Методы испытаний для определения свойств материалов

Рассмотрим несколько обычных методов испытаний, применяемых для определения свойств материалов, используемых в технике.

1. Испытание на изгиб

Изгиб — это результат испытания образца, когда в образце возникают растягивающие и сжимающие напряжения. На изгиб испытываются материалы с малой пластичностью: чугуны, стали инструментальные, стали после поверхностного упрочнения, керамики. Используют 2 схемы нагружения сосредоточенной силой.

Образец помещают на 2 опоры — нагрузка дается по центру. 2-я схема — двумя симметричными силами (испытание на чистый изгиб), каждая составляет 1/2 общей нагрузки симметрично на полусумме расстояний от центра до каждой опоры. Характеристиками, которые определяют, служат предел прочности при изгибе и угол изгиба (см. Рис. 1).

2. Испытание на ползучесть

Для металлов, исключая очень мягкие, подобные свинцу, при нормальных температурах испытаниями на ползучесть пренебрегают. Но они становятся важными при повышенных температурах. По этой причине испытания на ползучесть проводят в основном при высоких температурах. На Рис. 1 схематически показан такой вид испытания. Температура образца поддерживается постоянной с помощью управляющего устройства, имеющего термодатчик, присоединенный к образцу. Удлинение образца измеряется в зависимости от времени. Испытания могут продолжаться довольно долго. Для полимерных материалов ползучесть, как правило, весьма значительна и при нормальных температурах.

Результаты испытания на ползучесть могут быть представлены графиком деформации в зависимости от времени при определенном напряжении до разрыва образца в какой-то момент времени или, в частности для полимерных материалов, изохронным графиком напряжение — деформация, или характеристикой модуля ползучести.

Рис. 1. Испытание материала на ползучесть

3. Испытание на усталость

Различные виды испытания на усталость имитируют изменения напряжений, которым подвергаются материалы различных деталей, когда они находятся в эксплуатации. Изгибочно-нагрузочная машина, например, применяется для изгибания образца относительно точки опоры поочередно в двух направлениях (Рис. 2а), тогда как машина для испытания на усталость при скручивании свивает его поочередно в одном направлении и затем в противоположном (Рис. 2б). Третий тип машины используется для проведения чередующихся операций растяжения и сжатия при прямом напряжении на образец (Рис. 2в). Испытания могут проводиться с механическим напряжением, которое периодически изменяется от нуля в положительном и отрицательном направлениях (Рис. 2г), повторяется от нуля до максимального значения (Рис. 2д) или изменяется в обоих направлениях около некоторой величины, не достигая нуля за все время испытания (Рис. 2е). Цель испытания: подвергнуть материал типичному напряжению, при котором он будет эксплуатироваться.

Результаты испытания на усталость могут быть выражены в виде графика S/N, характеристикой предельной усталости или пределом долговечности для N циклов.

Рис. 2. Испытание на усталость

4. Прокаливаемость

Прокаливаемость измеряется при реакции стандартного образца для испытания на стандартное испытание, называемое испытанием Джомени. Оно включает в себя нагрев стального образца до состояния аустенизации, выдержку в вертикальном положении и закалку его нижнего конца с помощью струи воды (Рис. 3). Это метод закалки при различных скоростях охлаждения по длине образца. Когда образец охлажден после закалки, плоскую часть его вдоль одной стороны шлифуют на глубину около 0.4 мм и проводят измерения твердости по длине образца.

Рис. 3. Испытание Джомени: а — образец для испытания; б — аппаратура для испытания.

Важным моментом испытания Джомени является не то, что измеряется твердость в разных точках по длине образца, а то, что твердость определяется при различных скоростях охлаждения, так как каждой точке по длине образца соответствует своя скорость охлаждения (Рис. 4). Если скорости охлаждения известны в точках как на поверхности, так и внутри образца стали, то результаты испытания Джомени могут быть использованы для индикации твердости в этих точках.

Рис. 4. Скорости охлаждения на различных расстояниях от закаливаемого конца образца для испытания Джомени

5. Измерение твердости

Большинство обычных методов измерения твердости металлов включает стандартный индентор, вдавливаемый в поверхность материала. Измерения, связанные с углублением на поверхности, принимают как измерения твердости материалов, особенно металлов. Испытания Бринелля, Виккерса и Роквелла являются наиболее серьезными.

В испытании Бринелля твердость определяют надавливанием стального шара с заданной силой в течение 10.15 с на поверхность материала. Сняв нагрузку и отведя шар от образца, измеряют диаметр углубления. Число твердости Бринелля, обычно указываемое как НВ, получается при делении величины прикладываемой силы на площадь сферического углубления. Эта площадь может быть вычислена или взята из Таблицац, в которых она дана в зависимости от диаметра шара и диаметра углубления:

Размерность площади дается в мм², а силы — в кгс (1 кгс = 9.8 Н). Диаметр D применяемого шара и величина прикладываемой силы F, связанные соотношением F/D², дают значения 1, 5, 10 или 30; диаметры шаров бывают 1, 2, 5 или 10 мм. В принципе равным значениям F/D² будут соответствовать равные значения твердости независимо от диаметра применяемого шара.

Испытание Бринелля не может применяться к очень мягким или очень твердым материалам. В первом случае размер углубления будет равен диаметру шара, а во втором — углубления либо не будет, либо оно будет настолько малым, что невозможно будет провести на нем измерения. Если измерения не были эффективны при толщине испытуемого образца, то толщина материалов, подвергающихся испытанию, должна быть по крайней мере в десять раз больше углубления.

В испытании Виккерса употребляется алмазный резец, который прижимается к поверхности материала на время от 10 до 15 с. В результате образуется отпечаток квадратной формы. После снятия нагрузки и отвода резца от поверхности материала измеряются диагонали углубления для определения площади поверхности отпечатка. Число твердости по Виккерсу, указываемое как HV, получается при делении величины прикладываемой силы на площадь поверхности углубления. Площадь поверхности может быть рассчитана. Предполагается, что углубление имеет форму правильной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине 136°. Это угол вершины алмазного резца. При желании можно пользоваться Таблицацами отношения размеров диагоналей к площади.

Испытание Виккерса¹ более точно по сравнению с испытанием Бринелля, так как диагонали квадрата измеряются с меньшей ошибкой, чем диаметр круга. С другой стороны, его применение имеет некоторые ограничения по сравнению с испытанием Бринелля.

В испытании Роквелла в качестве индентора употребляется алмазный конус или закаленный стальной шар. При контакте с поверхностью материала прикладывается сила давления индентора в 90.8 Н. Затем добавляется дополнительная сила и происходит увеличение проникновения индентора в глубь материала. После этого дополнительная сила снимается и уменьшается глубина проникновения индентора из-за не совсем пластической деформации материала. Определяется разность между конечной глубиной проникновения индентора в материал и глубиной до приложения дополнительной силы. Это остаточное увеличение в проникновении (е) индентора обусловлено дополнительной силой:

твердость = Е — е ,

где Е — константа, определяемая по форме индентора. Для конусного алмазного индентора Е = 100, для стального шара Е = 130.

Шкалы Роквелла даются для определенного индентора и прикладываемой дополнительной силы. В Таблица 1 приведены шкалы и типы используемых материалов, с которыми проводится испытание Роквелла. Что касается результатов испытания Роквелла, обозначаемых как HR, то шкала помечает их буквами при оценке. Шкалы В и С, как правило, применяются для металлов.

Таблица 1. Шкалы Роквелла и типичные применения

¹ Применяется для измерения твердости очень твердых материалов. (Прим.)

Для большинства обычных инденторов в испытании Роквелла размер проникновения лучше иметь малым. Это локализует изменение структуры, так как состав может влиять на результаты испытания. Однако в отличие от испытаний Бринелля и Виккерса здесь не требуются полированные поверхности для точных измерений.

Стандартное испытание Роквелла не может применяться к тонколистовому материалу. Тем не менее существует вариант этого испытания, известный как испытание поверхностной твердости Роквелла. Чем больше прикладываемая сила и глубина проникновения, определенная более чувствительным прибором, тем меньше может быть воздействие индентора на материал. При этом взамен начальной силы в 90.8 Н применяется сила в 29.4 Н. В Таблица 2 перечислены шкалы для этих испытаний.

Таблица 2. Шкалы Роквелла для испытания поверхностной твердости тонколистового материала

Испытания Бринелля, Виккерса и Роквелла могут применяться к полимерным материалам. Испытание Роквелла предпочтительнее, так как измерение проникновения в глубь материала удобнее, чем проникновения по площади поверхностности, и оно употребляется более широко. Шкала R является наиболее часто используемой шкалой.

Дюрометр Шора для измерения твердости полимеров и эластомеров дает значения твердости по числовой шкале Шора. Для шкалы А усеченный конус индентора придавливается к поверхности материала при нагрузке в 0.8 Н. Измеряется глубина проникновения индентора. Это может быть сделано немедленно при приложенной нагрузке, а затем при нагрузке, изменяющейся во времени. Для шкалы D применяется индентор с круглым кончиком конуса, нагрузка 44.5 Н.

В испытании Мооса твердость оценивается по сопротивлению материала царапанью. За эталоны шкалы Мооса приняты 10 сортов минералов: каждый может царапать предшествующий ему в шкале материал, но не будет царапать следующий за ним.

Материалы: 1 — тальк; 2 — гипс; 3 — кальциевый шпат; 4 — флюорит; 5 — апатит; 6 — полевой шпат; 7 — кварц; 8 — топаз; 9 — корунд; 10 — алмаз.

Твердость материала по Моосу при испытании на единицу меньше номера того минерала, который царапал его.

На Рис. 5 показан основной диапазон значений твердости по Виккерсу, Бринеллю, Роквеллу и Моосу. Это приблизительная связь между значениями твердости и пределами прочности на растяжение. Так, для отожженных сталей предел прочности на растяжение в МПа (МН·м^-2) примерно равен 3.54 значения твердости по Бринеллю, а для закаленных и отпущенных сталей — 3.24. Для латуни коэффициент примерно равен 5.6, а для алюминиевых сплавов около 4.2.

Рис. 5. Шкалы твердости и ее типичные значения

Таблица перевода твердости HRC, HRA, HRB, HB, HV, HSD (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и Шору)

6. Испытание на удар

Есть два основных вида испытаний на удар: Изода и Шарпи. Оба испытания включают похожие типы измерений, но различные по форме образцы. Оба имеют маятник, движущийся вниз от определенной высоты до удара по образцу (Рис. 6). Высота, до которой маятник поднимается после поражения и перелома образца, определяет измеряемую энергию, израсходованную на разрушение. Если энергия не использована, то маятник откачнется на ту же самую высоту, которая была у него до старта. Чем больше энергии затрачено на перелом образца, тем ниже высота, до которой поднимется маятник. Американские и британские технические условия требуют применения стандартных образцов для испытания.

Рис. 6. Принцип действия испытания на удар

В испытании Изода измеряется энергия, поглощенная консолью при переломе образца для испытания (Рис. 7). Удар производится по лицевой стороне образца на фиксированной высоте. На этой же стороне ниже сделана зарубка. Образцы для испытания из металлов по британским стандартам имеют в сечении квадрат со стороной 10 мм или круг ø 11.4 мм. На Рис. 8 детально показан образец для испытания с квадратным сечением в 10 мм. Для полимерных материалов стандартные образцы для испытания имеют квадрат со стороной 12.7 мм (Рис. 9) или от 6.4 до 12.7 мм в зависимости от толщины испытуемого материала. Металлические образцы для испытания маятник поражает со скоростью 3.4 м·с^-1, полимерные материалы — со скоростью 2.44 м·с^-1.

Рис. 7. Схема испытания образца по Изоду

Рис. 8. Стандартный металлический образец для испытания по Изоду

Рис. 9. Стандартный полимерный образец для испытания по Изоду

В испытании Шарпи измеряется энергия, поглощенная бруском при переломе образца для испытания (Рис. 10).

Рис. 10. Форма образца для испытания по Шарпи

Образец опирается на оба конца и имеет зарубку в середине. Зарубка нанесена на его лицевой стороне непосредственно напротив места, в которое попадает маятник. Британский стандарт предписывает для испытания металлов образец квадратного сечения со стороной 10 мм и длиной 55 мм. На Рис. 11 показаны детали такого стандартного образца и три возможные формы зарубок.

Рис. 11. Стандартный металлический образец для испытания по Шарпи

Нельзя сравнивать результаты, полученные с разными формами зарубок, так как для адекватного сравнения результатов испытаний на металлах должна применяться зарубка одного типа. Образцы для испытания полимерных материалов используют с зарубками и без них. В случае отлитых в форму полимерных материалов стандартный образец имеет длину 120 мм, ширину 15 мм и толщину 10 мм. С тонкостенными полимерными материалами применяются образцы другой ширины и толщины. Зарубка наносится вальцовкой желобка поперек одной поверхности. Желобок имеет ширину 2 мм и радиус меньше 0.2 мм при вершинах основания и стенках желобка. Металлические образцы для испытания маятник поражает со скоростью 3…5.5 м·с^-1, образцы из полимерных материалов — 2.9…3.8 м·с^-1.

Результаты испытания на удар определяются не только характеристикой типа испытания, т.е. Изода или Шарпи, но и формой применяемой зарубки. В случае металлов результаты испытания выражают в количестве энергии, поглощенной образцом при переломе. Для полимерных материалов результаты испытания часто указывают в виде поглощенной энергии, деленной на площадь поперечного сечения образца позади зарубки, если она у него имеется.

7. Испытание на растяжение

При испытании на растяжение, когда растяжение производится силой, достаточной для вытягивания с постоянной скоростью образца стандартных размеров, удлинение образца измеряется прибором для измерения удлинения — экстензометром. Следует применять образцы стандартного вида и размеров, для того чтобы исключить какие-либо погрешности в данных, полученных при испытании, обусловленные различными конфигурациями образцов для испытания. На Рис. 12 показаны формы двух образцов для испытания: круглый (а) и плоский (б), которые применяются в испытаниях на растяжение по американскому стандарту. Размеры таких стандартных образцов даны в Таблица 3. Эти формы применимы ко всем металлам, кроме отливок из литейного чугуна. Важным отличительным признаком размеров является радиус r, задаваемый для буртиков образца. Отклонения в радиусе могут влиять на данные, полученные при испытании.

Рис. 12. Образцы для испытания на растяжение

Таблица 3. Размеры образцов для испытания на растяжение по американскому стандарту

Примечание: Длина L₀ = 4 d.

По европейским стандартам пропорциональные образцы для испытания на растяжение подчиняются соотношению

где S₀ — площадь поперечного сечения образца. Поперечное сечение может быть круглым, квадратным, прямоугольным, кольцеобразным или иной формы. Коэффициент k равен 5.65. Если площадь поперечного сечения мала, то может применяться более высокое значение k = 11.3. Для непропорциональных образцов при испытаниях листового материала употребляется узкая полоска или плоская толщиной от 0.1 до 0.3 мм:

Таблица 4. Размеры образцов для испытания по европейскому стандарту

При испытаниях тонколистового и полосового проката с толщиной, равной 3 мм или более, используются следующие соотношения:

для образцов круглого сечения

для образцов призматического сечения

для пропорциональных образцов для испытания

Эти формулы дают для образцов круглого сечения L₀ = 5d.

Данные для таких образцов см. в Таблица 5, 6.

Таблица 5. Размеры круглых образцов для испытания по европейскому стандарту

Примечание: L_t > L_c = 2d.

Таблица 6. Скорость напряжения для образцов для испытания по европейскому стандарту