У концентраторов напряжений развивается объемно-напряженное состояние. Это затрудняет пластическую деформацию, способствующую перераспределению напряжений в благоприятную для конструкций форму, и создает предпосылки для образования в местах локализации пластической деформации зародышей хрупких трещин. Рост трещин облегчается под действием внутренних (обусловленных конструкцией сооружения), а также сварочных напряжений. Роль пластичности и вязкости металла заключается при этом в повышении степени деформации, необходимой для зарождения трещин, и увеличении работы деформации, необходимой для их развития.
Динамический характер приложения нагрузки и особенно понижение температуры эксплуатации увеличивают опасность хрупкого разрушения сооружений. Известно, что при понижении температуры относительное удлинение стали практически не снижается, однако работа зарождения и развития трещин имеет резкую температурную зависимость. В последние годы процесс хрупкого разрушения конструкций изучают в связи с процессом образования и развития хрупких трещин. Особое внимание уделяют также исследованию факторов, препятствующих развитию их в металле. По современным представлениям, наибольший интерес представляет механизм хрупкого разрушения металлических тел, рассмотренный в работах Мотта—Стро, а также в работах Коттрелла. Экспериментальное подтверждение основных положений этих теорий свидетельствует о целесообразности дислокационного моделирования для выявления физической сути явлений хрупкого разрушения, принципиальная схема которой была представлена в работах А. Ф. Иоффе и Н. Н. Давиденкова. Переход металлических тел с о. ц. к.-решеткой из вязкого состояния в хрупкое связывают с температурной зависимостью критического напряжения для начала скольжения, обусловленной коттрелловским торможением. Существуют и иные точки зрения. Так, например, наличие критической температуры хрупкости у металлов с о. ц. к.-решеткой объясняют изменением механизма деформации — от скольжения к двойникованию. Полагают, что переход к хрупкому разрушению обусловлен температурной зави
симостью влияния доли ковалентной связи на процесс перемещения дислокаций. Ввиду отсутствия однозначной трактовки работу над созданием единой теории физической природы явления хрупкого разрушения следует продолжить.
Наше исследование было направлено на установление взаимосвязи между пределом прочности ов и общим относительным удлинением 65, а также основными составляющими его: равномерной бр и сосредоточенной бс деформациями; представляет интерес и установление зависимости между общим б5 и равномерным б5(Р) относительными удлинениями. Установление такой взаимосвязи необходимо, так как относительное удлинение и главным образом равномерная составляющая его являются важнейшими характеристиками стали для строительных конструкций, которые не были учтены в расчетах. На важность определения равномерного удлинения при растяжении образцов как на характеристику, в значительной степени определяющую поведение стали в кон
струкциях, указывает ряд исследователей. Однако величина относительного удлинения была введена во все ГОСТы на строительную сталь на основании предположения о линейной зависимости между общим и равномерным относительными удлинениями.
Значительную роль для обеспечения безопасности конструкций играет область пластической работы стали на стадии самоупрочнения, т. е. в пределах однородной пластической деформации. Эта область примерно в 200 раз больше области упругой работы, что представляет большой резерв конструктивной прочности, так как для преодоления достаточно протяженной области самоупрочнения требуется дополнительное интенсивное увеличение напряжений. Расчетное значение напряжений принимают ниже значений напряжений начала пластического течения и значительно ниже предельных. Так, например, отмечено, что по современным правилам расчета напряжений в стальных конструкциях коэффициент запаса прочности принимают равным 1,5 по отношению к пределу текучести, т. е. расчетное напряжение достигает примерно 66% предела текучести. Поэтому только при наложении внутренних напряжений действительные напряжения могут превысить предел текучести в некоторых местах конструкции.
Значениям характеристик пластичности и особенно, относительному удлинению придают особое внимание и за рубежом. Так, анализ марочника стали повышенной и высокой прочности зарубежных стран, используемых в различных областях техники и, в частности в строительстве, показывает, что у 272 марок стали повышенной прочности с пределом текучести от 350 до 490 Мн/м 2 (36 до 50 кГ/мм 2 ) в 12 странах мира допускается снижение относительного удлинения 65 до 15—18%; при повышении предела текучести от 490 до 882 Мн/м 2 (50 до 90 кГ/мм 2 ) в 100 высокопрочных улучшаемых сталях шести стран мира допускается снижение относительного удлинения б5 до 12—13%. Стремление к повышению пластичности стали в сочетании с высокой прочностью обусловливает появление ряда сталей без перлита (PFS), которые легированы ниобием и ванадием (около 0,06% каждого) при содержании углерода менее 0,06%. Кроме повышения пластичности, это понижает критическую температуру хрупкости и улучшает свариваемость.
Значительное влияние на удлинение образца при разрыве оказывает объемная доля включений в стали. При производстве высокопрочных сталей особое внимание уделяют чистоте стали по содержанию газов и вредных примесей. Перспективным методом повышения пластичности стали является проведение вакуумных плавок в печах с расходуемым электродом.
Таким образом, относительное удлинение и главным образом равномерную составляющую его можно рассматривать как важные характеристики для приближенной оценки характера разрушения конструкции при ограничении факторов, способствующих локализации пластической деформации.
Так как при термическом упрочнении низкоуглеродистой стали наблюдается некоторое сближение по величине пределов текучести и прочности, особое внимание уделяли протяженности равномерной пластической деформации на диаграммах растяжения разрывных гагаринских образцов. При этом было принято, что сближение по величине пределов прочности и текучести допустимо только в случае, когда равномерная деформация составляет 40—60% от общей относительной деформации. Исследования проводили на стали Ст.20К с различной степенью упрочнения после закалки с отдельного нагрева и отпуска в интервале температур от 100 до 650°С. В нормализованном состоянии предел прочности стали равен 460 Мн/м 2 (47 кГ/мм 2 ). Зависимость между пределом прочности бв исследуемой стали и общим относительным удлинением б5v, а также обеими составляющими его б5p и б5 графически представлена на рис. 93. Полученные результаты подтверждают, что только сосредоточенная деформация (после образования шейки) выявляет линейную зависимость от величины предела прочности и, следовательно, от степени упрочнения металла, выражаемую формулой бо =198—10б5c. Зависимость общего относительного удлинения и равномерной составляющей его от предела прочности имеет параболический характер.
Равномерная и сосредоточенная деформации
практически одинаковы по величине при упрочнении стали в 1,28 и 2,76 раза.
Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией.
Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими пли окалиностойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зоне высоких температур.
Сопротивление металлов коррозии, окалинообразованию и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.
Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.
Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение — величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация — изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза. В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.
Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение (ГОСТ 1497—73), Испытания, проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения. По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат — нагрузки, приложенные к образцу.
Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца: s0,2=Р0,2/Fо.
Упругость— способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Руп оценивают пределом пропорциональности sпц и пределом упругости sуп.
Передел пропорциональности sпц — напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца Рпц/Fо
Пластичность, т. е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение (после разрыва) δ — это отношение приращения (lк—l0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине 1о, выраженное в процентах: δ=[(lк-10)/1о]100%.
Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен. У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционного материала является отрицательным свойством.
Ударная вязкость, т. е. способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м2) в месте надреза КС = W/F.
Для испытания (ГОСТ 9454—78)изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.
Циклическая вязкость — это способность материалов поглощать энергию при повторно-переменных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных деталей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.
Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностно-упрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).
За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диаметром d и глубиной t,который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D.
Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптической лупы (с делениями) и по полученному значению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.
Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых результатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, например закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.
Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013—59). В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1′,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная величина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытание проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р0 равна 100 Н.
При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и общую нагрузку Р= Р0+Р1 = 1500 Н. Твердость отсчитывают по шкале «С» и обозначают НRС.
Если при испытании берется стальной шарик иобщая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчитывается по шкале «В» и обозначается HRB.
При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмазный конус и общую нагрузку 600 Н Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается НRА. Пример обозначения твердости по Роквеллу: НRС 50 — твердость 50 по шкале «С».
При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999—75) в качестве вдавливаемого в материал наконечника используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения нагрузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев металла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу — НV 500.
Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05—5 Н, а размер отпечатка 5—30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-З, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.
Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть Iизлома с ровной (затертой), поверхностью образуется вследствие-трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая
К механическим свойствам металлов относят их способность сопротивляться деформациям (изменению формы или размеров) и разрушению под действием внешних нагрузок. Такими свойствами являются прочность, пластичность, твердость, вязкость (ударная), усталость, ползучесть.
Деформации, которые исчезают после снятия нагрузки, при этом материал принимает первоначальную форму, называют упругими. Деформации, которые остаются после снятия нагрузки, называют остаточными.
Для определения механических свойств материалов специальные образцы или готовые изделия испытывают в соответствии с требованиями ГОСТов. Испытания образцов могут быть статическими, когда на образец действует постоянная или медленно возрастающая нагрузка, динамическими, когда на образец действует мгновенно возрастающая (ударная) нагрузка, и повторно-переменными (усталостными), при которых нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направлению.
В зависимости от характера действия приложенных к образцу или изделию сил (нагрузок) различают деформации сжатия, растяжения, изгиба, сдвига (среза), кручения.
Виды деформаций металла в зависимости от направления действующей нагрузки:
а — сжатия, б — растяжения, в — изгиба, г — сдвига (среза), д — кручения
Механические свойства оцениваются численным значением напряжения.
Напряжение — мера внутренних сил, возникающих в образце под влиянием внешних воздействий (сил, нагрузок).
Напряжение служит для оценки нагрузки, не зависящей от размеров деформируемого тела. Напряжения, действующие вдоль оси образца, называют нормальными и обозначают буквой σ (сигма).
Нормальные напряжения определяются отношением сил, действующих вдоль оси детали или образца, к площади их поперечного сечения:
σ = P/F,
где σ — нормальное напряжение, Па (1 Па = H/м²; 1 кгс/см² = 10 5 Па);
P — сила, действующая вдоль оси образца, H;
F — площадь поперечного сечения образца, м².
Нормальные напряжения в зависимости от направления действующих нагрузок бывают сжимающими и растягивающими.
Напряжения, действующие перпендикулярно оси образца, называют касательными и обозначают буквой τ.
Под действием касательных напряжений происходит деформация среза.
Напряжения определяют при механических испытаниях образцов на специальных машинах. Эти напряжения используют при расчетах деталей машин на прочность.
Усилия, нагрузки, действующие на детали, создают в них напряжения, которые в свою очередь вызывают деформацией деталей.
Например, канат автомобильного крана при поднятии груза под действием растягивающей нагрузки испытывает напряжение растяжения, поэтому и подвергается деформации растяжения. Под действием сжимающих напряжений деформацию сжатия испытывают станины и фундаменты станков, опорные колонны, колеса и катки машин. В стреле автомобильного или башенного крана, поднимающего груз, возникают напряжения изгиба, которые вызывают деформацию изгиба стрелы. Деформации изгиба испытывают балки, на которые положен груз, рельсы под тяжестью поезда, башенного или козлового крана. На срез работают заклепочные соединения, стопорные болты.
Напряжения кручения вызывают деформацию кручения, например, когда у стяжных болтов затягивают гайки.
Прочность — способность металлов или сплавов сопротивляться разрушению при действии внешних сил, вызывающих внутренние напряжения и деформации. В зависимости от характера действия внешних сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ползучесть и усталость.
Определение характеристик прочности при растяжении — наиболее важный и распространенный вид механических испытаний металлов. Испытывают образцы определенной формы и размеров на специальных разрывных машинах (ГОСТ 1497—73). Стандартный образец (рис. Стандартный образец для испытания на растяжение) закрепляют головками в машине и медленно нагружают с постоянной скоростью.
В результате возрастающей нагрузки происходит растяжение образца вплоть до разрушения. При испытании производится автоматическая запись диаграммы растяжения, представляющей собой график изменения абсолютной длины образца в зависимости от приложенной нагрузки.
Определенные точки на диаграмме растяжения p, c, s, b отражают наиболее важные характеристики прочности: предел пропорциональности, условные пределы упругости, текучести и прочности.
Предел пропорциональностиσ пц (точка p на диаграмме растяжения) — это наибольшее напряжение, возникающее под действием нагрузки P пц, до которого деформации в металле растут прямо пропорционально нагрузке. При этом в образце происходят только упругие деформации, т.е. образец после снятия нагрузки принимает свои первоначальные размеры. При дальнейшем увеличении нагрузки деформации образца будут остаточными.
Условный предел упругости σ 0,05 (точка c на диаграмме растяжения) — это напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,05% первоначальной длины образца.
Практически предел упругости очень близок пределу пропорциональности.
Условный предел текучести (точка s на диаграмме растяжения) — это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданного значения, обычно 0,2%, но иногда 0,1 или 0,3% и более при нагрузках Рt.
В соответствии с этим условный предел текучести обозначается σ 0,2, σ о,1, σ 0,3 и т. д.
Следовательно, условный предел текучести отличается от условного предела упругости только заданным значением остаточного удлинения. Условный предел текучести соответствует напряжению, при котором происходит наиболее полный переход к пластической деформации металла.
Условный предел прочности σ в (точка b на диаграмме растяжения) — это условное наибольшее напряжение, при котором происходит наибольшая равномерная по всей длине деформация образца.
После точки s на участке sb диаграммы растяжения при дальнейшем увеличении нагрузки в образце развивается интенсивная пластическая деформация. До точки b образец удлиняется равномерно по всей длине. В точке b начинается резкое уменьшение поперечного сечения образца на коротком участке с образованием так называемой шейки.
Предел прочности определяют по формуле:
σ в = Pв/Fo,
где σ в — предел прочности материала, Па;
Pв — нагрузка в точке b, H;
Fo — площадь поперечного сечения образца до испытания, м².
Характеристиками прочности пользуются при изготовлении деталей машин. Практическое значение пределов пропорциональности, упругости и текучести сводится к тому, чтобы определить численное значение напряжений, под действием которых могут работать детали машинах, не подвергаясь остаточной деформации (предел пропорциональности) или подвергаясь деформации на небольшую допустимую величину σ 0,о5, σ о,2 и т. д.
Пластичность — способность металлов сохранять изменение формы, вызванное действием деформирующих сил после того, как силы сняты.
Пластические свойства испытываемого образца металла определяют при испытаниях на растяжение. Под действием нагрузки образцы удлиняются, при этом поперечное сечение их соответственно уменьшается. Чем больше удлиняется образец при испытании, тем более пластичен материал. Характеристиками пластичности материалов служат относительное удлинение и относительное сужение образцов.
Относительным удлинением называется отношение приращения длины образца после разрыва к его перво- начальной длине.
Относительное удлинение δ (дельта) выражают в процентах и вычисляют по формуле:
δ = [ (l1 — l0)/l0 ] • 100%
где l1 — длина образца после разрыва, м;
l0 — длина образца до начала испытания, м.
Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к площади поперечного сечения образца до начала испытания.
Относительное сужение ψ (пси) выражают в процентах и вычисляют по формуле
ψ = [ (F0 — F1)/F0 ] • 100%
где F0 — площадь поперечного сечения образца до начала испытания, м²;
F1 — площадь поперечного сечения образца после разрыва, м².
Твердость — сопротивление поверхностных слоев материала местным деформациям.
Твердость обычно оценивается сопротивлением вдавливанию в поверхность металла индикатора из более твердого материала.
Измерение твердости металлов и сплавов как метод щенки их механических свойств широко используется в технике. По твердости судят о других свойствах металла и сплава. Например, для многих сплавов, чем выше твердость, тем больше прочность на растяжение, выше износостойкость; как правило, сплавы с меньшей твердостью легче обрабатываются резанием.
Твердость определяют непосредственно на деталях без их разрушения. Поэтому испытание на твердость является незаменимым производственным методом оценки механических свойств материалов.
На практике в зависимости от используемого прибора твердость определяют двумя способами. Если твердость исследуемого материала меньше, чем твердость закаленной стали, то используют твердомер шариковый — ТШ, если твердость исследуемого материала больше, чем твердость закаленной стали, то пользуются твердомером конусным — ТК.
При определении твердости по Бринеллю на приборах ТШ (ГОСТ 9012—59) стальной закаленный шарик диаметром D (2,5; 5 или 10 мм) вдавливают в испытуемый металл под действием нагрузки P в течение определенного времени.
После удаления нагрузки на поверхности испытуемого металла остается отпечаток. Измерив под микроскопом диаметр отпечатка а, по таблицам стандарта определяют твердость металла. Отношение приложенной к шарику нагрузки (кгс) к площади поверхности отпечатка шарика (мм²) называется числом твердости по Бринеллю и обозначается HB.
Если на шарик диаметром 0-10 мм действует нагрузка Р=3000 кгс в течение 10 с, то определяемое по таблицам число твердости по Бринеллю записывают так: HВ400, HВ250, HВ500 и т. д.
При других условиях испытания к обозначению НВ добавляют цифры, характеризующие диаметр шарика (мм), нагрузку (кгс) и продолжительность выдержки (с).
Например, HВ5/750/30—350 обозначает, что число твердости по Бринеллю равно 350 при испытании вдавливанием шарика диаметром D = 5 мм под нагрузкой Р = 750 кгс в течение t = 30 с.
При определении твердости по Роквеллу на приборах ТК (ГОСТ 9013—59) алмазный конус с углом при вершине 120° вдавливают в испытуемый металл сначала под действием предварительной нагрузки Р0, равной 10 кгс, которая не снимается до конца испытания.
Под нагрузкой Р0 алмазный конус вдавливается на глубину h0. Затем к предварительной нагрузке добавляется основная нагрузка Р1, равная 140 или 50 кгс — для очень твердых и хрупких материалов. Алмазный конус вдавливается на глубину h1. Через 1 — 3 с, после того как стрелка прибора замедлит свое движение, основную нагрузку снимают. Стрелка прибора показывает на шкале твердость металла в условных единицах.
За условную единицу твердости по Роквеллу принимается глубина вдавливания алмазного конуса на величину 0,002 мм ≈ h0. Все шкалы прибора отградуированы в безразмерных условных единицах твердости.
Твердость, определяемая на приборах ТК. методом вдавливания алмазного конуса, называется твердостью по Роквеллу и обозначается НR. Отсчет твердости ведут по двум шкалам в зависимости от применяемой общей нагрузки Р.
Если Р = Р0 + Р1= 10 + 140= 150 кгс, то отсчет твердости ведут по шкале С и твердость обозначают НРС, если Р = Ро+Р1 = 10+50 = 60 кгс, то отсчет твердости ведут также по шкале С, но твердость обозначают НРА.
Если необходимо измерить твердость по Роквеллу мягких материалов, то алмазный конус заменяют шариком диаметром 1,6 мм. Основная нагрузка Р1 = 90 кгс, значит, общая нагрузка Р = Р0 + Р1 = 10 + 90 = 100 кгс.
Отсчет твердости ведут по специальной шкале B, а твердость обозначают НRB.
Твердость по Роквеллу НR записывают таким образом: HRC65, HRB30, HRA80 и т. д., где цифры обозначают твердость, а буквы А, С, В — соответствующую шкалу.
Ударная вязкость — способность металлов сопротивляться действию ударных нагрузок. При ударных нагрузках напряжения, возникающие в металле, действуют мгновенно, поэтому их трудно определить. Ударную вязкость определяют работой, затраченной на излом образца.
Для определения ударной вязкости при нормальной температуре (ГОСТ 9454—78) предусмотрено 20 типоразмеров образцов квадратного и прямоугольного сечения. Чаще применяют образцы квадратного сечения 10 х 10 мм длиной 55 мм с концентратором (надрезанные с одной стороны посередине длины на глубину 2 мм).
Образец 1 стандартной формы
укладывают горизонтально в специальный шаблон маятникового копра, обеспечиваюший установку надреза образца строго в середине пролета между опорами 3. Маятник 2 копра закрепляется в исходном верхнем положении на высоте H.
Работа, затраченная на разрушение образца, определяется разностью потенциальных энергий маятника в начальный (после подъема на угол α) и конечный моменты испытания (после взлета на угол β) и выражается формулой:
k = P (H — h)
k — работа, затраченная на разрушение образца, Дж (кгс · м)
Р — вес маятника, кгс
H и h — высоты подъема и взлета маятника, м
Основную характеристику при испытании на ударную вязкость — определяют по формуле:
So — площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания, м²
Многие детали машин и конструкции во время работы подвергаются ударным нагрузкам, действие которых на детали происходит мгновенно. В результате изменяются условия, при которых работают такие детали.
Ударные нагрузки испытывают инструменты типа штампов. некоторые зубчатые передачи и т.д.
Усталость — разрушение металлов под действием многократных повторно-переменных (циклических) нагрузок, при напряжениях меньших предела прочности на растяжение.
В условиях действия повторно-переменных нагрузок в работающих деталях образуются и развиваются трещины, которые приводят к полному разрушению деталей. Подобное разрушение опасно тем, что может происходить под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести.
Свойство противостоять усталости называется выносливостью. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, т. е. наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения заданное число раз.
Под действием повторно-переменных нагрузок работают коленчатые валы двигателей, многие детали машин — валы, шатуны, пальцы, шестерни и т. д.
Цель испытаний на усталость (ГОСТ 2860-65) — количественная оценка способности материала (образца) работать при повторно-переменных нагрузках без разрушения.
Цикл напряжений — совокупность переменных значений напряжении за один перепад их изменения. Заданное число циклов нагружения при испытании называют базой испытания. Обычно база испытания составляет 10 8 циклов нагружения. Если материал выдержал базовое число циклов без разрушения, то он хорошо противостоит усталости и деталь из этого материала будет работать надежно.
Ползучесть — способность металлов и сплавов медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной, длительно действующей нагрузки.
Изделия из металлов и сплавов, работающие при повышенных или высоких температурах, обладают меньшей прочностью. При эксплуатации любой материал под действием постоянной нагрузки (напряжения) может в определенных условиях прогрессивно деформироваться с течением времени.
Испытания на ползучесть при растяжении (ГОСТ 3248-60) заключаются в том, что испытуемый образец в течение длительного времени подвергается действию постоянного растягивающего усилия при постоянной высокой температуре.
В результате испытания определяют предел ползучести металла, т. е. наибольшее растягивающее напряжение, при котором скорость ползучести или относительное удлинение за определенный промежуток времени достигает заданной величины.
Если задаются скоростью ползучести, то предел ползучести обозначают σνп,
где νп — заданная скорость ползучести, %/ч; t — температура испытания, °С.
Если задаются относительным удлинением, то в обозначении предела ползучести используют три индекса:
температуру испытания t, °С
относительное удлинение σ, %
продолжительность испытания τ, ч
Например, — предел ползучести при температуре 800° С, когда относительное удлинение σ = 1% достигается за 1000 ч.
Различные способы сварки профильных труб под прямым углом
— предел ползучести при температуре 800° С, когда относительное удлинение σ = 1% достигается за 1000 ч.