Золотаревский В.С. Механические свойства металлов
Подождите немного. Документ загружается.
ние
материала
разрушению,
зависят от
состава
и
структуры
ме
талла
и
сплавов
во
многом
аналогично
характеристикам
трещи
ностойкости
при
статическом
нагружении
(см.
гл.
У).
Высокая
ударная
вязкость
(более
20-80
Джjсм
2
у
разных
групп
сплавов)
характерна
для
чистых по
примесям,
высокопластич
ных
однофазных
металлов
и
сплавов
или
гетерогенных
по
струк
туре
сплавов
с
небольшим
количеством
избыточных
фаз
или
оп
тимальными
их
размерами
и
распределением.
Легирование
чаще
всего
снижает
ударную
вязкость
(рис.
140).
Очистка
от
примесей,
особенно
приводящих
к
образованию
хрупких
избыточных
фаз,
повышает
ударную
вязкость.
В
качестве
примера
можно
привести
следующие
данные
по
алюминиевому
сплаву
Дl6Т
в
виде
прессо
ванных
полос
18х60
мм
(В.
п.
Козловская
и
др.):
Fe, %
.......
0,55
Si, %
.......
0,60
КСU,
Дж/см
2
•
16
0;21
0,20
26
0,10
0,01
36
Аналогично
к,.с
меняется ударная
вязкость
и
в
зависимости
от
размера
зерна,
старения,
направления
вырезки
образцов.
Связь
между
к,.с
и
работой
разрушения
при
ударном
изгибе
образцов
с
трещиной
хорошо
иллюстрирует
на
примере
титановых
сплавов
рис.
122.
Глава
VII
ТВЕРДОСТЬ
Под
твердостью
понимается
свойство
поверхностного
слоя
материала
сопротивляться
упругой
и
пластической
деформации
или
разрушению
при
местных
контактных
воздействиях
со
сторо
ны
другого,
более
твердого
и
не
получающего
остаточной
дефор
мации
тела
(индентора)
определенной
формы
и
размера.
Эта
формулировка
пригодна
не
для
всех
сушествующих
методов
оценки
твердости.
Разнообразие
этих
методов
и
разный
физический
смысл
чисел
твердости
затрудняют
выработку
общего
определения
твер
дости
как
механического
свойства.
В
разных
методах
и
при
раз
личных
условиях
проведения
испытания
числа
твердости
могут
характеризовать
упругие
свойства,
сопротивление
малым
или
боль
шим
пластическим
деформациям,
сопротивление
материала
раз
рушению.
260
По
широте
применения
испытания
на
твердость,
особенно
при
комнатной
температуре,
конкурируют
с
наиболее
распрост
раненными
испытаниями
на
статическое
растяжение.
Это
объяс
няется
простотой,
высокой
производительностью,
отсутствием
разрушения
образца,
возможностью
оценки
свойств
отдельных
структурных
составляющих
и
тонких
слоев
на
малой
площади,
легко
устанавливаемой
связью
результатов
определения
твердо
сти
с
данными
других
испытаний.
При
измерении
твердости
в
поверхностном
слое
образца
под
индентором
возникает
сложное
напряженное
состояние,
близкое
к
объемному
сжатию,
которое
характеризуется
наибольшим
коэффициентом
мягкости
(а.>2)
по
сравнению
с
другими
видами
механических
испытаний.
Поэтому
возможны
получение
<спластических»
состояний,
исключение
раз
рушения
и
оценка
твердости
практически
любых,
в
том
числе и
хрупких
металлических
материалов.
Способы
определения
твердости
делят
на
статические
и
дина
мические
-
в
зависимости
от
скорости
приложения
нагрузки,
а
по
способу
ее
приложения
-
на
методы
вдавливания
и
царапа
ния.
Наиболее
распространены
методы,
в
которых
используется
статическое
цдавливание
индентора
нормально
поверхности
об
разца.
Во
всех
методах
испытания
на
твердость
очень
важно
правиль
но
подготовить
поверхностный
слой
образца.
Он
должен
по
воз
можности
полно
характеризовать
материал,
твердость
которого
необходимо
определить.
Все
поверхностные
дефекты
(окалина,
выбоины,
вмятины,
грубые
риски
и
т.
д.)
должны
быть
удалены.
Требования
качеству
испытуемой
поверхности
зависят
от
приме
няемого индентора
и
величины
прилагаемой
нагрузки.
Чем
мень
ше
глубина
вдавливания
индентора,
тем
выше
требуется
чистота
поверхности
и
тем
более
строго
нужно
следить,
чтобы
свойства
поверхностного
слоя
не
изменились
вследствие
наклепа
или
ра
зогрева
при
шлифовании
и
полировке.
Нагрузка
прилагается
по
оси
вдавливаемого
индентора
пер
пендикулярно
к
испытуемой
поверхности.
Для
соблюдения
этого
условия
плоскость
испытуемой
поверхности
образца
должна
быть
строго
параллельна
опорной
поверхности.
Неплоские
образцы
крепят
на
специальных
опорных
столиках,
входящих
в
комплект
твердомеров.
Результаты
испытаний
на
твердость
зависят
от
продолжитель
ности
приложения
нагрузки к
вдавливаемому
индентору
и
вы-
261
держки
под
нагрузкой·.
При
постоянной
нагрузке
Р
линейный
раз
мер
отпечатка
d =
Ь.",
(75)
где.
-
время
выдержки
индентора под
нагрузкой;
Ь,
n -
коэф
фициенты,
зависящие
от
свойств
материала
и
величины
Р.
В
зависимости
от
•
различают
кратковременную
и
длительную
твердость.
В
стандартных
методах
определяют
кратковременную
твердость
при
комнатной
температуре.
Здесь
обычно
.=
1
0+
30
с.
Длительная
твердость
оценивается
при
повышенных
температу
рах
и
используется
как
характеристика
жаропрочности
материа
ла.
Определяя
твердость
всеми
методами
(кроме
микротвердос
ти),
измеряют
суммарное
сопротивление
металла
внедрению
в
него
индентора,
усредняющее
твердость
всех
имеющихся
струк
турных
составляющих.
Поэтому
получающийся
после
снятия
на
грузки
отпечаток
должен
быть
по
размеру
значительно
больше
размеров
зерен
отдельных
структурных
составляющих
(диаметр
или
длина
диагонали
отпечатков
при измерении
твердости
меня
ется
от
0,1-0,2
до
нескольких
миллиметров).
Неизбежные
разли
чия
в
структуре
разных
участков
образца
приводят
к
разбросу
значений
твердости,
который
тем
больше,
чем
меньше
размер
отпечатка.
1.
Твердость
по
&ринеллю
При
стандартном
(ГОСТ
9012-59)
измерении
твердости
по
Бринеллю
стальной
шарик
диаметром
D
вдавливают
в
испытуе
мый
образец
под
приложенной
определенное
время
нагрузкой
Р;
после
снятия
нагрузки
измеряют
диаметр
d
оставшегося
на
по
верхности
образца
отпечатка
(рис.
141).
В
поверхностном
слое
под
индентором
идет
интенсивная
пла
стическая
деформация
и
вытеснение
материала
из-под
инденто
ра
(см.
рис.
141),
Расчетные
кривые
распределения
упругих
напря
жений
вдоль
оси
вдавливания показывают,
что
все
нормальные
напряжения
(S"
S2
и
Sз)
плавно
снижаются
по
мере
удаления
от
индентора,
а
касательные
напряжения
(,пах'
достигают
максимума
на
глубине,
равной
половине
радиуса
сферической
поверхности
касания
индентора
с
образцом,
а
затем
уменьшаются
(рис.
142).
262
Рис.
141.
Схема
напряженного
состо
яния
в
зоне
пластической
деформа
иии
(заштрихована)
при
определе
нии
твердости
по
15ринеллю
Рис.
142.
Расчетные
кривые
распреде
ления
напряжений
l\llОЛЬ
оси
вдавли
вания
шарового
индентора
(В.
К.
Гри
горович)
По
другим
направлениям
напряжения
тоже
снижаются.
Распределение
напряжений
при
пластической
деформации
под
индентором
не
должно
существенно
меняться
по
сравнению
с
упругой
деформацией.
Пластически
деформирующийся
объем
ок
ружен
«твердым»,
упруго-напряженным
материалом,
в
результа
те
чего и
возникает
схема
напряженного
состояния,
близкая
к
гидростатическому
сжатию.
При
этом
сопротивление
пластичес
кой
деформации
(Sвдавл)
оказывается
примерно
в
четыре
раза
боль
ше
сопротивления
одноосному
сжатию
(SСЖ):
Sвдавл
=
(1
+
п)
Sсж'
Металл,
вытесненный
индентором,
оказывается
над
первона
чальной
плоскостью
образца
(см.
рис.
141)
и
может
искажать
фор
му
отпечатка
(при
любой
форме
индентора).
Чем
выше
пластич
ность
испытываемого
материала,
тем
больший
объем
участвует
в
пластической
деформации,
меньше
высота
образующегося
около
отпечатка
гребня
над
первоначальной
плоскостью
и
дальше
этот
гребень
от
края
отпечатка.
Диаметр
отпечатка
получается
тем
меньше,
чем
выше
сопро
тивление
материала
образца
деформации,
производимой
инден
тором.
Число
твердости
по
Бринеллю
(ИВ)
есть
отношение
на
грузки
Р,
действующей
на
шаровой
индентор
диаметром
D,
к
площади
F
шаровой
поверхности
отпечатка:
263
НВ
=
Р
/ F =
Р
/ [
те;
(D - J D
2
-
d
2
)
J
Тогда
(76)
Площадь
отпечатка
определяется
и
по
глубине
вдавливания
индентора
h
(без
снятия
нагрузки):
F =
тeDh
(77).
При
определении
твердости
по
Бринеллю
шариком
с
D=10
мм
под
нагрузкой
Р=30
кН
и
времени
выдержки
.=10
с
число
твердости
записывают
так:
400
НВ,
250
НВ,
или
НВ=3000
МПа
(Н/мм
2
).
При
использовании
других
условий
испытания
индекс
НВ
рекомендуется
дополнять
цифрами,
указывающими
диаметр
ИСПОЛЬЗОВЩ:IНого
шарика,
мм,
нагрузку,
кгс,
и
продолжитель
ность
выдержки,
с.
Например,
350
НВ
5/750/30 -
это
число
твер
дости
по
Бринеллю
(350),
полученное
при
вдавливании
шарика
с
D = 5
мм
нагрузкой
р=
750
кгс
(7500
Н)
в
течение.
=
30
с.
Твердость
по
Бринеллю
определяют
при
помощи
шарового
индентора
диаметром
1;
2;
2,5; 5
или
10
мм.
Инденторы
чаще
всего
изготавливают
из стали
с
твердостью
не
менее
8500 МПа
для
испытания
материалов
с
твердостью
от
8
НВ
дО
450
НВ.
При
большей
твердости
образца
стальной
шарик-индентор
остаточно
деформируется
на
величину,
превышаюшую
стандартизованный
допуск.
Поэтому
для
измерения
твердости
по
Бринеллю
материа
лов
с
> 450
НВ
используют
шарики
из
твердого
сплава
с
твердо
стью
по
Бриннелю
-
15000
МПа.
Число
твердости
по
Бриннелю,
определяемое
с
использованием
таких
и
нденторов,
обозначают
HBW.
Из
формулы
(76)
следует,
что
для
получения
одинаковых
зна
чений
НВ
одного
и
того
же
образца
при
использовании
шариков
разного
диаметра
необходимо
постоянство
отношений
р/
D2
и
d/
D
(условие
геометрического
подобия
отпечатков
при
использо
вании
шарового
индентора).
Но
на
практике
такого
постоянства
добиться
невозможно.
Отношение
d/D
поддерживают
в
пределах
0,2-0,6.
Для
получения
отпечатка
оптимальных
размеров
необ-
264
ходимо
правильно
подобрать
соотношение
между
нагрузкой
и
ди
аметром
шарика.
Рекомендуемые
нагрузки
и
диаметры
шариков
ДЛЯ
определения
НВ
различных
металлических
материалов
с
уче
том
ГОСТ
9012-59
приведены
в табл.
13.
Рекомендуемое
время
выдержки
образца
под
нагрузкой
ДЛЯ
сталей
10
с,
ДЛЯ
цветных
металлов
и
сплавов
30
(при
P/D2=
10
и
30)
или
60
с
(при
Р/
D2
= 2,5).
Зная
заданные
при
испытании
Р
и
D
и
измерив
d,
находят
число
твердости
Н
В по
стандартным
таб
лицам.
Для
определения
твердости
по
Бринеллю
применяют
специ
альные
приборы,
которые
должны
удовлетворять
требованиям
ГОСТ
23677-79.
На
рис.
143
показана
схема
одного
из
них,
типа
ТШ-2,
широко
используемого
в
лабораторной
практике.
Прибор
смонтирован
в
массивной
станине.
На
подъемном
винте
2,
перемещающемся
при
вращении
маховика
1,
устанавливаются смен
ные
опорные
столики
5
ДЛЯ
испы
туемых
образцов.
В
верхней
части
станины
расположен
шпиндель
6,
в
который
вставляют
сменные
на
конечники
с
шариками
раЗI-\ЫХ
ди
аметров.
Шпиндель
опирается
на
пружину
9,
предназначенную
для
приложения
к
образцу
предвари
тельной
нагрузки
1000 Н
для
устра
нения
смещений
образца
во
время
испытания.
Основная
нагрузка
при
лагается
через
систему
рычагов.
На
длинном
плече
основного
рычага
15
размещена
подвеска,
на
которую
накладываются
сменные
грузы
18.
Комбинацией
грузов
можно
задать
нагрузки
от
625
до
30000
Н.
Враще
ние
вала
электродвигателя
21
по
средством
червячной
передачи
со
общается
шатуну
19,
он
опускает
ся,
и
нагрузка
передается
на
шпин
дель
прибора.
Продолжительность
испытания
задается
передвижным
упором.
Когда
шатун
доходит
до
78
!7
75
'5
''1
1)
72
10
77
9
.-
.......
.--
В
7
5
5
2
1
Рис.
143.
Схема
прибора
ТШ-2для
опре
деления
твердости
по
Бринеллю:
1 -
маховик;
2 -
подъемный
винт;
3-
шкала
ДЛЯ
задания
времени
выдержки
под
нагрузкой;
4 -
кнопка-выключа
тель;
5 -
опорный
столик;
6 -
шпин
дель
ДЛЯ
индикатора;
7 -
упорный
че
хол;
8 -
втулка;
9 -
пружина;
10-
шпиндель;
11
-
сигнальная
лампа;
12,
/5
-
рычаги;
13
-
серьга;
14
-
микро
переклю'l3тель;
/6
-
вилка;
/7
-
ша
тун;
18
-
грузы;
/9
-
кривошип;
20-
редуктор;
21
-
электродвигатель
265
него,
срабатывает
концевой
переключатель
и
электродвигатель
начинает
вращаться
в
обратную
сторону,
щатун
поднимается,
и
нагрузка
снимается
со
шпинделя.
По
возвращении
шатуна
в
ис
ходное
положение
электродвигатель
автоматически
выключается.
Основной
недостаток
метода
Бринелля
-
отсутствие
геомет
рического
подобия
отпечатков.
Это
делает
не
строгим
количествен
ное
сопоставление
чисел
твердости
разных
материалов,
получен
ных
при
разных
значениях
отношений
d/
D.
Для
устранения
этого
недостатка
~ейер
предложил
определять
число
твердости
как
отношение
нагрузки
к
площади
проекции
отпечатка
с
учетом
влияния
нагрузки
на
диаметр
отпечатка:
P=ad",
(78),
где
а и
n -
константы
материuа.
Следовательно,
число
твердости
по
~ейеру
(79)
Из
формулы
(78)
следует,
что
если
d =
1,
то
Р
=
а.
Таким
об
разом,
константа
а
равна силе
вдавливания
шарика,
когда
диа
метр
его
отпечатка
равен
1
мм.
Величина
а
зависит
от
материала
т
а
б
л
и
ц
а
13.
Нагрузки
(Р)
н
диаметры
(D)
шариков,
рекомендуемых
дли
испытаиии
твердости
по
БринеллlO
(по
В.
К.
Григоровичу)
Р,
н
D,MM
Примечание
10
5
2,5
30
02
30000
7500
1875
Материалы
с
130-450
НВ
(стали,
чугуны,
высокопрочные
сплавы
на
основе
титана,
никеля,
меди,
алюминия)
1002
10000
2500
625
Материалы
с
35-130
НВ
(алюминиевые
сплавы,
латуни,
бронзы)
502
5000
1 250 312,5
Алюминий,
магний,
цинк,
латуни
2,502
2500
625 156,25
Подшипниковые
сплавы
1,2502
1250
312,5 78,125
Свинец,
олово,
припои
0,502
500
125
31,25
Мягкие
металлы
при
повышенных
температурах
266
образца
и
диаметра
шарика
D.
С
увеличением
D
глубина
отпечатка
уменьшается;
следовательно,
уменьшается
объем
вытесненного
шариком
металла
и
сила
вдавливания
Р
=
о.
Константа
n
не
зави
сит
от
D
и
определяется
в
основном
коэффициентом
деформаци
онного
упрочнения.
Она
меняется
в
диапазоне
2-2,6.
Число
твердости
ИМ
-
более
строгая
характеристика
возни
кающих
под
индентором
напряжений.
Оно
характеризует
среднее
контактное
давление,
действующее
на
поверхности
отпечатка.
При
расчете
ИМ
относят
нагрузку
к
площади
проекции
восстанов
ленного
отпечатка
(после
снятия
нагрузки).
В
этом
смысле
ИМ
можно
рассматривать
как
характеристику
истинных
напряжений
в
лунке,
в
то
время
как
число
твердости
по
Бринеллю
ИВ
являет
ся
характеристикой
условных
напряжений,
ибо
при
расчете
ИВ =
P/тcDh
нагрузку
относят
к
площади
поверхности
невосста
новленного
отпечатка.
Отношение
ИВ/ИМ
= 1 - \jI,
где
\jI -
степень
деформации
в
лунке
при
данном
напряжении
ИВ.
Средняя
степень
деформации
поверхностного
слоя
при
вдав
ливании
шара
в
плоскость
по
М.
п.
Марковцу
\jI =
(M-F}/M,
где
М
-
площадь
поверхности
невосстановленного
отпечатка,
а
F -
площадь
проекции
восстановленного
отпечатка.
Тогда
дефор
мация
в
невосстановленной
лунке
(79)
Остаточная
деформация
в
восстановленной
лунке
(80)
где
D\
-
диаметр
кривизны
восстановленной
лунки,
D\
= (0,25d
2
+ h
2
)/h, h -
ее
глубина,
d
o
-
диаметр
круга,
из
кото
рого
выдавливается
шаровой
сегмент
(d
o
<d).
Таким
образом,
величина
\jI
определяется
отношением
d/
D;
чем
оно
больше,
тем
больше
деформации
в
лунке
и
меньше
от
ношение
НВ/НМ.
Только
при
d/D<
0,15 (\jI<I%)
разница
между
267
числами
твердости
ИВ
и
ИМ
становится
незначимой
«1%)
и их
можно
приравнивать
одно
к
другому.
М.
С.
Дрозд
предложил
новое,
названное
пластическим,
число
твердости,
основанное
на
закономерностях
изменения
размеров
отпечатка
от
величины
нагрузки.
При
статическом
вдавливании
шарика
в
плоскую
поверхность
достаточно
большого
металличес
кого
образца
сначала
происходит
чисто
упругая
деформация.
Иа
этой стадии
теория
упругости
дает
следующую
зависимость
глу
бины
вдавливания
h
y
от
нагрузки
Р:
(81)
где
k)=(1 -
v~)/1tEJ'
k
2
=(l
-
V~)/1tE2'
VJ'
v
2
'
Е),
Е
2
-
коэффициен
ты
Пуассона
и
модули
Юнга
материалов
образца и
шарика
соот
ветственно;
R -
радиус
индентора.
Формула
(81),
таким
образом,
определяет
вид
диаграммы
уп
ругого
вдавливания
шарика
P-h.
По
достижении
глубины
вдавливания,
примерно
равной
по
ловине
радиуса
площади
контакта
шарика
с
образцом,
начина
ется
пластическая
деформация,
развивающаяся
при
увеличении
Р
и
h.
Снятие
нагрузки
после
любой
деформации
сопровождается
упругим
восстановлением
отпечатка
W.
Оно
особенно
велико
по
оси
вдавливания.
В
результате
измеряемые
в
обычных
испытаниях
остаточные
размеры
отпечатка,
особенно
h,
значительно
(на
12-25
% )
мень
ше,
чем
у
невосстановленного
отпечатка.
Величина
упругого
вос
становления
W =
h
п
-
h
ocт
'
где
h
п
-
полная
глубина
вдавливания
индентора;
h
OCT
-
глубина
восстановленного
отпечатка.
Чем
больше
нагрузка
на
индентор,
тем
менее
значительна
доля
WOT
h
п
•
На
стадии
пластической
деформации
характер
зависимости
Р
h
аналитически
не
установлен.
Экспериментально
показано,
что
с
увеличением
нагрузки
на
индентор
глубина
восстановленного
отпечатка
растет
линейно
(рис.
144,
а).
Точка
при
h
ocт
=0
соответ
ствует
нагрузке
P
s
'
по
достижении
которой
в
центре
отпечатка
только
начинается
пластическая
деформация.
Величина
этой
на-
268
р
н
ь
Рис.
144.
ДиаграММbI
пластического
вдавливания
шарового
индентора ПО
М.
С.
Дрозду
(о)
и
(6)
по
М.
п.
Марковцу
грузки
определяется
пределом
текучести
(упругости)
материала
и
соответствуег
ему
по
своему
физическому
смыслу.
Для
дальнейшего
развития
пластической
деформации
(углуб
ления
отпечатка
после
его
упругого
восстановления)
необходимо
повышение
иагрузки
относительно
Р..
Это
есть
проявление
де
формационного
упрочнения.
Диаграмма
P-h
ост
в
определенной
мере
аналогична
диаграммам
деформации,
которые
получают
при
статическнх
испытаниях.
Наклон прямой
P-h
ОСТ
характеризует
коэффициент
деформационного
упрочнения
материала
tg
а
=
(Р
-
P)/h
OCT
'
Если
перестроить
теперь
«первичную»
диаграмму
вдавливания
в
координатах
Р
-
тtDh
ocт
(при
мерная
площадь
восстановленного
отпечатка)
или
Р
-
Dh
ocT
'
то
для
данного
материала
при
исполь
зовании
разных
шариков
получим
серию
параллельных
прямых,
отличающихся
по
уровню
нагрузок
на
величину
1'.,
(рис.
145,
а).
Р,Н
P-Ps,Н
г----.г-----,
]0000
8000
'1000
о
0,8
1,2
Dh,I1I1
z
о
2
If
Dh,l'fl'f
z
Рис.
145.
Зависимость
СИЛbl
вдавливания
Р(о)
и
веЛИЧИНbI
(Р-Р)
(6)
от
Dh
при
диаметре
шари
ка
20
(1),
15
(2),
и
10
(3)
мм:
1-
сталь
18ХНВА
после
закалки"и
отпуска;
/1-
армко-железо
после
нормализаuии
269