4434

Механические свойства материалов

Конспект

Производство и промышленные технологии

Напряжения и деформации Тема Напряжения и деформации (2 часа) План лекции Современная трактовка физического и технического смысла важнейших механических свойств. Напряжения. Нормальные и касательные напряжения. Тен...

Русский

2012-11-20

3.91 MB

306 чел.

 

Раздел 1 Напряжения и деформации

Тема 1 Напряжения и деформации (2 часа)

План лекции

1. Современная трактовка физического и технического смысла важнейших механических свойств.

2. Напряжения.

3. Нормальные и касательные напряжения.

4. Тензор напряжений.

5. Деформация.

6. Тензор деформации.

Основные понятия

Деформация – изменение взаимного расположения частиц тела, как правило, вызывающее изменение его размеров и формы.

Упругость – свойство тел деформироваться под нагрузкой и затем, после устранения сил восстанавливать свое первоначальное состояние. Часть деформации, которая исчезает после снятия нагрузки, называется упругой, а та часть, которая остается – остаточной (пластической) деформацией.

Пластичность – свойство материалов под действием внешних нагрузок изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после снятия этих нагрузок.

Прочность – способность материала противостоять нагрузке, не разрушаясь.

Твердость – способность материала противостоять внедрению в него другого материала.

Жесткость – способность материала не гнуться под воздействием приложенной нагрузки.

Вязкость – свойство материалов необратимо поглощать энергию при их пластическом деформировании.

Хрупкость – способность твердых тел разрушаться при механических воздействиях без заметной пластической деформации.

Дислокации – линейные искажения типа обрыва или сдвига атомных слоев, нарушающие правильность их чередования в решетке. Бывают краевые и винтовые дислокации.

Статическая нагрузка – это однократно приложенная нагрузка, плавно и относительно медленно возрастающая от нуля до своей максимальной точки.

Динамическая нагрузка – это однократно приложенная нагрузка, действующая на материал резко, и с большой скоростью возрастающая от нуля до своей максимальной величины.

Повторно-переменная нагрузка – это нагрузка, многократно прикладываемая к материалу, причем скорости возрастания и убывания нагрузки могут быть различные.

Напряжения. Тензор напряжений

Большинство механических свойств выражается через величину напряжений.

Понятие «напряжение» введено для оценки величины нагрузки, не зависящей от размеров деформируемого тела. Напряжение является, таким образом, удельной величиной и определяется как соотношение

                

                                            ,

где S – напряжение на площадке F, перпендикулярной оси образца, вдоль которой действует сила Р (рисунок 1, а).

Для определения величины напряжений в каком-то сечении тела последнее рассекают на две части, затем одну часть тела мысленно отбрасывают, а ее действие на оставшуюся часть заменяют внутренними силами (рисунок 1, б).

В системе СИ напряжения выражаются в ньютонах на квадратный метр (Н/м2, МН/м2). На практике часто используют размерность напряжений кгс/мм2 (1 кгс/мм2=9,8·106 Н/м2).

В общем случае сила не перпендикулярна плоскости площадки, на которую она действует. Тогда ее можно разложить на две составляющие: нормальную (перпендикулярную к площадке), создающую нормальное напряжение, и касательную, действующую в плоскости площадки и вызывающую касательные напряжения (рисунок 1, в). В механических испытаниях определяют именно эти напряжения. Их же используют и в расчетах на прочность. Одни процессы при деформировании и разрушении определяются касательными напряжениями (пластическая деформация, срез), другие – нормальными (разрыв).

                                                                              

                 

                                                

                          а                                                    б            

Рисунок 1 – Схемы к определению напряжений

Нормальные напряжения делят на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).

При решении реальных задач необходимо иметь возможность оценить напряжения, действующие в любом сечении тела. Для этого используют представление о тензоре напряжений.

Внутри тела, находящегося под действием напряжений, всегда можно выделить бесконечно малый по размерам параллелепипед, ребра которого параллельны произвольно выбранным осям координат (рисунок 2). В общем случае на три его непараллельные грани действуют взаимно уравновешенные векторы напряжений, которые можно разложить на нормальные и касательные. В результате параллелепипед находится под действием девяти напряжений – трех нормальных (Sx, Sy, Sz) и шести касательных (txy, txz, tyx, tyz, tzy, tzx). Совокупность этих напряжений и есть тензор напряжений, который записывается в такой форме:

.

Чтобы выбранный нами параллелепипед находился в равновесии и не вращался, необходимо равенство моментов относительно координатных осей. Поэтому txy=tyx, tzy=tyz, txz=tzx (закон парности касательных напряжений). Следовательно, тензор напряжений содержит фактически не девять, а шесть независимых напряжений. С их помощью можно охарактеризовать любое сложное напряженное состояние. Тензор позволяет определять величину нормальных и касательных напряжений в любой площадке, проходящей через данную точку тела, если известны ее направляющие косинусы (косинус угла между площадкой и соответствующей осью координат) относительно выбранных осей координат.

        

Рисунок 2 – Взаимно уравновешенные напряжения,

действующие на грани параллелепипеда

Главные площадки – площадки, на которых действуют только нормальные напряжения, касательные напряжения равны нулю.

При механических испытаниях главные направления напряжений обычно заранее известны, и их можно выбрать в качестве координатных осей. Тогда тензор напряжений упрощается и принимает вид:

,

где S1, S2,  S3 – наибольшее, среднее и  наименьшее главное нормальное напряжение соответственно.

При любом напряженном состоянии максимальные касательные напряжения τmax действуют на площадках, расположенных под углом 450 к главным осям, а их величина равна полуразности соответствующих главных нормальных напряжений:

.

Деформация. Тензор деформации

Под действием напряжений все материалы деформируются, то есть изменяют форму и размеры. По результатам механических испытаний оценивают различные характеристики упругой, а чаще остаточной деформации. Наиболее широко используются следующие характеристики деформации: удлинение (укорочение), сдвиг и сужение (уширение) образцов.

Увеличение длины образца в результате деформации обычно характеризуют относительным удлинением:

,

где lк – конечная длина;

     l0 – начальная длина;

    Δl – абсолютное удлинение (рисунок 3, а).

Величина δ является условной характеристикой, поскольку деформация с самого начала развивается на непрерывно изменяющейся длине l и отношение Δl/l0 лишено физического смысла.

Истинное относительное удлинение

.

Удлинение и укорочение образца обычно происходит под действием нормальных напряжений. Касательные напряжения вызывают сдвиговые деформации, которые оценивают по углу сдвига α (в радианах) или по величине относительного сдвига g=tgα (рисунок 3, б).

      

                                 

                                  

                                            

                                       

                                        а                                                     б  

Рисунок 3 – Удлинение (а) и сдвиг (б) при деформации

Относительные удлинения и сдвиги (е и g) – фундаментальные характеристики деформации, которые используются в теориях пластичности и упругости. Совокупность удлинений и сдвигов – тензор деформации – по аналогии с тензором напряжений характеризует любое деформированное состояние в данной точке и позволяет определять е в любом направлении и g в любой плоскости. В случае если три главных направления деформации (в которых сдвиги равны нулю) заранее известны и их можно совместить с осями координат, тензор деформации характеризуется совокупностью трех удлинений:

,

где е1, е2, е3 – наибольшее, среднее и наименьшее по величине удлинение соответственно.

Третьей широко используемой характеристикой деформации является относительное сужение ψ:

,

где F0 и Fк – начальная и конечная площадь поперечного сечения образца соответственно.

Между е, δ и ψ существует функциональная связь в области равномерных деформаций, то есть пока величина относительных изменений формы и размеров во всех точках рабочей части образца одинакова. Эта связь следует из условия постоянства объема при пластической деформации.

е=ln(lк/l0)=ln(F0/Fк)=ln(1/1-ψ)=ln(1+δ).

Помимо этих трех характеристик деформации, используют и другие, частные. Например, величину деформации при испытании на изгиб можно оценивать по стреле прогиба, а на кручение – по углу скручивания.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [3], [9]

1. Истинное и условное удлинение.

2. Функциональная связь между различными характеристиками деформации.

3. Схемы напряженного состояния.

4. Примеры реализации схем напряженного состояния.

5. Условия подобия механических испытаний.

Раздел 2 Классификация механических испытаний

Тема 1 Классификация механических испытаний (2 часа)

План лекции

1. Способы нагружения образцов.

2. Статические нагрузки.

3. Динамические нагрузки.

4. Циклические нагрузки.

5. Испытания на твердость.

6. Испытания на ползучесть и длительную прочность.

7. Условия подобия механических испытаний.

Классификация и виды механических испытаний 

 Используют два способа нагружения образца: 1) путем его деформации с заданной скоростью и измерением сил сопротивления образца этой деформации и 2) подачей постоянной нагрузки на образец с измерением возникающей при этом деформации.

Наиболее распространен первый способ, обеспечивающий возможность непрерывного измерения и записи силы сопротивления образца деформированию. Он используется практически во всех разновидностях статических испытаний.

Важнейшие примеры применения второго способа нагружения – испытания на ползучесть и длительную прочность.

По характеру изменения во времени нагрузки подразделяют на статические, динамические и циклические. Статические нагрузки характеризуются относительно медленным возрастанием от нуля до некоторой максимальной величины (обычно секунды – минуты). При динамическом нагружении это возрастание происходит за очень короткий промежуток времени (доли секунды). Циклические нагрузки характеризуются многократными изменениями по направлению и (или) по величине.

В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и циклические испытания.

Статические испытания отличаются плавным, относительно медленным изменением нагрузки образца и малой скоростью его деформации, а также такой малой величиной ускорения движущихся частей машины, что возникающими в них силами инерции можно пренебречь. При статических испытаниях можно методом простого статического равновесия с достаточной точностью определять усилия и деформации, а также величины работы деформации в любой момент испытания.

 Наиболее важны следующие виды статических испытаний, отличающиеся схемой приложения нагрузок к образцу: одноосное растяжение, одноосное сжатие, изгиб, кручение.

Динамические испытания характеризуются приложением к образцу нагрузок с резким изменением их величины и большой скоростью их деформации. Динамическую нагрузку создают ударом по образцу свободно падающей тяжелой массы. В результате в отдельных частях образца и испытательной машины возникают значительные силы инерции. В результате динамических испытаний определяют величину полной или удельной работы динамических деформаций, а также величину остаточной деформации образца. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме изгиба.

Для испытаний на усталость характерно многократное приложение к образцу изменяющихся нагрузок. Такие испытания обычно длительны (часы – сотни часов). По результатам усталостных испытаний определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжений, а в конечном итоге – то предельное напряжение, которое образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения. При усталостных испытаниях используют различные схемы приложения нагрузок: изгиб, растяжение, сжатие, кручение.

Существуют еще две большие специфические группы испытаний. Первая из них – это испытания на твердость, в которых оценивают различные характеристики сопротивления деформации или разрушению поверхностных слоев образца при взаимодействии с другим телом – индентором. Большинство разновидностей испытаний на твердость – статическое.

Вторая группа – испытания на ползучесть и длительную прочность. Их обычно проводят при повышенных температурах для оценки характеристик жаропрочности. Образцы в течение всего испытания находятся под постоянным напряжением. При испытании на ползучесть измеряют величину деформации в функции времени при разных напряжениях на образце, а в результате испытаний на длительную прочность оценивают время до разрушения под действием различных напряжений.

Испытания проводятся при различных температурах, начиная от очень низких отрицательных и кончая температурами в интервале плавления, в разных средах и т. д.

Необходимо выполнение определенных условий проведения испытаний, которые бы обеспечили постоянство результатов при многократном повторении испытаний. Соблюдение этих правил должно гарантировать сопоставимость результатов испытаний, проведенных в разное время, в разных лабораториях, на разном оборудовании и т. д. Условия, обеспечивающие такое постоянство и сопоставимость результатов, называются условиями подобия механических испытаний.

Для этого необходимо соблюдение трех видов подобия:

  1.  геометрического (форма и размеры образца);
  2.  механического (схема и скорость приложения нагрузок);
  3.  физического (внешние физические условия).

Форма и размеры образца влияют на результаты испытания через схему напряженного состояния, которая зависит от формы тела и определенного расположения точек приложения нагрузок.

В общем виде механическое подобие заключается в том, чтобы в сходных сечениях рабочей части образцов возникали тождественное напряженное состояние и одинаковая относительная деформация. Если можно пренебречь влиянием скорости деформации, то условие механического подобия сведется к тому, чтобы все прилагаемые к образцу внешние силы были подобно направлены и приложены в соответствующих точках. При больших скоростях деформации соблюдение механического подобия в разных по размеру образцах усложняется.

Для получения сопоставимых результатов и правильного их анализа большое значение имеет методика изготовления образцов для испытаний. В каждом случае она должна быть оговорена. Один и тот же материал в зависимости от условий его получения (скорости кристаллизации при литье, степени обжатия при прокатке и т. д.) может обладать различными свойствами. Поэтому для получения сравнимых данных всегда необходимо соблюдать идентичность режимов (а не только методов) получения и обработки заготовок для образцов, изготовлять их (например, на станках) по одной технологии.

Способ изготовления образца должен быть такой, чтобы в последнем создавалась структура, идентичная структуре соответствующей детали. При изготовлении образцов заданной формы нужно использовать такие методы обработки, которые не меняют свойств металла, присущих ему в заготовке или изделии. Поэтому образцы в процессе изготовления нельзя нагревать значительно выше комнатной температуры, подвергать пластическим деформациям (наклеп) и т. д. Большое значение имеет качество поверхности образцов. Поверхностные дефекты (царапины, риски) служат концентраторами напряжений и снижают характеристики прочности и пластичности.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [4], [9]

1.Способы нагружения образцов.

2. Специфические группы испытаний.

3. Критерии подобия механических испытаний. Цель. Примеры.

Раздел 3 Упругие свойства и неполная упругость металлов

Тема 1 Упругие свойства (2 часа)

 План лекции

1. Закон Гука.

2. Константы упругих свойств.

3. Модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона

4. Методы определения упругих свойств:

5. Резонансный метод.

6. Импульсный метод.

7. Крутильный маятник

Закон Гука и константы упругих свойств.

Стадию упругой деформации образцы проходят при всех без исключения видах механических испытаниях.

Поведение металлов при упругой деформации описывается законом Гука, который определяет прямую пропорциональность между напряжением и упругой деформацией. На рисунке 4 показаны начальные (упругие) участки кривых напряжение – деформация при одноосном растяжении, кручении и гидростатическом сжатии.

Наклон каждой из этих трех кривых, т. е. коэффициент пропорциональности, связывающий напряжения и деформацию, характеризует модуль упругости:

E=S/e; G=t/g; K=P/χ.

 

а – одноосное растяжение; б – кручение; в – гидростатическое сжатие

Рисунок 4 – Упругие участки кривых напряжение – деформация

 Модуль E, определяемый при растяжении, называется модулем нормальной упругости, или модулем Юнга. Модуль G – модуль сдвига (касательной упругости). К – модуль объемной упругости (Р – гидростатическое давление, χ –  уменьшение объема).  Модули упругости определяют жесткость материала, т. е. интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации.

Механизм упругой деформации металлов состоит в обратимых смещениях атомов из положения равновесия в кристаллической решетке. Чем больше величина смещения каждого атома, тем больше упругая макродеформация всего образца. Величина этой упругой деформации металлов не может быть большой (относительное удлинение в упругой области обычно меньше одного процента), т. к. атомы кристаллической решетки способны упруго смещаться лишь на небольшую долю межатомного расстояния. Физический смысл модулей упругости как раз и состоит в том, что они характеризуют сопротивляемость металлов упругой деформации, т. е. смещению атомов из положений равновесия в решетке. Если сравнивать два металла, например, с разными е (рисунок 4, а, прямые 1, 2), то для одинакового смещения атомов (равной упругой деформации) при большем е потребуется большее напряжение (прямая 2). При сложных схемах напряженного состояния деформация может не совпадать по направлению с напряжением. Для изотропного тела закон Гука, устанавливающий линейную связь между напряжениями и деформациями в любых направлениях:

ex=1/E·[Sx-ν·(Sy+Sz)],

ey=1/E·[Sy-ν·(Sx+Sz)],

ez=1/E·[Sz-ν·(Sx+Sy)],

gxy=txy/G,

gxz=txz/G,

       gyz=tyz/G,

где ν – коэффициент Пуассона при одноосном растяжении (сжатии), характеризующий отношение поперечной относительной деформации к продольной.

Коэффициент Пуассона ν – четвертая важнейшая константа упругих свойств после модулей упругости. Эти четыре константы связаны между собой:

E=2·G·(1+ν);

E=3·K·(1-2·ν).

Зная две из них, можно рассчитать остальные.

Обобщенный закон Гука записывается относительно просто для изотропного тела. Металлы имеют кристаллическую структуру и являются телами анизотропными. Чем меньше расстояние между соседними атомами, тем больше в данном направлении должен быть модуль упругости. Для анизотропного тела закон Гука существенно усложняется: он отражает прямую пропорциональность между каждым компонентом тензора деформации и всеми шестью независимыми компонентами тензора напряжений.

Модули упругости являются важнейшими характеристиками прочности межатомной связи. Их величина зависит от всех факторов, определяющих силы межатомного взаимодействия. С повышением температуры модули упругости снижаются. При легировании металлов элементами, образующими твердые растворы, модули упругости меняются линейно, причем могут увеличиваться и уменьшаться.

Методы определения упругих свойств: резонансный, импульсный

Некоторые константы упругих свойств можно определить с помощью стандартных  статических испытаний. В частности, по результатам испытаний на растяжение оценивают Е, на кручение G. Чаще модули упругости измеряют с использованием специальных динамических методов, отличающихся более высокой точностью, а коэффициент Пуассона находят по результатам рентгеноструктурного анализа, определяя период решетки упруго-напряженного образца вдоль и поперек направления деформации.

Особенно хорошо разработаны динамические методы определения модуля сдвига G и модуля нормальной упругости Е. Все динамические методы базируются на том, что частота колебаний исследуемого образца (резонансные методы) или скорость звука в нем (импульсные методы) зависят от констант упругости.

При использовании резонансных методов образец в виде стержня возбуждается до одной из собственных частот продольными или поперечными волнами. Длина этих волн должна быть значительно больше радиуса образца.

Тогда в момент совпадения частоты вынуждающих колебаний с собственной частотой колебаний образца в нем возникает стоячая волна. Модуль Е связан с резонансной частотой ωрез соотношением (для достаточно длинного стержня)

,

где ρ – плотность материала образца;

     l – длина образца;

    Δ – коэффициент, определяемый как ;

     r – радиус образца;

     v – коэффициент Пуассона.

Возбуждение механических колебаний частотой 102…105 Гц в образцах может производиться различными способами. Частоту колебаний, в том числе и резонансную, можно определить с помощью осциллографа.

Для определения модуля сдвига G используется крутильный маятник. Частота его колебаний связана с модулем G:

,

где r – радиус образца;

     l – его длина;

     I – момент инерции груза.

Экспериментальное определение модуля сдвига проводят на тех же установках, что и определение внутреннего трения.

В импульсных методах определения констант упругости используют частоты порядка мегаГерц. Применение этих методов основано на зависимости скорости звука (υ) от констант упругости среды, в которой он распространяется:

,

.

Таким образом, определяя скорости распространения продольных и поперечных звуковых волн в образце, диаметр которого намного больше длины волны, можно найти модули упругости материала образца. Для подачи ультразвуковых импульсов используют ультразвуковые генераторы, а для изменения υпрод и υпопер – пьезокристалл кварца, связанный через усилители с электронным осциллографом.  

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Тема 2 Неполная упругость металлов. Эффект Баушингера.

Упругое последействие. Внутреннее трение (2 часа)

 План лекции

1. Упругие свойства.

2. Эффект Баушингера.

3. Упругое последействие.

4. Внутреннее трение.

5. Экспериментальные методы определения внутреннего трения.

6. Блок-схема крутильного маятника.

В области упругой деформации у металлов и сплавов наблюдается ряд отклонений от чисто упругого поведения.

Одним из известных проявлений неполной упругости металлов является эффект Баушингера. Он заключается в том, что при повторном нагружении пластически слабодеформированного образца в обратном направлении его сопротивление малым пластическим деформациям снижается. Допустим, мы растянули образец на 1…2 % (до точки а, рисунок 5). Теперь снимем нагрузку и будем подвергать его сжатию. Кривая напряжение – деформация (О'ес) будет лежать ниже соответствующей кривой (О'b), которую мы получили бы при повторном растяжении. Если точка b соответствует здесь началу пластической деформации, то отрезок bcБ представляет так называемую баушингеровскую деформацию, которая является одной из основных количественных характеристик эффекта Баушингера.

Процесс, определяющий этот  эффект, состоит в обратном движении дислокаций, порожденных различными источниками при первоначальном растяжении. На начальных стадиях деформации постепенно растущее число генерируемых дислокационных петель движется относительно легко и на значительные расстояния вплоть до остановки у каких-либо барьеров. Возникающая дислокационная структура достаточно стабильна и мало меняется в результате разгрузки. Поэтому при повторном растяжении сопротивление деформированию либо несколько возрастает, либо практически не меняется по сравнению с первоначальным. При изменении же знака напряжения дислокации вынуждены двигаться обратно по направлению к источникам. В результате перемещения дислокаций появляется дополнительная баушингеровская деформация.

После значительной предварительной пластической деформации перераспределение дислокаций при обратном нагружении затрудняется и баушингеровская деформация приближается к нулю.

Особенно большое практическое значение эффект Баушингера имеет при эксплуатации и испытаниях в условиях циклического нагружения.

К важным проявлениям неполной упругости металлов относится упругое последействие. Оно свидетельствует о том, что не вся обратимая деформация металла является чисто упругой. Возьмем образец и создадим в нем напряжение в пределах упругого участка кривой напряжение – деформация [1]. После разгрузки такой образец будет иметь те же размеры, что и до нагружения. Проследим, однако, как будет изменяться его удлинение во времени под действием приложенного напряжения и после разгрузки. Соответствующая диаграмма представлена на рисунке 6.

   

Рисунок 5 – Схема эффекта Баушингера

Оказывается, что образец деформируется чисто упруго лишь на величину ОС, а затем удлиняется гораздо медленнее по закону, близкому к параболическому. После разгрузки в точке К происходит очень быстрое снятие чисто упругой деформации (КМ≈ОС), а затем – относительно медленное – остальной деформации. В конце концов, δ=0 (в точке N), образец имеет исходные размеры, однако ясно, что далеко не вся обратимая деформация является чисто упругой.

Механизм упругого последействия может быть связан с перемещением точечных дефектов, например, в металлах с о.ц.к.-решеткой – атомов примесей внедрения. Под действием напряжения происходит постепенное перераспределение примесных атомов – они стремятся занять междоузлия на ребрах вдоль оси нагружения, где они вызывают наименьшие искажения решетки. В результате решетка и весь образец остаточно удлиняются вдоль направления действия нагрузки. Это происходит не мгновенно.

Скорость упругого последействия, а также величина зависят от структуры материала и условий его испытания. Например, повышение температуры резко увеличивает скорость последействия (в цинке – на 50% при повышении температуры на 150).  

Рисунок 6 – Схема упругого последействия

Неупругие эффекты служат причинами внутреннего трения, характеризующего необратимые потери энергии внутри металла. Линии диаграммы напряжение – деформация при нагрузке и разгрузке из-за неполной упругости металлов не совпадают (рисунок 7), а образуют петлю гистерезиса. Ее площадь и характеризует энергию, рассеянную за один цикл нагружения.

Знание величины внутреннего трения необходимо для грамотного выбора материала, работающего в определенных условиях. Например, демпфирующие материалы для амортизаторов должны обладать высоким внутренним трением. Наоборот, многие детали измерительных приборов не должны рассеивать упругую энергию, чтобы обеспечить малую инерционность и высокую точность измерений.

Для экспериментальной оценки величины внутреннего трения необходимо знать связь между напряжением и деформацией при нагружении и разгрузке (рисунок 7). На практике используют динамические методы  с периодическим изменением нагрузки, например, по синусоидальному закону. Такому измению нагрузки будет соответствовать и периодическое изменение деформации, но из-за явления неупругости деформации неизбежно будет отставать от напряжения по фазе на какой-то угол φ. Величина tgφ – одна из характеристик рассеяния энергии колебаний, т. е. внутреннего трения. Другую характеристику можно получить, оценив площадь петли. Эта площадь пропорциональна величине потерь ΔW энергии колебаний за один цикл. За меру внутреннего трения принимают величину ΔW/2πW, где W – полная энергия деформации.

Еще одна характеристика – логарифмический декремент затухания амплитуды колебаний γ. Он равен натуральному логарифму отношения предыдущего максимального отклонения колеблющегося образца к последующему.

tgφ≈γ/π≈ΔW/2πW=Q-1,

где Q-1 – широко используемое обозначение внутреннего трения.

         

Рисунок 7 – Образование петли гистерезиса в результате неупругих явлений

Из экспериментальных методов исследования внутреннего трения наиболее распространен метод крутильного маятника. В прямом крутильном маятнике образец в виде проволоки или ленты используется в качестве упругого подвеса, к нижнему концу которого крепится инерционная масса, снижающая частоту крутильных колебаний до 1 Гц. Это позволяет регистрировать колебания визуально, наблюдая за перемещением светового зайчика, отраженного от закрепленного на маятнике зеркала. Инерционная масса в прямом маятнике может вызвать заметные растягивающие напряжения в образце, что искажает результаты опытов. Тогда используют другую конструкцию – перевернутый крутильный маятник. Здесь нижний конец образца закрепляется неподвижно, а инерционная масса крепится к верхнему концу и поддерживается подвесом из материала с малым затуханием.

Экспериментальные установки для измерения внутреннего трения по схеме крутильного маятника – это сложные устройства. Блок-схема этих установок включает следующие основные элементы: 1) крутильный маятник; 2) систему механической коррекции; 3) демпфирующее устройство; 4) систему возбуждения и регистрации; 5) систему изменения момента инерции; 6) систему изменения и регулирования температуры; 7) вакуумную систему.

Рассмотренные константы упругих свойств и характеристики неупругости имеют важное значение, хотя бы потому, что в реальных условиях экплуатации большинство материалов в конструкциях работают в упругой области, не подвергаясь заметной пластической деформации. И все же большинство стандартных механических свойств характеризуют сопртивление пластической деформации или допустимую величину этой деформации. Упругие и неупругие свойства определяют в основном в металлофизических исследованиях, причем часто для того, чтобы разобраться в свойствах на стадии пластической деформации.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Жуковец Н.И. Механические свойства металлов. – М.: Высшая школа, 1986. – 312 с.

5. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

 

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2) [1], [2], [4], [12]

1. Приборы для определения упругих свойств. Принцип работы.

2. Упругие участки кривых напряжение – деформация.

3. Закон Гука для изотропных тел.

4. Внутреннее трение как метод исследования тонкой структуры металлов и сплавов.

5. Крутильный маятник.

6. Физический смысл логарифмического декремента затухания.

7. Механизм упругого последействия.

8. Резонансная установка для определения модуля нормальной упругости.

Раздел 4 Пластическая деформация

Тема 1 Механизмы пластической деформации (2 часа)

 План лекции

1. Пластическая деформация.

2. Механизмы пластической деформации.

3. Деформация скольжением.

4. Деформация двойникованием

5. Схема макроудлинения.

6. Влияние некоторых факторов на пластическую деформацию скольжением.

Механизмы пластической деформации.   

Роль дислокаций в механизме пластической деформации

Пластическая деформация является результатом необратимых коллективных смещений атомов. В кристаллах эти смещения происходят путем движения дислокаций, что является атомным механизмом пластической деформации. Движение дислокаций может вызывать макропластическую деформацию образца путем либо скольжения, либо двойникования. Конечным итогом такого движения является сдвиг отдельных частей кристалла относительно друг друга или сдвиг и поворот атомных рядов в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению сдвига.

В большинстве случаев металлы и сплавы деформируются путем скольжения. В элементарном виде механизм сдвига одной части кристалла относительно другой можно представить как результат пробега через него дислокации равной ширине кристалла (рисунок 8). Чем больше количество движущихся дислокаций и длиннее суммарный путь их перемещений, тем больше величина макропластической деформации.

                                                           

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

                   

                                                                     

а – краевая дислокация в кристалле; б – дислокация перемещена на одно межатомное расстояние в решетке; в – выход дислокации на поверхность и появление сдвига

Рисунок 8 – Схема сдвига верхней половины относительно нижней в результате пробега через него краевой дислокации

Величина относительного сдвига g равна:

g=ρ·b·l,

где ρ – плотность дислокаций;

     b – вектор Бюргерса;

     l – длина скольжения краевой дислокации.

 Вектор Бюргерса – мера искажений решетки, обусловленных присутствием дислокаций.

В реальных металлах и сплавах, как правило, еще до начала деформации имеется много дислокаций разных типов. Под действием приложенных напряжений начинают работать различные их источники, порождающие новые дислокации. Движущиеся дислокации выходят на поверхность образца, взаимодействуют внутри него друг с другом: вступают в реакции, тормозятся, аннигилируют, образуют сплетения. Пластическая деформация определяется структурой, составом материала и условиями его деформации. Пластическую деформацию экспериментально изучают двумя методами: 1) микроскопическим анализом полированной поверхности образцов, на которой в результате деформации появляются особые “линии” и “полосы скольжения” и 2) методом дифракционной электронной микроскопии тонких фольг, вырезанных из деформированных образцов.

Линии скольжения – это ступеньки, образующиеся на поверхности в результате выхода дислокаций. Когда, например, краевая дислокация выйдет на грань кристалла, то на поверхности этой грани образуется ступенька, равная по высоте h вектору Бюргерса дислокации. При этом длина ступени, т. е. линии скольжения, будет равна длине вышедшей на поверхность краевой дислокации (рисунок 9). Вышедшая одним концом на поверхность винтовая дислокация при своем движении также образует ступеньку, длина которой будет соответствовать длине пробега дислокации. Когда после скольжения в одной плоскости на поверхность выходит несколько дислокаций и высота ступеньки h достигает ~10 Å и более, их можно наблюдать  при электронном микроскопическом анализе реплик с предварительно отполированной поверхности деформированного образца. Реплика – тонкая, прозрачная для электронов пленка (например, угольная), наносимая на поверхность образца и очень точно копирующая ее рельеф. При просвечивании пучком электронов разные участки реплики, отличающиеся по толщине, дают разный контраст на изображении, благодаря чему можно наблюдать линии скольжения. После значительной деформации высота ступенек становится настолько большой, что их можно выявлять и под световым микроскопом.

Анализируя расположение линий скольжения, расстояние между ними, их высоту, можно составить не только качественное, но и количественное представление о величине пластической деформации. Зная кристаллографическую ориентировку анализируемой поверхности образца, по направлению линий скольжения определяют плоскости и направления скольжения. Перед деформацией с поверхности образца должна быть удалена окисная пленка, способная исказить картину распределения линий скольжения.

Метод дифракционной электронной микроскопии позволяет непосредственно наблюдать отдельные дислокации, определять их вектор Бюргерса и кристаллографию скольжения, оценивать характеристики дислокационной структуры на разных стадиях деформации.

Метод линий скольжения проще, особенно при использовании светового микроскопа. С его помощью изучают только структуру поверхности. С помощью этого метода было определено, что скольжение и сдвиги в кристаллах при низкотемпературной деформации идут вдоль определенных для каждого типа решетки кристаллографических плоскостей и направлений. Направление скольжения всегда лежит в своей плоскости скольжения. Их совокупность есть система скольжения. В металлах может действовать одна или несколько одновременно систем скольжения, однако все эти системы относятся обычно к одной – двум кристаллографическим ориентациям, характерным для каждого металла и определяемым типом его решетки.

Деформация двойникованием идет в тех случаях, когда скольжение по тем или иным причинам затруднено. Наиболее часто двойникование наблюдается при низких температурах и высоких скоростях деформации, особенно в металлах с г.ц.к.- и о.ц.к.-решетками. В чистых г.ц.к.-металлах деформация двойникованием происходит только при отрицательных температурах и высоких скоростях деформации.

                                                                      

                                                                

Рисунок 9 – Образование ступенек при выходе на поверхность краевых

дислокаций

Схема макроудлинения образца при растяжении показана на рисунке 10. Видно, что при двойниковании происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой вдоль определенной плоскости и направления двойникования. Плоскость двойникования – это обычно кристаллографическая плоскость с малыми индексами, которая является плоскостью симметрии двойникового образования относительно исходного кристалла.

Рисунок 10 – Схема пластической деформации двойникованием

При металлографическом исследовании в световом и электронном микроскопах каждый двойник деформации выявляется в виде двух параллельных полос (следов его пересечения с поверхностью излома, шлифа или фольги). Специфичным для двойников деформации является очень малая ширина полос, (особенно в о.ц.к. металлах – меньше 5 мкм) и характерные сужения на концах. В поликристалле двойники никогда не переходят их одного кристалла в другой. Обычно они заканчиваются внутри зерна, а если доходят до границы, то возникающие в месте этого стыка напряжения могут способствовать появлению двойника в соседнем зерне, где он будет иметь иную ориентацию. Граница двойника обладает относительно низкой энергией и высокой устойчивостью, сохраняясь даже после высокотемпературного отжига.

Вероятность образования двойников в том или ином металле с одним типом решетки тем больше, чем меньше энергия дефекта упаковки.

Напряжения, необходимые для роста двойников, чаще всего значительно выше требуемых для скольжения. Поэтому деформация только двойникованием наблюдается редко. Обычно она начинается путем скольжения, а затем, по достижению определенного уровня напряжений, если дальнейшее скольжение затруднено. Иногда наоборот, если кристалл неблагоприятно ориентирован для базисного скольжения, его деформация начинается с двойникования. При этом ориентировка плоскостей скольжения может измениться таким образом, что в дальнейшем будет идти деформация скольжением.

Двойникование обычно не приводит к значительной остаточной деформации. Поэтому металлы, деформирующиеся только путем двойникования, малопластичны (например, висмут, сурьма).

Рассмотрим влияние некоторых факторов на картину пластической деформации скольжением. Увеличение энергии дефекта упаковки затрудняет расщепление дислокаций, уменьшает ширину полосы дефекта упаковки между частичными дислокациями. Это облегчает поперечное скольжение винтовых дислокаций. Чем больше энергия дефекта упаковки, тем раньше начнется интенсивное поперечное скольжение, дислокации легче обходят различные барьеры.

В результате пластическое течение осуществляется в основном в условиях интенсивно развитого поперечного скольжения. Высокую энергию дефекта упаковки имеет Al (г.ц.к.-решетка) и многие металлы с о.ц.к.-решеткой. Низкую – с г.ц.к.-решеткой (Cu, Ag, Au) (таблица 3).

Таблица 3 – Величина энергии упаковки γ чистых металлов

Тип кристаллической решетки

Металл

γ, эрг/см2

1 эрг/см2=

=1 МДж/м2

Тип кристаллической решетки

Металл

γ, эрг/см2

1 эрг/см2=

=1 МДж/м2

Г. ц. к.

Ag

Au

Pb

Cu

Pt

Ni

Al

10…40

20…60

20…50

30…150

95…120

150…450

250

Г. п. у.

Zn

Mg

Re

30…150

170…250

180

О. ц. к.

V

Ta

α-Fe

Cr

Mo

W

100

110

140

>300

>300

>300

Помимо структуры металла (тип металла, ширина полосы дефекта, моно- или поликристалл) на картине пластической деформации сильно сказываются условия, в которых проводится деформация.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир, 1972. – 408 с.

5. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [9]

1. Низкотемпературная пластическая деформация металлов скольжением.

2. Метод линий скольжения.

3. Метод дифракционной электронной микроскопии.

4. Стадии скольжения в монокристалле.

5. Влияние энергии дефекта упаковки на пластическую деформацию металлов скольжением.

6. Влияние схемы напряженного состояния на пластическую деформацию металлов скольжением.

7. Влияние температуры испытания на пластическую деформацию металлов скольжением.

8. Влияние скорости деформации на пластическую деформацию металлов скольжением.

9. Пластическая деформация металлов двойникованием.

10. Пластическая деформация твердых растворов и двухфазных сплавов.

Раздел 5 Деформационное упрочнение материалов

Тема 1 Деформационное упрочнение. Влияние различных факторов на структуру и свойства деформированных металлов (2 часа)

 План лекции

1. Деформационное упрочнение металлов.

2. Коэффициент деформационного упрочнения.

3. Условия деформационного упрочнения.

4. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.

5. Причины расхождение кривых S–е при разных температурах.

6. Влияние легирования и примесей на вид кривых напряжения.

7. Сверхпластичность.

Деформационное упрочнение металлов

Для непрерывного продолжения деформации образца требуется постоянное увеличение действующих на него напряжений. Это явление называется деформационным упрочнением. После предварительной холодной деформации прочностные характеристики материала повышаются (наклёп). Деформационное упрочнение обусловлено торможением дислокаций. Чем труднее перемещаться дислокациям в материале, тем больше коэффициент (модуль) деформационного упрочнения – производная напряжения по деформации. Для строго анализа закономерностей деформационного упрочнения необходимо пользоваться кривыми в координатах истинное напряжение (S или t) – деформация (e или g). Поскольку пластическая деформация скольжением в металлах осуществляется за счёт движения дислокаций в определённых плоскостях под действием касательных напряжений, более правильно строить кривые  t g. Приведённое напряжение сдвига:

tп=S·cosθ·cosγ,

где θ – угол между нормалью к плоскости скольжения и осью растяжения;

     γ – угол между направлением скольжения и осью растяжения.

Когда ось растяжения перпендикулярна плоскости скольжения (γ=900) или параллельна ей (θ=900), то tп=0. tmax получается, если θ=γ=450.

Приведённая деформация сдвига определяется по формуле:

gп=(cosθ0)-1{[(lк/l0)2-sin2γ0]1/2-cosγ0},

где θ0 и γ0 – величина θ и γ в начальный момент деформации;

      lк и l0 – начальная и конечная (в любой момент испытания) расчётная длина образца. 

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного     металла

Основные эффекты этого влияния в области температур до начала интенсивного термического возврата показаны на примере трехстадийной кривой растяжения монокристаллов никеля – рисунок 11. Видно, что нагрев при испытании в низкотемпературной области приводит к снижению уровня напряжений течения, сокращению первых двух стадий упрочнения и расширению третьей, уменьшению коэффициента деформационного упрочнения на этой третьей стадии.

Наиболее важным результатом повышения температуры для поликристаллов является снижение коэффициента упрочнения на 3 стадии из-за облегчения поперечного скольжения (на 1 и 2 стадиях dt/dg) также снижается из-за уменьшения модуля сдвига, но эффект очень невелик. Это приводит к тому, что кривые растяжения поликристаллов при разных температурах могут заметно различаться по степени деформационного упрочнения и уровню напряжений течения (рисунок 11).

Чем легче идет поперечное скольжение при самых низких температурах, тем меньше влияние нагрева на dS/de. Например, повышение температуры испытания о.ц.к. металлов с высокой энергией дефекта упаковки слабо сказывается на коэффициенте упрочнения, кривые здесь отличаются в основном уровнем напряжений.

В общем случае расхождение кривых S–е при разных температурах, (например, на рисунке 12, а), обусловлено двумя разными причинами: 1) различием субструктур, возникающих при разных температурных испытаниях и  2) зависимостью напряжения течения (при одинаковой субструктуре) от температуры. Предположим, что действует только вторая причина. Тогда, если после прекращения деформации при Т2 в точке В мгновенно снизить температуру до Т1, то напряжение течения скачком повысится до значения D и при дальнейшей деформации кривая пойдет так же, как будто мы с самого начала растягивали образец при Т1.

Рисунок 11 – Кривые деформационного упрочнения

монокристаллов никеля при разных температурах

Предположим теперь, что расхождение кривых на рисунке 12, а связано только с разницей в субструктурах. В этом случае после снижения температуры от Т2 до Т1 в точке В изменится только наклон кривой: дальнейшему растяжению при Т1 соответствует пунктир ВК, причем кривая ВК не параллельна кривой ОDЕ, так как “исходные” субструктуры в точках В и D разные.

Ясно, что при действии обеих рассматриваемых причин мы будем иметь какой-то промежуточный вариант (СL на рисунке 12, а). Относительный вклад каждой из причин количественно оценивается отношением , которое можно определить экспериментально. Чем ближе это отношение к единице, тем более значительно влияние температурной зависимости напряжения течения.

Однако эксперименты показывают, что для чистых металлов температурная зависимость сопротивления деформации незначительна, и главной причиной влияния температуры на напряжение течения и коэффициент упрочнения является разница в субструктурах, формирующихся при разных температурах испытания. У алюминия и меди, в частности, отношение   близко к единице (1,1…1,4), а .

При этом для г.ц.к.- и г.п.у.-металлов действует установленная Коттреллом и Стоксом закономерность

=const,

где ΔS – изменение напряжения течения, вызванное мгновенным изменением температуры в процессе деформации (с постоянной скоростью), равное Sc - SB;

      S – начальное (SB) или конечное (SC) напряжение.

 

а – снижение температуры; б – повышение температуры

Рисунок 12 – Влияние изменения температуры испытания на кривые деформационного упрочнения

Влияние легирования и примесей на вид кривых напряжения

Знание этих особенностей пластической деформации твердых растворов и гетерофазных сплавов позволяет предсказать и объяснить основные эффекты воздействия легирования на деформационное упрочнение.

Примеси в технических металлах и малые количества легирующих элементов, входящих в твердый раствор, оказывают влияние на вид кривых растяжения в основном через образование примесных атмосфер на дислокациях. Влияние это проявляется, как правило, на начальных этапах пластической деформации.

Отличия деформационного упрочнения концентрированных твердых растворов от чистых металлов наиболее полно можно выявить, сопоставив соответствующие кривые монокристаллов, благоприятно ориентированных для одиночного скольжения. На рисунке 13 такое сопоставление сделано на примере никеля и его сплавов – твердых растворов с кобальтом. В целом характер кривых остается аналогичным, что свидетельствует об идентичности процессов, определяющих упрочнение чистых металлов и твердых растворов. В то же время видно, что растворение легирующего элемента вызывает прогрессирующее: а) повышение критического напряжения сдвига; б) удлинение стадии легкого скольжения; в) повышение напряжений перехода ко 2 и особенно к 3 стадиям; г) увеличение коэффициента деформационного упрочнения на 3 стадии. Рост критического напряжения сдвига обусловлен увеличением сил трения при движении дислокаций в решетке с наличием инородных атомов. Увеличение протяженности первой стадии при легировании – результат затруднения начала скольжения в новых плоскостях: если критическое напряжение сдвига возрастает, то концентрация напряжений у скоплений дислокаций в твердом растворе, необходимая для инициирования скольжения в новых плоскостях, тоже растет и, следовательно, легкое скольжение может продолжаться до больших деформаций.

Рисунок 13 – Кривые деформационного упрочнения никеля

и твердых растворов кобальта в никеле при 295 К

Особенно важным является повышение напряжения перехода к третьей стадии и увеличение здесь коэффициента упрочнения. Это связано с затруднением в результате легирования поперечного скольжения дислокаций (из-за увеличения сил трения), упорядочения и, очень часто, уменьшения энергии дефекта упаковки. В результате коэффициент деформационного упрочнения и уровень напряжений течения поликристаллических сплавов – твердых растворов оказываются более высокими, чем чистого металла.

Количественно разница в деформационном упрочнении чистого металла и твердого раствора колеблется в широких пределах и определяется типом решетки и различием таких параметров, как энергия дефекта упаковки, размерное и электрохимическое несоответствие атомов растворителя и добавки (оно определяет степень искажения решетки и прирост силы трения при легировании), степень порядка и др.

Например, при комнатной температуре коэффициент упрочнения г.ц.к. поликристаллов Ni3Fe, Cu3Аu и Au3Cu с упорядоченной структурой примерно в два раза больше, чем в отсутствие дальнего порядка. В то же время упорядочение сплавов с о.ц.к.- и г.п.у.- решетками весьма слабо сказывается на деформационном упрочнении. Ясно, что увеличение разницы в энергиях дефекта упаковки сплава и исходного металла, а также степени атомного несоответствия легирующего элемента и основы при прочих равных условиях усиливает различия в деформационном упрочнении. Чем ниже температура испытания, тем более значительны эти различия твердых растворов и чистых металлов. Однако если они обусловлены упорядочением, то влияние температуры становится неоднозначным: пока с повышением температуры степень порядка растет, разница в деформационном упрочнении увеличивается, и наоборот.

Легирующие элементы, вызывающие образование избыточных фаз, усиливает деформационное упрочнение с самого начала пластического течения. При наличии достаточно большого количества дисперсных выделений стадия легкого скольжения может быть полностью подавлена, и кривая упрочнения монокристалла оказывается по виду такой же, как у поликристалла.

По мере деформации таких сплавов степень упрочнения может даже на начальных этапах возрастать за счет образования дислокационных петель между частицами и соответствующего уменьшения “эффективного” расстояния между ними. Частицы второй фазы затрудняют как консервативное скольжение дислокаций, так и неконсервативное их движение – поперечное скольжение и переползание. Поэтому они способствуют увеличению коэффициента упрочнения и росту напряжений течения на всех стадиях деформации и практически при всех температурах (хотя, конечно, с повышением температуры их упрочняющее действие ослабляется).

Как известно, в процессе пластической деформации резко увеличивается концентрация точечных дефектов, в первую очередь, вакансий. Это приводит к ускорению диффузионных процессов при испытании. В технических сплавах ускорение диффузии в процессе испытания проявляется особенно часто и имеет важное значение. Это относится в первую очередь к тем сплавам, в которых возможны диффузионные фазовые превращения. Последние, особенно при повышенных температурах испытания, могут вызывать различные аномалии в ходе кривых упрочнения. Например, в стареющих сплавах повышение температуры в определенном диапазоне может вызывать не снижение, а повышение уровня напряжений течения и коэффициента деформационного упрочнения однофазного до испытания материала.

В металлах и сплавах с высокодисперсной структурой одновременное воздействие напряжений и повышенных температур вызывает уже упоминавшийся эффект сверхпластичности. Типичный пример – монотектоидный сплав цинка с 22 % Аl, на котором было открыто А.А. Бочваром и З.А. Свидерской явление сверхпластичности цинкалюминиевых сплавов.

При температурах 473…543 К и определенном интервале скоростей растяжения образцы этого сплава проявляют все признаки сверхпластической деформации. Помимо большого удлинения (102…103 %) для такой деформации характерны очень низкие напряжения течения, плавно снижающиеся на большей части кривой растяжения. Такое аномальное разупрочнение обусловлено существенным снижением скорости деформации в процессе испытания с постоянной скоростью деформирования (чем больше длина образца, тем меньшему относительному удлинению соответствует то же абсолютное удлинение и меньше скорость деформации). В результате замедления деформации полнее успевают проходить термически активируемые процессы в приграничных зонах, легче идет межзеренная деформация и напряжение течения снижается.      

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [9]

1. Деформационное упрочнение.

2. Сверхпластичность. Материалы. Условия сверхпластичнности.

3. Влияние температуры на свойства деформированного металла.

4. Влияние легирования на свойства деформированного металла.

5. Влияние примесей на свойства деформированного металла.

Раздел 6 Механические свойства, определяемые при статических испытаниях

Тема 1 Испытания на растяжение и характерные точки диаграммы растяжения (2 часа)

 План лекции

1. Испытания на одноосное растяжение.

2. Прочностные свойства.

3. Стандартные образцы для испытаний на растяжение.

4. Разновидности первичных диаграмм растяжения.

5. Предел пропорциональности.

6. Предел текучести.

7. Предел прочности.

Испытания на растяжение и характерные точки диаграммы растяжения

В большинстве случаев металлические материалы в конструкциях работают под статическими нагрузками. Поэтому статические испытания широко распространены и проводятся с использованием разных схем напряженного состояния в образце. К основным разновидностям статических испытаний относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Испытания на одноосное растяжение – наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических металлов. Методы испытания на растяжение стандартизированы. Помимо основной рабочей части большинство образцов (рисунок 17) имеет головки различной конфигурации для крепления в захватах.

Механические свойства при растяжении могут быть разделены на две группы – прочностные и пластические. Прочностные свойства – это характеристики сопротивления материала образца деформации или разрушению. Большинство стандартных прочностных характеристик рассчитывают по положению определенных точек на диаграмме растяжения, в виде условных растягивающих напряжений. На практике механические свойства определяют по первичным кривым растяжения в координатах нагрузка – абсолютное удлинение, которые автоматически записываются на диаграммной ленте испытательной машины. Для поликристаллов различных металлов все многообразие этих кривых можно свести к трем типам (рисунок 18).

 

     

Рисунок 17 – Стандартный образец для испытаний на растяжение

В зависимости от типа диаграммы меняется набор характеристик, которые по ней можно рассчитать, а также их физический смысл. На рисунке 19 (диаграмма третьего типа) нанесены характерные точки, по ординатам которых рассчитывают прочностные характеристики (σii/F0). Как видно, на диаграммах других двух типов могут быть нанесены не все эти точки.

а) хрупкое разрушение; б) разрушение после равномерной деформации;

в) разрушение после образования шейки

Рисунок 18 – Разновидности первичных диаграмм растяжения

Усилие Рпц определяет величину предела пропорциональности σпц – напряжения, которое материал образца выдерживает без отклонения от закона Гука (σпцпц/F0).

Усилие Рупр определяет величину условного предела упругости σупр – напряжения, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,05%. Иногда меньше – до 0,005%. Это напряжение, при котором появляются первые признаки микропластической деформации (σупрупр/F0).

Усилие РТ определяет величину физического предела текучести σТ – напряжения, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины, обычно 0,2%. Иногда 0,1%; 0,3% и больше. Это напряжение, при котором образец деформируется под действием практически неизменной растягивающей нагрузки (σТТ/F0). Физический предел часто называют нижним в отличие от верхнего предела текучести, рассчитываемого по нагрузке, соответствующего вершине зуба текучести u на рисунке 19.

Рисунок 19 – Характерные точки на диаграмме растяжения,

по которым рассчитывают прочностные характеристики

Усилие Рв определяет величину предела прочности σв – условного напряжения, характеризующего сопротивление максимальной равномерной деформации (σвв/F0).

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Тема 2 Испытания на сжатие (2 часа)

 План лекции

1. Относительное укорочение и относительное уширение.

2. Схема испытания на сжатие.

3. Геометрия образцов при испытаниях на сжатие.

4. Способы уменьшения силы трения на опорных поверхностях образца.

5. Схемы разрушения при испытаниях на сжатие.

6. Методика определения прочностных свойств по диаграмме сжатия.

7. Истинное напряжение сжатия.

Испытания на сжатие. Схемы разрушения при сжатии

Схема одноосного сжатия характеризуется большим коэффициентом мягкости (α=2). Поэтому испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие материалы. В целом испытания на сжатие распространены гораздо меньше, чем на растяжение.

 Одноосное сжатие можно рассматривать как растяжение с обратным знаком. В результате пластической деформации образец укорачивается и уширяется. Следовательно, можно определять относительное укорочение:

ε=100%·(h0-hk)/h0

и относительное уширение:

φ=100%·(Fk-F0)/F0,

где h0 и hk – начальная и конечная высота образца;

     F0 и Fк – начальная и конечная площади поперечного сечения.

Схема испытания на сжатие и геометрия используемых образцов показаны на рисунке 20. Испытания на сжатие проводят на тех же машинах, на которых ведутся испытания на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и сжимают подвижным захватом. Для устранения перекоса образца усилие сжатия следует передавать на него с помощью какого-либо направляющего приспособления, например, шарового вкладыша в верхнем захвате.

По мере сжатия на торцевых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусам к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерную бочкообразную форму, а схема напряженного состояния усложняется и становится различной в разных точках образца. В точках 1 и 2 возникает схема объемного сжатия, а в точке 3 – разноименное плоское напряженное состояние. Неоднородность напряженного состояния учесть крайне трудно и на практике ее игнорируют. Поэтому стараются уменьшить силы трения на опорных поверхностях образца. Для этого вводят смазки (вазелин, солидол); прокладки – (тефлон) – между торцовыми поверхностями образца и опорными плитами. Используют образцы с коническими поверхностями на торцах. При этом угол конусности α подбирают так, чтобы tgα был равен коэффициенту трения. Помимо конусности, в образце делают отверстие, устраняющее концентрацию напряжений у острия конуса.

Но полностью устранить контактные силы трения не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие. Оптимальная для цилиндрических образцов величина отношения h0/d0 лежит в пределах 1…3.

Характер разрушения сжимаемых образцов зависит от величины контактных сил трения. Если они велики, то наблюдается разрушение путем среза (рисунок 21, а). Если они незначительны, то фиксируется разрушение отрывом (рисунок 21, б).

а – схема; б, в, г – виды образцов

Рисунок 20 – Схема испытания на сжатие и формы испытания образцов

                                       а                                                   б

а – срез; б – отрыв

Рисунок 21 – Схемы разрушения при испытаниях на сжатие

По диаграмме сжатия определяют условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности. Методика определения прочностных свойств по диаграмме сжатия аналогична методике для растяжения.

ε=φ/1+φ.

Отсюда, учитывая правило постоянства объема образца в процессе пластической деформации, можно перестроить первичную диаграмму сжатия.

V= F0h0=Fh=const,

F=F0h0/h=F0/1-ε.

здесь F – площадь поперечного сечения образца.

 

F/F0=1/1-ε,

φ= F-F0/F0= (F/F0)-1=(1/1-ε)-1=ε/1-ε,

Отсюда видно, что при сжатии, в противоположность растяжению, S<σ, так как F>F0. Диаграммы истинных напряжений обычно строят в координатах S (рисунок 22, кривая 1), хотя в качестве меры деформации можно использовать истинное относительное сжатие:

есж=ln(h0/h).

             

1 – истинные напряжения; 2 – условные напряжения

Рисунок 22 – Диаграмма напряжений при сжатии

На рисунке 22 нанесена и кривая условных напряжений (кривая 2), которая при сжатии всегда имеет вид, качественно аналогичный диаграмме истинных напряжений, поскольку на первичной диаграмме нет максимума и участка снижения нагрузки.

Истинное напряжение сжатия:

S=P/F=P(1-ε)/F0=σ·(1-ε)=σ·(1/1+ψ).

 Важной особенностью при сжатии является увеличение площади сечения образца в процессе испытания. Это увеличивает скорость прироста нагрузки на первичных диаграммах сжатия.

Величина прочностных характеристик при сжатии, особенно предела прочности, значительно выше, чем при растяжении. Схемы сжатия используют в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Тема 3 Испытания на изгиб и кручение (2 часа)

 План лекции

1. Схемы нагружения образца при испытаниях на изгиб.

2. Неоднородное напряженное состояние в изгибаемом образце.

3. Образцы для испытаний на изгиб.

4. Диаграмма изгиба.

5. Графические методы определения прочностных свойств по диаграмме изгиба.

6. Испытания на кручения.

7. Диаграмма кручения.

Испытания на изгиб. Диаграмма изгиба.

Применение испытаний на изгиб обусловлено широкой распространенностью этой схемы нагружения в реальных условиях эксплуатации и большей ее мягкости по сравнению с растяжением, что дает возможность оценивать свойства материалов, хрупко разрушающихся при растяжении. Испытания на изгиб удобны для оценки температур перехода из хрупкого состояния в пластическое (например, у хладноломких о.ц.к.-металлов и интерметаллидов).

При испытаниях на изгиб применяют две схемы нагружения образца, лежащего на неподвижных опорах: 1) нагрузка прикладывается сосредоточенной силой на середине расстояния между опорами и 2) нагрузка прикладывается в двух точках на одинаковом расстоянии от опор. Первая схема нашла большее распространение из-за простоты. Следует учитывать, что вторая схема во многих случаях обеспечивает более надежные результаты, поскольку здесь максимальный изгибающий момент возникает на определенном участке длины образца, а не в одном сечении как при использовании первой схемы.

В изгибаемом образце создается неоднородное напряженное состояние. Нижняя часть образца оказывается растянутой, верхняя – сжатой. Напряжения, связанные  с величиной изгибающего момента, различны по длине и сечению образца.

Образцы для испытаний на изгиб не имеют головок. Для изгиба используют прямоугольные или цилиндрические стержни. Для оценки характеристик конструктивной прочности рекомендуется применять образцы большого сечения – 30×30 мм.

 Испытания на изгиб можно проводить на любой испытательной машине, используемой для испытаний на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и деформируют изгибающим ножом, который крепят в верхнем захвате машины. Изгиб достигается путем опускания верхнего или подъема нижнего захвата. При этом может быть записана диаграмма изгиба в координатах нагрузка Р – стрела прогиба f. Для пластичного материала диаграмма изгиба выглядит, как на рисунке 23. Если материал хрупкий, то кривая обрывается в точке b.

           

 

Рисунок 23 –  Диаграмма изгиба

Знание величины нагрузок Рпц, Рупр, Рт, Рв позволяет определять пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности при изгибе. Напряжения на стадии упругой деформации обычно рассчитывают по обычным формулам сопротивления материалов.

Условное нормальное напряжение в крайнем растянутом волокне

σ=M/W,

где М – изгибающий момент. В случае нагружения сосредоточенной силой:

М=Рl/4;

W – момент сопротивления сечения. Для прямоугольного образца.

W=bh2/6,

а для цилиндрического

Wd3/32.

Рабочей  формулой для расчета упругих напряжений при изгибе образцов прямоугольного сечения является

σ=3·Р·l/2·b·h2,

а для цилиндрических образцов

σ=8·P·l/π·d3.

Эти формулы часто используют для расчета всех прочностных характеристик при изгибе. Но достаточно точные результаты получают только при определении пределов упругости и пропорциональности.

Графические методы определения прочностных свойств по диаграмме изгиба аналогичны применяемым при растяжении. Допуски и величину деформации при определении предела пропорциональности σпц, предела упругости σ0,05, предела текучести σ0,2 задаются по величине стрелы прогиба, которая связана с относительным удлинением крайнего растянутого волокна в изогнутом образце. Для прямоугольного стержня:

f=l2·δ/6·h.

Отсюда, при определении условного предела текучести допуск на остаточный прогиб f0,2, соответствующий удлинению крайнего волокна на 0,2% будет

f0,2=0,002·l2/b·h.

При испытаниях на изгиб достаточно пластичные материалы не разрушаются. Образец при этом загибается вплоть до параллельности его частей, расположенных по обе стороны от его ножа (рисунок 24, в). Материалы, которые разрушаются при изгибе, могут предварительно деформироваться на разную величину. Разрушение может произойти в любой точке диаграммы изгиба (рисунок 23). У пластически деформирующихся образцов точка максимума b на диаграмме часто совпадает с появлением первой трещины. Иногда образование трещин сопровождается резкими спадами нагрузки на правой ветви диаграммы изгиба (штрихпунктир на рисунке 23).

В качестве характеристики пластичности при изгибе помимо f часто используют угол загиба  β дополнительным до 1800 к углу изгиба α (рисунок 24). Угол β возрастает по мере повышения деформационной способности материала, а угол α уменьшается.

В заводских условиях применяют технологические пробы, задача которых – оценить пластичность деформированных полуфабрикатов, отливок и изделий (листов, труб, проволоки). Критерием годности продукции может быть заданный угол загиба образцов β (рисунок 24, б); появление первой трещины после загиба на угол β, равный или больше заданного; возможность загиба пластины до параллельности (рисунок 24, в) или соприкосновения сторон (рисунок 24, г).

Существуют также пробы на перегиб листа, ленты и проволоки, в которых фиксируют заданное число перегибов либо количество перегибов, после которых появились трещины, либо образец разрушился.

а – образец перед испытанием, б – загиб до определенного угла,

в – загиб до параллельности сторон, г – загиб до соприкосновения сторон

Рисунок 24 – Технологическая проба на изгиб

Испытания на кручение. Диаграмма кручения

Кручение осуществляют двумя равными по величине и противоположно направленными крутящими моментами, которые прикладываются к концам образца в плоскостях, нормальных к его продольной оси. В рабочей части образца возникает разноименное плоское напряженное состояние с коэффициентом мягкости α=0,8 (большее, чем при растяжении). При испытании на кручение до разрушения можно довести любой материал.

Максимальные касательные напряжения при кручении действуют в плоскостях, перпендикулярных оси образца. Наибольшие нормальные напряжения действуют под углом 450, причем Smax=tmax. Важным следствием неизменности напряженного состояния является постоянство рабочей длины и поперечного сечения образца во время испытания.

Методика испытаний образцов из любых материалов диаметром не менее 5 мм стандартизирована. Образцы должны иметь цилиндрическую рабочую часть и квадратные головки. Образец  с диметром рабочей части 10 мм и длиной 50 или 100 мм принят за нормальный. Допускается использование геометрически подобных нормальному образцов, а также трубчатых.

Испытания на кручение проводятся на специальных машинах, которые должны обеспечивать надежную центровку образца, плавность нагружения и отсутствие изгибающих усилий, возможность достаточно точного задания и измерения величины крутящего момента. Используются машины с горизонтальным и вертикальным расположением образца. Максимальный крутящий момент меняется от 6 до 200000 кгс·м. Основные узлы этих машин – станина, привод, от которого вращается активный захват, силоизмеритель, диаграммный механизм, счетчик оборотов и угломер для определения угла закручивания образца.

В качестве меры деформации в процессе испытания фиксируется угол закручивания φ. Для точного измерения этого угла используют зеркальный прибор Мартенса или другой тензометр с большой точностью. Два зеркала крепятся на границах расчетной длины образца. Напротив каждого из зеркал устанавливают шкалы и зрительные трубы, с помощью которых фиксируют отраженные в зеркалах показания шкалы.

В процессе испытания каждый захват машины поворачивается на определенный угол (больший у активного захвата). Угол закручивания образца равен разности этих углов. Однако он включает паразитные деформации зажимов и головок образца. Для их исключения угол закручивания определяют по расчетной длине l0, помещая зеркала на некотором расстоянии от головок:

φ=φ12.

 В области малых углов

tg2φ1≈2φ1=a1-a2/L,

 

tg2φ2≈2φ2=b1-b2/L,

где a1, a2 – отсчеты по шкалам после закручивания; b1-b2 – начальные отсчеты.

Тогда угол закручивания

φ=φ12= (a1-a2)-( b1-b2)/2·L=Δ/2·L.

Зная значения крутящего момента и угла закручивания, можно построить диаграмму кручения в координатах Мкр. Эта диаграмма состоит из участка упругой (Op) и пластической деформации (рк). Из-за отсутствия значительного местного сужения ниспадающего участка на диаграмме кручения не бывает. Условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности, а также истинный предел прочности выражаются через касательные напряжения.

Истинный предел прочности определяют по формуле, учитывающей поправку на пластическую деформацию:

,

где Мкр – наибольший крутящий момент, предшествующий разрушению образца;

θ – удельный угол закручивания перед разрушением (в радианах на 1 мм):

θ=φ12/l0.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2, 3) [1], [2], [4], [5], [12]

1. Машины для испытаний на растяжение. Схемы испытательных машин.

2. Силоизмерители в машинах для испытаний на растяжение.

3. Схемы испытаний на растяжение при повышенных и отрицательных температурах.

4. Деформационное упрочнение металлических монокристаллов.

5. Деформационное упрочнение поликристаллов.

6. Влияние различных факторов на деформационное упрочнение.

7. Испытания на двухосное растяжение методом выдавливания.

8. Твердорастворное упрочнение.

9. Влияние выделений избыточных фаз.

10. Меры борьбы с трением на опорных поверхностях образцов при испытаниях на сжатие.

11. Схемы напряженного состояния в образце при испытаниях на изгиб.

12. Графические методы определения прочностных свойств по диаграмме изгиба.

13. Машины для испытаний на изгиб.

14. Характеристики пластичности при изгибе.

15. Особенности испытаний на кручение.

16. Машины для испытаний на кручение.

17. Характеристик диаграммы кручения.

18. Определение условных пределов пропорциональности, текучести, упругости и прочности.

Раздел 7 Механические свойства, определяемые при динамических испытаниях

Тема 1 Ударная вязкость (2 часа)

 План лекции

1. Основные образцы при динамических испытаниях.

2. Схема ударного изгиба на маятниковом копре.

3. Величина работы деформации и разрушения.

4. Ударная вязкость.

5. Способы повышения точности результатов динамических испытаний.

6. Схемы объемного растяжения.

Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом

При динамических испытаниях закон подобия не действует. Здесь необходима жесткая унификация образцов. Основным образцом служит стержень с квадратным сечением 10×10 мм и длиной 55 мм (рисунок 14). Надрез наносится по середине длины. Он имеет ширину и глубину 2 мм и радиус закругления 1 мм. Возможно применение образцов той же длины и сечения, но с более глубокими надрезами (до 5 мм). Расстояние между опорами должно быть 40 мм. Изгибающий нож имеет сечение в виде треугольника с углом при вершине 300 и радиусом закругления 2,5 мм.

                  

  Рисунок 14 – Схема ударного изгиба на маятниковом копре

Испытания на изгиб проводятся на маятниковых копрах с предельной энергией, превышающей 900 Дж. При испытании образец кладут горизонтально в специальный шаблон, обеспечивающий установку надреза строго в середине пролета между опорами. Удар наносят со стороны, противоположной надрезу, в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца. Маятник копра закрепляется в исходном верхнем положении на высоте от 0,8 до 2,5 м, что соответствует скорости ножа маятника в момент удара от 4 до 7 м/с. По шкале фиксируется угол подъема маятника α. Затем крепящую защелку вынимают, маятник свободно падает под собственной тяжестью, наносит удар по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь относительно вертикальной оси копра на угол β. Этот угол тем меньше, чем большая работа Ан затрачена маятником на деформацию и разрушение образца.

Величина работы деформации и разрушения определяется разностью потенциальных энергий маятника в начальный (после подъема на угол α) и конечный момент испытания (после взлета на угол β):

Ан=Р(Н-h),

где Р – вес маятника;

     H и h – высоты подъема и взлета маятника.

Если длина маятника L, то

h=L(1-cosβ),

H=L(1-cosα),

и, следовательно,

АнL(cosβ-cosα).

Последняя формула служит для расчета работы Ан по измеренным углам α и β (Р и L постоянны для данного копра). Шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника α фиксирован.

Часть энергии удара затрачивается на сотрясение копра и фундамента, преодоление сопротивления воздуха, на трение в подшипниках, на упругую деформацию штанги маятника и др. В результате получаемые значения Ан оказываются завышенными на несколько процентов. Точность определения работы излома тем выше, чем меньше превышение запаса работы маятника над работой деформации и разрушения образца. Поэтому нужно стремиться, чтобы угол β после разрушения образца был небольшим.

Основная характеристика, получаемая в результате рассматриваемых испытаний – ударная вязкость:

анн/F,

где F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания.

Стандартная размерность ударной вязкости кгс×м/см2 (1 кгс·м/см2~100 МДж/м2).

Ударные испытания можно проводить при отрицательных и повышенных температурах.

В массовых динамических испытаниях на изгиб образцов с надрезом ударная вязкость – единственная выходная характеристика испытания. Диаграмма деформации обычно не записывается, так как это сопряжено со значительными экспериментальными трудностями. Общее время испытания измеряется долями секунды, поэтому для фиксации зависимости нагрузки от деформации требуются малоинерционные чувствительные датчики быстродействующий прибор для записи диаграмм. Обычно используют пьезокварцевые динамометры и шлейфовые осциллографы.

При ударных испытаниях на изгиб образцов с надрезом напряжения и пластическая деформация концентрируются в ограниченной части объема образца вокруг надреза. Именно здесь поглощается практически вся работа удара. Повышение ударной вязкости материала часто сопровождается увеличением деформируемого объема в области надреза.

Возникновение схемы объемного растяжения, концентрация напряжений у надреза и рост предела текучести в результате ускорения деформации создают благоприятные условия для хрупкого разрушения.

При расчете ударной вязкости полную работу деформации разрушения относят к площади поперечного сечения F в надрезе. При испытании стандартных образцов величина F постоянна и, следовательно, ударная вязкость прямо пропорциональна полной работе Ан. Поскольку в разных материалах или при различных температурах  испытания пластически деформируются разные объемы, то при одинаковых значениях Ан получаются разные величины удельной работы (в расчете на единицу объема). Ударная вязкость же в этом случае оказывается одинаковой. Таким образом, характеристика ударной вязкости ан является условной и это необходимо учитывать при сопоставлении разных материалов.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Эпштейн Г.Н., Кайбышев О.А. Высокоскоростная деформация и структура металлов. М.: Металлургия, 1971. – 200 с.

5 Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [12]

1. Особенности пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении.

2. Структура метла при динамическом нагружении.

3. Динамические испытания на растяжение.

4. Динамические испытания на сжатие.

5. Динамические испытания на кручение.

6. Динамические испытания при сверхвысоких скоростях.

7. Динамическое кручение.

Раздел 8 Механические свойства, определяемые при циклических испытаниях

Тема 1 Циклические испытания (2 часа)

 План лекции

1. Усталость и выносливость.

2. Усталостная трещина.

3. Задача усталостных испытаний.

4. Современные методы испытаний на усталость  

5. Цикл напряжений.

6. Стандартные образцы.

7. Предел выносливости.

В условиях действия циклических напряжений в металлах и сплавах происходит зарождение и постепенное развитие трещин, вызывающее в конечном итоге полное разрушение детали образца. Это разрушение особенно опасно, так как может происходить под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящий к уменьшению долговечности из-за образования трещин и разрушения, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью.

Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях и затем развивается вглубь образца или детали, образуя острый надрез. Процесс распространения усталостной трещины длителен. Он продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда произойдет быстрое разрушение, как правило, хрупкое из-за наличия острого надреза.

Задача усталостных испытаний – дать количественную оценку способности материалам работать в условиях циклического нагружения без разрушения.

Современные методы испытаний на усталость  (выносливость) разнообразны. Они отличаются характером изменения напряжений во времени, схемой нагружения (изгиб, растяжение – сжатие, кручение), наличием или отсутствием концентраторов напряжений. Усталостные испытания проводятся при различных температурах и в разных средах.

В процессе любого усталостного испытания на образец действуют циклические напряжения, непрерывно изменяющиеся по величине и часто по знаку. Пример показан на рисунке 15.

Цикл напряжений – это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. Каждый цикл характеризуется несколькими параметрами. За максимальное напряжение цикла σmax принимают наибольшее по алгебраической величине напряжение. Минимальное напряжение цикла σmin – наименьшее по алгебраической величине напряжение.

Среднее напряжение цикла σm=(σmaxmin)/2.

Амплитуда напряжений цикла σа=(σmaxmin)/2.

Сложение и вычитание максимальных и минимальных напряжений в этих формулах производят с учетом знака:

σmaxmа.

Цикл характеризуется также коэффициентом асимметрии:

Rσmaxmin.

Если Rσ=-1, то такой цикл называют симметричным (рисунок 15, кривая 1). Если же минимальное и максимальное напряжение цикла по величине не равны по величине, то он называется асимметричным. Когда напряжения меняются по величине и знаку, цикл считается знакопеременным (рисунок 15, кривые 1, 2), если только по величине – знакопостоянным (кривая 3). Для испытаний чаще всего используют симметричные знакопеременные циклы с Rσ=-1.

Наиболее распространенная схема нагружения при усталостных испытаниях – изгиб. Особенно проста схема чистого изгиба образца при вращении. Нагрузка здесь прилагается в двух точках, что обеспечивает постоянство изгибающего момента на всей рабочей длине образца.

Рисунок 15 – Разновидности циклов напряжений

Помимо схемы чистого изгиба, часто применяют круговой изгиб консольно закрепленного образца. Его головка крепится в патроне, а к другому концу прилагается изгибающий момент. Максимальное значение изгибающий момент достигает только в одном сечении – вблизи основания консоли, что является недостатком данной схемы нагружения.

Для испытаний в условиях циклического растяжения – сжатия используют гидропульсационные и резонансные машины. Первые представляют собой универсальные машины с гидравлическим приводом для статических испытаний, снабженные гидропульсатором. Это однопоршневый маясляный насос, который присоединяется к рабочему цилиндру машины. Ход поршня насоса устанавливают  в соответствии с заданной амплитудой напряжений цикла.

Резонансные машины для усталостных испытаний осуществляют циклическое растяжение – сжатие с помощью независимой от образца вибрирующей системы. Она состоит из плоской или цилиндрической рессоры и массы силовозбуждения.

Рабочая часть стандартных образцов имеет круглое или прямоугольное сечение. Диаметр цилиндрической части гладких образцов d обычно составляет 5…10 мм, а у образцов с надрезом D=10…20 мм при глубине надреза t=0,25D. Ширина рабочей части плоских образцов b=10…20 мм и толщина а=5…10 мм.

Усталостные свойства зависят от размеров образца – они значительно выше у образцов с меньшим сечением.

Первичным результатом усталостного испытания одного образца является число циклов до разрушения (долговечность) при заданных характеристиках цикла. Конечная цель испытания с постоянным коэффициентом – определения предела выносливости σR – наибольшего значения максимального предела цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения.

По результатам испытания отдельных образцов строят кривую усталости в координатах максимальное напряжение цикла σmax (или σа) – долговечность N (рисунок 16, а). Из-за относительно большого разброса экспериментальных точек построение этих кривых рекомендуется проводить методом наименьших квадратов. Наиболее наглядны кривые усталости в логарифмических или полулогарифмических координатах (рисунок 16, б, в).

а – кривая в координатах σmax-N; б – кривая в логарифмических координатах;

в – кривая в полулогарифмических координатах

Рисунок 16– Кривые усталости в различных координатах

По мере уменьшения максимального напряжения цикла долговечность всех материалов возрастает. При этом у сталей кривая усталости асимптотически приближается к прямой, параллельной оси абсцисс (рисунок 16, кривая 1). Ордината, соответствующая постоянному значению σmax, и есть предел выносливости таких материалов – наибольшее напряжение, которое не вызывает разрушения при любом числе циклов N. Многие цветные металлы и сплавы не имеют горизонтального участка на кривых усталости (рисунок 16, а, б, кривые 2). В этом случае выделяют ограниченный предел выносливости – наибольшее напряжение σmax (σа), которое материал выдерживает, не разрушаясь в течение определенного числа циклов нагружения. Это число циклов называют базой испытания. Она обычно составляет 108 циклов (когда на кривой усталости имеется горизонтальный участок, испытания продолжают не более чем до 107 циклов).

Кривые усталости, построенные при использовании цикла Rσ=-1, для многих металлических материалов хорошо описываются уравнением Вейбулла:

σmax-1+а(N+B),

где σ-1- предел выносливости;

      N – долговечность;

      а, В, α – коэффициенты.

Величина В во многих случаях лежит в пределах от 0 до 104 циклов, и поэтому в стандартных испытаниях с большой базой ею можно пренебречь.

Статистическая обработка проводится для вероятностной оценки усталостной долговечности – числа циклов нагружения, которое выдерживает материал перед разрушением при определенном напряжении.

Для этого при четырех-пяти различных уровнях напряжений, превышающих σR материала, проводят испытание серии образцов. Их число на каждом уровне σmax определяется свойствами и необходимой достоверностью результатов. Каждый образец испытывают до разрушения или до базового числа циклов. Затем результаты испытания образцов при каждом уровне напряжений подвергают статистической обработке, последовательно определяя i, Pi, Ni и lgNi. Здесь i – порядковый номер данного образца в возрастающем ряду долговечности образцов этой серии (от 1 до n – общего числа образцов в серии). Р – накопленная частота, соответствующая вероятности разрушения:    

Р=(i-0,5)/n; Ni – долговечность i-го образца.

По полученным данным строят графики функций распределения вероятности разрушения образцов. По оси абсцисс откладывают десятичные логарифмы числа циклов, а по оси ординат – накопленные частоты в предположении, что ряд значений логарифмов долговечности подчиняется закону нормального распределения.

Величина предела выносливости снижается при наличии концентраторов напряжений. Для количественной оценки чувствительности σR к концентраторам  определяют эффективный коэффициент напряжений Кσ. При симметричном знакопеременном цикле:

Кσ-1-1н,

где σ-1, σ-1н – пределы выносливости гладкого образца и образца с надрезом.

Усталостные свойства, как и всякие механические свойства, зависят от условий проведения испытаний, свойства и структуры металла.

 Влияние характеристик цикла напряжения. Чем больше максимально напряжение цикла и его амплитуда, тем быстрее происходит усталостное разрушение.

Существенное влияние на характеристики выносливости оказывает соотношение растягивающих и сжимающих напряжений. Чем больше растягивающие напряжения, тем ниже выносливость. Увеличение средних сжимающих напряжений при неизменном растягивающем смещает кривую усталости в сторону больших напряжений. Эти эффекты объясняются противоположным действием растягивающих и сжимающих напряжений на процесс раскрытия трещины. Дополнительное сжатие тормозит этот процесс, а растяжение ускоряет его.

Характер изменения напряжения между  σmax и σmin  мало сказывается на выносливости. Повышение частоты циклов при прочих равных условиях обычно вызывает некоторое увеличение характеристик выносливости, особенно при повышенных температурах. Наибольший предел выносливости получается при испытаниях по схеме изгиба, наименьший – при кручении.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [9]

1. Методика проведения усталостных испытаний.

2. Схемы резонансных машин для проведения усталостных испытаний.

3. Пластическая деформация при циклическом нагружении.

4. Зарождение усталостных трещин.

5. Распространение усталостных трещин.

6. Влияние различных факторов на характеристики выносливости.

Раздел 9 Влияние температуры на прочность и пластичность материалов

Тема 1 Жаропрочность. Ползучесть (2 часа)

План лекции

1. Жаропрочность.

2. Предел кратковременной прочности.

3. Ползучесть.

4. Логарифмическая ползучесть.

5. Процесс возврата.

6. Скорость ползучести.

7. Повышение характеристик жаропрочности.

 Длительные высокотемпературные испытания служат для оценки характеристик жаропрочности металлов и сплавов – их способности работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения.

 Жаропрочность – это свойство металлов и сплавов длительно сопротивляться развитию пластической деформации и разрушению под действием постоянных нагрузок при высоких температурах. Численно жаропрочность может быть выражена пределом кратковременной прочности, пределом ползучести и пределом длительной прочности. Для определения предела кратковременной прочности используют обычные машины для испытаний на растяжение, снабженные нагревательными устройствами. Для измерения температуры на образцах укрепляют термопары.

Предел кратковременной прочности (предел прочности при повышенной температуре) не характеризует в полной мере свойства материала при температуре испытаний. Это характеристика дает представление о поведении материала при его горячей обработке давлением.

Длительная прочность является характеристикой сопротивления разрушению при длительном действии статической нагрузки и высокой температуры. Характеристикой длительной прочности является предел длительной прочности – величина напряжения, которое вызывает разрушение образца при данной температуре через определенный промежуток времени.

Ползучесть – явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения. В зависимости от температуры и уровня приложенного напряжения ползучесть протекает по разным законам. Наиболее известны 4 вида ползучести: высокотемпературная ползучесть (ползучесть Андраде), диффузионная ползучесть, низкотемпературная ползучесть (логарифмическая ползучесть), неупругая ползучесть (обратимая ползучесть). Изменение характера кривых ползучести с повышением температуры испытания при постоянном напряжении показано на рисунке 25.

Рисунок 25 – Кривые ползучести при разных температурах (t1<t2<t3)

Логарифмическая ползучесть. Представим себе, что в образце имеется какое-то количество дислокационных отрезков и каждый из них может переместиться один раз. После приложения нагрузки и неупругого удлинения образца (ОА, рисунок 25) наиболее благоприятно ориентированные перместятся и произойдет пластическая деформация. В условиях постоянства приложенного напряжения оставшиеся дислокации будут удерживаться препятствиями, но с течением времени флуктуации тепловой энергии вызовут движение большинства этих дислокационных отрезков (в основном за счет поперечного скольжения) и соответствующий прирост удлинения. Однако постепенно процесс термически активируемого скольжения будет затухать (истощаться) из-за уменьшения числа дислокационных отрезков, способных перемещаться и вызывать деформацию. В результате затухает скорость прироста относительного удлинения.

Логарифмическая ползучесть является неустановившейся: скорость ползучести непрерывно уменьшается со временем. С неустановившейся стадии начинается и высокотемпертурная ползучесть (отрезок А´В на кривой ОА´BCD, рисунок 25). Затем начинается стадия установившейся ползучести (ВС), при которой υп=const. Заканчивается кривая высокотемпертурной ползучести участком разрушения CD, до которого при испытаниях на ползучесть никогда не доходят.

Основное отличие высокотемпературной ползучести от низкотемпературной заключается в более полном протекании возврата, который обеспечивается здесь переползанием дислокаций.

Принципиально ползучесть на установившейся стадии не отличается от неустановившейся. В металлах скорость установившейся ползучести контролируется обычно наиболее медленным процессом переползания дислокаций.

Пластическая деформация при ползучести вызывает увеличение плотности дислокаций и деформационое упрочнение. В то же время возврат приводит к уменьшению плотности дислокаций и разупрочнению металла. В результате возврата при высокотемпературной ползучести в металле формируется полигональная структура.

Основные процессы, определяющие возврат, - поперечное скольжение и переползание дислокаций.

Скорость ползучести υп:

υп=υ/L3=(2·σ·b3·D)/L2·k·T,

где υ – скорость миграции вакансий;

     σ – приложенное напряжение;

     Т – абсолютная температура;

     b3 – объем, приходящийся на одну вакансию;

     L – длина стороны зерна;

    D – коэффициент диффузии.

Повышение характеристик жаропрочности (пределов ползучести и длительной прочности, релаксационной стойкости при высоких температурах) осуществляется теми же способами, что и применительно к прочностным свойствам при статических испытаниях.

Повышение жаропрочности при переходе от чистых металлов к сплавам достигается за счет образования твердых растворов на базе основного металла и частиц избыточных фаз. При выборе основы следует учитывать, что уровень жаропрочности чистого металла связан с температурой его плавления. Чем она выше, тем больше прочность межатомных связей, меньше скорость самодиффузии и, следовательно, меньше при той же температуре скорость ползучести, контролируемая скоростью переползания дислокаций. Исходя из этих же соображений, температура солидуса сплавов также должна быть по возможности выше. Если температура плавления сплава значительно ниже, чем металла-основы, то при высоких температурах  чистый металл может оказаться прочнее сплава.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [4], [12]

1. Высокотемпературная ползучесть.

2. Неупругая ползучесть.

3. Диффузионная ползучесть.

4. Низкотемпературная ползучесть.

5. Дислокационная модель ползучести.

6. Схема машины ИП-2 для испытаний на ползучесть.

7. Особенности пластической деформации при высокотемпературной ползучести.

8. Испытания на релаксацию напряжений.

9. Влияние различных факторов на жаропрочность.

Раздел 10 Разрушение материалов

Тема 1 Разрушение материалов (2 часа)

 План лекции

1. Виды разрушения.

2. Схемы разрушения.

3. Отрыв.

4. Срез.

5. Стадии хрупкого и вязкого разрушения.

6. Механика разрушения.

7. Теория Гриффитса.

Классификация видов разрушения

 Всякий процесс деформации по достижении достаточно высоких напряжений заканчивается разрушением. Процесс разрушения начинается с образования трещин субмикроскопических размеров и заканчивается макроскопическим разделением образца на отдельные части. Ряд важнейших механических свойств металлов и сплавов характеризует их сопротивление разрушению, величину или работу деформации до разрушения.

Мы уже отмечали три вида напряжений: сжимающие (отрицательные нормальные), растягивающие (положительные нормальные) и касательные. Сжимающие напряжения сами по себе не могут вызвать разрушения. Оно происходит под действием растягивающих или касательных напряжений. В макроспических теориях прочности различают два вида разрушения: 1) отрыв в результате действия растягивающих напряжений и 2) срез под действием касательных напряжений.

В таблице 4 представлены соответствующие схемы для ряда испытаний. Пользуясь этой таблицей, можно по внешнему виду разрушенных образцов определять вид разрушения. Однако эти схемы могут быть точно реализованы в том случае, когда заданная при нагружении схема напряженного состояния остается неизменной от начала испытания и до окончательного разрушения образца. На самом деле эта схема может меняться как в процессе пластической деформации (например, при образовании шейки), так и в процессе разрушения – в результате развития трещин. Поэтому вид разрушенных образцов часто отличается от приведенных в таблице 4. В таких  случаях необходимо изучать направление развития трещин на начальных стадиях разрушения. Если схема напряженного состояния при деформации не меняется до разрушения, то по этим направлениям можно оценить, начинается ли разрушение под действием нормальных или касательных напряжений.

Таблица 4 – Схемы разрушения путем отрыва и среза при различных  

                    механических испытаниях (по Я. Б. Фридману)

Вид испытания

Схема нагружения

Направление действия напряжения

Вид разрушения

нормальное

касательное

отрыв

срез

Растяжение

Сжатие

Кручение

Изгиб

Считается, что отрыв может произойти без предварительной макропластической деформации, в то время как разрушению путем среза такая деформация всегда предшествует. Поэтому отрыв часто соответствует хрупкому, а срез – вязкому (пластичному) разрушению.

Внешне хрупкое и вязкое разрушение отличается в первую очередь величиной пластической деформации. Точно установлено, что любому, в том числе и хрупкому разрушению металлов и сплавов, предшествует какая-то пластическая деформация. Перед хрупким разрушением она обычно намного меньше, чем перед вязким, но четкой количественной границы здесь провести нельзя.

Оба типа разрушения – вязкое и хрупкое – включают в себя две стадии: 1) зарождение зародышевой трещины и 2) ее распространение. По механизму зарождения трещин хрупкое и вязкое разрушение принципиально не различаются. Качественное различие между ними связано со скоростью распространеия трещины. При хрупком разрушении эта скорость очень велика – она достигает 0,4…0,5 скорости звука в материале образца. В случае же вязкого разрушения трещина распространяется с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца.

В поликристаллах трещина при разрушении может распространяться по телу зерна или вдоль границ. Соответственно различают внутризеренное (транскристаллитное) и межзеренное (интеркристаллитное) разрушение. При низких температурах межзеренное разрушение обычно наблюдается в хрупких материалах и обусловлено наличием на поверхности границ зерен частиц хрупких избыточных фаз или сегрегации примесей. Такое разрушение может происходить также при повышенных температурах, в условиях интенсивного развития межзеренной деформации.

Механика разрушения

Разрушение является процессом, развивающимся во времени в локальных объемах металла, приводящим к глобальному нестабильному разрушению при достижении предельного состояния. Основной задачей механики разрушения является разработка метода расчета деталей на прочность при наличии развивающейся трещины. Кроме того, необходимо уметь определять:

1) какой  материал  и  в  каком  структурном  состоянии  является оптимальным для заданных условий нагружения;

2) какие наиболее информативные методы и критерии следует выбрать для выявления сопротивления материала зарождению и распространению трещины;

3) требования к технологии изготовления изделия, при которой повреждаемость материала минимальна;

4) как проектировать изделие с точки зрения наиболее благоприятного распределения напряжений у предполагаемых дефектов и концентратов напряжений;

5) историю рарушения по фрактографическим параметрам.

Таким образом, механика разрушения занимает основные позиции не только в материаловедении, технологии и конструировании деталей машин   и агрегатов, но и в диагностике и инспекции разрушения. Знание основных закономерностей разрушения материала необходимо и достаточно для решения перечисленных выше задач механики трещин.

В динамике трещин важным параметром является текущая скорость движения трещины, по которой контролируют распределение напряжений и перемещений у края трещины, а следовательно, и поток энергии к краю трещины. Из теории Гриффитса следует, что при росте трещины в упругом теле высвобождающаяся упругая энергия полностью поглощается у края трещины, то есть расходуется на образование свежих поверхностей раздела. Однако при движении трещины в упругопластическом теле высвобождающаяся энергия не может полностью поглощаться в результате необратимых пластических деформаций у края трещины. Переход от условий притока энергии к краю трещины к условиям оттока ее от края трещины при субкритическом росте трещины носит скачкообразный характер и сопровождается изменением микромеханизма разрушения, определяющим скорость процесса, что влечет за собой и изменение морфологии поверхности трещины.  

 Атомный механизм зарождения качественно одинаков при хрупком и вязком разрушении. Зарождению трещины всегда предшествует какая-то пластическая деформация, то есть движение дислокаций.

Наиболее часто трещины возникают у вершин скоплений дислокаций  вблизи каких либо барьеров: включений избыточных фаз, границ зерен, двойников, сидячих дислокаций и другие. Из схемы на рисунке 31 видно, что в непосредственной близости от барьера краевые дислокации в плоском скоплении могут под действием напряжений оказаться настолько тесно прижатыми друг к другу, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая микротрещина.

Эта схема прямо предполагает необходимость некоторой пластической деформации, достаточной для образования дислокационных скоплений. Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения дислокаций, под действием растягивающих напряжений, в результате концентрации касательных напряжений в головной части скопления. Расчеты показывают, что при действии такой модели трещина возникает, когда величина локальных касательных напряжений у вершины скопления достигает значения ~ 0,7 модуля сдвига.

Для металлов с о.ц.к.-решеткой одной из модификаций этой схемы является модель, предложенная Коттрелом (рисунок 26). Допустим, что в растягивающем образце дислокации с векторами Бюргерса а/2 []и а/2 [111] скользят в пересекающихся плоскостях (101) и (). При встрече этих дислокаций возникает новая, расположенная в плоскости (100):

а/2 []+а/2 [111]→а[001]

Многократное повторение этого взаимодействия приводит к слиянию новых дислокаций а[001], что в конце-концов вызывает образование зародышевой трещины. Схема Коттрелла не требует наличия барьеров для дислокаций в исходном состоянии. Барьеры, а затем дислокационные скопления и трещины образуются в результате пластической деформации.

 

Рисунок 26 – Схема зарождения трещин в о.ц.к. – металлах (по Коттреллу)

Иногда трещина образуется не у вершины скопления, а внутри него. Отрыв по плоскости скольжения происходит под действием нормальных напряжений. Они возникают в результате искривления плоскостей скольжения дислокациями, располагающимися в других плоскостях. Искривление поверхности скольжения при сдвиге вдоль нее вызывает появление нормальных напряжений.

Зарождение трещин может происходить и без дислокационных скоплений. Так, в металлах с г.п.у.-решеткой наблюдается возникновение трещин в результате перерезания малоугловой границы при пластической деформации.

Часто зарождение трещин наблюдается в месте встречи двойника деформации с каким-либо прочным барьером, например, границей зерна или другим двойником. Как известно, двойники распространяются с высокой скоростью и возникающие при столкновении с препятствием напряжения не успевают релаксировать. Особенно благоприятные условия для зарождения трещин создаются при встрече растущего двойника деформации с ранее образовавшимся, для которого было характерно другое направление двойникования. В этом случае концентрация напряжений в месте встречи особенно велика.

В условиях сильно развитой межзеренной деформации увеличивается вероятность зарождения трещин на границе перемещающихся друг относительно друга кристаллитов.

Рассмотрим стык трех зерен (рисунок 27) в растягиваемом образце. Мехзеренные смещения будут происходить в основном вдоль границ между зернами А-С и В-С, где действуют большие касательные напряжения (рисунок 27, а).

а – действие касательных напряжений; б – зарождение трещины

Рисунок 27 – Схема зарождения трещины в стыке трех зерен за счет межзеренной деформации

В результате трещина зарождается вблизи места стыка О и распространяется вдоль границ А-С и В-С (рисунок 27, б). На практике с такой схемой зарождения трещин в результате межзеренных смещений встречаются обычно при высокотемпературных длительных испытаниях. В этих условиях возможно зарождение пор (трещин) путем слияния вакансий.

Рассмотренные основные схемы зарождения трещин показывают, что разрушение металлов с разной решеткой и микроструктурой может начинаться по-разному.

В конечном итоге сопротивляемость металла или сплава разрушению и характер разрушения определяются условиями, в которых оказывается возникшая по тому или иному механизму микротрещина. Вторая стадия разрушения – распространение трещины – является решающей.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Иванова В.С., ШанявскийА.А. Количественная фрактография. – Челябинск: Металлургия, 1988. – 400 с.

4. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

5. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Тема 2 Хрупкое и вязкое разрушение (2 часа)

План лекции

1. Вязкое разрушение.

2. Условия зарождения и развития вязких трещин.

3. Образование центральной трещины.

4. Формы изломов при вязком разрушении.

5. Хрупкая трещина.

6. Формы изломов при хрупком разрушении.

7. Критерий Гриффитса.

Вязкое и хрупкое разрушение

Вязкое разрушение происходит после значительной пластической деформации (десятки процентов). Это наименее опасный вид разрушения, и ему уделяют не так много внимания, как хрупкому. Тем не менее анализ вязкого разрушения очень важен. Он позволяет, в частности, лучше понять механизм хрупкого разрушения и наметить меры его предотвращения. Вязкое разрушение важно при анализе поведения металлов в условиях обработки давлением, где создаются значительные пластические деформации, и разрушение, в том числе вязкое, недопустимо.

Наиболее характерным примером вязкого разрушения является образование “чашечного” излома в шейке растягиваемого образца. Шейка образуется после некоторого равномерного удлинения образца и является результатом локализации деформации в ограниченном объеме. Внутри шейки схема напряженного состояния усложняется по сравнению с исходным одноосным растяжением. В этих условиях и происходит зарождение и развитие вязких трещин.

Чаще всего в технических металлах и сплавах реализуется первая схема зарождения трещин – у скоплений дислокаций вблизи барьеров: различного рода включений, которые всегда содержатся в технических металлах. Возможно также появление первых трещин внутри хрупких включений, которые разрушаются раньше, чем образуются достаточно мощные дислокационные скопления в матрице. Возникшие зародышевые трещины под действием напряжений начинают постепенно расти и по достижении микронных размеров уже легко выявляются при металлографическом анализе. На начальной стадии вязкого разрушения типичным является наличие множества мелких трещин (пор), концентрирующихся в основном в центральной части сечения шейки. По мере дальнейшего растяжения эти мелкие поры сливаются с образованием более крупных и в конце концов в центре шейки образуется сплошная трещина, плоскость которой в макромасштабе располагается нормально внешнему растягивающему усилию. Следовательно, образование этой центральной трещины – результат разрушения путем отрыва. Дальнейший ее рост происходит за счет присоединения новых пор путем разрыва перемычек между ними и основной трещиной.

Для того чтобы понять, почему разрушение на начальных стадиях локализуется в центральной части шейки, необходимо проанализировать распределение напряжений по сечению шейки. Вблизи центра образца все напряжения максимальны. Особенно велико здесь продольное растягивающее напряжение σ1, в то время как касательные напряжения распределены гораздо более равномерно. В результате трещины возникают и развиваются в средней части сечения шейки, и здесь же происходит разрушение путем отрыва с образованием центральной трещины.

По достижении центральной трещиной периферийных слоев шейки все напряжения локализуются в этих неразрушенных периферийных участках. Скорость распространения трещины резко возрастает, меняется и направление ее развития. В стенках шейки действуют в основном продольные напряжения и соответственно касательные в плоскостях, наклоненных под углом ≈ 450 к оси образца. Из-за локализации пластической деформации в плоскостях действия максимальных касательных напряжений дальнейшее разрушение идет путем среза. В результате центральная часть трещины образует “дно”, а периферийные – конусные “стенки” чашки излома. Как видно, незначительная пластическая деформация не только предшествует вязкому разрушению, но и продолжается в процессе его развития.

Кроме рассмотренного случая вязкого разрушения, возможно образование изломов другой формы. Последняя определяется геометрией образца, характером его деформации и степенью пластичности. Например, монокристаллы, а также поликристаллы высокоуглеродистой стали и некоторых металлов с низкой пластичностью могут при низких температурах вязко разрушаться без образования шейки, давая “плоскую” поверхность разрушения  после  сдвиговой  деформации  вдоль сечения  образца под углом ≈ 450 к оси растяжения. Наоборот, при растяжении цилиндрических образцов с высокой пластичностью, в частности сверхпластичных, относительное сужение близко к 100 % и шейка превращается в точку. У аналогичных плоских образцов шейка вырождается в линию, располагающуюся под углом ≈ 450 к оси растяжения. Вообще при вязком разрушении растягиваемых плоских образцов из-за локализации пластической деформации в плоскостях действия максимальных касательных напряжений часто получается излом, характерный для разрушения путем среза. Естественно, что при изменении схемы нагружения образца геометрия излома меняется.

Вне зависимости от макрогеометрии вязкий излом в шейке характеризуется рядом общих особенностей своей структуры. При визуальном осмотре невооруженным глазом он обычно матовый, неровный, часто со следами пластической деформации в виде грубых полос скольжения. Вязкое разрушение, как правило, бывает внутризеренным. Тонкую структуру излома выявляют с помощью фрактографического анализа – исследования структуры поверхности разрушения в световом и электронном (с помощью реплик) микроскопах. Фрактографический анализ, получивший широкое развитие в последние годы, дает важную информацию о механизме разрушения. Показан типичный пример микроструктуры вязкого излома. У него характерный рельеф, образуемый совокупностью отдельных фасеток, каждая из которых сооответствует либо бывшей микропоре (трещине), либо перемычке между порами, которая разрушилась при их слиянии. На поверхности этих перемычек, а также на дне некоторых ямок (следов пор) часто видны линии скольжения, образовавшиеся при пластической деформации перед разрушением. На дне многих ямок выявляются частицы избыточных фаз (включений сульфидов), что как раз и служит доказательством возникновения большинства зародышевых трещин у этих включений.

На “стенках” чашечного излома наблюдаются сильновытянутые лунки, а также области, не имеющие характерных особенностей структуры. Эти области имеются также на поверхности “плоского” излома. Они являются результатом разрушения металла вдоль поверхности локализованного интенсивного сдвига.

Общего количественного критерия вязкого разрушения не существует. Для ограниченного интервала условий таким критерием может служить величина либо деформации, либо минимального нормального или касательного напряжения, достаточного для развития вязкого разрушения. С практической точки зрения хрупкое разрушение гораздо важнее вязкого. Это наиболее опасный вид разрушения, идущий быстро и под действием сравнительно низких напряжений. Металлы и сплавы идеально хрупко, то есть без предварительной пластической деформации не разрушаются.

Хрупкая трещина при внутризеренном разрушении обычно распространяется вдоль кристаллографической плоскости с малыми индексами. При межзеренном разрушении хрупкая трещина в однофазных материалах распространяется по поверхности границ зерен, а при наличии границ второй фазы – вдоль межфазной поверхности или вдоль поверхности скола внутри включений. В зависимости от характера распространения трещины структура поверхности разрушения получается различной. В целом структура поверхности скола резко отличается от вязкого излома. При простом осмотре хрупкий излом обычно блестящий или имеет цвет фаз, расположенных по границам зерен. Под микроскопом видно, что внутрикристаллитный хрупкий излом не идеально гладок. На поверхности скола обычно имеются ступеньки, придающие структуре волнистый вид, так называемых “речных узоров”. В поликристаллических образцах вид этих узоров при переходе от зерна к зерну меняется. Каждая линия “речного узора” соответствует разнице в уровнях, то есть ступеньке на поверхности излома. В большинстве случаев хрупкое разрушение происходит путем распространения одной трещины. В этом случае причиной образования уступов может быть, например, пересечение трещиной винтовых дислокаций, которые располагаются на пути распространения фронта трещины. Если она развивается вдоль кристалла и встречает на своем пути, например, две винтовые дислокации, то после разделения кристалла на две половины поверхность каждой из них будет содержать две ступеньки переменной высоты.

В процессе развития трещины такие ступеньки могут укрупняться. В результате пересечения множества дислокаций возникают ступеньки, высота которых достаточна для их выявления при микроскопическом анализе.  Краевые дислокации  не могуть быть причиной образования ступенек; на малоугловых наклонных границах хрупкая трещина только меняет свое направление.

Хрупкое разрушение легче поддается количественному анализу. Для идеально хрупкого разрушения упругого тела, когда пластическая деформация совсем не идет, используется критерий Гриффитса;

,

где σ – наименьшее растягивающее напряжение, необходимое для распространения трещины как хрупкой;

        Е – модуль Юнга;

        γ – поверхностная энергия стенок трещины, отнесенная к единице ее площади;

        с – половина длины трещины.

 Критерий Гриффитса исходит из положения о том, что трещина распространяется, если увеличение γ меньше энергии деформации, высвобождающейся в результате роста трещины.

При хрупком разрушении металлов и сплавов до начала образования трещины и в процессе ее распространения идет пластическая деформация. В этих условиях γ в уравнении Гриффитса характеризует общую энергию, необходимую для увеличения единичной площади трещины. Сюда входит истинная поверхностная энергия и работа пластической деформации, которую необходимо затратить для развития трещины.

Основным условием для превращения трещины в “гриффитовскую” (которая распространяется как трещина скола) является ее достаточная длина и малая величина работы пластической деформации.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Иванова В.С., Шанявский А.А. Количественная фрактография. – Челябинск: Металлургия, 1988. – 400 с.

4. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

5. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2) [1], [2], [7], [10], [12]

1. Типы разрушения металлов.

2. Вязкое разрушение.

3. Хрупкое разрушение.

4. Критерий Гриффитса для хрупкого разрушения.

5. Переход из хрупкого состояния в пластическое.

6. Способы борьбы с хладноломкостью.

Раздел 11 Новый подход к оценке механических свойств

Тема 1 Синергетика (2 часа)

План лекции

1. Синергетика.

2. Точка бифуркации.

3. Диссипативные структуры.

4. Самоорганизующиеся процессы.

5. Автоволны.

6. Универсальное свойство нелинейных систем.

7. Теория фракталов.

Синергетика – научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень ее упорядоченности, то есть уменьшается энтропия (так называемая самоорганизация). Основа синергетики – термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн.

Это направление базируется на междисциплинарном подходе к изучению появления и развития упорядоченных во времени и пространстве процессов или структур.

Термин “синергетика произошел от греческого слова “синергиа”, означающий содействие или сотрудничество. Синергетика изучает процессы самоорганизации, развития, устойчивости и распада различных структур, которые являются общими для живой и неживой природы. Общность заключается в том, что биологическим, химическим, физическим и другим процессам свойственны неравновесные фазовые переходы, отвечающие особой точке (точке бифуркации), при достижении которой скачкообразно изменяются свойства среды. Неравновесные фазовые переходы обладают рядом особенностей по сравнению с обычными фазовыми переходами. Например, они чувствительны к конечным размерам образцов, в форме границ и т. п. В открытых системах, обменивающихся энергией и веществом с окружающей средой, однородное состояние равновесия может терять устойчивость и необратимо переходить в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений. Такие стационарные неоднородные состояния получили общее название диссипативных структур. Движущей силой процесса их формирования является стремление открытых систем при нестационарных процессах, вдали от равновесия, к минимуму производства энтропии. Традиционно под структурой объекта понимают обычно наличие в нем тождественных упорядоченных построений, сохраняющихся при внешнем воздействии; структура противопоставляется хаосу. Синергетика же оперирует со структурой, которая формируется в открытой системе и в обычном понимании может быть отнесена к беспорядку, и суть вопроса заключается в отыскании порядка в этом кажущемся беспорядке, то есть в установлении “упорядоченного хаоса”. Синергетика оперирует как с самоорганизующимися структурами, так и с процессами. К самоорганизующимся процессам относят автоколебательные процессы или устойчивые незатухающие колебания, которые независимо от начальных возмущений сохраняются в определенном режиме. Таким образом, развитие синергетики стимулировало и анализ автоволновых процессов, вызываемых потерей устойчивости однородного равновесного состояния.

Автоволны представляют собой самоподдерживающиеся сигналы, которые индуцируют процессы локального высвобождения запасенной в среде энергии, затрачивающейся на инициирование аналогичных процессов в соседних областях. Автоволны такого типа выделены в особый класс по той причине, что они резко отличаются от волн других типов (электромагнитных, механических и др.), которые сходны только по одному лишь свойству – свойству огибать препятствия (дифрагировать). Синергетика дает ключ к обобщению полученных к настоящему времени экспериментальных данных о поведении металлов и сплавов под нагрузкой с целью установления общих закономерностей разрушения. Изучение связи между структурой и свойствами деформируемого твердого тела необходимо для выяснения физики процесса разрушения и разработки новых материалов.

С позиции нелинейной динамики структура материала рассматривается как динамическая система. В процессе нагружения структура в динамической неравновесной системе может находиться в различных состояниях: от вихревого движения элементов на разных уровнях до самоорганизации – ламинарного течения структурных элементов. Исследования механизмов структурных изменений выполняли на полированных образцах из сплава Д16, которые подвергались одноосному растяжению вплоть до разрушения на установке ИМАШ. В процессе деформации с помощью цифровой видеокамеры регистрировали увеличенное под оптическим микроскопом изображение участка поверхности образца. Одновременно регистрировали параметры акустической эмиссии (АЭ). Для количественной оценки эволюции структуры поверхности деформируемых образцов использовали методику мультифрактальной параметризации.

На рисунке 28 представлены изменения параметров энергии АЭ ΣЕ и фрактальных характеристик (фрактальная размерность D0 и однородность F40), полученные в процессе деформации.

Как видно, D0 растет по мере роста деформации образца, на всем диапазоне наблюдается дискретный характер изменения D0. Есть основания предполагать, что структурные изменения в процессе деформации сопровождаются выделением ΣЕ энергии, причем начальная стадия этих изменений сопровождается ярко выраженным скачком, а последующие стадии – небольшими скачками одинаковой величины. Анализируя зависимость D0=f(ε) и F40=f(ε), можно отметить, что наибольший рост параметров D0 и F40 наблюдается в области первого максимального скачка энергии. Последующие изменения параметра D0 значительно меньше первоначального скачка. На зависимости  F40=f(ε) наблюдается особенность в области ε=17,5 %, которая соответствует области наибольшего скачка на кривой накопления числа импульсов. Кроме этого, на зависимости ΣN=f(ε) имеется скачок в области наибольших изменений ΣЕ, D0 и F40.

 

 

Рисунок 28 – Временные зависимости фрактальных и акустических параметров при деформации Д16

Универсальное свойство нелинейных систем – рост энтропии и образование диссипативных структур в точках бифуркации. В этой связи накопленная энтропия может рассматриваться как критерий предельного состояния твердого тела и его устойчивости. Одна из разновидностей энтропии – информационная энтропия Sи=-Σрi·lgpi, где рi – вероятность. В процессе испытаний углеродистых сталей фиксировали Sи по сигналам АЭ, а также определяли D0, при этом сигналы АЭ были представлены как временные ряды. В результате испытаний определено, что растяжение образца сопровождается периодическим изменением (колебанием) Sи сигнала АЭ. Разрушение образца происходит при росте энтропии.

Теория фракталов широко используется для оценки характера движения системы: периодического или хаотического. В этой связи, информационные критерии оценки устойчивости сложных систем Sи, D0 следует использовать для оценки механизма потери структурной устойчивости твердых тел при деформировании. Существует ряд механизмов (сценариев) развития динамического хаоса в системах. Универсальным сценарием развития хаоса является удвоение периода. Экспериментально показано, что при растяжении образца на стадии предразрушения изменение сигнала АЭ происходит по удвоенному периоду. В результате движение структурных элементов (блоков, зерен) будет хаотическим (вихревым). Более корректно определять степень хаотичности структурных изменений непосредственно в процессе деформации (растяжения) образца на основе реконструкции по временному ряду (сигналам АЭ), то есть по предельному циклу, соответствующему ламинарному (устойчивому) движению структурных элементов, либо по фрактальному (хаотичному) аттрактору.

Известно, что причиной пространственного временного хаоса является чувствительность параметров системы к начальным данным. По-видимому, фрактальный характер диссипативных структур деформированного твердого тела обусловлен теми свойствами траектории, которые превращают их из регулярных и периодических в хаотические. Локальная сдвиговая неустойчивость зерен усложняет их траекторию движения, делая ее непредсказуемой. В результате реализуются поворотные (вихревые) моды деформации на различных структурных уровнях. При растяжении образца фрактальная размерность растет, при усталостном нагружении она также растет, но в три этапа. Совместный анализ зависимостей фрактальной размерности, истинной деформации, истинного напряжения показал, что началу каждого этапа роста фрактальной размерности соответствует удвоение удельной энергии, подведенной к образцу в процессе деформации.

Таким образом, экспериментальные данные свидетельствуют об универсальном характере потери структурной устойчивости состояния деформированного тела. Переход от упругой деформации к пластической можно назвать мягким сценарием потери устойчивости деформированной системы. Дальнейшая хаотизация и потеря структурной устойчивости деформируемой системы может развиваться через цикл удвоенного периода из-за потери устойчивости первого цикла. Затем может происходить потеря устойчивости второго цикла, что сопровождается ростом энтропии, и разрушением образца. Это соответствует катастрофе. Анализ изменения (колебаний) информационной Sи энтропии указывает на то, что процесс разрушения образца есть последовательные акты самоорганизации при dSmax, которые в зависимости от σ-τ (рисунок 28) проявляются как плато с последующим саморазрушением дефектных структур.

Мягкая потеря устойчивости структурного состояния (рисунок 28) – площадка текучести – есть результата снижения локальной сдвиговой неустойчивости в кристалле, а образование шейки перед разрушением – это потеря глобальной сдвиговой устойчивости, когда формирование хаотической (вихревой) структуры происходит по всей площади образца на высоком структурном уровне. Последнее согласуется с результатами исследований регистрации энтропии Sи, которое достигает максимума при разрушении образца. Поэтому последний этап разрушения классифицируется как катастрофа.

Как известно, для предотвращения усталостного разрушения нужно максимально уменьшить локализацию деформации, исключить формирование полосовой структуры, не допускать зернограничного проскальзывания, усиливать локальную сдвиговую устойчивость решетки. При разработке интеллектуальных технологий синтеза материалов ключевым моментом является информационный (интеллектуальный) блок, органически входящий в технологическую цепочку синтеза материалов. В этой связи, концепция синтеза новых материалов должна основываться на использовании алгоритмов подходов искусственного интеллекта, в частности, нейронных сетей.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Иванова В.С., Шанявский А.А. Количественная фрактография. – Челябинск: Металлургия, 1988. – 400 с.

4. Иванова В.С., Оксогоев А.А., Закиричная М.М., Пруцков М.Е. Оптимизация структуры машиностроительных материалов // Металлургия машиностроения, № 6, 2002. – С. 18-29.

5. Кабалдин Ю.Г., Семашко Н.А., Евстигнеев А.И.  Интеллектуальный подход к процессам разрушения и синтеза материалов // Металлургия машиностроения. – 2002. - № 5. С. 13-16.

6. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [9], [10], [12]

1. Фрактально-синергетическая концепция

2. Фрактальные карты механизмов адаптации структуры к внешнему воздействию.

3. Фрактальный анализ.

4. Синергетический анализ.

4 Методические указания для выполнения лабораторных работ

Лабораторная работа № 1. Механические свойства металлов при растяжении

Порядок выполнения работы:

1. Проверить работу привода, для чего следует нажать кнопку “ВВЕРХ”. Привод должен заработать, индикатор перемещения будет показывать ход траверсы. Нажатием кнопки “+” увеличить скорость до максимальной, затем нажатием кнопки “―” уменьшить скорость до минимальной, затем нажать кнопку “СТОП”. Обратить внимание на автоматическую остановку привода до достижения крайних положений траверсы.

2. Установить предельное усилие для данного опыта, для чего кнопками установки “+” или “―” выбрать нужное значение.

3. Измерить исходные  размеры образцов.  Поместить образец в захваты, для чего следует нажать обойму верхнего захвата вниз до расхождения сухарей, при необходимости переместив траверсу. Проверить надежность защелкивания захватов.

4. Обнулить показания индикатора перемещения, нажав кнопку “СБРОС”, затем установить необходимую скорость перемещения траверсы.

5. Включить режим перемещения траверсы кнопкой “ВВЕРХ”.

6. Извлечь обе половинки образца из захвата разрывной машины. Измерить конечные размеры образца.

7. Сохранить полученные диаграммы растяжения на компьютере.

8. Проделать те же операции для образцов из других материалов. Зарисовать полученные диаграммы растяжения, результаты испытаний занести в таблицу 1.1.

Цель работы: ознакомиться с методикой проведения статических испытаний на растяжение, приобрести навыки определения прочностных и пластических свойств материалов.

1.1 Общие сведения

Под механическими свойствами понимают совокупность величин, характеризующих сопротивление материалов действию приложенных к ним внешних механических сил или нагрузок. Они подразделяются на две основные группы – прочностные и пластические.

Прочностные свойства – это характеристики сопротивления материала образца деформации или разрушению.

Пластические свойства – это характеристики способности материала образца изменять свою форму и размер. Мерой пластичности является величина остаточной деформации в момент разрушения.

В основу существующей классификации механических испытаний положены три основных признака: схема  напряженного  состояния  (основное  или  линейное,  двухосное  – плоское, трехосное – объемное); способ нагружения (с постоянной скоростью или нагрузкой);  время   и   характер   нагружения   (статические,   динамические   и циклические).

Для сопоставимости полученных результатов все разновидности механических испытаний стандартизированы в специальных ГОСТах, где сформулированы определения характеристик свойств, основные требования к оборудованию, методика обработки результатов испытаний, а также приведены параметры стандартных образцов.

1.2 Испытания на растяжение 

Наиболее распространенным видом испытаний является одноосное растяжение при комнатной (ГОСТ 1497-84), повышенных – до 14730 С (ГОСТ 9651-84) и пониженных от 273 до 173 К (ГОСТ 11150-84) температурах. Прочностные свойства рассчитываются на основании машинных диаграмм растяжения по положению характерных точек p, е, s, b, k (рис. 1.1) и геометрических параметров стандартных образцов (рис. 1.2). Пластические – определяются в результате сравнения размеров образцов до деформирования, и после разрушения.

 

 

                

Рисунок 1.1 – Обобщенная диаграмма растяжения

                                               

                               

Рисунок 1.2 – Стандартный образец на растяжение

Преимущество данного метода заключается в том, что он позволяет по результатам одного эксперимента определить несколько характеристик механических свойств: пределы пропорциональности, упругости, текучести, временное сопротивление, сопротивление разрыву, удлинение, сужение.

Пределом пропорциональности называется наибольшее напряжение, до которого деформация прямо пропорционально нагрузке

                                                         ,                                                          (1)

где  – нагрузка, соответствующая линейному участку машинной диаграммы,             

      – исходная площадь поперечного сечения образца.

Пределом упругости называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % (иногда 0,005 %) от расчетной длины образца.

                                                     ,                                                           (2)

где  – нагрузка, соответствующая точки р, находящейся в непосредственной близости от точки е (рис. 1.1).

Физическим пределом текучести называется напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки:

                                                                                                                     (3)

где  – нагрузка, соответствующая горизонтальному участку диаграммы напряжения.

Условным пределом текучести называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длинны образца:

                                                                                                                 (4)

Временным сопротивлением (или пределом прочности) называется отношение максимальной за время испытания нагрузки () к первоначальной площади поперечного сечения образца ():

                                                                                                                     (5)

Условным сопротивлением разрыву называется отношение нагрузки в момент разрушения  к первоначальной площади поперечного сечения образца:

                                                                                                                    (6)

Кроме условного сопротивления разрыву существует истинное сопротивление разрыву, которое определяется отношением нагрузки в момент разрушения к площади поперечного сечения в шейке образца после разрыва :

                                                                                                                    (7)

Единицей измерения прочности свойств в системе СИ является МПа=МН/м, в технической системе единиц – кГ/мм.

Относительным удлинением образца называется отношение приращения расчетной длины образца после разрыва () к первоначальной расчетной длине (), выраженное в процентах:

                                                     .                                                 (8)

Относительным сужением образца называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца к первоначальной площади, выраженное в процентах:

                                                           ,                                           (9)

где  – площадь поперечного сечения образца до и после разрыва, соответственно.

Поскольку для реальных поликристаллических материалов определение и  представляет значительные методические трудности из-за очень малых деформаций, соответствующим этим характеристикам, на практике ограничиваются измерением условного и физического пределов текучести, временного сопротивления и сопротивления разрыву.

1.3 Устройство и принцип работы универсального учебного комплекса для статических испытаний материалов КСИМ-40.

В состав комплекса входят: нагружающее устройство с приводом, датчиками усилия и перемещения траверсы; блок управления; схваты; соединительные кабели.

Нагружающее устройство (рис. 1.3) замкнутого типа с подвижной траверсой и нижней рабочей зоной. Станина 13 нагружающего устройства изготовлена из листовой стали. На станине установлены: неподвижная траверса 12, электродвигатель 15, перемещения траверсы, волновые редукторы 14, 24, шариковые винтовые передачи 9, 22, зубоременная передача со шкивами 16.

Для управления двигателем на кронштейне установлен тахогенератор, связанный с электродвигателем посредством пассика.

К гайкам винтовых передач прикреплена подвижная траверса 8. На траверсе установлен датчик силы 20, к которому через переходник крепится активный схват 21. Пассивный схват 10 через переходник 11 крепится к неподвижной траверсе 12.

 

Рисунок 1.3 – Общий вид комплекса КСИМ-40

Для повышения жесткости параллельно винтам установлены стойки 6 и 19. В верхней части нагружающего устройства установлена плита, скрепляющая винты и стойки. На плите установлен датчик перемещения 5, механически связанный с винтом шариковой винтовой передачи.

Разъемы для подключения к блоку управления расположены на задней стенке. Разъем для подключения датчика силы к блоку управления расположен на подвижной траверсе.

Для повышения жесткости в нижней части нагружающего устройства установлена плита 27.

Пульт 4 местного управления установлен на правой стенке. На пульте расположены “ВВЕРХ”, “ВНИЗ”, “СТОП”, “АВАРИЙНЫЙ СТОП” и одноименные светодиоды для индикации включения соответствующего режима.

Все элементы конструкции закрываются крышками 1, 2, 3. Для защиты от пыли шариковые винтовые передачи закрыты гофрированными кожухами. Нагружающее устройство установлено на стойках 17 с регулируемыми опорами, скрепленными между собой стяжкой 28.

Привод нагружающего устройства электромеханический, выполнен на базе электродвигателя постоянного тока с устройствами, обеспечивающими регулирование и стабилизацию скорости в заданном диапазоне.

Вращающий момент двигателя через ремни и шкивы передается на волновые редукторы и прецизионные шариковые винтовые передачи, преобразующие вращательное движение двигателя в поступательное движение траверсы.

Программные и аварийные концевые выключатели 18, 23, 25, 26 предназначены для остановки траверсы при достижении верхнего и нижнего пределов движения. При этом аварийные концевые выключатели срабатывают при отказе срабатывания программных концевых выключателей.

Таблица 1.1 – Результаты испытаний образцов на прочность при растяжении           

Образцы

Исходные размеры образцов

Конечные размеры образцов

, %

, %

,

МПа

Материал 1

Материал 2

Материал 3

1.4 Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Общие сведения о механических свойствах.  

3. Способы определения характеристик механических свойств.       

4. Таблица проведенных испытаний.

5. Диаграмма растяжения.

6. Выводы.

Контрольные вопросы:

1. Что называется пределами пропорциональности, упругости, текучести, временным сопротивлением и сопротивлением разрыву?

2. Какие свойства называются пластическими, что они характеризуют?

3. Какие признаки положены в основу классификации механических свойств?

4. Опишите устройство и принцип работы комплекса для статических испытаний КСИМ-40.

5. В каких единицах измеряется прочность и пластические свойства материалов?

 Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Жуковец Н.И. Механические свойства металлов. – М.: Высшая школа, 1986. – 312 с.

4. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Механические свойства материалов». Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И., Атамбаев Ж.Н., КарГТУ, 2005 г.

Контрольные задания для СРС [1, 2, 12]

1. Диаграмма растяжения.

2. Характерные точки на диаграмме растяжения.

3. Образцы и машины для испытаний на растяжение.

4. Методика проведения испытаний на растяжение.

5. Работа пластической деформации при растяжении.

Лабораторная работа № 2 Механические свойства металлических материалов при сжатии

Порядок выполнения работы:

1. Проверить работу привода, для чего следует нажать кнопку “ВВЕРХ”. Привод должен заработать, индикатор перемещения будет показывать ход траверсы. Нажатием кнопки “+” увеличить скорость до максимальной, затем нажатием кнопки “-” уменьшить скорость до минимальной, затем нажать кнопку “СТОП”. Обратить внимание на автоматическую остановку привода до достижения крайних положений траверсы.

2. Установить предельное усилие для данного опыта, для чего кнопками установки “+” или “-” выбрать нужное значение.

3. Поместить образец в захваты, проверить надежность их защелкивания.

4. Обнулить показания индикатора перемещения, нажав кнопку “СБРОС”, затем установить необходимую скорость перемещения траверсы.

5. Включить режим перемещения траверсы кнопкой “ВНИЗ”.

6. Извлечь деформированный образец из захвата КСИМ-40.

7. Сохранить полученные диаграммы сжатия на компьютере.

8. Проделать те же операции для образцов из других материалов. Зарисовать полученные диаграммы сжатия, результаты испытаний занести в таблицу 2.1.

Цель работы: ознакомиться с особенностями механических испытаний при сжатии и изучить особенности поведения металлов при сжатии.

2.1 Испытания на сжатие

Испытания на сжатие (ГОСТ 8817-73) дают представление о пригодности материалов к холодной или горячей деформации. Они проводятся по схеме одноосного сжатия и характеризуются большим значением коэффициента мягкости () по сравнению с растяжением (). Поэтому испытания на сжатие применяются для оценки механических свойств относительно хрупких материалов, в частности чугун, силуминов, керамик, интерметаллидов.

При малых деформациях сжатие можно рассматривать как растяжение с обратным знаком, поэтому расчет характеристик механических свойств проводится аналогичным образом, только в место удлинения и сужения используются укорочение ε и уширение φ:

                                                        (10)

где  и  – исходная и конечная высота образца соответственно.

                                                       (11)

где ,  – площадь  поперечного  сечения  образца  до  и  после  осадки соответственно.

При больших деформациях характеристики прочностных свойств, определяемые при сжатии и растяжении, могут отличаться друг от друга в несколько раз. Это связано с наличием трения по опорным поверхностям образца, образец приобретает бочкообразную форму, а схема напряженного состояния становится неоднородной (рис. 2.1), хотя на практике этот момент при расчете механических свойств, как правило, не учитывается. Для уменьшения сил трения используются разнообразные смазки и изготавливаются образцы специальной формы (рис. 2.2).

Рисунок 2.1 – Схема испытания образцов на сжатие

Методика определения прочностных свойств по диаграммам сжатия полностью идентична методике, используемой при растяжении. Соотношение между высотой образца и его диаметром для сталей равняется 2:1, для цветных металлов 1,5:1 (h=2d или h=1,5d). Испытания на осадку применяются для выявления поверхностных дефектов в образцах, а также газовых пузырей, трещин или надрывов, поскольку при сжатии они раскатываются и легко обнаруживаются.

Рисунок 2.2 – Формы образцов

Таблица 2.1 – Результаты испытаний образцов на прочность при сжатии

Образец

мм

мм

мм

мм

HRC

%

%

мм

мм

HRC

%

%

Материал 1

Материал 2

Материал 3

2.4 Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Общие сведения об испытаниях на сжатие.

3. Определение характеристик прочности и пластичности при сжатии.

4. Таблица проведенных испытаний.

5. Диаграмма сжатия.

6. Вывод.

Контрольные вопросы:

1. Чем отличаются испытания на сжатие от испытаний на растяжение?

2. При каких условиях сжатие можно рассматривать как растяжение с обратным знаком?

3. Почему возникает бочкообразная форма образцов?

4. Что делают для уменьшения сил трения при испытаниях на сжатие?

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Жуковец Н.И. Механические свойства металлов. – М.: Высшая школа, 1986. – 312 с.

4. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Механические свойства материалов». Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И., Атамбаев Ж.Н., КарГТУ, 2005 г.

Контрольные задания для СРС [1, 2, 12]

1. Диаграмма сжатия.

2. Характерные точки на диаграмме сжатия.

3. Образцы и машины для испытаний на сжатие.

4. Методика проведения испытаний на сжатие.

5.Схемы разрушения образцов при сжатии.

6. Истинное напряжение при сжатии.

Лабораторная работа № 3 Ударная вязкость материала

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с правилами техники безопасности при работе с маятниковым копром.

2. Изучить устройство и принцип работы копра.

3. Измерить параметры образца – длину и площадь поперечного сечения в месте надреза.

4. Поднять маятник на угол 1500 и закрепить его защелкой.

5. Установить образец на опоры шаблона, надрезом в сторону, противоположную удару.

  1.  Установить стрелку в нулевое положение шкалы и нажать кнопку “Пуск”.

7. По шкале определить величину работы удара.

8. Результаты испытаний занести в таблицу 3.1.

Цель работы: ознакомиться с методикой проведения динамических испытаний, приобрести навыки определения механических свойств при ударном нагружении.

         3.1 Общие сведения

Среди многочисленных методов ударных испытаний наиболее широкое практическое применение нашел метод испытания на ударный изгиб с измерением величины ударной вязкости. Эта характеристика механических свойств играет огромную роль при оценке служебных свойств конструкционных, а также инструментальных сталей.

В процессе эксплуатации деталей могут возникнуть внешние факторы, под воздействием которых материал становится хрупким:

1. увеличение скорости деформирования (возникновение ударных нагрузок);

 2. понижение температуры;

 3. возникновение двухосного и трехосного напряженных состояний;

4. образование  концентраторов  напряжений  –  надрезов,  раковин трещин и т. д.

Склонность стали к хрупкому разрушению, возрастает также при повышенном содержании фосфора,  концентрирующегося по границам зерен, при крупнозернистой структуре, при наличии карбидов по границам зерен, полосчатости, т. е. под влиянием целого ряда внутренних, структурных факторов.

Определение ударной вязкости при динамических испытаниях на ударный изгиб является основным практическим методом оценки склонности стали к хрупкому разрушению, которое, в отличие от вязкого, происходит без заметной пластической деформации и развивается катастрофически быстро.

         Охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска называется отпускной хрупкостью. Понижение ударной вязкости при этом вызвано повышением температуры перехода в хрупкое состояние. Наблюдаются два вида отпускной хрупкости. Отпускная хрупкость первого рода (необратимая) и отпускная хрупкость второго рода (обратимая), определяемые путем испытаний на ударный изгиб при комнатной температуре.

         Ударная вязкость в зависимости от температуры отпуска меняется немонотонно (рис. 3.1).

                     

                      

                    

Рисунок 3.1 – Зависимость ударной вязкости стали от температуры отпуска

Сталь, отпущенная в интервале температур порядка 300…350 0С, имеет минимальную ударную вязкость. Отпускная хрупкость первого рода проявляется у большинства сталей независимо от их состава и скорости охлаждения. Считают, что это явление обусловлено выделениями частиц типа цементита по границам зерен, которые при дальнейшем повышении температуры вновь растворяются. При этом менее прочные приграничные участки становятся концентраторами напряжений, т. е. хрупкое состояние обусловлено возникновением объемно-напряженного состояния, получающегося при неоднородном распаде мартенсита. Сталь в состоянии необратимой отпускной хрупкости имеет блестящий межкристаллитный излом.

         Хрупкость первого рода устраняется нагревом стали выше 400 0С, снижающим твердость.

         Хрупкость второго рода наблюдается в легированных сталях при охлаждении в печи или на воздухе после отпуска в интервале температур 500…550 0С или при слишком длительной выдержке в этом температурном интервале.          

         В стали в состоянии отпускной хрупкости второго рода уменьшается работа зарождения и особенно распространения трещины.

         При быстром охлаждении в воде этот вид хрупкости не возникает, излом стали – волокнистый, характерный для вязкого состояния. После медленного охлаждения с температуры 500…650 0С  сталь имеет хрупкий кристаллический излом. Хрупкость второго рода можно устранить повторным отпуском при 600…650 0 С с последующим обратным быстрым охлаждением.

        Хрупкость второго рода часто встречается в сталях, содержащих повышенное количество Р и Аs или Mn, Si, Сr или при одновременном введении в сталь Cr и Ni (или Mn).

         Появление отпускной хрупкости второго рода наиболее вероятно связано с диффузией растворенных атомов некоторых элементов и насыщением поверхностных слоев зерна этими элементами без выделения избыточных мелкодисперсных фаз (карбидов, фосфидов и т. д.). Особенно большое влияние оказывает обогащение пограничных зон фосфором, снижающим работу образования межзеренных трещин, вызывающих развитие отпускной хрупкости.

         Ударной вязкостью АН называется величина работы, затраченная на деформацию ударным изгибом надрезанного образца, отнесенная к поперечному сечению F в месте надреза. С помощью испытаний на ударный изгиб выявляются такие дефекты как синеломкость, хладноломкость, обратимая и необратимая отпускная хрупкость и т. п.

         Ударные испытания выявляют такие различия между материалами, которые не отражаются при обычных (статических) испытаниях гладких образцов. Например, значения предела прочности мало отличаются для мелкозернистого железа (36,5 кгс/мм2) и крупнозернистого железа (34,5 кгс/мм2), тогда как в значениях ударной вязкости имеется существенное различие: 13,1 кгс×м/см2 и 2,6 кгс×м/см2, соответственно.

        Одно из важнейших достоинств ударных испытаний как метода оценки состояния металла – повышенная чувствительность. Так, например, колебания механических свойств около среднего значения для осевой стали  (0,35 % С) составляют 99 % для АН, 15 % для σb, 8,8 % для δ и 5,7 % для ψ.

На величине ударной вязкости часто сказывается и способ выплавки стали: электросталь имеет наибольшую, бессемеровская – наименьшую, мартеновская – промежуточную величину ударной вязкости.

        Ударная вязкость в значительной мере отражает состояние поверхности образца, т. к. распределение деформации в образце неравномерно и часто бывает сосредоточенно, в основном, в поверхностных слоях. Наличие твердых поверхностных слоев понижает ударную вязкость, а мягкие поверхностные слои повышают ее. Например, если надрезы на стальном образце, предназначенном для испытания на ударный изгиб, сделаны до термической обработки, то даже небольшое обезуглероживание поверхности, приводящее к образованию мягкого и пластичного феррита, может повысить ударную вязкость вдвое.

         Поэтому при ударных испытаниях предписывается изготовлять надрез на ударных образцах (ГОСТ 9454-78) после их термической обработки.

         Наряду с определением ударной вязкости  значение имеет вид излома ударных образцов. В изломе не допускается крупнозернистость, шлаковины, расслоения и другие дефекты.

         Наиболее простым из методов практического массового контроля является метод ударных испытаний  при 20 0 С на маятниковых копрах.

         Однако широкое применение нашли испытания при пониженных температурах, разработанные  Н.Н. Давиденковым, так называемые “сериальные испытания”.

         При проведении таких испытаний делается серия опытов на ударный изгиб при постепенно понижающейся температуре до перехода металла в хрупкое состояние, причем температура резкого уменьшения ударной вязкости служит мерой качества металла. Чем ниже эта температура – “критическая температура хрупкости” – тем выше сопротивление металла хрупкому разрушению.

        Охлаждающими смесями могут быть: сухая углекислота, дающая температуру -70 0С, жидкий воздух дает -183 0С, жидкий азот позволяет получить температуру -195 0С, жидкий водород, дающий -252 0С.

         Применение “сериальных испытаний” целесообразно только для типично хладноломких материалов с ОЦК-решеткой (Fe-α, Zn и сплавы на их основе), которые дают резкий переход в хрупкое состояние. Многие легированные стали, особенно содержащие Ni, при понижении температуры дают постепенное понижение вязкости и поэтому для них определение даже “критического интервала хрупкости” становится затруднительным. Некоторые сплавы, например Al+4 % Mg, остаются вязкими и разрушаются путем среза даже при жестких условиях (при одновременном действии удара, надреза и низкой температуры), поэтому для таких материалов применение ударных испытаний как сериальных, так и при 200 C нецелесообразно.

        Нецелесообразно применять ударные испытания и для чугунов, литых алюминиевых и магниевых сплавов, т. к. сопротивление отрыву этих материалов достигается уже при статических нагрузках.

        Таким образом, испытания на ударный изгиб являются одним из наиболее чувствительных методов контроля, чутко реагирующих на небольшие изменения состояния металла.

        Ударные испытания являются ценным, а иногда необходимым дополнением к статическим испытаниям гладких образцов, главным образом для низко- и среднеуглеродистых сталей.

        Для определения ударной вязкости применяют образцы специальной формы. Основной тип образца показан на рис. 3.2.

Испытания образцов на ударный изгиб проводятся на маятниковых копрах типа МК (МК-5, МК-15, МК-30 и др.), изготовляемых по ГОСТ 10708-63. Разрушение осуществляется маятником, свободно качающимся на горизонтальной оси, укрепленной в шарикоподшипниках на стойках копра.

         Образец устанавливают на нижних опорах копра симметрично относительно опор и так, чтобы надрез был обращен в сторону, противоположную направлению удара (рис. 3.3).

Испытания на ударную вязкость или ударный изгиб (КС)  проводятся для оценки надежности и работоспособности материалов в условиях динамического нагружения и их склонности к хрупкому разрушению, которые, в свою очередь, зависят от скорости изменения нагрузки и “мягкости” напряженного состояния. Поскольку вязкость (в том числе ударная) является интегральной характеристикой, зависящей одновременно от прочности и пластичности, то она более резко реагирует на изменения структурного состояния материалов, чем другие свойства, что особенно ярко проявляется при пониженных температурах.

                             

    

Рисунок 3.2 – Форма и размеры образца для испытаний на ударную вязкость

                                                                            

Рисунок 3.3 – Схема расположения образца на опорах копра

При динамических испытаниях не соблюдается принцип подобия, поэтому они жестко унифицированы как по параметрам образцов, так и по условиям проведения экспериментов (ГОСТ 9454-78). Их проводят на маятниковых копрах (рис. 3.4) с использованием стандартных образцов с разной формой надрезов – U, V, T, копер состоит из тяжелого маятника, свободно качающегося на его оси, и специального шаблона, обеспечивающего установку надреза строго в середине пролета ножа маятника между опорами. При этом удар маятника производится со стороны, противоположной надрезу.

Согласно ГОСТ 9454-78 в качестве основного используется образец с U-образным надрезом, но в отдельных случаях применяются также образцы и с другой формой надрезов. V-образный выполняется с углом при вершине 450 и радиусом закругления 0,25 мм, а роль T-образного надреза играет созданная на специальном приборе усталостная трещина. В соответствии с этим при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза – KCU, KCV, KCT.                                                                                                   

Параметром KCV оценивается пригодность материалов для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности. Параметр KCT характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Он учитывается при выборе металлов и сплавов для конструкций особо  ответственного назначения (летательные аппараты, роторы турбин и т. п.)

                                       

Рисунок 3.4 – Схема ударного изгиба на маятниковом копре

3.2 Методика определения ударной вязкости

Разрушение образца осуществляется за счет потенциальной энергии падающего маятника при отключении его из положения равновесия на угол α или высоту Н (рис. 3.4). Общий запас энергии расходуется на изгиб и разрушение образца, а также последующий взлет маятника на высоту h, соответствующую углу отклонения β. Величина работы, затраченная на излом образца К, определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара:

                                                 ,                                                (12)

где Р – вес маятника,

     Н – первоначальная высота подъема маятника,

     h – высота взлета маятника после удара.

Вес маятника измеряется в ньютонах или килограммах, высота в метрах.

Если длина маятника L, то

                                          ,  .                                   (13)

Отсюда

                                        ,                                           (14)

где P и L для данного копра – величины постоянные.

Углы α и β определяются по шкале прибора, однако на практике для каждого угла β величина работы определяется по специальным таблицам или шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника α фиксирован. Обычно он равен 1500.

Зная полную работу излома и разрушения К, можно рассчитать основную характеристику динамических испытаний – ударную вязкость аН. Ударная вязкость – это работа, израсходованная на ударный излом образца, отнесенная к площади его поперечного сечения в месте надреза:

                                                    аН =,                                                      (15)

где F – площадь сечения в месте надреза, см2.

Таблица 3.1 – Результаты испытаний образцов на ударную вязкость

Материал

Размеры образца

F, см2

K, Дж

аН, Дж/м2

а, см

b, см

Стандартная размерность  ударной вязкости МДж/м2 или МДж/см2. Ударные испытания, как и статические, проводятся при отрицательных и повышенных температурах. Диаграмма деформации обычно не записывается т.к. это связано с большими экспериментальными трудностями, поскольку время испытания исчисляется долями секунды.

Контрольные вопросы:

1. В каких случаях проводятся испытания на ударную вязкость?

2. Какие существуют методы определения работы удара?

3. Что такое ударная вязкость, и в каких единицах она измеряется?

4. В чем состоит принцип работы маятникового копра?

5. Для каких целей используются параметры KCV и KCT?

6. Какие материалы подвергаются испытаниям на ударную вязкость?

7. В чем сходство и различие статических и динамических испытаний?

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Жуковец Н.И. Механические свойства металлов. – М.: Высшая школа, 1986. – 312 с.

4. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Механические свойства материалов». Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И., Атамбаев Ж.Н., КарГТУ, 2005 г.

Контрольные задания для СРС [1, 2, 12]

1.Особенности пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении.

2. Температурный запас вязкости.

3. Полная работа при динамических испытаниях.

4. Схема напряжения, возникающая в образце при динамических испытаниях.

5.Оборудование для испытаний на ударную вязкость.

 Лабораторная работа № 4 Испытания металлов на твердость

Порядок выполнения работы на приборе Бринелля:

1. Изучить устройство и принцип работы твердомера ТБ 5004.

2. Ознакомиться  с  образцами  для испытания (размер зерен, черные, цветные металлы, толщина образцов, и др.) и подготовить их для испытания.

3. Выбрать по таблице 4.1 диаметр шарика, величину нагрузки и время нагружения.

4. Снять  оправку со шпинделя и установить необходимый индентор.

5. С помощью наборов грузов подобрать требуемую нагрузку.

6. На опорный столик установить испытуемый образец так, чтобы центр отпечатка располагался от края образца на расстоянии не меньше 2,5d.

7. С помощью маховика подвести образец до касания с индентором (должен включится тормоз).

8. Нажав кнопку “пуск”, произвести нагружение.

9. По истечении установленного времени нагружения нажать кнопку “стоп”.

         10. С помощью маховика отвести столик с образцом от индентора.

         11. Операции по п. п.6-11 повторить не менее трех раз на каждом образце.

         12. Измерить диаметры отпечатков в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью измерительной лупы.

13. Рассчитать НВ по формуле (20).  

Результаты испытаний занести в таблицу 4.2.

Порядок работы на приборе Роквелла:

Порядок работы на приборе следующий:

1. Установить соответствующий индентор и выбрать необходимую нагрузку.

  1.  Поместить образец на столик и вращением маховика вдавить индентор в образец предварительной нагрузкой, при этом малая стрелка индикатора должна стать против красной точки, а большая – на нуль черной шкалы (А, С) индикатора или на 30 красной шкалы (В).

3. Нажать пусковую педаль  и произвести нагружение основной нагрузкой в течение 3…6 секунд.

4. Опустить пусковую педаль и снять основную нагрузку через 1…3 секунды после остановки большой стрелки.

5. Считать число твердости  с точностью до половины цены деления шкалы.

6. Повторить испытания не менее 3…5 раз, выдерживая расстояние между отпечатками не менее 3 мм.

Результаты измерений занести в таблицу 4.4.

Цель работы: освоить принципы работы твердомеров типа ТВ 5004 (Бринелль) и ТК (Роквелл) и приобрести навыки определения твердости материалов по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

4.1 Общие положения

Твердостью называется свойство материала оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела (индентора), не испытующего остаточной деформации. Измерение твердости является одним из самых распространенных и доступных методов механических испытаний, который широко используется в исследовательских целях и как средство (способ) контроля качества свойств материалов в производстве. В отличие от других испытания на твердость очень разнообразны и отличаются друг от друга по форме используемого индентора, условиям приложения нагрузки, способам расчета величины твердости, временем нагружения и т. д. В зависимости от этих факторов твердость может характеризовать упругие и упруго-пластические свойства, сопротивление малым или большим деформациям, а также разрушению. Общим моментом для них является приложение нагрузки при контакте индентора и испытуемого материала.

Оценивается твердость так называемыми числами твердости, размерность которых определяется принципом измерения. Числа твердости являются вторичными, производными характеристиками механических свойств, зависящими от первичных, основных – модуля упругости, временного сопротивления и др., от продолжительности действия нагрузки, от способа испытаний и вычисления твердости. Поэтому сравнимые результаты, даже в пределах одного метода, получаются при строгой регламентации процедуры испытаний, которая часто определяется стандартом.

В настоящее время существует около 30 разновидностей испытаний на твердость, но наибольшее распространение получили три из них – это методы измерения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, а также метод измерения микротвердости. Во всех случаях контакт осуществляется вдавливанием индентора определенной формы и размера со степенью деформации 30…40 %. При этом реализуется состояние всестороннего неравномерного сжатия с коэффициентом “мягкости” >2, что позволяет производить оценку твердости практически любых, в том числе и очень хрупких материалов.

В качестве механической характеристики величина твердости служит основой для выбора допустимых напряжений в расчетах на контактную прочность. Она также служит для косвенного суждения с определенной точностью о других характеристиках материала – пределе текучести, временном сопротивлении, склонности к ползучести и др. Испытания на твердость менее сложны и не дорогостоящи: они позволяют определять механические свойства и в небольших объемах, допускают текущий контроль изделий в процессе производства и эксплуатации, не влияют на их работоспособность и, что особенно ценно, относятся к неразрушающим методам механических испытаний.

4.2 Требования к образцам для измерения твердости

1. Поверхность образца должна быть плоской т. к. на выпуклой поверхности индентор вдавливается в материал на большую глубину, чем па плоской.

  1.  Поверхность образца должна быть горизонтальной, и не иметь каких – либо дефектов (окалина, выбоины, грубые царапины, посторонние покрытия). Чем меньше глубина вдавливания, тем выше требования к чистоте поверхности.
  2.  При подготовке образца недопустим разогрев или наклеп поверхностных слоев  при шлифовании или полировке.

4.3 Требования к режиму нагружения

1. Нагрузку необходимо прикладывать плавно, чтобы исключить возникновение динамических эффектов, что особенно важно при измерении микротвердости.

  1.  Время выдержки под нагрузкой не должно превышать определенной величины, чтобы избежать проявления эффектов ползучести.

3. Минимальная толщина образца должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, чтобы исключить продавливание образца насквозь.

4. Расстояние до краев образца и между соседними отпечатками должно быть таким, чтобы не допустить влияния краевых эффектов и пластически деформированных зон вокруг отпечатков друг друга.

5. Величина нагрузки должна быть такой, чтобы размер отпечатка превышал размер элементов структуры материала – зерен, колоний, включений фаз и др. (кроме микротвердости).

4.4 Определение твердости по Бринеллю

Измерение твердости по методу Бринелля осуществляется на твердомере типа ТВ 5004 в соответствии с ГОСТом 23677-79. В качестве индентора применяются шарики диаметром 2,5; 5,0 и 10 мм, изготовленные из термически обработанной высокоуглеродистой стали с чистотой поверхности по двенадцатому классу (ГОСТ 2789-73). Выбор диаметра шарика, нагрузки и времени нагружения производится по таблице 4.1.

Показателем твердости является число твердости по Бринеллю, обозначаемое НВ и представляющее собой отношение  усилия Р к площади поверхности шарового сегмента F:

                                                            ,                                                     (16)

                                                          ,                                                   (17)

где h – глубина отпечатка, мм,  

     D – диаметр шарика, мм.

                                                       ,                                           (18)

              

где d – диаметр отпечатка, мм.

Отсюда

                                           .                                      (19)

Тогда число твердости НВ рассчитывается по формуле:

                                                 .                                    (20)

Твердость по Бринеллю выражается в кГ/мм, но по стандарту размерность обычно не записывается. В то же время с системе СИ она указывается – МПа. Верхний предел измерения твердости этим методом составляет НВ 450, так как при испытании более твердых материалов происходит деформация шарика, превышающая стандартизированный допуск.

Сопоставимые результаты на одном образце при использовании шариков разного диаметра получаются при постоянных отношениях  и , т. к.  это обеспечивает выполнение условий подобия деформаций. На практике отношение  поддерживается в пределах 0,2…0,6, а  в зависимости от твердости материалов равно 30 (при НВ>130), и 2,5 (НВ<35).

4.5 Устройство и принцип работы прибора Бринелля

На рис. 4.1 приведена принципиальная схема твердомера ТБ 5004.

Основными частями прибора являются:

1. Шпиндель 6, в который вставляются сменные инденторы с шариками разного диаметра.

2. Подвеска 18 с набором грузов.

3. Маховик 1, перемещающий опорный столик 5 с образцом в вертикальном направлении.

4. Система рычагов 12, 15, 17-19, передающих нагрузку на испытуемый образец.

 

         

Рисунок 4.1 –  Схема прибора для определения твердости по Бринеллю

 5. Электродвигатель 21, обеспечивающий работу прибора.

6. Пульт управления с переключателями режима работы, сигнальными лампами “контроль”, “выдержка”, “сеть”, реле времени.

7. Кнопки “пуск” и “стоп”.

Таблица 4.1 – Определение твердости различных материалов методом

                      Бринелля

Материал

Интервал чисел твердости по Бринеллю, НВ

Толщина испытуемого образца, мм

Диаметр шарика, мм

Нагрузка, кН

Выдержка под нагрузкой, с

Черные металлы

130…450

От 6 до 3 вкл.

10

29420

От 10

до 15

От 4 до 2 вкл.

5

7355

Менее 2

2,5

1839

140 и менее

Более 6

10

9807

От 6 до 3 вкл.

5

2452

Цветные металлы и сплавы (медь, латунь, бронза и т.д.)

130 и более

От 6 до 3 вкл.

10

29420

От 10

до 180

От 4 до 2 вкл.

5

7355

Менее 2

2,5

1839

35…130

От 9 до 3 вкл.

10

9807

От 6 до 3 вкл.

5

2452

Цветные металлы и сплавы (алюминий, подшипниковые сплавы и т.д.)

8…35

Более 6

10

2452

Олово, свинец

4…20

Более 6

10

981

Алюминий, магний и их сплавы

16…100

От 6,4 до 1 вкл.

10

4903

1226

Титан губчатый

ГОСТ 9853.8-79

10

14710

30

Таблица 4.2 – Результаты испытаний образцов на твердость

№ пп

Материал

Условия испытания

Диаметр отпечатка, мм

Твердость, НВ

нагрузка

диаметр шарика

время нагружения

d

d

d

по формуле

по Виккерсу

4.6 Определение твердости по Роквеллу

Метод Роквелла был предложен в 1920 г. и в настоящее время получил самое широкое распространение. Это объясняется, во-первых, упрощенной процедурой определения  твердости, когда число твердости  считывается непосредственно со шкалы прибора, а во-вторых, его универсальностью – с его помощью можно испытывать массивные и тонкие образцы из твердых и мягких материалов. В качестве индентора используется алмазный конус с углом при вершине 1200 и радиусом закругления 0,2 мм и стальной шарик диаметром 1,5875 мм (1/16 дюйма). Процесс нагружения осуществляется под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной  =98 Н (10кГс) и общей Р1.

                                                    .                                                       (21)

 

Предварительная  нагрузка подается вручную и не снимается до конца испытаний, что обеспечивает повышенную точность измерений, т. к. исключается влияние вибраций и поверхностного слоя.

Число твердости по Роквеллу (НR) измеряется в условных единицах и является мерой глубины вдавливания индентора под определенной нагрузкой считанное по индикатору прибора. Перемещение основной стрелки индикатора на одно деление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм. Это число и принимается за единицу твердости. При измерении алмазным конусом используются шкалы А и С, имеющие 100 делений, а твердость вычисляется по формуле:

                                          НRА или .                                         (22)

В случае шкалы  А: =10 кГс, =50 кГс, Р=60 кГс, шкалы =10 кГс, =140 кГс, Р=150 кГс.

При измерении стальным шариком используется шкала В, имеющая 130 делений, твердость вычисляется по формуле:

                                                    .                                              (23)

В этом случае Р0=10 кГс, Р1=90 кГс, Р=100кГс. Шкала В применяется для измерения твердости не закаленной стали, бронзы, латуней и других нетвердых материалов. Для твердых – например, закаленные стали, используется шкала С, вдавливание осуществляется  алмазным конусом под нагрузкой 1470 Н (150 кГс). Испытания очень твердых материалов и тонких поверхностных слоев также осуществляется алмазным конусом, но по шкале А под нагрузкой 588 Н (60 кГс). К достоинствам метода относится простота определения твердости, высокая производительность, возможность полной автоматизации процедуры испытаний. К недостаткам – многошкальность, отсутствие геометрического подобия отпечатков, условность и безразмерность величины  НR,  сравнительно низкая чувствительность. Все эти факторы делают метод Роквелла лишь средством быстрого упрощенного технического контроля.  

4.7 Устройство прибора Роквелла

На рис. 4.2 приведена принципиальная схема твердомера Роквелла. Основными его частями являются: поперечина 1, подвеска 2, шток амортизатора 3, рычаг 4, рукоятка 5, винт 6, крышка 7, рычажок 8, призма 9,  шпиндель 10 с закрепленным на его конце индентором, маховик 11 для перемещения образца, шпонка 12, направляющая втулка 13, станина 14, грузы 15, стойка 16, подъемный винт 17, масляный амортизатор 18, пружина 19, индикатор с двумя шкалами – черной (С) и красной (В). При этом с большой стрелкой индикатора всегда совмещается нуль черной шкалы, и ни в коем случае – красной. Барабан для точной установки шкалы индикатора на нуль, электромотор, обеспечивающий работу прибора.

Перевод значений твердости HR в НВ провести по таблице 4.3.

Рисунок 4.2 –  Прибор для измерения твердости по Роквеллу

Таблица 4.4 – Результаты измерений твердости по Роквеллу

Материал

Условия испытания

Измерения

Среднее значение

НВ (перевод)

нагрузка, Н

вид индентора

шкала

I

II

III

4.8 Определение твердости по Виккерсу (ГОСТ 2999-59)

Испытание твердости по Виккерсу производится путем вдавливания четырехгранной алмазной пирамиды c углом при вершине α=1360. В зависимости от твердости и толщины металла применяют нагрузки 1, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100 и 120 кгс. Поверхность образца должна быть отполирована. Твердость определяется, как и при способе Бринелля, делением нагрузки Р на площадь поверхности отпечатка с диагональю d:

                                    HV===1,8544.                                (24)

Числа твердости по Бринеллю и по Виккерсу имеют одинаковую размерность (кгс/мм) и до НВ 350…400 их величины совпадают между собой. При НВ больше 400 твердость по Бриннелю оказывается заниженной. Для получения точных результатов при измерении твердости по Виккерсу необходимо строго соблюдать следующие условия:

  1.  отношение толщины образца к диагонали отпечатка должно быть не менее 1,5;
  2.  отношение глубины отпечатка к его диагоналям – 1/7;
  3.  расстояние между центром и краем образца, а также краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 диагоналей отпечатка;
  4.  испытания проводить на тщательно отшлифованной или полированной поверхности.

На приборе Виккерса можно измерять твердость образцов толщиной до 0,3…0,5 мм или поверхностных слоев толщиной до 0,03…0,05 мм. Однако следует учитывать, что при небольшой нагрузке (1 кгс) отпечаток пирамиды может быть недостаточно отчетливым. Поэтому при измерении твердости очень тонких поверхностных слоев, например, цианированного слоя толщиной 0,04…0,06 мм, лучше применять нагрузку 5 кгс, а для измерения твердости азотированного слоя стали толщиной до 0,05 мм – нагрузку 5 или 10 кгс. При обозначении твердости по Виккерсу указывают величину применяемой нагрузки:

Таблица 4.3 – Перевод чисел твердости

Твердость по Роквеллу

Твердость по Виккерсу

Твердость по Бринеллю, НВ

Твердость по Роквеллу по шкале В

Твердость по Бринеллю, НВ

По шкале С

По шкале А

70

86,5

1076

-

100

240

69

86,0

1004

-

99

234

68

85,5

942

-

98

228

67

85,0

894

-

97

222

66

84,5

854

-

96

216

65

84,0

820

-

95

210

64

83,5

789

-

94

205

63

83,0

763

-

93

200

62

82,5

739

-

92

195

61

81,5

715

-

91

190

60

81,0

695

-

90

185

59

80,5

675

-

89

180

58

80,0

655

-

88

176

57

79,5

636

-

87

172

56

79,0

617

-

86

169

55

78,5

598

-

85

165

54

78,0

580

-

84

162

53

77,5

562

-

83

159

52

77,0

545

-

82

156

51

76,5

528

-

81

153

50

76,0

513

-

80

150

49

75,5

498

-

79

147

48

74,5

485

-

78

144

47

74,0

471

448

77

141

46

73,5

458

437

76

139

45

73,0

446

425

75

137

44

72,5

435

415

74

135

42

71,5

413

393

72

130

40

70,5

393

372

70

125

38

-

373

352

68

121

36

-

353

332

66

117

34

-

334

313

64

114

32

-

317

297

62

110

30

-

301

283

60

107

28

-

285

270

26

-

271

260

24

-

257

250

22

-

246

240

20

-

236

230

НV5, НV10 и т. д. При испытании твердых и других слоев (азотированного, цианированного) около углов отпечатка иногда появляются трещины, по виду которых можно судить о хрупкости исследуемого слоя.

Несмотря на преимущество метода Виккерса, дающего возможность измерять как мягкие, так и твердые материалы различной толщины, измерение твердости занимает много времени и требует тщательной подготовки поверхности. Указанный недостаток препятствует широкому применению данного метода в условиях массового контроля.  

 4.9 Содержание отчета

1. Цель работы.

  1.  Основные положения.
  2.  Краткие характеристики методов Бринелля, Роквелла и Виккерса.
  3.  Способы определения твердости НВ, HV и HR.
  4.  Таблицы с полученными результатами.
  5.  Вывод по работе.

Контрольные вопросы:

1. Что называется твердостью?

  1.  К каким методам относятся испытания на твердость?
  2.  В каких единицах измеряется твердость по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу?
  3.  В чем состоят достоинства и недостатки обоих методов?
  4.  Как определяется твердость по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу?
  5.  Почему используются разные инденторы?
  6.  Для чего применяется предварительное нагружение в методе Роквелла?
  7.  Как работает индикатор твердомера Роквелла?

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Жуковец Н.И. Механические свойства металлов. – М.: Высшая школа, 1986. – 312 с.

4. Колмаков А.Г. Методы измерения твердости. – М.: Интермет Инжиниринг, 2000. – 412 с.

5. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Механические свойства материалов». Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И., Атамбаев Ж.Н., КарГТУ, 2005 г.

Контрольные задания для СРС [1, 2, 6, 12]

1.Физический смысл твердости материалов.

2. Схема напряженного состояния в зоне деформации при определении твердости.

3. Диаграмм пластического вдавливания шарового индентора.

4. Схема прибора для определения твердости по Бринеллю.

5. Схема прибора для определения твердости по Виккерсу.

6. Схема прибора для определения твердости по Роквеллу.

Лабораторная работа № 5 Определение твердости с помощью твердомера МЕТ-Д1

Порядок проведения работы:

Произвести несколько измерений в различных шкалах твердомера МЕТ-Д1. Внести полученные результаты в архив прибора. С помощью МЕТ-Д1 провести обработку результатов. Полученные данные записать в таблицу 5.1.

Цель работы: изучить устройство прибора МЕТ-Д1 и приобрести навыки определения твердости различными шкалами прибора МЕТ-Д1.

5.1 Устройство твердомера МЕТ-Д1

Твердомер представляет собой портативный прибор, состоящий из электронного блока и динамического датчика.

А. Датчик,  включающий  в  себя  ударный  механизм,  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, где преобразуются в числа твердости выбранной шкалы и индицируются на дисплее.    

Б. Электронный блок твердомера встроен в пластмассовый корпус. На лицевой стороне корпуса расположены жидкокристаллический индикатор – ЖКИ (дисплей) и четыре функциональных клавиши. На верхней стороне корпуса расположены разъемы датчика и внешнего питания (зарядного устройства). Батарейный отсек находится на обратной стороне прибора. Аккумулятор устанавливается в отсеке согласно обозначенной полярности. Прибор может также питаться от сети 220В 50Гц через сетевой блок питания, одновременно подзаряжающий аккумулятор.

В. Функциональная схема твердомера, поясняющая принцип действия, приведена на рис. 5.1.    

Схема питания твердомера содержит аккумулятор (1), преобразователь-стабилизатор напряжения (2) и супервизор первичного питания (3). Процессорная секция состоит из микроконтроллера (4), буфера интерфейса RS232 (5) и энергонезависимой памяти (ЕЕPROM) (6). Модуль индикации и клавиатуры содержит графический матричный ЖКИ (7) и четырехкнопочную клавиатуру (8). Модуль датчика (9) состоит из корпуса, индентора и ряда вспомогательных элементов. К аккумулятору (1) может быть подключен сетевой блок питания (10).

Г. Программное  обеспечение  микроконтроллера  состоит  из измерительной части, интерфейсных  и обрабатывающей программ. Измерительная часть вместе с интерфейсной программой написана на языке “Ассемблер-51”. Она находится в ЕЕРRОМ микропроцессора 89С55.

 

                              

Рисунок 5.1 – Схема функциональная твердомера МЕТ-Д1

Дисплей индицирует три типа надписей: служебные, подсказки и числа. Служебные надписи и символы позволяют индицировать текущий режим работы твердомера, подсказки (мигающие надписи и звуковой сигнал) – помогают выбрать следующий режим работы, числа – показывают значения параметров.

Д. Схема работы твердомера представляет собой трехуровневое меню, на каждом уровне которого возможен выбор режимов работы или параметров (рис. 5.2).

5.2 Принцип работы твердомера МЕТ-Д1

При включении твердомера оператор выбирает рабочую шкалу, режим работы и приступает к измерениям. Четыре клавиши позволяют оператору проходить по уровням меню вверх-вниз и вправо-влево. На верхнем уровне меню появляется мигающая надпись “ШКАЛА: ХХХ”, где ХХХ – выбираемая шкала (НRС, НВ, НV, НSD, Rm, Н1, Н2, Н3).

По шкале Rm определяется предел прочности по ГОСТ 22761-77 для малоуглеродистых сталей перлитного класса. В отличие от остальных шкал, шкалы Н1, Н2, Н3 не калибруются изготовителем на серийных приборах. Они предусмотрены для измерений по другим шкалам твердости, а также на чугунах, алюминиевых, медных сплавах и других материалах, существенно отличающихся от сталей по свойствам, что требует калибровки твердомера на специальных образцах, поставляемых потребителем.

Клавишами ← “влево” и → “вправо” выбирают необходимую шкалу. Клавишей ↓ “вниз” оператор переходит на следующий уровень меню, где выбирается режим работы твердомера: “калибровка”, “измерение” или “обработка”. Выбор режима осуществляется клавишами ← “влево” и “вправо” →.

Переход к выбранному рабочему режиму – клавишей ↓ “вниз”. Возврат на уровень выше производится нажатием клавиши ↑ “вверх”.

Подготовка к работе прибора происходит следующим образом:

1. Включение питания твердомера осуществляется длительным (более 2 с) нажатием клавиши ↓ “вниз”. При этом включается режим работы, в котором твердомер работал до отключения, и по всему полю дисплея появляются символы, соответствующие этому режиму. Выключение питания производится автоматически при отсутствии активности клавиатуры и датчика. Также прибор автоматически выключается при разряженном аккумуляторе.

2. Включение и выключение подсветки дисплея осуществляется нажатием клавиши ↑ “вверх” на уровне управления “Выбор шкалы”. Уровень управления “Выбор шкалы” достигается двойным нажатием клавиши ↑ “вверх” из любого рабочего режима. При этом на дисплее появляется мигающая надпись “шкала”.

Порядок работы прибора следующий:   

Выйдите на уровень управления “выбор шкалы”. Клавишей ← “влево” или → “вправо” выберите шкалу, на которой будут производиться измерения. Нажатием клавиши ↓ “вниз” войдите на уровень управления “выбор режима”. На дисплее появится мигающая надпись “измерение”. Двойным нажатием клавиши ↓ “вниз” зафиксируйте режим измерений. Символ датчика на дисплее начнет мигать, что означает приглашение к измерениям.

    

 

Рисунок 5.2 – Схема работы твердомера МЕТ-Д1

Взведите пружину и установите датчик на деталь, твердость которой измеряется, и плавно нажмите на спусковую кнопку.

Одновременно с началом звукового сигнала в центральной части дисплея крупными цифрами отражается измеренное число твердости, слева – обозначение шкалы, под ним – текущий номер измерения. На темном поле внизу индицируется выбранный режим измерений и текущий номер ячейки архива, в который, при необходимости, можно записать измеренное значение твердости (рис. 5.3).

После звукового сигнала твердомер готов к новому измерению.

Рисунок 5.3 – Экран твердомера при выборе шкалы измерения

Следует обратить внимание на символ батарейки в правой части дисплея. Затемненная часть символа батарейки определяет степень заряженности автономного источника питания.

5.3 Режимы измерений твердомера МЕТ-Д1

Возможны следующие варианты работы с твердомером в режиме измерений: измерение без запоминания результатов; просмотр данных, содержащихся в архиве; измерения с записью каждого одиночного результата в архив; измерения с записью в архив усредненного значения по группе измерений.

а) Измерения без запоминания результатов.

Проведите измерения в соответствии с предыдущим пун