибавления к символу работы удара буквы С, причем «стандартные условия» так же не вводят в обозначение.Ударную вязкость в Дж/см2 (кгс⋅м/см2) вычисляют по формуле:KС = K/S0, (9)где K – работа удара, Дж (кгс⋅м);S0 – начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см2.2 Неразрушающие методы контроляВажной характеристикой материала является твердость. Под твердостью понимают способность материала сопротивляться упругой и пластической деформации при местном контактном воздействии со стороны другого более твердого, не получающего остаточной деформации тела (индентора) [2, c. 236].2.1 Испытание на твердость по БринеллюПри испытании на твердость по Бринеллю (рис. 6) стальной закаленный шарик диаметром D вдавливается под нагрузкой Р=30D2; после снятия нагрузки измеряют диаметр полученного отпечатка – d.Рисунок 6 – Схема испытания на твёрдость методом БринелляТвердость по Бринеллю определяется как [2, c. 238]:, кгс/мм2 (МПа), (10)где d – диаметр отпечатка, мм;D – диаметр шарика, мм.Диаметр шарика, нагрузку, время выдержки под нагрузкой выбирают в зависимости от материала (табл. 1) [2, c. 240].Таблица 1 – Диаметр шарика, нагрузка, время выдержки под нагрузкойНаименование материалаИнтервал значений твердости НВ, МПаТолщина образца,ммДиаметр шарика, ммНагрузка, кгсВремя выдержки под нагрузкой, cЧерные металлы1400…4500>6103000103…657501022,5187,510Цветныеметаллы1300>6103000302…4575030<22,5187,530Недостатки метода:- метод можно применять только для материалов с твердостью до 450 HB, если применять стальной закаленный шарик. Как альтернатива, применяют шарики из твёрдого сплава на основе карбида вольфрама (WC), это позволяет повысить верхний предел измерения твёрдости до 600 HBW;- твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки, так как изменение глубины вдавливания не пропорционально изменению площади отпечатка;- при вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка;- из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов.Преимущества метода:- зная твёрдость по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач;- так как метод Бринелля – один из самых старых, накоплено много технической документации, где твёрдость материалов указана в соответствии с этим методом.- данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 HRC).- также метод Бринелля менее критичен к чистоте подготовленной под замер твёрдости поверхности.2.2 Испытание на твердость по РоквеллуМетод определения твердости по Роквеллу является универсальным и может использоваться для материалов различной твердости. При определении твердости по методу Роквелла в качестве индентора используется алмазный конус с углом при вершине 120° и радиусом закругления 0,2 мм (шкалы А и С) и стальной шарик диаметром 1,5875 мм (1/16 дюйма) (шкала B). Процесс нагружения осуществляется под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной F0=98 Н (10кГс) и общей F1. F = F0 + F1. (11)Предварительная нагрузка подается вручную и не снимается до конца испытаний, что обеспечивает повышенную точность измерений, т.к. исключается влияние вибраций и поверхностного слоя. Схема испытаний металла на твердость по Роквеллу представлена на рис. 7 [3, c. 263].Измерение твердости по шкале СЗа единицу твердости принята величина, соответствующая перемещению индентора на 0,002 мм. Применение такой «перевернутой» шкалы обосновано тем, что глубина внедрения индентора обратно пропорциональна твердости материала.Рисунок 7 – Схема определения твердости методом Роквелла Поэтому твердость материала будет характеризоваться величиной (h-e, мм) или числом делений по шкале: (12)«Единица Роквелла» (в отличие от единиц Бринелля и Виккерса) оказывается величиной безразмерной.По проведении испытаний по черной шкале С используют алмазный конус с общей нагрузкой 1500 Н (150 кГс). В этом случае значение твердости обозначают НRC. Эта шкала применяется при испытании закаленных сталей (до HRC 67);Измерение твердости по шкале А. Шкалу А (идентична шкале С) применяют для измерения твердости преимущественно листовых материалов. Из-за снижения нагрузки на индентор в 2,5 раза и уменьшения вследствие этого глубины проникновения индентора минимальную толщину испытуемого образца или изделия удается снизить до 0,4...0,7 мм. По шкале А испытания проводят алмазным конусом с общей нагрузкой 600 Н (60 кГс). В этом случае значения твердости также определяются по черной шкале “С”, но обозначают HRA. Числа HRA можно перевести на числа HRC по формуле: HRC = 2 HRA - 104. Эта шкала применяется для испытания сверхтвердых сплавов (например, на основе карбидов вольфрама, обладающих твердостью HRC>68), тонкого листового материала и для измерения твердости тонких поверхностных слоев (0,3-0,5 мм);Измерение твердости по шкале В. Для многих мягких металлов и сплавов внедрение алмазного конуса может оказаться бóльшим, чем 0,2 мм. В этом случае заменяют конический индентор на сферический.Число твердости определяется при этом по формуле: (13)Шкала В применяется для измерения твердости не закаленной стали, бронзы, латуней и других нетвердых материалов (таблица 2) [3, c. 266].Таблица 2 – Нагрузка на индентор и диапазоны измерений твердостиШкалыРоквеллаНагрузка на индентор, кгсДиапазоныизмеренийПредварительнаяОсновнаяОбщаяА10506070...85 HRAВ109010025...100 HRBС1014015020...67 HRCТвердость указывается в единицах HR с добавлением обозначения шкалы (HRA, HRB, HRC), которому предшествует числовое значение твердости из трех значащих цифр. Пример обозначения: 61 HRC – твердость 61 единиц Роквелла по шкале С.Преимущества метода: - возможность испытания материалов с высокой твердостью; - незначительные повреждения поверхности; - простой метод, не требующий измерения диаметра отпечатка; - процесс испытания достаточно быстрый. Недостатки: - по сравнению с методами Бринелля и Виккерса, метод Роквелла не достаточно точен; - необходимо тщательно подготовить поверхность образца. Для измерения твердости используют твердомер Роквелла.2.3 Испытание на твердость по ВиккерсуВ методе Виккерса (рис. 8) в качестве индентора используется правильная четырехгранная алмазная пирамида с углом между гранями 136о, которая вдавливается под нагрузкой Р от 5 до 120 кгс [4, c. 193].Рисунок 8 – Схема определения твердости по ВиккерсуМерой твердости является диагональ отпечатка, измеряемая с помощью микроскопа, встроенного в прибор. Схема определения твердости по Виккерсу показана на рис. 2.Твердость по Виккерсу (HV) вычисляется по формуле: (14)где F – площадь отпечатка, d – диагональ отпечатка. Твёрдость по Виккерсу вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка. Метод Виккерса позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов. Наблюдается хорошее совпадение значений твёрдости по Виккерсу и Бринеллю в пределах от 100 до 450 НV. Основными параметрами при измерении твёрдости по Виккерсу являются нагрузка Р до 980,7 Н (100 кгс) и время выдержки 10–15 с.Метод Виккерса наиболее универсален и пригоден для измерения твердости любых металлов в лабораторных условиях, но отличается повышенной точностью при испытании высокотвердых материалов. При использовании небольших нагрузок (5…20 кгс) получаются микроскопические отпечатки, практически не повреждающие поверхность деталей.Преимуществом метода Виккерса является возможности измерять твердость образцов и небольших изделий из твердых сплавов, черных и цветных металлов, тонколистовых сталей, закаленных и не закаленных сталей, литья, полудрагоценных и драгоценных камней, цинкованных, хромированных и луженых покрытий поверхностей с различной толщиной. Для определения твердости образцов по Виккерсу (HV) применяют стационарные твердомеры (например, твердомеры модификаций ИТВ-1, ИТВ-5, ИТВ-10, ИТВ-30, ИТВ-50).В соответствии с ГОСТ 2999-75, твердость по Виккерсу при условиях испытания F=294,2 Н (30 кгс) и времени выдержки под нагрузкой 10-15 с - обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами HV. При других условиях испытания после букв HV указывается нагрузка и время выдержки. Примеры обозначения: 500 HV (твердость по Виккерсу, полученная при нагрузке F=30 кгс и времени выдержки 10-15 с).

Заключение

В данной работе изучены основные методы определения механических характеристик материалов.Испытание металлов на растяжение является разрушающим методом контроля и заключается в проведении испытания на стандартных образцах, в результате которого определяют прочностные и пластические свойства металлов и сплавов.Также в работе представлен метод испытания на ударную вязкость металлов и сплавов, относящийся к разрушающим методам контроля.В настоящее время наиболее широкое распространение получили методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу, т.к. являются неразрушающими.

Список использованных источников

1. Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. - М.: Мир, 2004. - 380 с.2. Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1989. – 374 с.3. Эшби М., Джонс Д. Конструкционные материалы. -М.: Интеллект, 2010. - 672 с.4. Материаловедение/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001 – 648 с.5. Блюменлуэр Х. Испытание материалов. Справочник. Пер. с нем. 1979. – 448 с.6. Заболеев-Зотов В.В. Современные способы исследования металлов. Учебное пособие. – Волгоград, 2002. – 356 с.7. Канарчук В.Е., Шевченко В.И. Методы исследования металлов. Учебное пособие – Киев.: НТК. 2002. – 398 с.8. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. Учебное пособие для профессионально-технических училищ. – М.: Машиностроение, 1990. – 456 с.