книги / Справочник по производственному контролю в машиностроении

Механические испытания металлов

821

Статические испытания на кручение

Испытанию (по ГОСТ 3565—58) подвергается нормальный образец 0 10 мм и расчетной длиной 100 и 50 мм, имеющий головки, форма и размер которых определяются способом крепления в захватах испыта­ тельной машины. Разрешается испытывать образцы и изделия с разме­ рами, пропорциональными нормальным, а также трубчатые и другой формы и размеров, что необходимо отражать в записи результатов испы­ таний.

На рабочей поверхности образца, параллельно его продольной оси, должна быть нанесена тонкая прямая линия с отметкой на ней расчет­ ной длины.

Шероховатость поверхности стального образца с временным со­ противлением. менее 160 кгс/мм2 и цветных металлов должна быть не ниже V 7 по ГОСТ 2789—59 \ а при испытании стали с а в, большим чем 160 кгс/мм2, не ниже у 9 .

Для определения модуля сдвига, предела пропорциональности, предела упругости и предела текучести применяется зеркальный прибор Мартенса (для кручения) или другие типы тензометров с такой же степенью точности, а также электрические тензодатчики.

Условный предел прочности при кручении тпч, при котором круглый образец разрушается, определяется по формуле

Мк	16AfK
Тпч ~ W P ~	пф 9

где М к — наибольший момент кручения, предшествующий разрушению; Wp — полярный момент сопротивления; d — диаметр образца.

Относительный сдвиг при кручении у вычисляется по формуле

		V -	100%.
где фх и ф2 — угловые показатели на концах расчетной длины					в рад
(ф1 ?> Фг» так как Ф1		находится у активной головки образца); d — диа­
метр рабочей	части	образца; / — расчетная длина		образца.	наи­
Истинный	предел прочности при		кручении тк	представляет

большее касательное напряжение, вычисленное по наибольшему скру­ чивающему моменту, предшествовавшему разрушению образца; с уче­

том пластической деформации		определяется но формуле
	4	/ ОЛ. , л dM\
Тк ^	ш* ' ( 3уИк+0 d0 ) ’
где d — диаметр образца;	Мк — наибольший крутящий момент, пред­

шествовавший разрушению образца; 0 — удельный угол закручивания

при разрушении образца в рад на 1 мм ^0 — ——		\	— вели­
чина,	определяемая графически.1
1	Перевод V 7 в численное значение R Q или R и новые обозначения шеро­

ховатости см. в главе двенадцатой,

822 Контроль механических свойств металлов и пластмасс

Испытания на ударную вязкость

ГОСТ 9454—60 предусматривает основной образец типа 1 для испы­ тания на ударную вязкость (рис, 14.6). Кроме этого образца, при наличии технических обоснований, по соглашению сторон, допускается при­ менение образца типов II, III, IV и V.

		55*0,5			Ю*0.1
				r*—
Тип. I	н и 0 1			Щ				р
	\		Р\____	1
	2 л IL			cS
	27,5*0,42	i	'
			-1	OQ	10* 0.1
				I
			i	I Г ----- ^
ТипЛ .	RUOJ			ш.	'	i	b	r
	.
	27,5*0,42			&
				l D~0'l
ТипШ	R1*0f07 1			t	i H
			—
			-x	СГ^
	27.5i0.42			^
				<l0 i 4
				v s/y /T /f 00.25*0,025
				Щ		.
							45*2
				5*Of

Рис. 14.6

Образец, свободно установленный на опоры копра (энергией не более 30 кгс-м), подвергается разрушению со стороны, противополож­ ной месту надреза, за один удар тяжелого маятника.

Механические испытания металлов	823
Поглощенная при разрушении образца работа	А н определяется

по шкале, градуированной в кгс*м или по углу взлета маятника, и вычисляется по формуле

А н — PI (cos Р — cos а),

где Р — масса маятника копра в кгс; I — длина маятника (расстояние от его оси до центра тяжести) в м; а — угол первоначального подъема маятника (угол зарядки); fi — угол подъема маятника после излома образца (угол излета).

Удельная ударная вязкость ан вычисляется по формуле

где А п — работа, затраченная на излом образца; F — площадь попереч­ ного сечения образца в месте надреза до испытания в см2.

Величина А н определяется с погрешностью 0,1 кге-м. Вычисле­ ние ан производится с округлением до 0,1 кгс-м/см2.

Определение ударной вязкости при повышенной и пониженной температурах регламентируется ГОСТ 9456—60 и ГОСТ 9455—60 соответственно.

Испытания на усталость (выносливость)

Для определения предела усталости (выносливости) из испытуе­ мого металла изготовляют специальные образцы в количестве 6—8 шт. Испытания осуществляются па специальных машинах, позволяющих производить (чаще всего) знакопеременные нагружения образца.

Наиболее распространенный вид испытания — изгиб	вращающегося
образца при симметричном цикле нагружения.'	называют наи­
П р е д е л о м у с т а л о с т и (выносливости)

большее напряжение, при котором образец не разрушается при задан­ ном числе перемен нагрузки (числе циклов). Предел усталости для стали определяют на базе 5— 10 млн. циклов (перемен). Для легких сплавов база испытания увеличивается до 20 млн. циклов.

Первый образец при испытании сталей нагружают до напряже­ ния 0,6ов, а легких сплавов до 0,4ав. Последующие образцы подвергают испытанию при напряжении на 2 и 4 кге/мм2 ниже или выше в зависи­ мости от числа циклов, вызвавших разрушение предыдущего образца. Разность между напряжениями двух последних образцов (разрушив­ шегося и перазрушившегося) не должна превышать 2 кге/мм2.

Результаты испытаний наносятся на диаграмму, причем по оси орди­ нат откладываются напряжения в кге/мм2, а по оси абсцисс — число циклов в обычной или логарифмической шкале. Предел усталости находят и точке перегиба логарифмической кривой диаграммы.

Использование перазрушившегося образца, прошедшего испыта­ ния, для нового испытания не допускается.

Предел усталости круглого гладкого образца о_г при симметричном цикле нагружений определяется по формуле

	_ М _ 32Р1
	0Г~1 ^	Гр “	псР ’
где Л4 — изгибающий момент		в опасном		сечении образца в кгс*мм;
Wp — полярный момент	сопротивления сечения образца в мм3; Р —
нагрузка, приложенная	к образцу,		в кгс;	I — плечо в мм; d — диа­
метр образца в мм.

824 Контроль механических свойств металлов и пластмасс

Существует ускоренный метод определения предела усталости, который заключается в "измерении температуры испытуемого образца при нарастающих напряжении и числе циклов. Полученные данные на­ носят на диаграмму в системе координат: температура — напряжение. Начало отклонения кривой от прямолинейного участка указывает на напряжение, соответствующее пределу усталости.

Для определения предела усталости применяются образцы, форма и размеры которых в зависимости от типа машины предусмотрены ГОСТ 2860—65.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Общие сведения

Под т в е р д о с т ь ю металла понимается сопротивление, ока зываемое металлом внедрению в поверхность другого, более твердого тела определенной формы и размеров.

Числовые значения, получаемые при определении твердости раз­ ными методами, можно сравнивать лишь приблизительно. Поэтому для получения сравнимых результатов при определении твердости при­ меняют стандартные наконечники, которые вдавливаются в испы­ туемый металл при определенных условиях проведения испытания.

Наиболее применимы стандартные методы определения твердости металла при статической нагрузке, т. е. плавно приложенном давлении.

Метод определения твердости стальным шариком (по Бринелю)

Метод заключается во вдавливании на глубину t стального закален­ ного шарика определенного диаметра в испытуемый образец под дейст-

*	вием заданной нагрузки в течение опре-
|Я	деленного времени (ГОСТ 9012—59).
	Число твердости НВ при этом ме­
	тоде определяется как среднее давле­
	ние, выраженное в кгс на 1 мм2 сфери­
	ческой поверхности отпечатка шарика

(рис. 14.7), и вычисляется по формуле

		Р	Р
	НВ = ~ Т = ШГ( ’
где Р — сила вдавливания в кгс, нор­
мальная	к	поверхности ЛВ и устано­
вленная	в	соответствии со стандартом;
F — площадь шаровой поверхности ab

отпечатка шарика в мм2. Окончательно твердость НВ может быть выражена следующей

формулой:

2Р

НВ ■

nD [D — V{D%— d2)]

где D — диаметр шарика в мм; Р — нагрузка на шарик в кгс; d — диа­ метр отпечатка в мм.

Определение твердости металлов

825

На практике пользуются специальными таблицами, приложенными к ГОСТ 9012—59, где подсчитаны значения НВ для отпечатков, имеющих различные диаметры и полученных при нормированных нагрузках, а также шариками различных диаметром. Указание на размерность НВ опускается.

	Испытание металлом твердостью выше ПИ 450 этим методом не
производится, так как результаты испытания сильно искажаются.
в	Диаметр шарика, нагрузка и время выдержки под нагрузкой
	зависимости от твердости и толщины испытуемого образца даны
в	табл. 14.1.

ТАБЛИ ЦА 14.1

Выбор диаметра шарика и нагрузки, продолжительности выдержки под нагрузкой в зависимости от твердости и толщины испытуемого образца

(по ГОСТ 9012 —59)

Материал

Черные

металлы

Цвети ые металлы

Интервал твер­ дости в числах Бринеля

140 — 450

<140

>130

35— 130

8— 35

Минимальная толщина испы­ туемого образца в мм

От 0 до 3

» 4 » 2

Менее 2

Более 6

От 6 до 3

Менее 3

От 6 до 3

» 4 » 2

Менее 2

От 9 до 3

» б » 3

Менее 3

Более 0

От G до 3

Менее 3

	Соотношение	м еж ду нагрузкой и диаметром шарика	Диаметр ш ари­ ка в мм	Нагрузка в кге
1 I		1
			10,0	3000
Р	=	30 D 2	5,0	750
			2,5	187,5
			10,0	1000
Р	=	10 £>2	5,0	250
			2,5	62,5
			10,0	3000
Р	=	30 D 2	5,0	750
			2,5	187,5
			10,0	1000
Р	=	10 D *	5,0	250
			2,5	62,5
		«2	10,0	250
1!			. 5,0	62,6
			2,5	15,6

Выдержка под нагрузкой в с

10

10

30

30

60

Основные правила производства испытаний. Нагрузка должна быть приложена в направлении, перпендикулярном плоскости испытуе­ мого образца.

Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоя­ нии не менее 2,5 диаметра шарика, а от центра соседнего отпечатка

82 G Контроль механических свойств металлов и пластмасс

на расстоянии не менее диаметра шарика; для металлов с НВ <^35 — на расстоянии соответственно 3 и б диаметров шарика.

Диаметр отпечатка измеряется в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяется как среднее арифметическое из двух измерений; разность измерений не должна превышать 2% от меньшего из них.

Диаметры получаемых при испытании отпечатков должны нахо­ диться в пределах между 0,2 и 0,6 диаметра шарика.

Метод определения твердости алмазным конусом (по Роквеллу)

Для определения твердости изделий из низкоотпущенной закален­ ной стали или твердых сплавов применяются конусные наконечники, изготовленные из алмаза (ГОСТ 9013—59). Алмазный конус с углом 120° имеет у вершины закругление радиусом р = 0,200 ± 0,005 мм.

Определение твердости производится вдавливанием в испытуемый образец алмазного конуса под действием двух последовательно при­ лагаемых нагрузок — предварительной в 10 кгс и общей в 60 или 150 кгс.

	Для испытания				твердости
мягких металлов по методу Рок­
велла вместо			алмазного конуса
применяется		стальной			закален­
ный	шарик	0	1,588		мм	(Vie").
Шарик вдавливается также под
действием двух				последовательно
прилагаемых			нагрузок — пред­
варительной			в	10	и	общей
в 100 кгс.				образец		сна­
Рис. 14.8	Испытуемый
чала	получает		предварительную

нагрузку, равную 10 кгс, в результате чего наконечник (конус или шарик) вдавливается в испытуемый материал на незначительную глу­ бину (рис. 14.8). Далее нагрузка увеличивается до величины Р, кото­ рая равна сумме предварительной Р 0 и основной Р х нагрузок.

Общая нагрузка Р равна 60 (шкала А), 100 (шкала В) или 150 (шкала С) кгс. Под действием общей нагрузки Р наконечник вдавли­ вается на глубину hx. Затем основная нагрузка (Рх) на испытуемый образец снимается, но остается предварительная (Р0). Глубина вдавли­ вания h характеризует твердость испытуемого материала.

В зависимости от общей нагрузки Р числа твердости по Рок­ веллу HR выражаются формулами:

при измерении по шкалам А и С

HR = 100 — а;

при измерении по шкале В

HR = 130 — е.

Величина е определяется по формуле

h - h o

~ 0,002 ’

Определение твердости металлов

827

где /?0 — глубина внедрения наконечника (конуса или шарика) в ис­ пытуемый образец под действием предварительной нагрузки Р(); h — глубина внедрения наконечника (конуса или шарика) в испытуемый образец под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р* с оставлением предварительной нагрузки Р 0 (h и Л0 в мм); 0,002 — величина (в мм), принятая за единицу осевого перемещения наконечника и условно за единицу твердости.

Циферблат индикатора имеет две шкалы; черную — для испытаний с алмазным наконечником и красную — для испытаний с шариковым наконечником. Нулевое деление черной шкалы соответствует началь­ ному положению стрелки, независимо от того, ведется ли испытание алмазом или шариком.

Число твердости обозначается через HR с добавлением соответ­ ственно шкалы Л, И, С, по которой производилось испытание; напри­

мер HRA — при испытании	алмазным конусом	с	нагрузкой СО кге;
HR8 -— при пст.иании шариком е нагрузкой		100	кге; НRC — при
испытании алмазным конусом	с HaipyaKoii 1ПО	кге.

Пределы измерения iгордости по указанным шкалам устанавли­ ваются следующие:

Обозн.а Ч О Н И Я

Ч нсло Шкала твердости

ВH R B

СH R C

АH R A

Пределы измерения в единицах твердо­ сти по Роквеллу

25— 100

20— 67

70 — 85

Соответствующие при­ ближенные значения чисел твердости, изме­ ренной алмазной пира­ мидой по Виккерсу

( H V )

60— 228

228— 900

390— 1170

Метод определения твердости алмазной пирамидой (по Виккерсу)

При испытании твердости металлов по этому методу (ГОСТ 2999—59) в испытуемый образец вдавливается правильная четырехгран­

ная пирамида		стандартного	размера, имеющая квадратное основание
и угол 136° ±		30' у вершины. Вдавливание производится под действием
нагрузки в 5,		10, 20, 30, 50,	100 кге. Иногда используют нестандартизо-
ванные,	незначительно меньшие нагрузки.
Измерив отпечаток алмазной пирамиды по длине диагоналей ква­
драта,	определяют число		твердости

2Р sin

HV 1,8544

d?~

где Р — величина нагрузки на пирамиду в кге; d — среднее арифмети­ ческое обеих диагоналей отпечатка в мм; а — угол между противо­ положными гранями пирамиды при вершине, равный 136°.

Полученное число твердости HV обозначается с индексами на­ грузки. Например, HV 10/30—500 означает число твердости (500),

828 Контроль механических свойств металлов и пластмасс

полученное при испытании нагрузкой Р — 10 кгс, приложенной в те­ чение 30 с.

Числа твердости HV практически совпадают с числами твер­ дости НВ по Бринелю до значений 450 кгс/мм2.

Метод применяется для испытания твердости как мягких, так и твердых металлов толщиной до десятых долей миллиметра.

Согласно ГОСТ 2999—59 толщина испытуемого образца должна быть не менее чем в 1,5 раза больше длины диагонали отпечатка для цвет­ ных металлов и в 1,2 раза для стальных изделий. На обратной стороне испытуемого образца после измерения твердости не должно быть за­ метно следов деформации.

Рекомендуется работать с нагрузками, при которых диагональ от­ печатка не менее 0,1 мм, так как иначе погрешность измерения резко возрастает.

При измерении твердости цементированных или других слоев ме­ талла нагрузка должна быть тем меньше, чем тоньше слой. Если толщина испытуемого слоя неизвестна, то рекомендуется произвести несколько измерений при различных нагрузках, например при Р — 10; 20; 30 и 50 кгс. Если основная масса (сердцевина) образца не влияет на ре­ зультаты измерений, то полученные при различных нагрузках твер дости совпадут или будут близки друг к другу.

Если числа твердости при возрастании нагрузки будут умень­ шаться или увеличиваться, необходимо применить меньшие нагрузки до тех пор, пока две смежные нагрузки не дадут совпадающих или близ­ ких друг к другу результатов.

Расстояние между центром отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длин диагонали отпе­ чатка.

Разность диагоналей одного отпечатка не должна превышать 2% от меньшей из них.

Определение микротвердости

При определении твердости мелких деталей, тонких металличе­ ских лент, проволоки, отдельных структурных составляющих сплавов, тонких поверхностных слоев, получаемых при азотировании или циани­ ровании, слоев гальваническихтокрытий и т. п. устанавливают твер­ дость небольших объемов, т. е. микротвердость (ГОСТ 9450—60). Для этого в испытуемый образец, установленный под микроскопом

(с увеличением до 500х), вдавливается алмазная пирамида с квадратным основанием. Нагрузка при вдавливании может колебаться в пределах 0,005—0,5 кгс. Число твердости определяется по той же формуле, что и при испытании твердости алмазной пирамидой по Виккерсу.

Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2d, а толщина испытуемого образца не менее 1,5d (d — длина диагоцали отпечатка). Расстояние от центра отпечатка до края сосед­ него отпечатка должйо быть не менее 2d.

Выбор нагрузки в случае однородного испытуемого материала про­ изводят исходя из длины диагонали отпечатка, которая должна быть не более двух третей длины образца или слоя.

Нагрузка в случае структурно неоднородного материала назна­ чается в зависимости от цели испытания. Если необходимо дать оценку средней твердости материала, то размер диагонали отпечатка должен

Технологические испытания

829

быть существенно большим, чем размеры структурных элементов. Правильно выбранная нагрузка будет давать в разных местах испыта­ ния материала, имеющего одинаковую степень неоднородности, одина­ ковые результаты.

Если целью испытания является оценка твердости отдельного структурного элемента, то размер диагонали отпечатка должен быть достаточно мал по сравнению с испытуемым кристаллитом.

Числа твердости, полученные при испытании с определенной на­ грузкой, сопровождаются символом Н с указанием в индексе величины

нагрузки в грамм-силах. Например: /7Г)0	- 220 кгс/мм“.
В приложении к ГОСТ 9450—60 приведены числа твердости, в за­
висимости от выбранных нагрузок.
3. ТЕХНОЛОГИИ ГСКИГ	ИСПЫТАНИЯ

Основные виды и'хнологичееких испытаний: испытание на загиб, на осадку, па расплющивание, па перегиб и па выдавливание.

И с п ы т а н и е на з а г и б осуществляют в соответствии с ГОСТ 14019-68 в холодном и горячем состояниях. Различают три вида загиба: загиб до определенного угла; загиб вокруг оправки до параллельности порой; загиб вплотную, т. е. до соприкосновения сторон образца вплотную. Тот или иной вид загиба оговаривается в тех­ нических условиях.

Для производства испытания на загиб применяются прессы, спе­ циальные машины, тиски с закругленными губками и т. п., причем обя­ зательным условием является плавность возрастания прилагаемой нагрузки.

Проба на незакаливаемость загибом производится в соответствии с ГОСТ 14019—68, а проба на свариваемость загибом — по ОСТ 1685. Признаком того, что образец выдержал испытания, является отсут­ ствие на нем после загиба трещин, надрывов, расслоений или излома.

И с п ы т а н и е н а о с а д к у (ГОСТ 8817—58) применяется при испытании прутков и проволоки, используемых для изготовления болтов, заклепок и других крепежных изделий. Испытание материала производится в холодном или горячем состоянии под прессом механи­ ческим или пневматическим методом, ручным молотком, а также ку­ валдой для образца диаметром 10 мм и менее. Для образцов алюминие­ вых сплавов осадка осуществляется только под прессом до V2 диаметра образца.

Рекомендуемые величины деформации для стальных образцов: 50, 65 и 75% . Относительную деформацию (х) в процентах определяют по формуле

где h п hi — высота до	и после осадки в	мм.
П р о б а н а р а с	п л ю щ и в а н и	с по ГОСТ 8818—58 при­

меняется для установления способности металла в холодном или го­ рячем состоянии расплющиваться без повреждений мод ударами молота при заданных условиях. Такому испытанию могут быть подвергнуты

полосовой, листовой и прутковый (заклепочный) материалы.	круглого
П р о б а н а п е р е г и б п р о в о л о к и и прутков
сечения (ГОСТ 1579—63) применяется для определения	качества

830 Контроль механических свойств металлов и пластмасс

металла по свойству образца выдерживать без повреждения заданное число повторных загибов попеременно в противоположные стороны. Этому испытанию подвергаются холоднотянутая и горячекатаная проволока (или прутки) 0 0,8—7 мм; длина образца берется равной 100—150 мм.

П р о б а н а в ы д а в л и в а н и е позволяет определять каче­ ство листового материала по его свойству выдерживать без трещин образование выпуклости специальным штампом при заданных условиях. По результатам испытания можно судить о пригодности материала для вытяжной штамповки.

Испытание на выдавливание заключается в том, что материал за­ кладывается между пуансоном и матрицей прибора и подвергается продавливанию до появления трещин на лунке, обнаруживаемых при по­ мощи зеркала. Глубина лунки или величина перемещения пуансона характеризует степень пригодности материала для штамповки.

Существуют также технологические пробы на раздачу труб (ГОСТ 8694— 58), бортование (ГОСТ 8693—58), сплющивание труб (ГОСТ 8695— 58), а также проба на навивание проволоки (ГОСТ 10447—63), проба на двойной кровельный замок (ГОСТ 13814—68) и др.

4.ИСПЫТАНИЯ ПРУЖИН

По воздействию внешних сил различают пружины, работающие при приложении статической или динамической нагрузки, или при прило­ жении циклической нагрузки той или иной частоты.

Важнейшее требование, предъявляемое к материалу пружин,— ' высокое значение предела упругости и сопротивление усталости, т. е. способность материала к сопротивлению циклическим напряжением.

Факторы, снижающие предел усталости (поверхностные дефекты, ржавление, воздействие поверхностного трения и т. д.), уменьшают также срок работы пружин. Ударные испытания материала пружин не показательны; рациональнее производить испытания готовых пружин.

Весьма важным является фактор неизменяемости упругости ма­ териала пружин с течением времени, связанный с процессом релакса­ ции (ослабления) под длительным воздействием напряжений, вследствие чего упругие деформации частично переходят в деформации пластиче­ ские и наблюдается изменение длины пружины. Для сведения процесса релаксации к минимуму пружины после закалки подвергаются в про­

цессе отпуска одновременно	воздействию	напряжения.
Ц и л и н д р и ч е с к и е	п р у ж и н ы	подвергаются в соответ­

ствии с ГОСТ 1452—69 (пружины цилиндрические винтовые ударно­ тяговых приборов и тележек подвижного состава железных дорог), ГОСТ 8578—57 (пружины клапанные автомобильного и тракторного двигателей), ГОСТ 8244—65 (пружины цилиндрические винтовые меха­ низмов натяжения гусеничных цепей тракторов) разным видам кон­ троля.

На заводе-поставщике все пружины подвергаются внешнему ос­ мотру, измерению размеров, испытанию на твердость и остаточную деформацию, определению стрелы прогиба и испытанию на усталость. Качество поверхности готовых пружин должно соответствовать требо­ ваниям, предъявляемым к поверхностям поставляемого металла для пружин. Состояние поверхностей пружин должно удовлетворять требованиям ГОСТ 9389—60, ГОСТ 1071—67 и ГОСТ 14963—69.