Лекция 2

Динамические испытания: испытание на ударную вязкость; другие виды динамических испытаний. Методика определения твердости. Различные методы определения твердости. Испытание на усталостное разрушение.

Твердость

Под твердостью понимают свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размера. Эта формулировка пригодна не для всех существующих методов определения твердости. Разнообразие этих методов и разный физический смысл чисел твердости затрудняют выработку общего определения твердости как механического свойства. В разных методах и при различных условиях проведения испытания числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление большим и малым 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 результатами других испытаний. При измерении твердости в поверхностном слое образца под индентором возникает сложное напряженное состояние близкое к объемному сжатию, которое характеризуется наибольшим коэффициентом мягкости (α > 2) по сравнению с другими видами механических испытаний. Поэтому возможны получение "пластических" состояний, исключение разрушения и возможность измерения твердости практически любых, в том числе и хрупких металлических материалов.

Способы определения твердости делят на статические и динамические - в зависимости от скорости приложения нагрузки, а по способу приложения на методы вдавливания и царапания. Наиболее распространены методы, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца.

Способы определения твердости делят на статические и динамические - в зависимости от скорости приложения нагрузки, а по способу приложения на методы вдавливания и царапания. Наиболее распространены методы, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца.

Во всех методах испытаний 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 ит.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 надо следить, чтобы свойства поверхностного слоя не изменялись вследствие наклепа или разогрева при шлифовании и полировке.

Нагрузка прилагается по оси вдавливаемого индентора перпендикулярно испытуемой поверхности. Для соблюдения этого условия плоскость испытуемой поверхности образца должна быть строго параллельна опорной поверхности. Неплоские образы крепят на специальных опорных столиках, входящих в комплект твердомеров.

Результаты проведения испытаний зависят от продолжительности приложения нагрузки к вдавливаемому индентору и выдержки под нагрузкой. В зависимости от времени выдержки индентора под нагрузкой различают кратковременную и длительную твердость. В стандартных испытаниях определяют кратковременную твердость при комнатной температуре. Здесь обычно время выдержки составляет 10 ÷ 30 с. Длительная твердость определяется при повышенных температурах и используется как характеристика жаропрочности материала.

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. Неизбежные различия в структуре различных участков образца приводят к разбросу значений твердости, которые тем больше, чем меньше размер отпечатка.

Как было указано выше, наиболее распространенным методом измерения твердости является метод вдавливания. Его осуществляют на следующих приборах - Бринеля, Роквелла, Виккерса, ПМТ (микротвердрмер). Подробно методика измерения твердости на этих приборах будет рассмотрена на лабораторной работе.

ДРУГИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

Помимо определения твердости методами статического вдавливания индентора, ограниченно применяют также методы царапания и динамические способы определения твердости.

Метод царапания состоит в нанесении царапины на поверхности образца алмазным или другим недеформирующимся индентором, находящимся под постоянной нагрузкой. Метод не стандартизирован и на практике используют различные критерии твердости, определяемые царапанием Н_ц. Часто за Н_ц принимают одну из следующих характеристик:

1. величину нагрузки Р, при которой получается царапина заданной ширины (обычно b = 10 мкм);

2. ширину царапины при заданной нагрузке;

3. величину обратно пропорциональную ширине или квадрату ширины царапины при определенной нагрузке.

В качестве индентора используются обычно либо конус с углом при вершине 90° (реже 120°), либо трех- или четырехгранную пирамиду. Образцы перед испытанием полируют. Для измерения ширины царапины, не превышающей обычно несколько десятков микрометров, применяют измерительный микроскоп.

Твердость царапанием определяют в условиях местного разрушения металла, а не в условиях упругого или пластического деформирования. При образовании царапины металл сначала пластически деформируется, а затем, когда напряжения достигают величины, соответствующей сопротивлению разрушению, происходит разрыв. Так как для одного и того же металла сопротивление разрыву S_к практически не зависит от степени предварительного наклепа, величина Н_ц не связана со способом подготовки поверхности.

Величина Н_ц характеризует также износостойкость материала, его обрабатываёмость резанием.

Из динамических методов определения твердости наиболее известен метод упругого отскока бойка (твердость по Шору, ГОСТ 2373 - 78). Твердость определяется при помощи бойка с алмазным наконечником, который падает на поверхность образца с фиксированной высоты. Энергия бойка расходуется на упругую и пластическую деформацию в месте удара и на последующее поднятие бойка. Чем больше высота подъема бойка после удара, тем, следовательно, меньшая энергия израсходована на деформацию образца и тем больше должна быть его твердость. Число твердости по Шору НSD измеряют в условных единицах, соответствующих высоте подъема бойка, причем НSD = 100 принято для закаленной на мартенсит эвтектоидной инструментальной стали.

При комнатной температуре метод Шора используют для сравнения твердых металлических сплавов с близкими упругими характеристиками. Кратковременность соприкосновения образца с бойком и простота метода делают его перспективным для оценки твердости при высоких температурах (> 1400К), когда существующие материалы инденторов уже, не позволяют проводить статические испытания.

Из других динамических методов следует отметить метод ориентировочного определения твердости при помощи переносного прибора путем динамического вдавливания шарового или конического индентора (для стали этот метод стандартизирован, ГОСТ 18771 - 73). Принцип действия прибора сводится к тому, что шарик под действием наносимого вручную удара одновременно вдавливается в испытываемую, поверхность и эталонный образец с известной твердостью.

Результаты испытаний получаются тем точнее, чем больше по твердости эталон и образец.

Метод используют для контроля крупногабаритных изделий и деталей, установка которых на специальных приборах затруднена.