5.2. Твердость материалов. Испытания на твердость

Твердостью называют способность материала сопротивляться механическому проникновению в его поверхность другого, более твердого тела (индентора).

Твердость оценивают по размерам отпечатка, полученного вдавливанием в испытуемый образец с определенной силой закаленного шарика (способ Бринелля), твердосплавного или алмазного конуса (способ Роквелла) или алмазной пирамиды (способ Виккерса).

В зависимости от способа определения твердости различают величины, ее характеризующие. Число твердости сопровождают обозначением способа: НВ 300 (по Бринеллю); НRC 50 (по Роквеллу); НV 600 (по Викерсу).

Твердость, полученная разными способами, при помощи специальных таблиц может быть переведена в твердость по Бринеллю.

Твердость является важной механической характеристикой, позволяющей легко оценить прочность материала деталей механизмов. Для сталей, например, установлена эмпирическая зависимость между числом твердости НВ и пределом прочности :НВ.

5.3. Механические свойства материалов при циклических нагрузках. Испытания на усталость. Кривая усталости

Большинство деталей машин и их элементов подвергаются в своей работе переменным, многократно повторяющимся (циклическим) нагрузкам, под действием которых в деталях возникают переменные напряжения.

Можно выделить три основные причины появления переменных напряжений:

• циклическое изменение величины внешней нагрузки;

• циклическое изменение направления внешней нагрузки;

• циклическое изменение положения детали по отношению к постоянно действующей нагрузке (например при вращении детали).

Под действием переменных напряжений в структуре материала детали происходит зарождение и развитие микротрещин, что приводит к ослаблению сечения и внезапному разрушению детали. Это явление получило название усталости материала. Усталостное разрушение наступает при значительно меньших напряжениях, чем при статических нагрузках.

Способность материала противостоять действию переменных напряжений называют усталостной прочностью,иливыносливостью материала.

Критерием оценки усталостной прочности является предел выносливости материала (), который определяется экспериментально в процессе усталостных испытаний стандартных образцов на специальных испытательных машинах при переменных напряжениях(растяжение, изгиб) или(кручение).

По результатам испытаний строят кривую усталости (кривую Веллера), которая представляет собой экспериментальную зависимость между действующими напряжениями и количеством циклов нагружения образцов до разрушенияN(рис. 5.2).

Стандартные испытания проводят на нескольких образцах (не менее десяти) из исследуемого материала до момента разрушения.

Первый образец испытывают при относительно высоком напряжении , значительно превышающем предел выносливости, и определяют количество циклов нагруженийN₁до разрушения образца.

Второй образец испытывают при меньшем напряжении, и потому он разрушается после большего числа циклов N₂. Последовательно уменьшая напряжение, испытывают последующие образцы и обнаруживают, что при некотором напряжении, несмотря на длительность испытаний, образец не разрушается. На этом испытания прекращают.

Характерными точками кривой усталости являются предел выносливости и базовое число циклов N₀.

Предел выносливости σ_r – наибольшее переменное напряжение, которое может выдержать образец без разрушения в течение неограниченного числа циклов испытания.

Предел выносливости обозначают:

–при симметричном цикле нагружения;

–при пульсирующем (отнулевом) цикле.

Базовое число циклов N₀ – предельное число циклов, соответствующее пределу выносливости материала.

Таким образом, в результате статических и циклических испытаний получают справочные механические характеристики материалов: предел упругости и, предел текучестии, предел прочностии, модули упругостии, остаточную деформацию, твердость, предел выносливостии.