Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

этот момент

дает

истинное удлинение

( 1 Y

Го

На

рис.

61,6

приведена диаграмма истинных напряжений, построенная

координатах

S - е.

Учитывая, что роль пластической деформации несрав-

ненно

больше,

чем

упругой, считают,

что

участок диаграммы, соответ-

ствующий упругой деформации, совпадает

осью ординат.

Истинное

сопротивление отрыву (разрушению)

определяется как

от-

ношение

усилия

момент разрушения

минимальной площади попереч-

ного сечения образца

месте разрыва (кгс/мм

= PJF^.

случае

хрупкого разрушения

определяет действительное со-

противление отрыву

или

хрупкую

прочность материала (рис. 61,6). При

вязком'разрушении

(когда образуется шейка) ст

и 5'

характеризуют сопро-

тивление значительной пластической деформации,

не разрушению.

кон-

структорских расчетах

и S

используется редко.

Кривая

2 на

рис. 61,

показывает,

что в

процессе растяжения металл

испытывает упрочнение (наклеп), поскольку для его деформации требуется

прилагать

все

возрастающие напряжения.

Если

пренебречь упругими деформациями,

то

коэффициент упрочнения

к,

характеризующий способность металла

упрочнению при пластической

деформации,

будет

равен

= tga

Твердость металлов. Твердостью называют свойство материала оказы-

вать сопротивление пластической деформации

при

контактном воздей-

ствии

поверхностном слое. Измерение твердости вследствие быстроты

простоты осуществления,

также возможности

без

разрушения изделия

судить

его свойствах, получило широкое применение для контроля каче-

ства металла

металлических изделиях

деталях.

Определение

твердости

по

Брипеллю. Метод основан

на

том, что

пло-

скую поверхность металла вдавливается

под

постоянной нагрузкой

Р твердый стальной шарик (рис. 62, а). После снятия нагрузки

испытуе-

мом металле образуется отпечаток (лунка).

Если

поверхность отпечатка выразить через диаметры шарика

D и от-

печатка d{B мм),

то

твердость определяется

по

формуле

НВ

%D{D-]/D--d

)

При

испытании стали

чугуна

устанавливают

D =

10 мм иР=

3000

кгс

30D

при

испытании меди

и се

сплавов

D = 10 мм и

Р=1000

кгс

(Р

= 10D

)

при

испытании очень мягких металлов (алюминии, баббиты

др.)

D = 10

мм и Р

= 250 кгс (Р =

2,5D

Для определения твердости измеряют диаметр лунки

d и

находят

по

нему твердость

прилагаемых

прибору таблицах. Метод Бринелля

не

рекомендуется применять

для

металлов, твердостью более

НВ

450, так как

Переход

ох

1''о/1'&

проведен исходя

шллоалстии оОьсми при деформирииашш.

Рис. 62.

Схема

определения

твердости:

а — по

Бринеллю;

6 — по Роквеллу; в — по Виккерсу

шарик

может

деформироваться, что исказит результаты испытания.

Определение

твердости

по

Роквеллу.

В этом методе твердость опреде-

ляют по глубине отпечатка. Наконечником служит алмазный конус

углом

при вершине 120° или стальной закаленный шарик с d= 1,588 мм.

Алмазный конус применяют для испытания

твердых

металлов, а ша-

рик

— для мягких металлов.

Конус

и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками (рис.

62,6); предварительной Р

= 10 кгс и общей Р = Р

+ Pi (где Р

— основная

нагрузка). Основная нагрузка составляет 90 кгс для шарика (шкала В), 140

кгс для алмазного конуса (шкала С) и 50 кгс для алмазного конуса при ис-

пытании

очень

твердых

и более тонких материалов (шкала А).

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу

твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению на-

конечника

на

0,002

мм. Твердость по Роквеллу (HR) определяют по

формулам:

При

измерении по шкалам А и С

HR=

100-е.

При

измерении по шкале В

ЯД =

130-е.

Величину е определяют по следующей формуле (рис. 62,6):

h-h

е =

•

0,002

где h — глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под дей-

ствием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р

с оставлением предварительной нагрузки Р

; h

— глубина внедрения

нако-

нечника

в испытуемый материал под действием нагрузки Р

Твердость по Роквеллу обозначается HRA (испытание алмазным кону-

сом при нагрузке 60 кгс), IIRC (тоже при нагрузке 150 кгс) и HRB (испыта-

ние

стальным шариком при на1рузке 100 кгс) и сразу указывается по шка-

ле прибора.

Метод Роквелла широко применяется в промышленности.

Определение

твердости

по

Виккерсу.

Метод используют для оиределс-

ния

твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев.

Твердость определяют вдавливанием в испытуемую поверхность (шлифо-

ванную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды

(рис.

62, в).

Твердость по Виккерсу (HV) определяют по формуле

HV=——5-^-=

1,854-^-,

где Р - нагрузка на пирамиду; а —

угол

между

противоположными граня-

ми

пирамиды при вершине, равный 136°; d — среднее арифметическое зна-

чение длин обеих диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагруз-

ки,

мм.

При

измерении твердости применяют следующие нагрузки: 1,0; 2,0; 5,0;

10,0; 20,0; 30,0; 50,0; 100,0 кгс. Чем тоньше материал, тем меньше должна

быть нагрузка. Твердость по Виккерсу определяется по специальным та-

блицам по измеренной величине d (диагональ отпечатка).

Микротвердость.

Определение микротвердости необходимо для изде-

лий

мелких размеров и отдельных структурных составляющих сплавов.

Прибор

для определения микротвердости состоит из механизма для вда-

вливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографи-

ческого микроскопа. В испытуемую поверхность вдавливают алмазную пи-

рамиду под нагрузкой 5 — 500 гс. Твердость Н* определяют по той же

формуле, что и твердость по Виккерсу: Н -

1,8544

P/d

, где Р— нагрузка,

тс; d — диагональ отпечатка, мкм.

Образцы для измерений должны быть подготовлены так же, как

микрошлифы.

5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ

ПРИ

ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ

Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла

хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с концен-

тратором посредине одним ударом маятникова копра (рис. 63). Ударная

вязкость а

, кгс • м/см

, (КС)

определяется работой А

, необходимой для

излома образца, отнесенной к рабочей пло.щади поперечного сечения F:

«м-р-

Образец устанавливают на

двух

опорах, затем наносят

удар

по его се-

редине (рис. 63, б) со стороны, противоположной надрезу. Работа, затрачен-

• При символе Н нередко ставят индекс, показывающий величину нагрузки в граммах.

Например,

220;

С 1/1 1979 г. введен новый ГОСТ

9454-78

«Методы испытания на ударный изгиб при

пониженной,

комнатной и повышенной температурах». В новом ГОСТе ударную вязкость обо-

значают буквами KCU, KCV или КСТ. Первые две буквы КС - обозначают символ ударной

вязкости,

третья буква U, V или Т - вид концентратора (U — радиус концентратора 1 + 0,07

мм,

V - радиус 0,25 +

0,025

мм и Т - трещина). Размерность КС, Дж/м

пли кгс-м/см

В учебнике сохранено старое обозначение ударной вязкости а , кгс-м/см

, которое принято во

всех действующих ГОСТах на стали и другие металлы и сплавы.

30°

Ном

маятника

Рве. 63.

Схема

маятникового

копра

(я) и

образца

при

испытании

(о):

1 —

маятник;

2 —

образец;

3 —

шкала;

4 -

стрела;

5 —

тормоз

•ная

на разрушение образца (рис. 63, а),

= Phi (cos p — cos а),

где Р — масса маятника, кг; h

— расстояние от оси маятника до его центра

тяжести, м; р —

угол

подъема маятника после разрушения образца; а —

угол

подъема маятника перед ударом.

Формула

дает

возможность подсчитать А

по измеренным

углам

а и р (Р

- постоянные для данного копра).

В пластичном состоянии у металлов а

> 5

—

7 кгс

•

м/см

, в хрупком со-

стоянии

< 1

—

2 кгс

•

м/см

6. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ПРИ

ПЕРЕМЕННЫХ (ЦИКЛИЧЕСКИХ) НАГРУЗКАХ

Длительное действие на металлические изделия повторно-переменных (ци-

клических) напряжений (рис. 64, а) может вызвать образование трещин

разрушение даже при напряжениях ниже а

0 2

Постепенное

накопление повреждений в металле под действием цикли-

ческих нагрузок, приводящее к образованию трещин и разрушению, назы-

вают

усталостью,

а свойство металлов сопротивляться усталости назы-

вают

выносливостью.

При

усталостном разрушении излом состоит из

двух

зон. Первая зона

(рис.

65, поз. 2) —

зона

усталости

имеет гладкую притертую поверхность.

Образование этой зоны происходит постепенно. На начальной стадии при-

ложения

циклической нагрузки на поверхности образуется большое коли-

чество трещин, однако растет только та, которая имеет достаточно боль-

шую длину и острую вершину. Продвигаясь в

глубь

образца, усталостная

трещина

образует глубокий и острый надрез. В зоне усталости нередко

можно

видеть полосы («бороздки»), отражающие последовательное поло-

жение растущей трещины (рис. 65,

а).

Трещина развивается как вязкая.

В период каждого циклона нагружения у ее вершины протекает большая

пластическая деформация. Скорость роста трещины невелика. Рост тре-

Рис.

64.

Схема

испытания

на

усталость (а) и диаграм-

ма циклического измене-

ния напряжений (б)

щины

продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым,

что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда проис-

ходит

быстрое разрушение. Это приводит к образованию второй зоны

усталостном изломе -

зоны

долома

(рис. 65, поз. 3). Зона долома имеет

структуру,

характерную для хрупкого или вязкого разрушения при одно-

кратных нагрузках (статических или ударных).

Испытание

на

усталость

(ГОСТ

12860-67)

проводят для определения

предела

выносливости,

под которым понимают наибольшее значение мак-

симального напряжения цикла, при действии которого не происходит

уста-

лостного разрушения образца после произвольно большого или заданного

числа циклов нагружения. Цикл напряжения - это совокупность пере-

менных значений напряжений за один период их изменения. За максималь-

ное

^тах и минимальное и

тш

напряжения цикла принимают наибольшее

(наименьшее) по алгебраической величине напряжение. Цикл характери-

зуется коэффициентом асимметрии R

= cr

min

max

. Если R

= - 1, цикл на-

зывают симметричным (см. рис. 64, б). Если

тах

и cr

min

не равны по вели-

чине - цикл асимметричный.

Предел выносливости обозначается

<JR

(R - коэффициент асимметрии

цикла),

а при симметричном цикле a_

. Предел выносливости чаще опре-

деляют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложе-

нием

изгибающей нагрузки по симметричному циклу (см. рис. 64, а).

Для определения стд (ст_

) используют не менее десяти образцов.

Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений до раз-

Рис. 65. Излом при усталостном ра

функции:

— схема излома; 6 — макроструктура излома; 1 — оча1 зарождения

трещины;

2 — излом; 3 — зона долома

"max

6'wax

inN-

Рис. 66.

Кривые

усталости

рушения или до базового числа циклов. По результатам испытаний от-

дельных образцов строят кривые усталости в полулогарифмических или

логарифмических координатах (рис. 66). Иногда кривые усталости строят

координатах

max

— 1/JV.

уменьшением ст

тах

долговечность возрастает. Горизонтальный уча-

сток на кривой усталости, т. е.

тах

не вызывающее разрушения при беско-

нечно большом числе циклов N, соответствует пределу выносливости UR

(рис.

66, поз. 1).

Многие цветные металлы не имеют горизонтального участка на кривой

усталости. В этом

случае

определяют ограниченный предел выносливо-

сти — наибольшее напряжение, которое выдерживает металл (сплав) в тече-

ние

заданного числа циклов нагружения.

База

испытания N должна быть не ниже 10 • 10

для стали и 100 • 10

ци-

клов для легких сплавов и

других

цветных металлов, не имеющих горизон-

тального участка на кривой усталости (рис. 66, поз. 2).

Наклонная

часть кривой усталости характеризует так называемую

огра-

ниченную

выносливость.

При

напряжениях, соответствующих ограниченной выносливости, зара-

нее известно, что через какое-то время деталь разрушится от усталости,

поэтому до разрушения ее нужно заменить.

Предел выносливости снижается при наличии концентраторов напряже-

ния.

Чувствительность OR К концентраторам напряжений при симметрич-

ном

цикле нагружения определяется эффективным коэффициентом концен-

трации напряжений К„:

„

= •

>-l

где сг_

и а_1н — пределы выносливости образцов гладкого и с надрезом

(концентратором напряжения).

7. КОНСТРУКТИВНАЯ

ПРОЧНОСТЬ

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Конструктивной

прочностью

материала принято называть комплекс проч-

ностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со слу-

жебными свойствами данного изделия

Прочностные и пластические свойства, определяемые по ГОСТам, на

гладких образцах

хотя

и имеют очень важное значение (они

входят

в рас-

четные формулы) во многих

случаях,

не характеризуют прочность этих ма-

териалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений.

Причиной

этого является значительное различие

между

условиями дефор-

мации

гладких образцов при механических испытаниях и условиями ра-

боты реальных конструкций.

Особенно опасным для пластичных металлов и сплавов является

хруп-

кое разрушение. Оно, как правило, начинается внезапно при напряжениях,

значительно меньших не только предела прочности, но и предела текуче-

сти, распространяется с большой скоростью и в подавляющем большин-

стве

случаев

приводит к различным авариям машин и сооружений. В связи

с этим сопротивление материала

хрупкому

разрушению является важней-

шей характеристикой, определяющей надежность работы конструкций.

Переход материала от пластичного состояния к

хрупкому

разрушению

есть

результат

действия многих факторов. Это явление связано, с одной

стороны, с природой сплава — типом кристаллической решетки, химиче-

ским

составом, величиной зерна, загрязнением сплава и т. д., и с

другой

стороны, с особенностями конструкции и условиями ее эксплуатации — на-

личием концентраторов напряжений и величиной градиента напряжений,

существенным увеличением скорости деформации и степенью понижения

температуры окружающей среды. Вследствие этого только для ограничен-

ного количества простых по форме изделий, работающих в условиях ста-

тической нагрузки при

температурах,

близких к комнатной, критериями

КОНСТРУКТИВНОЙ

ПРОЧНОСТИ МОГуТ СЛУЖИТЬ

СТ

СТод, О"

.Ц>

5> *|Л

Для большинства изделий и конструкций, особенно из высокопрочных

материалов, склонных к

хрупкому

разрушению, необходимо использовать

другие

критерии оценки конструкционной прочности, которые можно

разделить на две группы: 1) критерии, определяющие надежность металли-

ческих материалов против внезапных

хрупких

разрушений (критическая

температура хрупкости, вязкость разрушения, работа, поглощаемая при

распространении трещины, живучесть при циклическом нагружении и др.);

2) критерии, определяющие долговечность материала (усталостная проч-

ность, контактная выносливость, износостойкость, коррозионная стойкость

т. д.).

Ниже

будут

рассмотрены основные параметры, определяющие надеж-

ность и долговечность металлов и сплавов

Под служебными свойствами понимаются те свойства, которые характеризуют работо-

способность материала в условиях службы изделия.

Такое понятие, как надежность и долговечность, относящиеся только к изделиям, часто

используются в металловедении, поэтому дадим их определение в соответствии

с ГОСТ

13377-75.

4 Ю. М. Лахтин и др. 97

Критерии,

определяющие надежность материала. Многочисленные иссле-

дования

хрупких

разрушений деталей машин и элементов конструкций по-

казывают, что образование Хрупких трещин чаще происходит при низких

температурах

эксплуатации, наличии исходных дефектов типа трещин, по-

вышенных остаточных напряжениях, возникновении статических и динами-

ческих перегрузок, а также при увеличении размеров начальных дефектов

под действием циклических эксплуатационных нагрузок и коррозии.

Хруп-

кое разрушение

судов,

мостов, кранов, строительных и дорожных машин

обычно начиналось в зонах концентрации напряжений и происходило по-

сле некоторой наработки. Это говорит о роли накопления эксплуата-

ционных

повреждений и увеличения вероятности одновременного сочета-

ния

факторов, способствующих снижению сопротивления

хрупкому

разру-

шению.

Повышение

сопротивления деталей машин (конструкции)

хрупкому

раз-

рушению не может быть достигнуто повышением запасов статической

прочности, т. е. снижением их номинальной напряженности и увеличением

сечения.

Это должно достигаться использованием более стойких против

перехода

в хрупкое состояние материалов, надлежащих конструктивных

форм и технологии изготовления, повышением требований к дефектоско-

пическому контролю на стадии изготовления машин или конструкций для

отбраковки некачественного металла или некачественно изготовленных

деталей.

Следует

отметить, что интенсивное изучение критериев надежности ма-

териала началось с момента широкого применения в технике высоко-

прочных металлических материалов, характерной особенностью которых

является склонность к

хрупкому

разрушению. В

результате

этого в ряде

случаев

приходится поступиться прочностью деталей, изготовленных из

этих материалов, чтобы предотвратить преждевременное и неожиданное

хрупкое разрушение.

Пока

не найдено количественных критериев, которые можно было бы

положить в основу установления необходимых требований к поставке ме-

таллических материалов, обеспечивающих их высокую сопротивляемость

хрупкому

разрушению в реальных конструкциях. Наиболее распростра-

ненными

в настоящее время методами определения склонности сталей

хрупкому

разрушению является метод определения на

ударных

образцах

порога хладноломкости и методы оценки вязкости разрушения по крите-

риям

Ж. Ирвина.

Порог

хладноломкости.

Как мы уже отмечали ранее, железо, сталь,

металлы и сплавы с о. ц. к.- и г. п. у.-решеткой

могут

разрушаться хрупко

или

вязко в зависимости от температурного порога хладноломкости. По-

рог хладноломкости t

является одним из важных параметров конструк-

Продолжение

сноски.

Надежность — свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуата-

ционные

показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или тре-

буемой наработки. Долговечность — свойство изделия сохранять работоспособность до пре-

дельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации). Для металлов и сплавов

надежность и долговечность оцениваются на основе лабораторных испытаний до изготовления

из

них тех или

других

изделий. Понятие надежность и долговечность металлических материа-

лов при этом вводится с учетом вида эксплуатационного отказа изделий, изготовленных из

Этих материалов.

Рис.

67. Сериальные

кривые

зависимости ударной вязкости и содержания

вязкой составляющей от температуры

тивной

прочности металлических материалов.

Зная

рабочую темпе-

ратуру

эксплуатации материала

можно оценить

его

температурный

запас вязкости,

под

которым понимают интервал температур

между

f„.

х и

Гр.

Чем

больше температурный запас вязкости,

тем

меньше склонность

охрупчиванию

при

увеличении скорости нагружения

чувствительность

концентраторам напряжений,

т. е.

меньше опасность. хрупкого разруше-

ния.

Порог

хладноломкости определяется путем испытания ударным изги-

бом надрезанных образцов при разных температурах (см. стр. 93).

результа-

те этих испытаний строят кривую зависимости ударной вязкости

от

темпе-

ратуры испытания

(так

называемую

«сериальную»

кривую

по Н. Н.

Дави-

денкову).

На

рис. 67

приведены кривые зависимости ударной вязкости

от

темпе-

ратуры

для

разных материалов.

Для

чистых металлов характерен резкий

Переход

от

вязкого

хрупкому разрушению

(рис.

67, а).

многих хладно-

ломких сплавов интервал температур перехода

от

вязкого

хрупкому

раз-

рушению достаточно широк (рис. 67,

б).

этом

случае

различают верхний

Oi.x

нижний

порог хладноломкости.

интервале температур

M х

- £,',

ударная вязкость имеет нестабильное значение.

Для

многих сталей

на кри-

вой

зависимости

-1

ударная вязкость постепенно снижается,

как это

видно на рис. 67, в. В этом

случае

определить по кривой порог хладнолом-

кости fn.

И <

ТРУДНО.

Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе

для стали можно четко различить по

виду

излома (см. стр. 87), порог

хлад-

ноломкости нередко определяют по проценту волокна (матовой, волокни-

стой составляющей) в изломе.

Количество волокна в изломе определяется как отношение площади во-

локнистого (вязкого) излома к первоначальному расчетному сечению

образца (см. рис. 59, я). Далее строится сериальная кривая процент волок-

на

— температура испытания (рис. 67, г). Сериальная кривая в этом

случае

имеет такой же характер, как и кривые, построенные в координатах я

— t.

За

порог хладноломкости в этом

случае

обычно принимается температура,

при

которой имеется 50% волокна t

(рис. 67, г). Для ответственных

дета-

лей за критическую

температуру

хрупкости нередко принимают темпера-

туру,

при которой в изломе имеется 90% волокна

(£

а ударная вязкость

сохраняет высокое значение.

Порог хладноломкости t

. x не является постоянной материала, а силь-

но

зависит от его структуры, условия испытания, наличия концентраторов

напряжений,

размеров деталей и т. д.

В рамках теории надежности машин хладноломкость не включается

систему факторов, определяющих надежность конструкции; дается лишь

общая рекомендация не

применять

материал

при

температурах

ниже

поро-

га

хладноломкости.

Работа

зарождения

распространения

трещин.

Как показала практика,

оценка

сопротивления

переходу

стали в хрупкое состояние по ударной вяз-

кости не

всегда

является надежной. Согласно исследованиям величина

ударной вязкости зависит от геометрических параметров образца, и

даже

геометрически подобные образцы не

обладают

пропорционально одина-

ковыми свойствами, а сама ударная вязкость является интегральной харак-

теристикой, состоящей из работы зарождения трещины а

и работы рас-

пространения трещины а

. Дальнейшее совершенствование метода оценки

сопротивления стали хрупкому разрушению по ударной вязкости разви-

вается в направлении разделения общей величины ударной вязкости а

на

работу

зарождения а

работу

распространения трещины а

: а

= а

+ а

Склонность

к хрупкому разрушению в первую очередь определяется со-

противлением развитию трещины.

Высокое значение а

при низком значении а

(многие высокопрочные

материалы) или при очень малом значении я

(некоторые пластичные ма-

териалы) не является оптимальным для многих изделий и конструкции.

Высокая конструктивная прочность материала достигается только при

значительном сопротивлении образованию трещины и высоком сопроти-

влении ее распространению. Чем больше я

, тем меньше возможность вне-

запного хрупкого разрушения. В настоящее время

существует

ряд методов

раздельного определения а

и а

При

хрупком

разрушении а а 0, а при

полухрупком

она снижается пропорционально

количеству волокна в изломе, поэте

изломе.

100