Испытание материалов

Испытание материаловИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ, экспериментальное определение их механических и физических свойств, знание которых необходимо для расчета сооружений и машин. В более узком смысле слова, под испытанием материалов подразумевается механическое испытание с целью выяснения механической прочности материала. На практике применяются следующие виды механического испытания: 1) на разрыв (растяжение), 2) на раздробление (сжатие), 3) на изгиб, 4) на загиб, 5) на кручение, 6) на твердость, 7) на усталость, 8) на удар, 9) на износ, 10) на обрабатываемость и 11) технологические пробы. Для различных специальных материалов (бумага, проволока, жесть, ремни, цементы, камень, дерево, дорожные материалы) употребляются, кроме того, особые методы, здесь не упомянутые.

1. Испытание на разрыв. Испытание на разрыв представляет собой основной и наиболее распространенный вид испытаний материалов. Для производства испытания служат испытательные машины, назначение которых сообщать образцу из испытуемого материала удлинение и одновременно измерять величину растягивающей силы.

По механической схеме различаются машины: а) задающие постоянную скорость деформации (например, посредством винтового пресса) и б) задающие постоянную скорость нагружения (например, посредством равномерного перемещения груза по нагружающему рычагу). Отчетливое изучение законов механического сопротивления материалов возможно только при первой схеме, почему она получила почти исключительное распространение. По техническим приемам работы машины классифицируются в зависимости от устройства а) механизма для производства деформации и б) механизма для измерения силы. Первый обычно бывает или механическим, в узком смысле слова, или гидравлическим. В первом случае применяется почти исключительно винт, натягиваемый шестерней с червячной передачей; при вращении червяка шестерня, играющая роль гайки винта, втягивает или выталкивает последний. В более мощных машинах таких винтов, которые работают параллельно, бывает несколько (до четырех). Нагрузка машины производится или вручную, или от электромотора (в последнем случае непосредственно), или при помощи трансмиссии. Для работы на разных скоростях либо ставят моторы, допускающие достаточно широкое изменение скоростей, либо между мотором и машиной включают специальную переменную передачу. Последняя строится или по принципу фрикционной передачи (европейская система) или по принципу коробки скоростей (американская система). При наличии механического двигателя параллельная возможность работы от руки является обязательной для каждой машины, так как пользование зеркальным прибором для измерения упругих деформаций при работе мотора невозможно.

Гидравлическое производство деформаций достигается посредством гидравлического пресса, особенно часто - при машинах большой мощности (свыше 100 т). В простейших случаях употребляется простой ручной насос, которым рабочая жидкость (обычно - касторовое масло) нагнетается под поршень машины с давлением до 200 atm. При более крупных установках применяются электромоторы. Гидравлический привод позволяет работать на аккумуляторах, в которых жидкость под определенным рабочим давлением заготовляется впрок. Аккумуляторы бывают гравитационные, паровые и воздушные; последние применяются обычно лишь при отдельных машинах для смягчения толчков насоса, тогда как первые и вторые обслуживают группу машин. В этом случае громоздкие аккумуляторные и насосные установки м. б. вынесены из машинного зала, а управление машинами становится особенно простым и заключается лишь в приоткрывании или закрывании распределительного крана.

Механизм, измеряющий силу, применяется обычно одного из следующих четырех типов: 1) рычаг с грузом, 2) пружинный динамометр (с рычажной передачей и без нее); 3) металлический манометр; 4) ртутный манометр.

1) Рычаг с грузом применяется в трех видоизменениях: подвижной груз, неподвижный груз и маятниковый рычаг. Подвижной постоянный груз перемещается по длинному плечу снабженного шкалой рычага, на короткий конец которого измеряемая сила действует непосредственно (Мор и Федергаф) или после многократного уменьшения системой промежуточных рычагов (Олсен, Риле, Альфа). Перед каждым отсчетом рычаг приводится в горизонтальное положение, проверяемое язычками, как у десятичных весов, стрелкой с рычажной передачей или уровнем. Груз снабжен указателем с нониусом, по которому берется отсчет шкалы. К этой группе машин относится большинство рычажных машин: русские - А. Гагарина, германские - Мора и Федергафа, Лозенгаузена, английские - Буктона, американские - Олсена Риле и шведские - Альфа. Большей частью эти машины снабжаются автоматам, приспособлением, устанавливающим подвижцой груз в положение равновесия (часовой механизм, электромагнитная связь, фрикционный механизм, переключатель перемещающего груз мотора и т. п.). На фиг. 1 изображена получившая большое распространение рычажная машина Мора и Федергафа (изготовляется силою до 50 т).

Рычажная машина Мора и Федергафа

Здесь А - нижний захват образца, опускаемый с помощью механического привода, заключенного в цоколь машины и обслуживаемого мотором М; В - верхний захват, передающий нагрузку при помощи системы рычагов и тяг С, D на рычаг со шкалой Е, по которому перемещается уравновешивающий груз F. Неподвижный переменный груз остается приложенным к одной и той же точке рычага, но изменяется по величине так, чтобы рычаг становился каждый раз в горизонтальное положение. Груз составляется при этом из десятичного набора гирь, которые вешаются на рычаг в определенной последовательности. Способ этот обладает большой точностью и применяется в наиболее точных машинах Мартенса (фиг. 2), Эмери (Селлерс), Вердера.

Рычажная разрывная машина Мартенса

Машина Эмери (имеется в Механической лаборатории Ленинградского политехнического института) отличается совершенно исключительной чувствительностью, вполне отвечающей точности, с которой м.б. измерена сила. Построенная впервые для арсенала Уотертаун близ Бостона, она позволила при испытании разорвать железный стержень диаметром 125 мм с измеренным сопротивлением в 328 m и вслед за ним конский волос толщиной 0,075 мм с сопротивлением в 450 г. Маятниковый рычаг измеряет момент уравновешивающего груза посредством изменения угла наклона маятника. При этом сила, действующая на короткое плечо маятника, в малых машинах передается непосредственно от образца, в больших же машинах - уменьшена системой промежуточных рычагов (машины Шоппера—фиг. 3, Польмейера, новейшие машины Мора и Федергафа).

Рычажная разрывная машина Шопера

2) Пружинные динамометры обычно применяются лишь для самых малых нагрузок, и только в последнее время фирма Шпис в Германии использовала их для испытательных машин обыкновенной мощности. Удобство пружинного динамометра состоит в возможности непосредственного отсчета нагрузки в каждый момент испытания; надежность его, однако, меньше, чем рычага с грузом.

3) Металлические манометры (Бурдона) применяют в испытательных машинах путем непосредственного присоединения к рабочему гидравлическому цилиндру машины, что возможно только в машинах с гидравлическим производством деформаций, и путем включения в механизм особого передаточного органа, превращающего силу механического сопротивления образца в гидростатическое давление. В первом случае манометр измеряет давление жидкости в рабочем цилиндре, которое, будучи умножено на площадь поршня, дает величину усилия, передаваемого на образец (здесь остается неучтенной потеря на трение поршня о стенки цилиндра, достигающая 0,5—1% от нагрузки). При втором способе между захватом машины и манометром ставится особый гидравлический трансформатор (Messdose - измерительная коробка), трансформирующий механическое усилие в гидравлическое давление. Он представляет собой (фиг. 2) низкий гидростатический цилиндр с поршнем, на который непосредственно действует измеряемая сила. Для того чтобы при передаче давления на жидкость не имела места заметная потеря на трение, в нем применен принцип упругой мембраны (металлической или резиновой), перекрывающей зазор между поршнем и стенками цилиндра. Преимущество этого способа измерения нагрузок заключается в непрерывности показаний прибора; недостаток - в затруднительности поверки и контроля, а также в меньшей точности по сравнению с рычажными приборами. Метод предпочтителен в заводской обстановке, при быстрой и интенсивной работе. Кроме трансформаторов прямого действия, в испытательных машинах встречаются и обращенные, превращающие гидростатическое давление рабочего цилиндра в механическое усилие, отклоняющее маятник. На фиг. 4 показана машина Амслера (Швейцария), строящего все свои машины с гидравлическим производством деформаций. Сила измеряется при помощи маятникового манометра, приводящего в движение стрелку циферблата. Для уменьшения трения в цилиндре особым ручным приводом вращают поршень во время работы пресса (замена трения покоя меньшим трением движения).

Гидравлическая разрывная машина Амслера

4) Ртутные манометры, применимые только для машин с гидравлическим производством деформаций, в последнее время почти совсем вышли из употребления. Для измерения упругих деформаций, в виду их обыкновенно незначительной величины, требующей точности порядка 10-3 мм, применяются специальные измерительные приборы. Из них наибольшим распространением пользуется зеркальный прибор Мартенса (фиг. 5). Удлинение образца вызывает поворот прижатой к нему стальной призмочки, к которой прикреплено зеркальце S. Угол поворота зеркальца α, пропорциональный (при малых деформациях) удлинению образца λ, измеряется методом Поггендорфа-Гаусса с помощью шкалы и зрительной трубы. Для исключения влияния изгиба к образцу прикрепляют два прибора на диаметрально противоположных его образующих. Обыкновенно цена деления шкалы составляет 0,002 мм удлинения.

Зеркальный прибор Мартенса

Для той же цели служат: экстенсометры с микроскопами (Юнга), мало удобные по своей тяжести, но простые в обращении; экстенсометры с микрометрическими винтами (кембриджский, Олсена), работающие по нулевому способу (т. е. не дающие непрерывных показаний) и в этом отношении неудобные; экстенсометры с механической передачей на стрелку (Кеннеди, Олсен и Риле), доведенные в последнее время (американские типы) до высокого совершенства, свободные от мертвого хода, допускающие быструю установку и дающие точность одного порядка с зеркальным прибором. Экстенсометры, построенные на принципе интерференции света (Менаже, Грюнейзен), измерении электропроводности (Гийери) или радио-технической методике (Виддингтон, Генфорд), применяются лишь при научных изысканиях, когда требуется повышенная точность.

Измерение неупругих деформаций производится простыми методами: масштабными линейками, штангенциркулями, простейшими экстенсометрами с механической передачей (Кеннеди) и т. п. В результате испытания строится диаграмма растяжения либо по точкам, либо с помощью различных автографических приспособлений, которыми обычно снабжены испытательные машины. По одной оси откладываются относительные удлинения ε (отношение приращения длины образца к его начальной длине), по другой - напряжения σ (отношение растягивающей силы к исходной площади поперечного сечения F0). Для железа и мягкой стали типовая диаграмма растяжения имеет вид, показанный на фиг. 6.

Для железа и мягкой стали типовая диаграмма растяжения

До точки Р, по закону Гука, сохраняется пропорциональность между σ и ε (предел пропорциональности); практически до той же точки материал не получает остающихся деформаций (предел упругости). Коэффициент пропорциональности Е между напряжениями σ и удлинениями ε образца в формуле σ = Еε носит название модуля упругости, или модуля Юнга. При точке S образец сразу получает значительное остаточное удлинение (1—2%) при постоянном значении силы, т. е. течет (предел текучести, площадка текучести, критическая точка). Иногда (для образцов с плавным переходом от цилиндрической части к головкам) в начале участка текучести появляется зубец, свидетельствующий о неустойчивом повышении напряжения выше предела текучести. При дальнейшем увеличении деформации сопротивление образца снова возрастает, достигая максимума в точке R (временное сопротивление σВ = Рmax/F0, после чего начинается образование местного сужения (шейки), сопротивление образца падает, и, наконец, он рвется в точке Т. Шейка имеет различный вид в зависимости от рода и качества материала (шкала изломов – см. ниже, 1—7).

Шкала изломов

Шкала изломов

В отношении пределов упругости и пропорциональности можно говорить об их значениях: а) истинных, недоступных определению, б) приближенных, зависящих от точности приборов, и в) условных, определяемых ради однозначности каким-либо условным способом. Практическое значение имеет лишь последняя группа. Для предела упругости назначается предельная, величина остаточного удлинения (от 0,001%, по нормам Международного общества испытания материалов, до 0,03%, по нормам лаборатории Круппа), для предела пропорциональности - предельная величина отклонения от прямолинейности (увеличение тангенса угла наклона касательной к оси напряжений на 50% - метод Джонсона, НКПС). Предел текучести ясно выражен только для немногих материалов, для которых он имеет физический характер (мягкая сталь, некоторые сорта латуни после специальной обработки). Для стали появление площадки текучести, как показал Кестер, обусловлено разрывом хрупкой цементитной оболочки зерен, образовавшейся при распадении (при 300—400°С) растворенного в феррите углерода. Для остальных металлов на диаграмме растяжения перелом в точке S отсутствует, и определяется условный предел текучести, задаваемый величиной пластической деформации (например, в Германии 0,02%).

После разрыва образца определяется остаточное удлинение δ, или относительное увеличение расчетной длины l0 в процентах, и сужение шейки ѱ (иногда называемое сжатием), или относительное уменьшение исходной площади поперечного сечения:

ispytie materialov f1

Площадь диаграммы растяжения представляет собой работу деформации, а частное от деления ее на исходный объем образца - удельную работу деформации, которая измеряется в кг/см2, Эта работа почти полностью (за вычетом 5—15%) обращается в тепло, вызывая нагревание образца. Если построить диаграмму истинных напряжений (т. е. отнесенных не к исходной, а к действительной величине площади сечения образца, то получающаяся кривая показывает непрерывное возрастание до самого разрыва; соответствующее последней точке напряжение называется истинным сопротивлением разрыву и значительно превышает временное сопротивление (до двух раз и более).

Для получения при испытании в разных условиях одинаковых результатов должны быть соблюдены определенные требования, касающиеся размеров и формы образца и скорости испытания. Опытами установлено (закон подобия Барба и Кика), что одинаковые относительные деформации при одинаковых напряжениях получают только геометрически подобные образцы. Поэтому Международное общество испытания материалов установило нормальные типы подобных между собой круглых образцов нескольких размеров; в частности во всех случаях отношение расчетной длины (т. е. той длины, для которой рассчитывается остаточное удлинение) к диаметру принято равным 10. Так как, по Баушингеру, удлинение не изменяется при замене круглых образцов прямоугольными (1:4) равновеликого поперечного сечения, то допускается применение и прямоугольных образцов; условие надлежащего соотношения размеров выражается при этом зависимостью:

ispytie materialov f2

При вычислении сужений шейки, как показали Закс и Кунце, для получения одинаковых с круглыми образцами результатов следует измерять толщину поперечного сечения шейки в самом узком ее месте (на середине ширины). Однако, вследствие неоднородности материала и случайных причин даже вполне подобные образцы могут разорваться неодинаково, давая шейку то посередине, то вблизи головки. В последнем случае общее удлинение образца оказывается меньшим, и для получения сравнимых чисел измеряют удлинение условным способом, пересчитывая его на удлинение образца с шейкой посередине, а именно: измеряют относительное удлинение для половины расчетной длины, отсчитывая ее от места разрыва в сторону наиболее удаленной головки; для этого до начала испытания на поверхность образца с помощью делительной машины наносят деления через 0,5—1 см.

Скорость испытания отражается на диаграмме испытания так, что увеличение скорости влечет за собой повышение всей диаграммы в целом. Для легкоплавких металлов (олово, свинец, цинк) это влияние проявляется весьма сильно и может привести к повышению временного сопротивления в несколько раз (например для цинка временное сопротивление при продолжительности испытания в 3 секунды составляет 38 кг/мм2, при 20 ч. - 7,9 кг/мм2). Для большинства же технических материалов влияние скорости в обычных пределах невелико (для стали увеличение скорости с нуля до 1,25% в сек. повышает σв на 2,5%; предел текучести повышается значительнее, чем σв); тем не менее требование одинаковой скорости нагружения является обязательным (принято не превышать 1 кг/мм2 в сек.). Сильное уменьшение скорости испытания (разрыв в течение недель и месяцев) также отражается на результатах. Для металлов, подверженных т.н. старению, каковы железо и мягкая сталь, σв сильно повышается, а δ падает; для остальных же металлов (цветные металлы), наоборот, σв резко понижается и в особо неблагоприятных условиях (некоторые сорта латуни), как показал Вельтер, может упасть даже до предела текучести.

2. Испытание на сжатие. Испытание на сжатие имеет практическое значение лишь для хрупких материалов (чугун, камень), для которых изготовление образцов на разрыв и правильная центрировка их в машине затруднительны. Испытательные машины для испытания на сжатие представляют собой обычно гидравлические прессы (например, пресс Амслера с маятниковым манометром, фиг. 7).

Пресс Амслера с маятниковым манометром

Один из самых больших прессов построен Олсеном на 5000 т (фиг. 8) и служит для испытания на раздробление целых столбов каменной кладки или крупных железных мостовых элементов (стержней).

Пресс Олсена

Некоторые машины на растяжение (Олсен, Эмери, Гагарин, Риле) позволяют также работать и на сжатие. Универсальные машины (фиг. 9) работают по желанию на растяжение, сжатие и изгиб. Гидравлический цилиндр А перемещает вверх балку В и связанную с ней поперечину С. Площадка D посредством системы рычагов передает направленное на нее снизу вверх усилие взвешивающему рычагу Е с передвижным грузом. Образец, помещенный выше D, растягивается, помещенный же ниже - сжимается или изгибается.

Универсальные машины работают по желанию на растяжение, сжатие и изгиб

Большинство материалов обладает при сжатии теми же модулем упругости, пределом упругости и пределом текучести, что и при растяжении. Если, однако, образец был предварительно растянут за предел упругости, то его предел упругости при сжатии оказывается уменьшенным (эффект Баушингера). Временным сопротивлением, как и при растяжении, называется отношение наибольшей (разрушающей) нагрузки к исходной площади поперечного сечения.

Разрушение при сжатии происходит различными способами. Пластичные материалы только сплющиваются, сохраняя целость; хрупкие ломаются либо от скалывающих напряжений, либо от деформации поперечного расширения. Особый вид испытания на сжатие составляет всестороннее (гидростатическое) давление. При таком испытании достаточно однородные материалы не разрушаются, а в случае неравенства главных сжимающих напряжений хрупкие материалы (мрамор, песчаник в опытах Кармана) становятся пластическими и обнаруживают под микроскопом в своих зернах линии сдвигов.

Так как во избежание продольного изгиба отношение высоты h образца к его диаметру d не д. б. больше 4 для хрупких и 2,5 для пластичных материалов, то трение поверхностей образца о доски пресса, создавая фиктивное увеличение прочности, тем большее, чем короче и толще образец, оказывает существенное влияние на результаты по формуле:

ispytie materialov f3

где А и R - постоянные (Закс); образец при сжатии принимает бочкообразную форму. Для исключения этого влияния предложено три способа: а) производя испытание сериями при разных  d/h , экстраполируют результат на d/h = ∞; б) применяют образцы, имеющие форму фиг. 10, А (Трапезников); в) придают образцам и доскам пресса форму конических поверхностей (фиг. 10, Б), образующие которых наклонены к плоскости поперечного сечения под углом трения (около 3° при наличии смазки, Зибель).

Образцы материалов для испытаний

При этих предосторожностях диаграмма сжатия для одного и того же металла совпадает с диаграммой растяжения, если в обоих случаях на одной оси откладывать истинные напряжения, а на другой - относительные деформации в виде отношения двух площадей поперечных сечений до и после деформации, ставя в числитель ту, которая меньше (Закс).

3. Испытание на изгиб. Это испытание производится или на специальных машинах (Амслера и др.) или на универсальных машинах (см. выше) и имеет практическое значение лишь для хрупких материалов (чугун, закаленная сталь, камень). В результате испытания определяется условное временное сопротивление на изгиб по формуле: σ = M/W, где М - наибольший изгибающий момент, a W - момент сопротивления исходного поперечного сечения образца; условность определения вытекает из неприменимости формулы за пределом пропорциональности. Для точного вычисления напряжений необходимо учесть различную форму диаграмм растяжения и сжатия (Бах).

Для хрупких материалов, у которых сопротивление разрыву ниже сопротивления раздроблению (чугун, камень), испытание на изгиб заменяет испытание на растяжение, имея преимущество большей простоты образцов и меньшей мощности машин.

Получение однозначных результатов требует соблюдения закона подобия. Для чугуна международные нормы устанавливают следующую зависимость между пролетом l и поперечным сечением F образца:

ispytie materialov f4

4.  Испытание на кручение. Это испытание применяется редко. Машины для него обычно имеют горизонтальное расположение образца (фиг. 11), закручиваемого вручную или от привода.

Машина для испытания на кручение

Скручивающий момент М измеряется по углу отклонения тяжелого маятника, ось привеса которого совпадает с осью образца; угол закручивания - по разности углов поворота обеих головок образца. Условное временное сопротивление на кручение определяется по той же формуле, что и при изгибе, где М означает наибольший скручивающий момент, a W - полярный момент сопротивления. Материалы, у которых сопротивление разрыву меньше сопротивления скалыванию (например, чугун), ломаются при кручении по винтовой линии (см. выше, эскиз 10), т. е. по траектории главных напряжений; при обратном соотношении разрушение идет по плоскости, перпендикулярной к оси образца.

5. Испытание на срез. Испытание на срез не м. б. произведено в чистом виде, всегда сопровождаясь побочным явлением изгиба. Обычно это испытание производится на двойное перерезывание; временное сопротивление на срез σс условно вычисляется по формуле σс = Р/2F0, где Р - перерезывающая сила и F0 - поперечное сечение образца. Определение сопротивления срезыванию имеет особенное значение для таких анизотропных материалов (дерево), у которых оно значительно понижено (скалывание вдоль волокон).

6. Испытание на твердость. Понятие твердости, как физической величины, до сих пор не установлено. Поэтому ее определение заменяется условными технологическими методами, которых применяется несколько.

Статические методы. а) Проба Бринелля заключается во вдавливании в образец стального шарика определенного диаметра D под определенной нагрузкой Р, в измерении диаметра отпечатка d и вычислении среднего напряжения, приходящегося на 1 мм2 поверхности отпечатка (твердость по Бринеллю - НВг):

ispytie materialov f5

Для получения твердости по Мейеру (Hм) делят силу на площадь проекции отпечатка:

ispytie materialov f6

Между твердостью по Мейеру и диаметром отпечатка существует зависимость, выражаемая показательной функцией:

ispytie materialov f7

где Н0 и n - постоянные. По HВг можно грубо вычислить и временное сопротивление σв стали по эмпирической формуле: σв = 0,36 НВг для углеродистых и σв = 0,34 НВг для хромоникелевых сталей. Неудобство пробы Бринелля заключается: 1) в необходимости двух раздельных операций нагружения и измерения диаметра; 2) в невозможности измерения твердости закаленных сталей; 3) в порче поверхности испытываемого предмета. Эти недостатки устранены в следующей пробе.

б) Твердость по Роквеллу. В исследуемый предмет вдавливается стальной шарик диаметром 1/16 дюйма (1,5 мм) или алмазный конус с углом при вершине в 120°, сначала при нагрузке в 10 кг, потом в 100 (или 150) кг. Разность углублений, произведенных вторым и первым нагружением, измеряется автоматически и отсчитывается по циферблату стрелкой в условных единицах дающих число твердости по Роквеллу с помощью одной только операции в течение 6 сек. Остающиеся на предмете отпечатки мало заметны. Измерение эффекта разности двух грузов позволяет не заботиться о состоянии поверхности. Алмазный конус допускает испытание закаленной стали любой твердости.

в) Твердость по Виккерсу. Вдавливается алмазная четырехгранная пирамида (угол 136°) под нагрузкой в 50 кг и измеряется диагональ полученного квадратного отпечатка. За число твердости принимается отношение нагрузки к поверхности отпечатка, прочитываемое по особым таблицам. Получающиеся числа совпадают с числами Бринелля. Специальная машина позволяет быстро произвести отпечаток с помощью ножной педали, опустить столик с предметом, подвинуть микроскоп с микрометром и произвести измерение диагонали.

г) Твердость по Герберту. На отшлифованную поверхность образца ставится подковообразный (весом 2—4 кг) маятник, опирающийся с помощью стального или алмазного шарика диаметром 1 мм; ц. т. маятника лежит на 0,1 мм ниже центра шарика. Маятнику сообщают легкие качания и измеряют с помощью секундомера продолжительность 10 полукачаний, которая и принимается за число твердости по Герберту - Нн. Чем мягче материал, тем меньше радиус кривизны сделанного в нем шариком отпечатка и тем короче период колебания шарового маятника. Для стекла Нн = 100. Числа Нн не пропорциональны НВг, но располагают металлы в тот же ряд. Для перевода на шкалу Бринелля служат формулы:

ispytie materialov f8

Отпечатки при пробе Герберта совсем незаметны на глаз.

д) Твердость по Мартенсу определяется на особом приборе (склерометре) с помощью царапания поверхности образца алмазным конусообразным (угол 90°) резцом; ширина черты измеряется посредством микроскопа; за число твердости по Мартенсу принимается нагрузка в граммах (определяемая интерполированием между двумя опытными нагрузками), при которой ширина черты получается в 0,01 мм. Твердость по Мартенсу отличается от всех упомянутых выше тем, что в основу ее положен процесс резания, а не пластической деформации. Этим способом можно измерять различную твердость отдельных составляющих сплава (фаз). Твердость по Мартенсу, кроме того, не увеличивается от наклепа, в противоположность НBr и др.

Динамические методы. Они имеют преимущество легкого и простого оборудования, но дают не сравнимые со статическими и не всегда достаточно устойчивые числа. а) Метод отскакивания сводится к измерению относительной высоты отскакивания стального шарика, падающего на исследуемую поверхность: чем мягче металл, тем больше работа пластической деформации и тем меньше часть энергии, принимающая потенциальную форму и обусловливающая высоту подскакивания. В склероскопе Шора падает маленькая баба (2,5 г) с алмазным наконечником. Высота отскакивания измеряется на глаз в условных единицах по шкале Шора, для которой 100-е деление отвечает закаленной стали. б) Метод отпечатка аналогичен пробе Бринелля. На образец падает с определенной высоты небольшая баба с шариком на конце (копер Бюста, Николаева), оставляя отпечаток, диаметр которого измеряется под микроскопом. Отношение работы деформации к вытесненному объему отпечатка (для черных металлов) не зависит от энергии удара и диаметра шарика и выражает динамическую твердость по Мейеру (в кг/мм2); со статической твердостью она не совпадает. Часто стараются использовать ударные приборы для получения статической твердости по Бринеллю; по существу, это недостижимо, но с некоторым приближением осуществляется при условии работы при одной высоте падения и составления эмпирических таблиц для перехода от диаметров ударных отпечатков к твердостям по Бринеллю. Пружинные ударники (Бауман, Шоппер) сообщают бабе начальный толчок действием пружины. Молотки для измерения твердости (Польдигютте) производят удар произвольной силы одновременно по образцу и эталонному материалу; твердость вычисляется (очень приближенно) из сравнения диаметров обоих отпечатков.

7. Испытание на усталость. Усталостью материала называется хрупкое разрушение его под действием большого числа переменных нагрузок, значительно меньших, чем временное сопротивление. Однократный переход напряжения от наименьшего к наибольшему и обратно называется циклом; если крайние напряжения в цикле равны и противоположны по знаку, цикл называется симметричным. Алгебраическая разность крайних напряжений в цикле называется амплитудой, или интервалом, цикла. Чем меньше амплитуда, тем больше число циклов N, приводящее к разрушению образца; при приближении N к бесконечности (практически к 2—10 млн.) амплитуда стремится к определенному пределу. Отвечающее последнему наибольшее крайнее напряжение в цикле называется пределом усталости (выносливости) σf.

Машины для испытания на усталость устраиваются двух главных типов: на изгиб и на растяжение-сжатие. В машине Шенка, работающей на изгиб, образец, снабженный наконечниками, вращается электромотором, оставаясь все время под нагрузкой двух симметричных вертикальных сил (фиг. 12), сообщающих ему круговой изгиб (с постоянным моментом).

Машина Шенка для испытания усталостной прочности

Величина нагрузки Р м. б. изменяема перемещением рабочего груза по рычагу. Каждая точка поверхности образца за время одного оборота проходит через полный симметричный цикл напряжений. Машина снабжена приспособлениями для измерения: 1) прогибов под грузами (часы Цейсса); 2) вращающего момента (по реакции на статор мотора, подвешенный по типу маятника); и 3) температуры образца (термопара). Для машин этой группы часто применяют также простой изгиб консольного образца (Альфа, Амслер, Олсен). Машина Шенка-Ганемана, которая работает на растяжение-сжатие (фиг. 13), построена по принципу резонанса, впервые примененном для этой цели Гопкинсом.

Машина Шенка-Ганемана для испытания образцов материала на усталостную прочность

Образец А, неподвижно укрепленный верхним концом, несет на нижнем тяжелый груз В, служащий якорем электромагнита С. Переменный ток, питающий электромагнит раскачивает якорь и в случае резонанса его частоты с частотой (500 пер/сек.) собственных колебаний механической системы, состоящей из образца, якоря и связанных с ними двух упругих стальных труб D, доводит амплитуды напряжений в образце до максимума. Напряжения в образце определяют посредством измерения (под микроскопом) упругой его деформации. Другие машины (Стентон и Берстау, Рейнольдс и Смит) строятся по принципу использования сил инерции движущегося взад и вперед противовеса; они часто дают ошибочные показания вследствие побочных напряжений, вызываемых сотрясениями. Строятся также машины на кручение (Лозенгаузен, Шенк, Фёпль-Буземан), на повторный изгиб без вращения (фирма MAN) и др. Самое испытание отнимает всегда много времени (порядка недели) и требует расхода от 8 до 10 образцов, ломаемых при различных нагрузках, для возможности построения диаграммы: амплитуда напряжений - число циклов разрушения.

Изломы усталости всегда типичны по виду и обычно состоят из очень гладкой волокнистой зоны усталости и из зоны неизмененного кристаллического сложения. Несмотря на кажущееся структурное различие, в действительности зерно металла не меняется, как это легко обнаружить на шлифах, и не происходит, как думали раньше, никакой рекристаллизации. Под действием переменных напряжений, которые в отдельных точках вследствие неоднородности материала выходят за предел упругости, появляются местные остающиеся деформации; накопление последних приводит к трещине, которая постепенно распространяется вглубь сечения и вызывает излом. Поэтому одна из обычных причин изломов усталости - концентрация напряжений вблизи мест резких изменений формы изделия (канавка для шпонок, крутые выкружки сопряжений и т. п.).

Установить постоянную связь предела усталости с другими механическими свойствами не удается. Ближе других σf связано с твердостью по Бринеллю, отчасти - с временным сопротивлением (σf составляет 0,36—0,68 от σв, Мур и Коммерс). По отношению к пределу упругости σf оказывается то ниже, то выше и даже превышает иногда предел текучести (мягкое железо, медь), что естественно, т. к. в циклическом состоянии устанавливается свой особый предел упругости (текучести), отличный от статического. На этом основаны ускоренные способы определения σf: а) при испытании изгибом измеряют с большой точностью прогиб конца образца на ходу машины при все возрастающих нагрузках, наблюдая момент отклонения от пропорциональности (Гаф); б) измеряют температуру образца при возрастающих нагрузках и устанавливают момент резкого увеличения нагревания (Мур и Коммерс, Стромейер); в) измеряют рассеяние энергии, приходящееся на один цикл (площадь петли гистерезиса), и определяют момент резкого его возрастания (Лер). Все эти способы дают надежные результаты лишь для не особенно твердых, и притом черных, металлов. При несимметричных циклах величина безопасного интервала усталости уменьшается по мере отклонения среднего напряжения в цикле от нуля и стремится к нулю при приближении крайнего напряжения к временному сопротивлению. Зависимость предела усталости σmax от отношения крайних напряжений n = σminmaxв несимметричном цикле, по Муру и Коммерсу, выражается формулой:

ispytie materialov f9

где σf- предел усталости симметричного цикла.

На предел усталости оказывает некоторое влияние скорость испытания. Как и при всяком испытании, повышение скорости уменьшает деформацию, а, следовательно, и вред от нагрузки. Влияние скорости начинает чувствоваться (для железа), начиная с 4000 циклов в мин.; при 60000 циклов предел усталости повышается на 7,5% (Дженкин).

Для испытания на усталость при ударных скоростях строятся специальные машины (Круппа, Стентона), работающие на повторный ударный изгиб в сменяющихся направлениях (образцы на двух опорах с надрезом посередине). Эти испытания не дают ничего нового, так как при большой величине энергии каждого удара они приближаются по результатам к ударной пробе, а при очень малой - к статической усталости.

8. Испытание на удар. Оно производится или на разрыв или на изгиб (реже на сжатие). Для испытания на разрыв строятся б. ч. вертикальные копры. Копер Амслера (фиг. 14) состоит из двух направляющих, по которым движется система из двух баб А и В, связанных между собой образцом.

Копер Амслера для испытания материала на ударную прочность

Верхняя баба, имеющая заплечики, ударяется ими о массивную наковальню В и останавливается; нижняя баба проходит через отверстие наковальни свободно и разрывает образец, расходуя на работу разрыва свою живую силу. Расход определяется с помощью измерения скоростей бабы до и после разрыва, для чего баба Б снабжена карандашом , чертящим при падении диаграмму на быстро вращающемся цилиндре Д. Измеренную работу деформации делят на рабочий объем образца и получаемую удельную работу деформации (в кг/см3) сравнивают с такой же работой при статическом испытании геометрически подобного образца; отношение первой ко второй для материалов, не обладающих ударной хрупкостью, не д. б. меньше 1 (обычно 1,10—1,60).

Измерение сил при ударе представляет большие трудности и в лабораторную практику еще не вошло. В отдельных исследованиях применялись следующие способы: а) кинематический - двукратное дифференцирование кривой, изображающей путь бабы в функции от времени; полученное ускорение (отрицательное), умноженное на массу бабы, дает силу удара; б) динамометрический - применение упругих динамометров (две прижимаемые друг к другу линзы, дающие кольца Ньютона, диаметр которых зависит от давления, или пьезокварцевая пластинка, заряд которой пропорционален силе) или неупругих (медные цилиндрики-крешеры, степень осадки которых зависит от наибольшего мгновенного усилия). Показания упругих динамометров часто искажаются вибрациями; неупругие же заключают в себе неустранимую ошибку, происходящую от распространения статического тарирования на динамические процессы. В результате этих измерений всегда оказывается, что динамическое временное сопротивление выше статического (превышение до 100%); предел текучести также повышен, и притом больше, чем временное сопротивление, на 20—60%. Удлинение или равно или больше статического; сужение шейки почти такое же. Характерная ударная хрупкость проявляется при этом испытании у очень немногих металлов (например у стали с содержанием фосфора > 0,10%).

Испытание на изгиб (излом) надрезанных образцов имеет крупные преимущества: оно требует более дешевых и простых машин и позволяет обнаружить опасную хрупкость там, где испытание на разрыв дает хорошие результаты. Для испытания на изгиб употребляются маятниковые копры (фиг. 15).

Для испытания на изгиб употребляются маятниковые копры

Тяжелый маятник, падая, ударяет по образцу, лежащему на двух опорах (в копре Изода образец зажат одним концом в тиски и получает удар по другому), и ломает его, израсходованная живая сила измеряется по разности потенциальных энергий маятника до начала падения и при окончании взлета после излома: G (H—h), где G - вес маятника, Н и h - начальная и конечная высоты его центра тяжести. Образец имеет форму прямоугольного бруска, снабженного надрезом до половины высоты в средней части, со стороны противоположной удару. Форма и размеры образца должны быть стандартизованы; однако, до сих пор применяется несколько разных типов (Шарпи, Фремона, Менаже, Германского общества испытания материалов и др.).

За меру ударной вязкости принимается частное от деления работы деформации на рабочее поперечное сечение образца (за вычетом надреза) и выражается в кг/см2. Появление хрупкого излома объясняется тем, что диаграмма растяжения волокон, прилегающих к надрезу, и в особенности предел текучести сильно повышены под влиянием надреза, создающего резкий градиент напряжений и тем затрудняющего деформацию, и под влиянием скорости; истинное же сопротивление на разрыв не зависит от этих факторов и при достаточно интенсивном действии последних может оказаться ниже сопротивления пластической деформации (предела текучести). Благодаря этому, на появление хрупкости влияют: а) температура образца, понижение которой повышает предел текучести, увеличивая внутреннее трение, и тем облегчает наступление хрупкости; б) скорость удара, увеличение которой также повышает предел текучести; в) форма образца, т. к. широкие образцы с затрудненной поперечной деформацией легче приводят к хрупкому излому, чем узкие. Хрупкий излом при комнатной температуре обнаруживают материалы, подвергнутые ненадлежащей термической и механической обработке, например, крупнокристаллическое железо (рекристаллизация после т. н. критического наклепа), состаренное железо (получившее деформацию при 200—300°С), хромоникелевая сталь, отпущенная с малой скоростью охлаждения (хрупкость отпуска); остальные виды испытания, в том числе ударный разрыв, не обнаруживают при этом никаких ненормальностей. Испытание на удар без надреза применяется только при приемке рельсов.

9. Испытание на износ. Это испытание пока еще не стандартизовано и отличается разнообразием. Трение I рода. Самый распространенный способ - истирание образцов, прижимаемых определенной нагрузкой к вращающемуся чугунному, стальному или агатовому кругу, иногда в присутствии подсыпаемого равномерной струей истирающего порошка - наждака, стальных опилок (круг Баушингера и др.). За меру изнашиваемости принимается потеря веса образца после прохода условленного пути трения (числа оборотов круга). Для исключения влияния случайных моментов, различных в отдельных опытах, испытания производятся по сравнительному методу, т. е. одновременно на двух образцах, из которых один служит эталоном. В машине Шпинделя (для рельсов) истирание производит стальной диск толщиной 1 мм, врезающийся при вращении в образец своим ребром на глубину, служащую мерой изнашиваемости. Трение II рода. Два образца, имеющие форму дисков, диаметром 30—50 мм и толщиной 10 мм, взаимно прижаты определенной нагрузкой и получают вращение от привода машины во встречном направлении с одинаковой (чистое катание) или разной (катание, соединенное со скольжением) скоростью (машины Амслера, Мора и Федергафа). Износ также определяется взвешиванием.

Числа износа находятся в очень слабой связи с результатами других испытаний; лучшая связь замечается с твердостью по Бринеллю.

10. Испытание на обрабатываемость производится (по Кеснеру) на специально сконструированном сверлильном станке. Сверло стандартной формы, работая под определенной нагрузкой, после 100 оборотов дает отверстие, глубина которого и принимается за меру обрабатываемости испытуемого металла резанием. Самопишущий аппарат рисует диаграмму глубины отверстия в функции от числа оборотов шпинделя. Чтобы исключить влияние различной заточки сверла на результаты, испытание ставится по способу сравнения испытываемых материалов с эталоном, обрабатываемым в начале и в конце каждой серии. Получаемые числа не стоят ни в какой зависимости от других механических свойств. Так, медь при одинаковой твердости по Бринеллю с латунью показала в 4 раза худшую обрабатываемость.

11. Технологические пробы. Так называются специальные качественные испытания, которые дают в результате вместо числовых характеристик лишь утвердительный или отрицательный ответ. Проба на изгиб состоит в загибе испытываемой полосы в холодном или горячем состоянии с помощью пресса вокруг стержня определенного диаметра, или без стержня до схождения концов, или на определенный угол, причем не должно появляться трещин. Можно при этом оценивать качество металла степенью изгиба В до появления трещины по формуле:

ispytie materialov f10

где а - толщина полосы и ϱ - радиус кривизны нейтральной оси при изгибе. Кузнечные пробы (в горячем состоянии): а) проба на расплющивание плоского образца до увеличения ширины в 1,5—2 раза; б) проба на вдавливание плоского листа в форму со сферическим углублением; в) проба на осаживание стержня до определенной высоты ударами молотка; г) проба на раздачу отверстия коническими оправками, забиваемыми молотком; д) проба на продавливание дыр штампом и пр. Все эти пробы материал должен выдержать при заданных условиях без механического повреждения.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 9 - 1929 г.