Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е
Рис. 4.29. Схема определения предела длительной прочности
Помимо предела длительной прочности, в этих испытаниях оценивают характеристики пластичности - относительное удлинение и сужение. Часто деформация фиксируется и в процессе испытания. В результате может быть построена полная кривая ползучести, а по ней определена величина относительного удлинения к концу стадии установившейся ползучести. Эту величину считают характеристикой запаса длительной пластичности материала, она обычно значительно меньше конечного удлинения на стадии разрушения.
При высокотемпературных испытаниях на длительную прочность, когда образцы доводят до разрушения, каждый из них последовательно проходит все три стадии ползучести и величина предела длительной прочности определяется поведением материала на всех стадиях, в том числе на стадии разрушения. Факторы, препятствующие развитию пор и трещин, способствуют повышению предела длительной прочности. Та-
201
ким образом, предел длительной прочности характеризует способность материала противостоять разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения.
4.11. Испытания на релаксацию напряжений
Релаксацией называют самопроизвольное уменьшение напряжений в материале при неизменном значении величины его общей деформации. Это вызвано переходом упругой деформации в пластическую.
При испытаниях на релаксацию оценивают уменьшение макронапряжений во всем образце. Типичным примером детали, работающей в условиях релаксации напряжений, является болт фланцевого соединения. Плотность этого соединения определяется усилием натяга болта, который создается вследствие упругой деформации болта. С течением времени натяг болта (уровень напряжений) ослабевает, так как часть упругой деформации переходит в пластическую.
Испытания на релаксацию проводят по схемам растяжения, изгиба и кручения.
Широкое распространение получил метод И. А. Одинга, где релаксация оценивается на кольцевых образцах, расчетная часть которых ВЛВ (рис. 4.30) имеет равное сопротивление изгибу. Напряжение в образце создается установкой клина К в прорезь СС. Утолщенные части образца ВС и ВС в релаксации не участвуют. Они только передают усилие от клина к расчетной части кольца. Величина создаваемых там напряжений определяется толщиной клина t. Она больше ширины прорези, поэтому общая начальная деформация eo=t-а, а начальное напряжение в наружных волокнах расчетной части o=Eae0, где Е - модуль нормальной упругости; А – коэффициент, связанный с перемещением утолщенных концов кольца в процессе деформации, равный 0,000583 мм.
202
Рис. 4.30. Кольцевой образец для испытания на релаксацию напряжений
После выдержки образца в печи при заданной температуре в течение определенного времени его вынимают, охлаждают, удаляют клин из прорези и измеряют ширину СС, которая теперь меньше а. Величина остаточного напряжения 0 а ост = ЕА е, где е - разница между получаемой после испытания деформацией и e0. После этого рассчитывают величину релаксации напряжений = 0 - ост. По результатам измеренийв функции времени выдержки образца в печи строят кривую релаксации. В качестве характеристики релаксационной стойкости принимают величину падения напряжения за заданное время (200—3000ч).
4.12. Методы измерения твердости
Под твердостью понимается свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформа-
203
ции или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размера. В разных методах и при различных условиях проведения испытания числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление малым или большим пластическим деформациям, сопротивление материала разрушению.
По широте применения испытания на твердость, особенно при комнатной температуре, конкурируют с наиболее распространенными испытаниями на статическое растяжение. Это объясняется простотой, высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, возможностью оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоев на малой площади, легко устанавливаемой связью результатов определения твердости с данными других испытаний.
Способы определения твердости делят на статические и динамические - в зависимости от скорости приложения нагрузки, а по способу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Наиболее распространены методы, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца.
Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности полно характеризовать материал, твердость которого необходимо определить. Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, вмятины, грубые риски и т. д.) должны быть удалены. Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от применяемого индентора и величины прилагаемой нагрузки. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем выше требуется чистота поверхности и тем более строго нужно следить, чтобы свойства поверхностного слоя не изменились вследствие наклепа или разогрева при шлифовании и полировке.
Нагрузка прилагается по оси вдавливаемого индентора перпендикулярно к испытуемой поверхности. Для соблюдения
204
этого условия плоскость испытуемой поверхности образца должна быть строго параллельна опорной поверхности. Неплоские образцы крепят на специальных опорных столиках, входящих в комплект твердомеров.
Определяя твердость всеми методами (кроме микротвердости), измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих. Поэтому получающийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть по размеру значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих (диаметр или длина диагонали отпечатков при измерении твердости меняется от 0,1-0,2 до нескольких миллиметров). Неизбежные различия в структуре разных участков образца приводят к разбросу значений твердости, который тем больше, чем меньше размер отпечатка.
4.12.1. Твердость по Бринеллю
При стандартном измерении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D вдавливают в испытуемый образец под приложенной определенное время нагрузкой Р; после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося на поверхности образца отпечатка.
Диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопротивление материала образца деформации, производимой индентором. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть отношение нагрузки Р, действующей на шаровой индентор диаметром D, к площади F шаровой поверхности отпечатка:
НВ = P/F = P |
D D D2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
d |
2 |
|
(4.18) |
|
. |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
При определении твердости по Бринеллю шариком с D = 10 мм под нагрузкой Р = 30 кН и времени выдержки = 10 с число твердости записывают так: НВ 400, НВ 250, или НВ = 30000 МПа. При использовании других условий испытания
205