Тема 3 Механические свойства материалов 3 1 Измерение

Тема 3. Механические свойства материалов 3. 1. Измерение твердости. 3. 2. Исследование пластических свойств кристаллов. 3. 3. Испытание на ползучесть. Испытания на усталость. 3. 4. Динамические испытания материалов (испытания на удар). 3. 5. Оценка трещиностойкости (сопротивления разрушения). 1

3. 1. Измерение твердости. Определение твердости • Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела — индентора. • Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади или объему поверхности отпечатка. Различают поверхностную и объемную твёрдость: поверхностная твёрдость — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка; объёмная твёрдость — отношение нагрузки к объёму отпечатка. Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2 Н до 30 к. Н. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0, 2 мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0, 2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness). 2

Твердомеры Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам. Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др. 3

Твердость также может зависеть от: • Межатомных расстояний. • Координационного числа — чем выше число, тем выше твёрдость. Валентности. • Природы химической связи • От направления (например минерал дистен — его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк — 7) • Хрупкости и ковкости • Гибкости — минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк) • Упругости — минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды) • Вязкости — минерал трудно сломать (например, жадеит) 4

Методы измерения твёрдости • Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения): Методы Бринелля, Роквелла, Виккерса —самые распространненные методы измерения твердости используемые в науке и промышленности. Существуют также другие методы, например: • Метод Польди (двойного отпечатка шарика) — твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон; • Шкала Мооса — определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом. • Метод Бухгольца — метод определения твердости при помощи прибора «Бухгольца» . Предназначен для испытания на твердость полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании индентора «Бухгольца» . 5

Метод Бринелля • Ме тод Брине лля — один из основных методов определения твёрдости. Широко распостранены также измерения твердости по Роквеллу и Виккерсу. • Метод предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (1849— 1925) в 1900 году, и стал первым широко используемым и стандартизированным методом определения твёрдости в материаловедении. • Этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале дают небольшую предварительную нагрузку для установления начального положения индентора на образце, затем прилагается основная нагрузка, образец выдерживают под её действием, измеряется глубина внедрения, после чего основная нагрузка снимается. При определении твёрдости методом Бринелля измерения производят до упругого восстановления материала. 6

Методика проведения испытаний по Бринеллю Индентор (полированный закалённый стальной шарик) вдавливают в поверхность испытуемого образца (толщиной не менее 4 мм) с регламентированным усилием. Через 30 с после приложения нагрузки измеряют глубину отпечатка. В другом варианте усилие прилагается до достижения регламентированной глубины внедрения 7

Расчёт твёрдости по Бринеллю Твёрдость по Бринеллю HB рассчитывается как «приложенная нагрузка» , делённая на «площадь поверхности отпечатка» : где P — приложенная нагрузка, Н; D — диаметр шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм, или по формуле: где h — глубина внедрения индентора. Нормативными документами определены диаметры индентора, время экспозиции, глубина внедрения индентора. 8

Преимущества: 1. Метод Бринелля — один из самых старых, накоплено много технической документации, где твёрдость материалов указана в соответствии с этим методом. 2. Данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 HRC). 3. Также метод Бринеля менее критичен к чистоте подготовленной под замер твёрдости поверхности. Недостатки: Метод Бринелля, медленный, не применим для закалённых сталей, и оставляет слишком большой отпечаток, чтобы рассматриваться как неразрушающий. 9

Типичные значения твёрдости для различных материалов • • Алюминий 15 HB Медь 35 HB Дюраль 70 HB Мягкая сталь 120 HB Нержавеющая сталь 250 HB Стекло 500 HB Инструментальная сталь 650— 700 HB 10

Цифровой прибор для измерения твёрдости по методу Роквелла • Измерение твердости по относительной глубине проникновения индентора было предложено в 1908 г. венским профессором Людвигом (Ludwig) в книге Die Kegelprobe (дословно «испытание конусом» ). • Твердомер Роквелла, машина для определения относительной глубины проникновения, был изобретен уроженцами штата Коннектикут Хью М. Роквеллом (1890— 1957) и Стэнли П. Роквеллом (1886— 1940). Потребность в этой машине была вызвана необходимостью быстрого определения эффектов термообработки на обоймах стальных подшипников. 11

Нагрузки для Роквелла • Для определения твёрдости по методу Бринелля используют различные твердометры, как автоматические, так и ручные. • Обычно регламентированные нагрузки 49 Н, 127 Н, 358 Н, 961 Н, диаметр шарика 5 мм, глубины внедрения от 0, 13 до 0, 35 мм. • Наиболее распространённые диаметры шарика — 10, 5, 2, 5 и 1 мм и нагрузки 187, 5 кгс, 250 кгс, 500 кгс, 1 000 кгс и 3 000 кгс. • Для выбора диаметра шарика обычно используют следующее правило: диаметр отпечатка должен лежать в пределах 0, 2— 0, 7 диаметра шарика. • Твёрдость по шкале Бринелля выражают в кгс/мм². 12

Шкалы твёрдости по Роквеллу Существует 11 шкал определения твердости по методу Роквеллу (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), основанных на комбинации «индентор (наконечник) — нагрузка» . Наиболее широко используются два типа инденторов: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1, 5875 мм) или такой же шарик из закаленной стали и конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Возможные нагрузки — 60, 100 и 150 кгс. Величина твёрдости определяется как относительная разница в глубине проникновения индентора приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки. Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC). Нагрузка, Шкала Индентор кгс А В С Алмазный конус с углом 120° при вершине Шарик диам. 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закаленной стали) Алмазный конус с углом 120° при вершине 60 кгс 100 кгс 150 кгс 13

Недостатки способа измерения твердости по Роквеллу • Метод можно применять только для материалов с твердостью до 450 HB, если применять стальной закаленный шарик. Как альтернатива, применяют шарики из твёрдого сплава на основе карбида вольфрама (WC), это позволяет повысить верхний предел измерения твёрдости до 600 HB. • Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки, так как изменение глубины вдавливания не пропорционально изменению площади отпечатка. • При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка. • Из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов. 14

Формулы для определения твёрдости по Роквеллу Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось большее число твёрдости по Роквеллу применяют относительную величину H-h, а также вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0. 002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0. 2 мм, или 0. 2 / 0. 002 = 100 делений, при испытании шариком — 0. 26 мм, или 0. 26 / 0. 002 = 130 делений. Таким образом формулы для вычисления значения твёрдости будут выглядеть следующим образом: а) при измерении по шкале А (HRA) и С (HRC): Разность H − h представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении). б) при измерении по шкале B (HRB): 15

Сравнение шкал твёрдости Результаты измерения твёрдости по методу Бринелля могут быть переведены с помощью таблиц в единицы твёрдости по методам Виккерса и Роквелла. В свою очередь, измерения твёрдости двумя последними методами могут быть переведены в единицы твёрдости по методу Бринелля. Следует отметить, что таблицы перевода в разных нормативных документах отличаются. 16

Метод Виккерса — метод измерения твёрдости металлов и сплавов по Виккерсу. Сущность метода заключается во вдавливании в испытуемый материал правильной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями. Твердость по Виккерсу вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка. Метод Виккерса позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов. Наблюдается хорошее совпадение значений твёрдости по Виккерсу и Бринеллю в пределах от 100 до 450 НВ. Твёрдость по Виккерсу во всех случаях обозначается буквами HV без указания размерности — МПа (кгс/мм²). Основными параметрами при измерении твёрдости по Виккерсу являются нагрузка Р до 980, 7 Н (100 кгс) и время выдержки 10 -15 с. В других случаях после символа HV указывают индексы разделённые наклонной чертой и обозначающие нагрузку и время выдержки, и через тире — число твёрдости. 17

Установка для измерения твёрдости Недостатки метода • Основным недостатком метода является зависимость измеряемой твердости от приложенной нагрузки или глубины внедрения индентора (явление размерного эффекта, часто называемого в англоязычной литературе indentation size effect). Особенно сильно эта зависимость проявляется при малых нагрузках. • К недостатку метода Роквелла относится меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Виккерса. 18

• Измерение твердости по Виккерсу • После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d 1. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки P к площади поверхности пирамидального отпечатка М: • Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм 2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15 с, а для цветных металлов – 30 с. Преимущества метода: 1 - простота метода Роквелла (главным образом, отсутствие необходимости измерять диаметр отпечатка) привела к его широкому применению в промышленности для проверки твёрдости. 2 - не требуется высокая чистота измеряемой поверхности (например, методы Бринелля и Виккерса включают замер отпечатка с помощью микроскопа и требуют полировку поверхности). 19

• Микротвердость (англ. microhardness) - сопротивление пластическому вдавливанию (обычно в плоскую поверхность) твердого наконечника в форме конуса или пирамиды из алмаза. Гораздо реже испытания на микротвердость проводят царапанием. Отличием испытаний на микротвердость от обычных измерений твердости являются очень малые величины вдавливающих нагрузок (порядка граммов) и соответственно малые глубина и размеры отпечатка (диагональ отпечатка порядка микронов). • Микротвердость— твердость отдельных участков микроструктуры материала. • Испытания на микротвердость производятся либо с помощью настольных приборов, в которых используется схема вертикального переносного микроскопа с револьверной головкой и прямым нагружением с помощью гирек (приборы ПМТ-2 и ПМТ-3), либо в виде приспособления к горизонтальным микроскопам с нагружением от пружины (прибор Ханемана и др. ). 20

Микротвердомер ПМТ-3 и ПМТ-3 М 1 • Микротвердомер ПМТ-3 предназначен для измерения микротвердости материалов, сплавов, стекла, керамики и минералов методом вдавливания в испытуемый материал алмазного наконечника Виккерса с квадратным основанием четырехгранной пирамиды, обеспечивающей геометрическое и механическое подобие отпечатков по мере углубления индентора под действием нагрузки. 21

Испытания на микротвердость нашли важное применение там, где недоступны другие методы: 1) определение твердости отдельных микроструктурных составляющих; микротвердость позволяет, наряду с качественным микроскопическим изучением, оценивать свойства микроучастков, она изменяется при переходе от центральных зон микрозерен к периферийным; 2) определение твердости тонких поверхностных слоев; обычные испытания на твердость оценивают свойства сравнительно толстых поверхностных слоев (порядка долей мм), в то время как измерение микротвердости позволяет оценить, например, влияние наклепа от полировки, от чистовой обработки резанием, от насыщения очень тонкого поверхностного слоя газами. • С помощью микротвердости успешно проводят контроль весьма мелких деталей, напр. испытания и разбраковку часовых, приборных и др. изделий. Изучение микротвердости редких и благородных металлов возможно на количествах, не достаточных для изготовления образца для испытания на обычную твердость. 22

• Микротвердость определяется индентированием при нагрузке на индентор не более 2 Н (при большей нагрузке полученные характеристики материала относятся к макромасштабным) и при внедрении индентора не менее, чем на 200 нм (при испытаниях с меньшим внедрением речь идет уже о нанотвердости). • За меру микротвердости принимают отношение действующей нагрузки к площади поверхности отпечатка от алмазного индентора. Расчитывается по той же формуле. Чтои твердость по Виккерсу: След от индентора на поверхности стали после измерения микротвёрдости 23

3. 2. Исследование пластических свойств кристаллов. Определение пластичности • Пласти чность [plasticity] — способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Иными словами пластичность металла определяется способностью металла не разрушаясь деформироваться так, что деформации остаются и после окончания действия нагрузки. • Мерой пластичности является удлинение δ при разрыве. Чем больше δ, тем более пластичным считается материал. 24

Природная пластичность • Природная пластичность различных металлов и сплавов неодинакова. Свинец, олово, алюминий, медь, цинк и некоторые их сплавы обладают высокой пластичностью в холодном состоянии и могут обрабатываться давлением без предварительного подогрева. Пластичность стали в холодном состоянии недостаточна. Для повышения пластичности она нагревается и обрабатывается давлением в горячем состоянии. • Пластичность металлов имеет очень большое практическое значение. К числу весьма пластичных материалов относятся отожженная медь, алюминий, латунь, золото, малоуглеродистая сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабо пластичных материалов относятся многие легированные стали. 25

Пластины золота на куполах: тонкие и пластичные 26

Пальма Мерцалова - пример изделия из пластичной малоуглеродистой стали • • Пальма Мерцалова — награждённое премией Гранпри Парижской Международной промышленной выставки 1900 года изображение пальмы, выкованное из стали в конце XIX века кузнецом Алексеем Ивановичем Мерцаловым с помощникоммолотобойцем Фёдором Шпариным. Оригинал «Пальмы Мерцалова» хранится в музее Горного института в Санкт-Петербурге. Прежде чем уникальное произведение оказалось за границей, оно экспонировалось на Всероссийской промышленной выставке в Нижнем Новгороде. Там пальма Мерцалова получила высокую оценку и специалистов, и людей искусства. Понравилась она и широкой публике. Харьковский журнал «Горнозаводской листок» тогда писал: «Пальма сделана из одного рельса. Ее ствол несет на себе десять листков и вверху заканчивается венчиком. Высота подлинно художественного изделия — 3 м 53 см. Молот и зубило — вот единственные инструменты, которыми пользовались кузнецы. Рельс был выбран в качестве исходного материала в рекламных целях, как основной продукт «Новороссийского общества каменноугольного, железного и рельсового производств» . 27

Определение технологической пластичности • Технологическая пластичность [processing plasticity] • Способность материала к деформированию в конкретных условиях напряженного состояния, температуры и скорости деформации. • Комплекс характеристик, определенный посредством стандартных механических или специальных технологических испытаний на деформируемость, позволяющих выбрать наиболее рацональные параметры температур и обжатий при горячей деформации металла. • Технологическая пластичность определяется на специальных испытательных машинах — пластометрах или методом осадки. 28

Испытание на растяжение как метод оценки пластичности • Подробнее рассмотрим испытание материалов на растяжение. Испытания проводят на специальных разрывных машинах. В процессе испытаний образец устанавливают в захватах разрывной машины и медленно растягивают вплоть до разрушения. • Одновременно диаграммный аппарат машины записывает диаграмму зависимости между нагрузкой F, растягивающей образец, и удлинением образца. • Чтобы исключить влияние размеров образца, эту диаграмму перестраивают: все ординаты делят на начальную площадь поперечного сечения, а все абсциссы – на начальную расчетную длину. • Полученная диаграмма в координатах, называется условной диаграммой растяжения, которая не зависит от размеров образца, а характеризует только свойства материала. 29

Разрывные машины Схема работы такова: • Образец зажимается в захваты машины 4. • Нижний захват опускается с помощью механического привода 1, смонтированного в нижней части машины. • Верхний захват связан с маятником 3, который, отклоняясь на определенный угол, уравновешивает силу, тянущую образец вниз. • Угол отклонения маятника соответствует нагрузке, прикладываемой к образцу 5. • Эта нагрузка, а также растяжение образца отмечаются на диаграммном аппарате 2 в виде диаграммы деформации. Разрывная машина WAW-600 C 30

Параметры пластичности при испытании на растяжение • При испытании на растяжение пластичность определяют двумя величинами: относительным удлинением, относительным сужением. • Для того чтобы понять, как эти величины определяются, следует образец до испытания сопоставить с разрушенным образцом, как это сделано на рис. • После разрушения образец оказался длиннее, но он сузился, особенно в месте образования шейки. • Относительное удлинение (сужение) определяет, на какую величину образец удлинился (сузился) после растяжения по отношению к первоначальной длине (толщине). 31

Мы рассматривали характеристики пластичности: относительное удлинение и относительное сужение • • Для оценки пластичности металла служат относительное остаточное удлинение образца при растяжении (δр, %) и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца (Ψр, %). Относительное остаточное удлинение (δр, %) определяется по формуле: где lк – рабочая длина образца после испытания, мм; lо – рабочая длина до испытания, мм. • Относительное остаточное сужение (Ψр, %) определяется из выражения: где Fо – начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2; Fк – площадь сечения образца вместе разрушения, мм 2. 32

Другие экспериментальные методы оценки пластичности • Для оценки пластичности обычно строится диаграмма пластичности [plasticity diagram]-графическое изображение зависимости экспериментальных значений критических точек состояния материала (начало образования шейки, разрушения и т. п. ) от параметров силового воздействия • Пластичность металла оценивается по углу загиба, образующемуся при испытании до момента появления первой трещины. • Пластичность металла оценивается при сжатии - степенью осадки без разрушения. • Пластичность металла в некоторых случаях характеризуется ударной вязкостью. 33

Усталость 34

3. 3. Испытания на усталость • Такие испытания имеют целью исследование поведения материала при циклическом приложении нагрузок и определение предела выносливости материала, т. е. напряжения, ниже которого материал не разрушается после заданного числа циклов нагружения. Чаще всего применяется машина для испытания на усталость при изгибе. При этом наружные волокна цилиндрического образца подвергаются действию циклически меняющихся напряжений – то растягивающих, то сжимающих. 35

Испытание на усталость • • Различные виды испытания на усталость имитируют изменения напряжений, которым подвергаются материалы различных деталей, когда они находятся в эксплуатации. Изгибочно-нагрузочная машина, например, применяется для изгибания образца относительно точки опоры поочередно в двух направлениях, тогда как машина для испытания на усталость при скручивании свивает его поочередно в одном направлении и затем в противоположном. Другой тип машины используется для проведения чередующихся операций растяжения и сжатия при прямом напряжении на образец. Испытания могут проводиться с механическим напряжением, которое периодически изменяется от нуля в положительном и отрицательном направлениях , повторяется от нуля до максимального значения или изменяется в обоих направлениях около некоторой величины, не достигая нуля за все время испытания. Цель испытания: подвергнуть материал типичному напряжению, при котором он будет эксплуатироваться. Результаты испытания на усталость могут быть выражены в виде графика S/N, характеристикой предельной усталости или пределом долговечности для N циклов. 36

Определение усталости • Усталостное разрушение металлов происходит в условиях повторяющихся знакопеременных напряжений, значения которых меньше предела прочности. • Усталость - это процесс постепенного разрушения заключается в том, что под действием большого числа циклов переменных нагрузок в наиболее нагруженном или ослабленном месте металла зарождается, а затем растет трещина, следовательно, площадь сплошного металла постепенно уменьшается, а напряжения возрастают. Наступает момент, когда оставшаяся неповрежденной часть сечения уже не может выдержать приложенной нагрузки, так как действующие напряжения превысили предел прочности, поэтому происходит быстрое разрушение металла. 37

Выносливость • Свойство материала противостоять усталости называется выносливостью. Наибольшее напряжение, которое выдерживает материал без разрушения при повторении заранее заданного числа циклов, называют пределом выносливости. • Испытание на усталость чаще всего проводят на вращающемся образце с приложением постоянной изгибающей нагрузки. Напряжения в каждой точке образца за один оборот изменяются от положительных (растяжение) до отрицательных (сжатие), т. е. меняются по закону синусоиды. При таком нагружении отношение максимальной и минимальной величин напряжений равно -1. Испытания выполняются следующим образом. При заданном напряжении определяется количество циклов до разрушения, полученное значение наносится на график п — а, где п — число циклов. В результате получают кривую усталости. • Как видно на этой кривой, существует напряжение, которое вообще не вызывает разрушения, это и есть предел выносливости, т. е. при напряжениях ниже, чем а деталь может работать сколь угодно долго. 38

Испытания на ползучесть Учёные нашли самую маленькую змею 10 сантиметров. Обитает миниатюрное пресмыкающееся на одном из островов Карибского моря. Ползучесть проявляется медленно !!! 39

3. 3. Испытание на ползучесть. Ранее предполагалось, что напряженное и деформированное состояние тела остается неизменным во времени, если неизменны внешние воздействия. Однако, в действительности полная деформация любой точки заданного тела при действии внешних сил, формируется в течении определенного промежутка времени. Далее известно, что все материалы обладают свойством старения, т. е. физико-механические характеристики во времени меняются, поэтому учет временных процессов, протекающих в элементах конструкций в период действия внешних сил имеет важное значение в плане совершенствования методов их расчета. Явление ползучести в принципе присуще всем материалам, но не все они обладают им в одинаковой мере. В металлах ползучесть обнаруживается лишь при высоких температурах, а в цветных металлах (свинец, медь и др. ) может проявляться и при обычных температурах. Наиболее ощутим процесс ползучести в бетоне, грунтах, полимерах. Опыт показывает, что деформации ползучести могут быть весьма существенными и заметно влиять на работу конструкции. 40

• Известны случаи разрушения котельных труб под постоянным давлением вследствие ползучести материала. Установлено, что в результате ползучести бетона напряжения в арматуре железобетонных конструкций могут увеличиться в 2. . . 2, 5 раза, а перемещения в 3. . . 4 раза. • Накопление деформаций ползучести в лопатках и дисках турбин может привести к опасному уменьшению зазора между концами лопаток и кожухом двигателя, к заклиниванию и поломке лопаток. • В других случаях чрезмерное удлинение детали в условиях ползучести может привести к уменьшению поперечного сечения и разрушению детали при напряжениях, гораздо меньших, чем те, которые она может выдержать при обычном статическом нагружении без длительной выдержки под нагрузкой. Поэтому учет фактора ползучести имеет существенное значение для правильного работы конструкций при действии внешних сил. • Долгое время считали, что ползучесть может происходить только при повышенных температурах, однако ползучесть имеет место и при очень низких температурах, так, например, в кадмии заметная ползучесть наблюдается при температуре − 269 С°, а у железа — при − 169 С°. 41

История вопроса • • Явление ползучести было замечено К. Навье (1826), Г. Кориолисом (1830 г. ), но впервые количественно изучено Л. Вика (1834 г. ). В. Вебер в 1835 г. в опытах по воздействию крутящего момента на кварцевые волокна. В них обнаружилось удивительное для неживой материи свойство хранить «память» о воздействиях, которые она испытывала в прошлом. Систематические исследования ползучести металлов и сплавов, резин, стекол относятся к началу XX века и особенно к 40 -м годам, когда в связи с развитием техники столкнулись, например, с ползучестью дисков и лопаток паровых и газовых турбин, реактивных двигателей и ракет, в которых значительный нагрев сочетается с механическими нагрузками. Потребовались конструкционные материалы (жаропрочные сплавы), детали из которых выдерживали бы нагрузки длительное время при повышенных температурах. В настоящее время проводят испытания на ползучесть В таких испытаниях оценивается совместное влияние длительного приложения нагрузки и повышенной температуры на пластическое поведение материалов при напряжениях, не превышающих предела текучести, определяемого в испытаниях малой длительности. Надежные результаты могут быть получены лишь на оборудовании, обеспечивающем точный контроль за температурой образца и точное измерение очень малых изменений размеров. Длительность испытаний на ползучесть обычно составляет несколько тысяч часов. 42

Определение ползучести • Ползучесть – это метод определения поведения материала при длительных постоянных нагрузках при растяжении или сжатии при постоянной повышенной температуре. • Деформация регистрируется в определенные интервалы времени, строится диаграмма зависимости ползучести от времени. Уклон кривой в любой точке - это коэффициент ползучести. • При разрушении испытание останавливается и регистрируется время разрыва. • Если образец не подвергается разрушению в установленное для испытания время, можно определить степень упругого восстановления при ползучести. • Ползучесть материалов экспериментально изучают прежде всего при простых напряженных состояниях: одноосных растяжении, сжатии, а также чистом сдвиге. Условия проведения таких экспериментов определены ДСТУ. Ползучесть при сложных напряженных состояниях изучают обычно на тонкостенных трубчатых образцах. 43

Кривая ползучести Ползучесть описывается так называемой кривой ползучести, которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложенной нагрузке (или напряжении). Её условно делят на три участка, или стадии: АВ — участок неустановившейся (или затухающей) ползучести (стадия I), BC — участок установившейся ползучести — деформации, идущей с постоянной скоростью (стадия II), CD — участок ускоренной ползучести (стадия III), E 0 — деформация в момент приложения нагрузки (стадия IV), точка D — момент разрушения. 44

Установившаяся и неустановившаяся стадии ползучести • Предположим, что в начальный момент времени деформация имеет значение, равное упругой деформации или суммарной упругой и пластической деформации. Обычно считается, что время нагружения (или разгрузки) образца пренебрежимо мало по сравнению с временем проведения эксперимента, в связи с чем можно положить, что напряжение и деформация появляются мгновенно. • С увеличением времени t наблюдается возрастание деформаций. Если процесс сопровождается уменьшением скорости деформирования, то эта стадия ползучести называется установившейся (1). Если деформация ползучести имеет тенденцию к беспредельному увеличению и в итоге сопровождается разрушением материалов конструкции, то эта стадия ползучести называется неустановившейся (2). • • Полная деформация в произвольный момент времени определяется как сумма начальной деформации и деформации ползучести. Заметим, что характер протекания ползучести во времени очень чувствителен в зависимости от интенсивности напряжений и температуры. Увеличение интенсивности напряжений или градиента температуры, как правило, приводит к возрастанию деформаций ползучести. 45

Стадии ползучести • Как указано в прилагаемой диаграмме, ползучесть материала можно разделить на три стадии. Первая стадия, или первичная ползучесть, начинается с большой скорости и постепенно замедляется. Вторая стадия (вторичная) ползучести протекает с относительно постоянной скоростью. Третья стадия (третичная) ползучести характеризуется растущей скоростью и завершается разрушением материала. • Как общее время до разрушения, так и протяжённость каждой из стадий зависят от температуры и приложенной нагрузки. При температурах, составляющих 40 %-80 % температуры плавления металла (именно эти температуры представляют наибольший технический интерес), затухание ползучести на первой её стадии является результатом деформационного упрочнения (наклёпа). • Так как ползучесть происходит при высокой температуре, то возможно также снятие наклёпа — так называемый возврат свойств материала. Когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, наступает II стадия ползучести. • Переход в III стадию связан с накоплением повреждения материала (поры, микротрещины), образование которых начинается уже на I и II стадиях. 46

Линейная и нелинейная ползучесть • • • Если увеличение деформаций ползучести пропорционально увеличению напряжений, то имеем дело с линейной ползучестью, в противном случае с нелинейной ползучестью. Установлено, что ползучесть металлов при высоких температурах нелинейная, а бетона, пластмасс при малых напряжениях – линейная. В частности, линейная ползучесть бетона при сжатии имеет место при напряжениях, меньших приблизительно половины призменной прочности. На ползучесть различных материалов кроме перечисленных оказывают значительное влияние и другие факторы. Например, на ползучести бетона сказываются влажность, свойства заполнителя, вид цемента, водоцементное отношение, масштабный фактор и т. д. В некоторых случаях наблюдается изменение механических свойств материала по истечении длительного времени при неизменных внешних условиях и в ненагруженном состоянии. В бетоне, например, это явление обусловлено длительными химическими процессами, происходящими в цементном камне, в пластмассах, каучуках и в материалах органического происхождения – медленно протекающими окислительными процессами. Отмеченные явления приводят к так называемому старению материалов. В результате старения они через определенный промежуток времени не могут быть использованы в качестве конструкционных. Установлено, что деформация ползучести при старении зависит не только от продолжительности действия нагрузки, но и от возраста самого материала, который нагружается не сразу после его изготовления. 47

Виды ползучести Известны четыре вида ползучести: • - неупругая обратимая ползучесть, которая считается неопасной для конструкций, т. к. она протекает при напряжениях сдвига ниже критических; • - логарифмическая ползучесть протекает в области относительно низких температур; • - высокотемпературная ползучесть – которая протекает при (0, 4. . . 0, 6 Т), где - температура плавления материала; • - диффузионная ползучесть реализуется при очень высоких температурах порядка (0, 8. . . 0, 9 Т). 48

• • Если в некоторый момент времени производить разгрузку, то накопленная деформация ползучести начинает уменьшаться, асимптотически стремясь к некоторому пределу рис. Такое явление носит название обратной ползучести. Частным случаем обратной ползучести является рост необратимых и обратимых деформаций при постоянном напряжении. Это явление носит название последействие. Для условий эксплуатации изделий в течение длительного времени под постоянными нагрузками необходимо учитывать явление упругого последействия, которое заключается в том, что упругие деформации продолжают некоторое время возрастать после завершения нагружения. После разгрузки эта часть деформации исчезает не мгновенно, а постепенно, в течение некоторого времени. Деформации упругого последействия обычно невелики и проявляются, если деталь или образец нагружены до предела пропорциональности и длительное время находятся под этой нагрузкой. Чем однороднее материал, тем они меньше. Особенно ощутимы эти деформации в материалах органического происхождения, где с ними нельзя не считаться. Явление необратимого последействия проявляется, если деталь или образец нагружены до предела упругости, но ниже предела текучести. 49

Релаксация • Обратимся к другому случаю, характеризующему свойства материалов и тесно связанному с ползучестью. Если имеется образец и обеспечить постоянство деформаций во времени в образце, как показывают эксперименты, то во времени происходит снижение напряжений (рис. ). • Явления медленного уменьшения напряжений в образце при неизменной начальной деформации называется релаксацией. Она сопровождается переходом части упругих деформаций в пластические, поэтому соединения, выполненные с натягом, при длительной работе ослабевают. 50

• В металлических образцах при высоких температурах напряжение часто убывает до нуля. 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 его упругой деформации. С течением времени натяг болта (уровень деформации) будет ослабевать, т. к. часть упругой деформации будет переходить в пластическую. • Испытания образцов на релаксацию напряжений проводят на тех же испытательных машинах и в тех же условиях, что и испытания образцов на ползучесть. Исключение заключается в том, что после приложения начальной полной нагрузки обеспечивается неизменность начальной деформации во времени. Это достигается путем периодического снижения нагрузки на образце по мере нарастания в нем деформации ползучести. 51

Системы для испытаний на ползучесть и усталость Динамический механический анализатор Electro. Force ® 3450 High-Force DMA. • Предназначен для высокочастотного динамического механического анализа и контроля качества тестирования вязкоэластичных материалов, таких как эластомеры, полимеры и их соединения. • Высококачественная нагрузочная рама устройства не требует больших затрат в эксплуатации. • К системе может быть добавлена горячая/холодная камера для обеспечения контроля температуры от -150 C до 315 C. 52

Машины ATS для проведения испытаний на ползучесть и длительную прочность металлических материалов • • Испытательная машина ATS это классическая рычажная машина. Такой дизайн наилучшим образом подходит для длительных испытаний на ползучесть. Винтовые электромеханические машины абсолютно не пригодны для этих испытаний. Специальный профильный дизайн и конструкционная сталь обеспечивает необходимую жесткость машинам ATS. Нагрузочная цепь имеет минимальную несоосность благодаря повышенной длине нагрузочной цепи и изгиб образца при испытании составляет менее 10% (ASTM). Вверху и внизу нагрузочной цепи имеются специальные выравнивающие соединения серии 4021. Эта уникальная разработка ATS гарантирует практически нулевое трение, что в свою очередь является ключевым моментом для превосходного выравнивания. Каждое соединение выполнено в виды двух соединенных призм, развернутых под углом 90 O друг к другу для обеспечения выравнивания с практически нулевым трением. 53

Типичное применение • • • Металлообработка Пружины Паяные соединения Высокотемпературные материалы Изделия из пластмасс типа фланцев, труб • Стандартные процедуры испытания на ползучесть даны в стандартах ASTM E-139, ASTM D-2990 и D 2991 (пластмассы) и ASTM D-2294 (адгезивы). 54

3. 4. Динамические испытания материалов (испытания на удар) • ИСПЫТАНИЯ НА УДАР - это группа испытаний, позволяющих оценить прочностные свойства пластических масс при ударных воздействиях. При стандартных статических испытаниях, например, испытаниях на растяжение и изгиб, материал поглощает энергию медленно. В действительности обычно материалы быстро поглощают энергию приложенного усилия, например, от падающих предметов, ударов, столкновений, падений и т. д. Целью испытаний на прочность при ударе и является имитация таких условий. Существует целая группа испытаний, позволяющих оценить прочностные свойства пластических масс при ударных воздействиях. Эти испытания проводят либо на маятниковых копрах (испытания на двухопорный изгиб по Шарли), либо с помощью падающего груза. Испытание на двухопорный изгиб (по ГОСТу 4647 -82) заключается в разрушении образцов с надрезом и без надреза ударом маятника поперек образца, установленного горизонтально на двух опорах. 55

• В ходе испытаний определяют ударную вязкость — величину работы, затраченной на разрушение образца, отнесенную к площади его поперечного сечения или к площади поперечного сечения образца в месте надреза, а также коэффициент ослабления ударной вязкости, характеризующий отношение ударной вязкости образца с надрезом к ударной вязкости образца без надреза. Испытания ведут при скорости движения маятника 2, 9 или 3, 8 м/с в зависимости от ударной прочности материала. Эти испытания могут проводиться при комнатной температуре либо при пониженных температурах для определения хрупкости. Испытуемые образцы могут быть разными по типу и размерам надрезов; обычно применяют образцы в форме брусков с надрезом или без надреза. Число образцов должно быть не менее пяти. 56

• Ударные характеристики материала могут в значительной мере зависеть от толщины образца и ориентации молекул. Разные толщины образцов, используемых в методах 15 О и А 5 ТМ, могут весьма значительно повлиять на значения прочности при ударе. Например, при испытании образцов из поликарбоната по Изоду изменение толщины образцов с разной молекулярной массой с 3 мм на 4 мм наблюдался даже переход характера разрушения от вязкого к хрупкому. • С помощью таких испытаний можно выявить склонность к хрупкости, появляющейся в некоторых материалах при низких температурах ( «хладноломкость» ), а также склонность к тепловой хрупкости, возникающей в процессе работы при повышенных температурах, проконтролировать качество обработки металла и т. д. • Испытание чаще всего производится на маятниковых копрах. 57

Маятниковый копер • • • Копер представляет собой тяжелый маятник 1, подвешенный на легкой штанге 2. Перед испытанием маятник поднимается на определенную высоту, что сообщает ему определенный запас энергии. При падении маятник ударяется об образец 4, разрушает его и по инерции проходит вперед, поднимаясь уже на меньшую высоту. Работа, затраченная па деформирование образца Адеф, пропорциональна разности высот и определяется с помощью отсчетного приспособления 3, установленного на станине копра. Образец для этого вида испытания представляет собой призматический брусок размером 10 X 55 с прорезью посередине. При этом испытании устанавливается величина ударной вязкости, которая определяется отношением работы, затраченной на деформацию образца, к площади поперечного сечения образца в надрезе. 58

Испытания по Изода и Шарпи • Есть два основных вида испытаний на удар: Изода и Шарпи. Оба испытания включают похожие типы измерений, но различные по форме образцы: Изода-V, Шарпи-U образные. Оба имеют маятник, движущийся вниз от определенной высоты до удара по образцу. Высота, до которой маятник поднимается после перелома образца, определяет измеряемую энергию, израсходованную на разрушение. Если энергия не использована, то маятник откачнется на ту же самую высоту, которая была у него до старта. Чем больше энергии затрачено на перелом образца, тем ниже высота, до которой поднимется маятник. Американские и британские технические условия требуют применения стандартных образцов для испытания. 59

Отличия испытаний по Изода и Шарпи • В испытании Изода удар производится по лицевой стороне образца на фиксированной высоте. На этой же стороне ниже сделана зарубка. Образцы для испытания из металлов по британским стандартам имеют в сечении квадрат со стороной 10 мм или круг 11. 4 мм. • Для полимерных материалов стандартные образцы для испытания имеют квадрат со стороной 12. 7 мм или от 6. 4 до 12. 7 мм в зависимости от толщины испытуемого материала. • Металлические образцы для испытания маятник поражает со скоростью 3. . . 4 м-с-1, полимерные материалы — со скоростью 2. 44 м-с-1. В испытании Шарпи измеряется энергия, поглощенная бруском при переломе образца для испытания. 60

Образцы для измерения ударной прочности • Образец опирается на оба конца и имеет зарубку в середине. Зарубка нанесена на его лицевой стороне непосредственно напротив места, в которое попадает маятник. Британский стандарт предписывает для испытания металлов образец квадратного сечения со стороной 10 мм и длиной 55 мм. 61

• Удар наносят посередине образца со стороны, противоположной надрезу. За окончательный результат испытания принимают работу удара или ударную вязкость для образцов с концентраторами видов U и V и ударную вязкость для образцов с концентратором вида Т (усталостная трещина, получаемая в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости). • Работу удара обозначают двумя буквами (KU, KV или КТ) и цифрами. Первая буква (К) – символ работы удара, вторая буква (U, V или Т) – вид концентратора. Последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. • Работу (KU, KV или КТ) разрушения образца определяют обычно по специальной шкале маятникового копра. После определения работы разрушения образца вычисляют ударную вязкость KCU (KCV, КСТ): КС= K/S 0, где S 0 – площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см 2. 62

Обозначения ударной вязкости • Цифры не указывают при определении работы удара на копре с максимальной энергией удара маятника 30 кгс • м, при глубине концентратора 2 мм для концентраторов видов U и V и 3 мм для концентратора типа Т и ширине образца 10 мм. • Ударную вязкость также обозначают сочетанием букв и цифр. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья буква – вид концентратора; первая цифра – максимальную энергию удара маятника, вторая – глубину концентратора и третья – ширину образца. Цифры не указывают в тех же случаях, что и для работы удара. Применяют 10 типов образцов с надрезом вида U, А – с надрезом вида V и 6 – с надрезом вида Т. 63

• Для определения ударной вязкости хрупких материалов (чугунов, сталей с твердостью HRC 55 и выше) допускается применение призматических образцов с размерами 10 х10 х55 мм без надреза. Ударную вязкость, полученную при испытании таких образцов, обозначают символом КС без индекса. • Для более точной оценки вязкости материалов иногда ударную вязкость как интегральную характеристику делят на две составляющие – удельную рабоду зарождения а 3 и удельную работу развития ар трещины: a. H = a 3 + aр. При хрупком разрушении работа распространения трещины близка к нулю, а при полухрупком она снижается пропорционально проценту вязкой составляющей в изломе, поэтому целесообразно определять ар только при полностью вязком изломе. • Существует несколько методов определения а 3 и ар. Наиболее распространены метод Б. А. Дроздовского (предварительное нанесение на образец усталостной трещины) и метод А. П. Гуляева (испытание образцов с разными надрезами и построение зависимости ударной вязкости от радиуса надреза); экстраполяция прямой до нулевого значения радиуса надреза дает возможность получить величину ар. 64

• Нельзя сравнивать результаты, полученные с разными формами зарубок, так как для адекватного сравнения результатов испытаний на металлах должна применяться зарубка одного типа. Образцы для испытания полимерных материалов используют с зарубками и без них. В случае отлитых в форму полимерных материалов стандартный образец имеет длину 120 мм, ширину 15 мм и толщину 10 мм. С тонкостенными полимерными материалами применяются образцы другой ширины и толщины. Зарубка наносится вальцовкой желобка поперек одной поверхности. Желобок имеет ширину 2 мм и радиус меньше 0. 2 мм при вершинах основания и стенках желобка. Металлические образцы для испытания маятник поражает со скоростью 3. . . 5. 5 м/с-1, образцы из полимерных материалов — 2. 9. . . 3. 8 м/с-1. • Результаты испытания на удар определяются не только характеристикой типа испытания, т. е. Изода или Шарпи, но и формой применяемой зарубки. В случае металлов результаты испытания выражают в количестве энергии, поглощенной образцом при переломе. Для полимерных материалов результаты испытания часто указывают в виде поглощенной энергии, деленной на площадь поперечного сечения образца позади зарубки, если она у него имеется. 65

3. 5. Оценка трещиностойкости (сопротивления разрушения) ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ – это способность твёрдых тел воспринимать действующие на них нагрузки без образования трещин Сопротивление разрушению при ползучести. Напряжения, которые вызывают разрушение при испытаниях на ползучесть в данный момент времени при определенной постоянной окружающей среде. Иногда они называются как напряженно-разрывная прочность. В производстве стекла определяется как сопротивление статической усталости. 66

Трещиностойкость зависит от концентраторов напряжений В теории упругости и пластичности область материала в которой происходит увеличение напряжений в малых областях, примыкающих к местам с резким изменением формы поверхности тела, его сечения или с локализованной неоднородностью материала внутри тела называется концентратором напряжений. Факторами, обусловливающими образование трещин, могут быть надрезы, выточки, выбоины, полости, усадочные раковины, трещины, инородные включения, царапины и т. п. Они могут быть причиной разрушения тел, т. к. снижают сопротивление тела ударным нагрузкам. 67

Концентрация напряжений при растяжении полосы с круговым отверстием и возле эллиптического отверстия. 68

Развитие трещина корабля по концентраторам напряжений • Корпус парохода «Либерти» имеет очень сильные повреждения в двух местах, т. е. фактически разделен на три части. Эти разломы проходят по третьему и четвертому трюмам через квадратные люки, таким образом разделяя корпус на три фрагмента: носовой, центральный (с ходовой рубкой) и кормовой. 69

Развитие трещин по прямоугольным отверстиям 70

Итак, повторим еще раз! • Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела — индентора. • Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади или объему поверхности отпечатка. • Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам. 71

Итак, повторим еще раз! • Пласти чность [plasticity] — способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Иными словами пластичность металла определяется способностью металла не разрушаясь деформироваться так, что деформации остаются и после окончания действия нагрузки. • Мерой пластичности является удлинение δ при разрыве. Чем больше δ, тем более пластичным считается материал. • Испытания на усталость – это испытания имеют целью исследование поведения материала при циклическом приложении нагрузок и определение предела выносливости материала, т. е. напряжения, ниже которого материал не разрушается после заданного числа циклов нагружения. • Явления медленного уменьшения напряжений в образце при неизменной начальной деформации называется релаксацией. 72

Итак, повторим! • Испытания на удар - это группа испытаний, позволяющих оценить прочностные свойства пластических масс при ударных воздействиях. • Ударная вязкость — это величину работы, затраченной на разрушение образца, отнесенную к площади его поперечного сечения или к площади поперечного сечения образца в месте надреза. • Трещиностойкость – это способность твёрдых тел воспринимать действующие на них нагрузки без образования трещин. 73