книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

вправо от начала координат (рис. 53). Начальный, нелинейный участок диаграммы исключается. Через полученную таким образом на оси абсцисс точку В проводят линию В С , параллельную прямолинейному участку диа­ граммы 0/1. Ордината точки D , пересечение прямой В С с диаграммой рас­ тяжения, определяет нагрузку, соответствующую условному пределу теку­ чести Р о,2 . Затем по формуле (177) рассчитывают условный предел теку­ чести.

Определение условного предела текучести с помощью тензометров прин­ ципиально не отличается от изложенного, однако имеется три различных способа (ГОСТ 1497—73): последовательных нагрузок п разгрузок, прямого нагружения и ускоренный способ.

пределу пропорциональности или текучести, материал ведет себя аналогич­ но тому, как при растяжении. Выше предела пропорциональности в мате­ риале возникают остаточные деформации, диаметр образца увеличивается, а длина уменьшается.

При некоторой нагрузке хрупкие материалы разрушаются и для них может быть установлен предел прочности при сжатии. Для пластичных материалов такой величины не удается установить, так как образцы, изго­ товленные из них, сжимаясь, могут превратиться в пластинки без призна­ ков разрушения.

При испытаниях на сжатие такие характеристики, как модуль упруго­ сти, пределы пропорциональности и текучести определяются с достаточ­ ной точностью, а значения предела прочности и относительного укорочения зависят от величины трения на торцах образца. Для уменьшения трепня применяются смазки.

Хрупкие материалы при сжатии разрушаются чаще всего путем среза, иногда путем отрыва. Испытания на сжатие имеют условное значение, по ним, как правило, судят об относительной прочности материалов.

Для испытаний на сжатие обычно используют прессы или разрывные машины. В последнем случае применяются реверсы.

231

§ 34. И спы тан и я на у д ар

Многие детали машин при эксплуатации испытывают ударные — дина­ мические нагрузки, -г. е. такие нагрузки, которые прикладываются с боль­ шой скоростью. Характер разрушения при динамических нагрузках отли­ чается от разрушения при медленном статическом нагружении. При дина­ мических нагрузках возможно хрупкое разрушение изделия.

Рассмотренные выше показатели статической прочности не могут ха­ рактеризовать поведение металла при ударных нагрузках.

Наиболее распространенным видом динамических испытаний является испытание на ударный изгиб, при котором определяется ударная вязкость.

Ударная вязкость характеризует способность материала поглощать механическую энергию при деформации до разрушения под действием ди­ намической нагрузки и оценивается работой, затраченной при динамиче­ ском разрушении надрезанного образца, отнесенной к площади поперечного сечения в месте надреза:

Величина ударной вязкости зависит от многих факторов. Наличие рез­ ких переходов в сечении изделия, глубоких и острых надрезов, царапин и рисок на поверхности, отверстий вызывает неравномерное распределение на­ пряжений, их концентрацию. Развитие пластической деформации затруд­ няется, возникает хрупкое разрушение, ударная вязкость падает. Величина ударной вязкости сильно зависит от направления волокна у кованых, прес­ сованных. катаных и т. и. деталей, имеющих волокнистое строение.

Сильно влияют на значение ударной вязкости форма и размеры образ­ ца, а также величина запаса работы маятника, ударом которого разру­ шается образец. Все это требует строгой регламентации методов определе­ ния ударной вязкости, что и выполнено в ГОСТ 9454—60 (ГОСТ 9455—60 н 9456—60 — соответственно при пониженной и повышенных температурах).

В качестве образца для испытаний на ударную вязкость чаще исполь­ зуется образец типа Менаже (ГОСТ 9454—60 предусматривает пять типов образцов с различными надрезами). Испытание образцов проводится на маятниковых копрах, предназначенных для испытаний образца, свободно лежащего на двух опорах (ГОСТ 10708—63, ГОСТ 14703—73). Испытание производится при одном ударе маятника, который наносится со стороны,

противоположном надрезу.

Работу А , „ затраченную на разрушение образца, определяют по шка­ ле, градуированной в кге-м или по углу подъема маятника с точностью до 0,1 кге-м. Ударную вязкость вычисляют по формуле (179) с точностью до 0,1 кгс-м/см2. Ударная вязкость материала для ответственных деталей должна быть достаточно высокой, низкая вязкость (а „^ 1 ,5 -г 2 кгс-м/см2) недопустима для деталей, испытывающих ударные нагрузки.

Кроме числовых значений ударной вязкости, существенным является и вид излома. Волокнистый матовый излом указывает на вязкое разруше­ ние, кристаллический блестящий излом характерен для хрупкого разрушения.

§ 35. Испытания при повторно-переменных нагрузках

При действии на металл повторно-переменных нагрузок в его кристал­ лической решетке происходит постепенный процесс накопления поврежде-

232

ний, приводящий к зарождению, а затем и к развитию трещины в поверх­ ностном слое. Процесс разрушения металлов и сплавов в результате много­ кратного повторно-переменного нагружения называется усталостью метал­ лов. Под выносливостью понимают свойство металла противостоять уста­ лости. Число повторных нагружений, которое металл выдерживает до раз­ рушения, называется долговечностью.

Если по оси ординат (рис. 54) отло­ жить напряжение о, а по оси абсцисс — долговечность, выраженную числом по­ вторных нагружений N до разрушения образца, то получим кривую выносливо­ сти. Из этой кривой, впервые полученной Веллером, следует, что существует такое наибольшее напряжение, ниже которого металлы не разрушаются от усталости. Это наибольшее напряжение, которое вы­ держивает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе циклов нагру­ жения, называется пределом выносливо­ сти и для симметричного цикла нагруже­ ния обозначется o -i.

Число повторно-переменных нагру­ жений (база испытаний) условно приня­ то для сталей в 10 млн., а для цветных сплавов — 100 млн. циклов.

Разрушение от усталости происходит без заметных признаков пласти­ ческой деформации и внешне приводит к внезапным отказам машин, хотя развивается постепенно. Излом в результате явления усталости, как пра­ вило, имеет характерный вид; на его поверхности различаются две зоны. Первая мелкозернистая, имеющая гладкую поверхность и характерные кон­ центрические линии, является зоной постепенного разрушения. Вторая — имеет обычное кристаллическое строение, напоминает хрупкий излом и яв­ ляется зоной мгновенного разрушения (зоной долома).

На выносливость металлов большое влияние оказывают неоднородно­ сти: неметаллические включения, газовые пузыри; состояние поверхности, ее твердость, наличие в поверхностном слое остаточных напряжений и др.

Методы испытания металлов при повторно-переменных нагрузках рег­ ламентированы в ГОСТ 2860—65. Стандарт распространяется: на черные и цветные металлы и сплавы, испытываемые при различных видах нагруже­ ний; при наличии и отсутствии концентратов напряжений; при различных температурах, а также при действии агрессивных сред.

Для построения кривой выносливости и определения предела выносли­ вости испытывают не менее десяти образцов, каждый до разрушения или до базового числа циклов.

ГОСТ 2860—65 предусматривает несколько разновидностей образцов для испытания на усталость: гладкие круглого и прямоугольного профиля (три типа), а также образцы с различной формой надрезов (четыре типа) и несколько других видов образцов. Все образцы изготовляются по вто­ рому классу точности, поверхность образцов должна соответствовать 9—10 классу чистоты по ГОСТ 2789—59, не иметь следов коррозии и других

дефектов.

Результаты испытаний образцов подвергаются статистической обработ­

время все шире применяются ускоренные методы испытаний металлов на усталостную долговечность. Существуют различные методы форсирования испытаний на выносливость, однако окончательные результаты таких ис­ пытаний не всегда сопоставимы между собой.

233

§ 36. И спы тания м е т а л л о в при п о вы ш ен н ы х т е м п е р а т у р а х

Многие детали машин работают при повышенных температурах, поэто­ му материал, из которого они изготавливаются, должен обладать рядом специфических свойств, в частности жаропрочностью.

Жаропрочность — это свойство металлов и сплавов длительно сопро­ тивляться развитию пластической деформации и разрушению под дейст­ вием постоянных нагрузок при высоких температурах. Численно жаро­ прочность может быть выражена: пределом кратковременной прочности, пределом ползучести и пределом длительной прочности. Для определения предела кратковременной прочности используются обычные машины для

9651—61 * предусматривает проведение испытаний па растяжение до темпе­

температуре, а температура выше температуры рекристаллизации.

Кривая ползучести (рис. 55) характеризует удлинение образца ДI в за ­

гое и пластическое) удлинение или заданную скорость ползучести.

При испытании на ползучесть деформация образца фиксируется с точ­ ностью не менее 0,002 мм. Результаты испытаний серии образцов при за­ данной температуре и разных напряжениях изображаются графически в координатах «время — относительное удлинение» — так называемые пер­ вичные кривые ползучести. Затем определяется условный предел ползуче­

234

туре 700° С за 1000 ч испытания, суммарное удлинение составит 1% перво­ начальной длины, или с2 °?о-5 20 кгс мм2 — при напряжении 20 кгс/мм2

и температуре 600°С средняя скорость ползучести равна 2-10~5% перво­ начальной длины в час.

Методика испытания па ползучесть, а также основные требования к образцам и испытательным машинам регламентирует ГОСТ 3248—60. Ис­ пытания на ползучесть трудоемки и длительны (до 5000— 10000 ч), прово­ дятся одновременно на большом количестве установок.

Характеристика ползучести преимущественно определяется у жаропроч­ ных металлов и сплавов при действии на образец одноосного растяжения. Другие виды нагружения применяются редко.

Длительная прочность является характеристикой сопротивления разру­ шению при длительном действии статической нагрузки и высокой темпера­ туры. Характеристикой длительной прочности является предел длительной прочности — величина напряжения, которое вызывает разрушение образца при данной температуре через определенный промежуток времени.

б

N

N..

N

N

N

Ч \

Log г

Рис. 56. Зависимость длительной прочности от времени испытания (температура посто­ янная)

Предел длительной прочности обозначается буквой а с индексами: на­

100 ч после начала испытаний.

Метод испытания на длительную прочность установлен ГОСТ 10145—62 (до 1200° С для черных и цветных металлов и сплавов). Порядок проведе­ ния испытаний кратко заключается в следующем.

Помещенный в электрическую печь образец нагревают до заданной температуры, выдерживают при этой температуре до полного прогрева, а затем плавно прикладывают нагрузку. В процессе испытаний фиксируется время, через которое образец разрушается.

Результаты испытаний серии образцов при разных температурах нано­ сятся на график с координатами «напряжение— время до разрушения» (рис. 56). При испытаниях на длительную прочность можно определить также относительное удлинение б и относительное сужение ф аналогично тому, как это делается при испытаниях на растяжение.

Для испытаний на длительную прочность может использоваться то же

•оборудование, что и для испытания на ползучесть (ГОСТ 3248—60), кроме

235

того ГОСТ 1553—70 предусматривает требования к машинам для испыта­ ния на длительную прочность. Если, как было сказано, предел кратковре­ менной прочности при высоких температурах служит для оценки технологи­ ческих свойств материала, то предел ползучести и предел длительной проч­ ности— характеристики, служащие для оценки долговечности деталей, ра­ ботающих при высоких температурах.

Предел ползучести используется для расчета деталей, длительное вре­ мя работающих при высоких температурах, когда явление ползучести оп­ ределяет их поведение в условиях эксплуатации.

Предел длительной прочности является одной из основных характери­ стик материала деталей, работающих при высоких температурах относи­ тельно непродолжительное время, когда процесс ползучести еще находится в начальной стадии развития.

§ 37. Твердость металлов

Твердостью обычно называют свойство металла сопротивляться внед­ рению в него другого, более твердого тела, не получающего при этом пла­ стической деформации. Такое определение не является исчерпывающим, од­ нако пригодно для наиболее распространенных и стандартизованных мето­ дов определения твердости металлов, основанных на принципе статического вдавливания стандартного наконечника— нидентора. В качестве пиденторов служат закаленный стальной шарик, алмазная пирамида или конус. На поверхности испытуемой детали при вдавливании индентора получается от­ печаток, который и является критерием для оценки ее твердости.

Рис. 57. Схема измерения твердости по методу Бринелля

Определение твердости металлов имеет большое практическое значение

236

8 до 450 единиц. Метод основан на вдавливании в испытуемый материал под действием силы Р стального шарика диаметром D и последующем изме­ рении полученного отпечатка. Твердость по Бринеллю (число твердости) НВ выражается отношением нагрузки к площади поверхности сферического от­ печатка, имеющего форму шарикового сегмента (рис. 57):

________ 2Р

При других условиях измерения твердости обозначение НВ дополняет­ ся указанием условий. Например, НВ 5/250/30=200 означает, что при диа­ метре шарика 5 мм, нагрузке 250 кгс (2500 кн) и времени выдержки под нагрузкой 30 сек число твердости по Бринеллю равно 200. Размерность (сила/площадь) при числе твердости по Бринеллю не ставится.

237

выдержки нндентора иод нагрузкой установлена: для сталей 10— 15 сек, для цветных сплавов 30±2 сек. Нагрузки при измерении твердости по Виккерсу

мазной пирамиде в течение 30 сек. Для упрощения определения числа твер­ дости по Виккерсу расчет по приведенной формуле не производится, а поль­ зуются готовыми таблицами, приложенными к ГОСТ 2999—59.

Метод Виккерса особенно удобен для измерения твердости поверхност­

мают глубину отпечатка, измеряемую в процессе испытания.

Определение твердости этим методом производится вдавливанием в ис­ пытуемый объект алмазного конуса или стального шарика под действием

скруглена в виде сферы с радиусом 0,200±0,005 мм. Номинальный диаметр

А'= 100, а при испытании шариком А'=130;

lit — глубина проникновения нндентора в испытуемый образец под дей­ ствием общей нагрузки (глубину измеряют после снятия основной нагрузки Р |, мм);

/г0 — глубина проникновения нндентора в испытуемый образец под дей­ ствием предварительной нагрузки Я0, мм;

Последовательность операций при определении твердости по Роквеллу схематически показана на рис. 59.

Рис. 59. Схема определения твердости по Роквеллу алмазным конусом (шкала «с»)

238

Индентор под действием предварительной нагрузки Ра вдавлизается в испытуемую поверхность на глубину ha- Затем к нагрузке Р 0 добавляется основная нагрузка Р i и под действием суммарной нагрузки глубина проник­ новения индентора составит величину h b После этого основную нагрузку Р\ внимают, а предварительную оставляют.

Индентор отжимается металлом обратно, но не доходит до уровня h a на некоторую величину, .равную к\—ha. Величина (/г,—h 0) принята за ха­ рактеристику твердости металлов по Роквеллу.

Индентор часового типа, применяемый для измерения глубины отпечат­ ка, имеет 100 делений. Каждое из них соответствует перемещению инденто­ ра на 0,002 мм. Чем тверже испытуемый материал, тем меньше разность lii— ho и тем больше число твердости по Роквеллу. Измерения твердости по Роквеллу может производиться по трем шкалам Л и С (черная), В (крас­ ная). Выбор шкалы зависит от твердости испытуемого материала и приве­

Следует отметить, что между числами твердости материала, определен­ ными различными методами, существует корреляционная связь. Это позво­ ляет с помощью таблиц переводить значения твердости, полученные какимлибо одним методом, в значения твердости по другим методам. Так, твер­ дость детали,, измеренная по методу Бринелля и равная НВ 202, соответст­ вует твердости по Роквеллу HRB 94 или HRC 17, твердости по Виккерсу

11V 201.

По числу твердости, для ряда сталей, можно приближенно оценить их предел прочности при растяжении. Например, для углеродистых сталей

« в =0,36, для хромансиля НВ

И с п ы т а н и е на м и к р о т в е р д о с т ь (ГОСТ 9450—60) позволяетопределять твердость очень небольших по площади и толщине участков ма­ териала. Определение микротвердости производится вдавливанием алмазной четырехгранной пирамиды под нагрузкой от 0,005 до 0,5 кгс и последующим измерением полученного отпечатка с помощью микроскопа. Величина микро­ твердости определяется отношением действующей нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F :

Р _

Ия- F '

Размерность величины микротвердости (сила/площадь), как правило, не указывается. По существу метод микротвердостн — это метод Виккерса, при­ способленный для измерения твердости на очень небольших участках де­ талей.

Измерение микротвердости производится на приборах типа ПМТ-3 и нашло широкое применение для испытания на твердость мелких деталей

239

часов п приборов, фольги, тонком проволоки, тонких гальванических и дру­ гих покрытий, окисиых пленок, поверхностных слоев деталей, упрочненных различными методами, стекол и эмалей, которые ввиду высокой хрупкости трудно испытывать другими методами.

§ 38. Технологические испытания

При технологических испытаниях материалов определяют показатели их

личию трещин, расслоений и т. п.), или по измерению деформации, полу­ ченной после действия нагрузки (угол загиба, число загибов и т. п.).

Быстрота проведения технологических испытаний, а также возможность использования несложных приборов позволяют их широко применять для массового контроля.

Многие технологические испытания стандартизованы. Рассмотрим крат­ ко некоторые из них.

И с п ы т а и и ям на ос а д к у (ГОСТ 8817—73) подвергаются черные металлы и алюминиевые сплавы в холодном или горячем состоянии. Испы­ тания проводятся с целью контроля прутков и проволоки, из которых изго­ тавливают крепежные изделия (болты, заклепки и др.) горячей или холод­ ной высадкой, а также торцевой штамповкой. При этих испытаниях опре­ деляют способность материала к деформации и обнаруживают дефекты по­ верхности.

Образцы для испытания должны иметь следующие размеры: диаметр или толщина равны соответствующему размеру изделия; высота стальных образцов берется равной двум диаметрам или двум сторонам квадрата (для алюминиевых образцов — полутора диаметрам). Испытания проводятся под

hп /||

-V — -----— ■ 100%.

Материал считается годным, если на боковой поверхности образца, испы­ танного до определенной деформации Л’, оговоренной в технической доку­ ментации, не наблюдается трещин, надрывов, закатов. На боковой поверх­ ности образцов из алюминиевых сплавов не допускаются также шерохова­

локи). Толщина образцов равна толщине исходного материала, а ширина — в три раза больше толщины. Испытание производится под прессом или мо­ лотком. Расплющивание образцов из полос или листов производится до увеличения ширины стандартного образца до значений, указанных в техни­ ческих условиях на материал. При испытании заклепок расплющивание про­ изводится на образцах высотой, равной 2,2 диаметра, до получения головки заданных размеров. Материал считается годным, если после испытания на поверхности образцов не наблюдаются трещины и надрывы.

Кроме рассмотренных видов испытаний, существует несколько видов технологических проб металлов:

240