Механические статические испытания

Механические статические испытания являются одним из видов разрушающего контроля, при котором материал объекта контроля (ОК) подвергается однократной медленно возрастающей, либо постоянной механической нагрузке, приводящей к его деформации или разрушению. При проведении таких испытаний определяются механические свойства материала ОК, такие как упругость, сопротивление малым и большим деформациям, сопротивление разрушению, характеристика пластичности и др. Чтобы полнее выявить эти свойства, применяются различные способы статических испытаний:

• испытание прочности на растяжение;
• испытание прочности на сжатие;
• испытание прочности на изгиб;
• испытание прочности на кручение,

которые относятся к основным разновидностям таких испытаний.

В качестве ОК для проведения каждого способа испытаний изготавливаются специальные образцы, удовлетворяющие требованиям соответствующих стандартов. Результаты испытаний определяются по показаниям тензометров, закреплённых на ОК, либо измерениями штангенциркулями или микрометрами.

Испытание прочности на растяжение является наиболее распространённым по сравнению с другими видами и позволяет за один опыт получить сразу несколько характеристик, определяющих качество исследуемого материала. Такие испытания проводятся в разных температурных режимах:

• при комнатной температуре по ГОСТ 1497 – 84;
• при пониженных температурах от +10 до -100оС по ГОСТ 11150 – 84;
• при повышенных температурах до 1200°С по ГОСТ 9651 – 84.

Метод испытаний при комнатной температуре (20±5°С) позволяет определить основные характеристики ОК: временное сопротивление разрыву σв относительное сужение Ψ и удлинение  δ  образца после разрыва, пределы текучести (условный σ0,2 и физический σт),   пределы упругости σуп и пропорциональности σпц, 

Образцы для проведения испытаний на растяжение следует выбирать по рекомендациям ГОСТ 1497, приложение 2 (цилиндрические образцы), или 3 (плоские образцы). Проводятся такие испытания на испытательных разрывных машинах с автоматической записью диаграммы испытаний в координатных осях: сила (F) – удлинение (Δl). На практике, для исключения влияния размеров образца, такие диаграммы перестраиваются в условные с координатными осями: напряжение (σ), деформация (ε).

В качестве примера на рис. 1 приведена условная диаграмма испытания малоуглеродистой стали с отмеченными на ней основными участками.

σпц — участок упругой деформации; здесь, напряжение (σ) и деформация (ε) находятся в прямой пропорциональной зависимости (закон Гука). После снятия нагрузки, образец восстанавливается в своём исходном состоянии.

 σу  – максимальное напряжение, после которого в материале ОК начинаются пластические деформации (текучесть металла).

σт – предел текучести, при котором деформация растёт, а напряжение остаётся постоянным.

B2C – участок пластической деформации. Здесь в структуре материала ОК происходит сдвиг атомных слоёв по отношению друг к другу, в результате чего образец, после разгрузки, получает остаточную деформацию (пластическую) и не может возвратиться в исходное состояние. В процессе пластической деформации происходит нагрев образца, изменяется его электрическое сопротивление, а также акустические и магнитные свойства.

CD – участок, на котором за счёт пластической деформации материал ОК упрочняется (т.н. наклёп) и, соответственно, возрастает его сопротивление вплоть до предела прочности (σв).

DK – участок локальной текучести, где образуется местное сужение материала образца – «шейка», и дальнейшее его деформирование приводит к разрушению металла.

По данной методике проводятся испытания прочности на растяжение тонких металлических листов с учётом требований ГОСТ 11701-84, а также проволоки (ГОСТ 10446-80), труб (ГОСТ 10006-80), арматурной стали (ГОСТ 12004-81), 

При пониженных температурах определяются, в основном, те же характеристики, что и при комнатной температуре, а к обозначению само́й характеристики добавляется цифровой индекс, например σт(-80) – предел текучести при температуре -80оС. 

Для проведения таких испытаний рекомендуется использовать аппаратуру соответствующую ГОСТ 1497-84, где рабочее пространство разрывной машины позволяет установку криокамеры с удлинительными штангами, к которым крепятся испытательные образцы. При этом должно обеспечиваться надёжное центрирование испытательного образца в захватах машины.

Охлаждающими жидкостями для этих случаев служат смеси различных спиртов и других незамерзающих жидкостей с хладагентами (жидкий азот N2, твёрдая углекислота СО2 и др.) в различных пропорциях. Охлаждение образцов можно проводить и в газовой среде. Охладители не должны быть взрывоопасными, токсичными и агрессивными.

Испытание образцов при повышенных температурах (до 1200 оС) проводят по той же методике, что и при нормальной температуре. Отличие состоит в размерах и типе пропорциональных испытательных образцов, приведённых в приложении к ГОСТ 9651 – 84, а также в применении нагревательного оборудования и приборов, контролирующих и поддерживающих заданный температурный режим.

Испытание прочности на сжатие. Методика проведения испытаний прочности на сжатие регламентируется ГОСТом 25.503-97 и производится, как правило, на таком же оборудовании, что и растяжение; при этом для устранения возможного перекоса образца применяются различные направляющие приспособления (например, шаровой вкладыш в верхнем захвате машины рис. 2а). 

При сжатии образца на его торцовых гранях появляются силы трения, препятствующие горизонтальной деформации, и он приобретает форму «бочки» (рис. 2а). Для уменьшения сил трения применяют такие меры, как: 

• введение между контактными поверхностями образца и опорных плит различных прокладок и смазок;
• использование образцов и подкладок с коническими торцами (рис. 2в);
• сверление в образце центрального отверстия, снимающего напряжения на острие конуса (рис. 2г).

При испытании на сжатие пластичные материалы, как правило, не разрушаются, а сплющиваются, поэтому такие испытания проводятся, в основном, для хрупких материалов. Предел прочности (σсж) определяется отношением разрушающей нагрузки (Р) к первоначальной площади сечения (F): σсж = P/F (МПа или кгс/см2).

Испытание прочности на изгиб регламентируется ГОСТ 14019—80 и проводятся по двум основным схемам (рис. 3 а. б).

1. приложением сосредоточенной нагрузки (Р) к середине пролёта между опорами (l/2 на рис. 3а), при этом изгибающий момент Мизг = Pl/4;
2. приложением двух, равноудалённых (а) от опор сосредоточенных нагрузок (рис. 3б), создающих на этом участке чистый изгиб, при котором Мизг = Ра/2.

Испытания на изгиб дают возможность определять напряжения (σ) при различных нагрузках и стрелу прогиба (f) испытательного образца 

 Испытания прочности на кручение определяются требованиями ГОСТ 3565-80 и проводятся для материалов, предназначенных для изготовления деталей работающих на вращение (валы, свёрла, торсионы, болты и пр.). Такие испытания выполняются как для пластичных материалов, так и для хрупких и позволяют определить все свойства и характеристики ОК.

Механические динамические испытания

Механические динамические испытания – это один из видов разрушающего контроля, при котором объект контроля (ОК) подвергается ударной нагрузке длительностью не более сотых долей секунды со скоростью деформации ≈ 102 с-1. В качестве ОК, в соответствии с требованиями  ГОСТ 9454-78 (черт. 1 – 3), изготавливаются специальные испытательные образцы (рис. 1).  Стандартный образец представляет собой четырёхгранную призму размерами 10х10х55 мм, где посередине одной из граней выполняется надрез (концентратор). Он может быть  U-образной формы с шириной и глубиной впадины 2 мм и радиусом закругления 1 мм, или V-образной с глубиной 2 мм и радиусом 0,25 мм, либо в виде трещины, нанесённой на специальном стенде 

Основной, а зачастую и единственной, выходной характеристикой, при динамических испытаниях образцов с надрезом, является ударная вязкость (КС), которая зависит от состава металлов и сплавов , а также от их структуры; она определяется отношением:

 КС=К/F0, где К – величина работы, израсходованной на разрушение образца; 

F0 – первоначальная площадь поперечного сечения ОК в месте надреза. 

Размерностью ударной вязкости (КС) является Дж/см2 (кгс×м/см2) и, в зависимости от формы концентратора, она обозначается: KCU, KCV, КСТ (с усталостной трещиной).

Динамические испытания на ударный изгиб регламентируются ГОСТом 9454-78 и проводятся на маятниковых копрах (рис. 2), запас энергии которых не превышает 300 Дж. Рабочим органом копра является нож (2), закреплённый на тяжёлом маятнике (1) весом Р, свободно качающемся вокруг оси на подвеске длиной l.

На специальные опоры (3) копра устанавливается ОК строго по траектории движения ножа и навстречу ему — гранью, противоположной надрезу (рис. 2). При проведении испытаний на ударный изгиб маятник отклоняется на угол α от вертикали, нож при этом поднимается на высоту h1 от ОК и закрепляется защёлкой. После того, как защёлка будет отпущена, маятник, под собственным весом, в свободном падении, при скорости от 4 до 7 м/с, в зависимости от типа и конструкции копра, нанесёт удар по ОК изогнёт и разрушит его. Продолжая движение после разрушения образца, маятник, за счёт оставшейся энергии, отклонится на угол β и «взлетит» на высоту h2.

Количество работы удара (К) по разрушению ОК определяется разностью потенциальных энергий маятника после его подъёма на высоту h1 и «взлёта» на высоту h2:

К = Р (h1 – h2).

При длине маятника l,  имеем: h1 = l(1 — соsα), h2 = l(1 — соs β), а отсюда

К = Рl(соsβ — соsα). При постоянных Р и l для данного копра, работа рассчитывается по величине углов  α и β. Если у копра угол α фиксирован, то его шкала может быть отградуирована в единицах работы.

Ударные испытания проводятся в разных температурных режимах: как при отрицательных температурах, так и при повышенных. Испытательные образцы для этих испытаний используются такие же, как и при комнатной температуре. 

Испытания образцов на ударный изгиб при температурах от -100 до -269 оС регламентируются ГОСТом 22848-77. Образцы помещаются в криогенную камеру, где в жидком хладагенте при температуре ниже заданной на 2 – 6 оС  их выдерживают в течение 15 мин., после чего извлекают из камеры и не позднее 3 – 5 с. испытывают. Для получения необходимых температур используются различные хладагенты:

• для температур от -100 до -180 – жидкий азот;

•        —  <> —                      до -253 – жидкий водород;

•        —  <> —                      до -269 – жидкий гелий. 

При высокотемпературных испытаниях используется аналогичная методика. Нагрев образцов производится в муфельных печах с перегревом на +3 — +50 оС в соответствии с заданной температурой и, в зависимости от условий, в нейтральной атмосфере.

Для обозначения КС, определённой при высокой или низкой температурах, к индексу ударной вязкости добавляется цифровой температурный индекс , например: KCU+900 , KCV-60  и т.д.

Проведение динамических испытаний является необходимым требованием при выборе материалов, удовлетворяющих условиям их эксплуатации.  

Контроль твёрдости

Твёрдость – это одна их механических характеристик материала объекта контроля (ОК); она определяет его способность оказывать сопротивление при вдавливании в его поверхностный слой индентора – другого, более твёрдого тела. Оценивается эта характеристика в единицах твёрдости и на этом основании делается вывод о качестве материала. 

К настоящему времени разработано много методов контроля твёрдости различных материалов; эти методы подразделяются на статические и динамические и зависят от скорости приложения нагрузки. Разработками таких методов занимались многие известные изобретатели и учёные, именами которых они и названы:

• метод Бринелля;
• метод Роквелла;
• метод Виккерса;
• метод Шора;
• метод Польди и другие.

Метод Бринелля (рис. 1а) является статическим и регламентируется ГОСТом 9012-59. Определение твёрдости по Бринеллю производится путём вдавливания индентора в виде стального шарика соответствующего диаметра (D) в ОК при определённой нагрузке (P), приложенной к индентору строго перпендикулярно поверхности ОК. По истечении заданного времени выдержки нагрузка снимается и измеряется диаметр (d) получившегося отпечатка. Значение твёрдости по Бринеллю (HB) определяется делением нагрузки (Р) на сферическую площадь (F) отпечатка. Однако, для упрощения пользованием, таблицы твёрдости по Бринеллю составляются исходя из диаметра шарика (D), диаметра отпечатка (d) и величины нагрузки (Р). Число твёрдости обозначается цифрами и символом (например, 300 НВ). 

Метод Роквелла (рис. 1б) относится к статическим методам и определяется стандартом: ГОСТ 9013-59 (ИСО 6508-86). Для проведения этого контроля применяют в качестве индентора либо стальной шарик, либо алмазный конус, у которого угол при скруглённой вершине равен 120о.

Определение твёрдости производится по глубине погружения индентора в материал ОК. Нагрузка на индентор прикладывается последовательно в три этапа:

1. приложение предварительной нагрузки (P0 = 10 кгс);
2. приложение основной нагрузки (P), состоящей из предварительной (P0) и рабочей (Pраб) нагрузок, P = P0 + Pраб;
3. снятие рабочей нагрузки, измерение глубины погружения индентора.

Измеряется твёрдость по Роквеллу в условных единицах, где за единицу принята величина погружения индентора на 0,002 мм. Из 11 шкал определения твёрдости наибольшее распространение получили шкалы A, B и C. К символу обозначения твёрдости (HR) добавляется буква, указывающая шкалу, по которой проводились измерения (HRA, HRB, HRC и т. д. до HRT), например, HRC 64.

Контроль твёрдости по Виккерсу также статический и регламентируется ГОСТом 2999-75 и ISO 6507. Проводится он путём внедрения в материал ОК индентора в форме алмазной пирамидки с квадратным основанием и углом при вершине, равным 136о. Нагрузка на индентор при этом может составлять: 1; 2; 2,5; 3; 5, 10, 20, 30, 50, 100 кгс, в зависимости от материала ОК и характера испытаний.

Вычисление значения твёрдости по Виккерсу (HV) выполняется после снятия нагрузки с индентора, затем определяется средняя диагональ (d) отпечатка индентора на ОК и, при известной нагрузке (P), делается расчёт по формуле: HV = 1,854×Р/d2 кгс/мм2 (Н/мм2, Мпа). На практике такие вычисления не делаются, а пользуются готовыми таблицами.

Метод Шора включает в себя два способа измерения твёрдости:

1. способ упругого отскока;
2. способ вдавливания.

Способ упругого отскока (динамический) регламентируется ГОСТом 23273-78 «Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору)». Суть этого способа (рис. 2) заключается в определении твёрдости материала ОК (2) по высоте (h2) отскока индентора (4), падающего с определённой высоты (h1), после его удара о поверхность ОК.

Приборы-склероскопы (рис. 2) для таких измерений разработаны сами́м автором метода и, в зависимости от исследуемого металла, имеют некоторые отличия. Так склероскоп типа С комплектуется индентором массой 2,5 г и высота его отскока (h2) фиксируется визуально. Склероскоп типа D имеет индентор массой 36 г, а величина отскока регистрируется электронным либо механическим устройством. Число твёрдости включает в себя цифровое значение величины твёрдости и символ (HS) с указанием шкалы, по которой произведён отсчёт – например, 95 HSD.

Способ вдавливания применяется для определения твёрдости низкомодульных материалов, таких как эластомеры, пластмассы, каучуки, а также продукты их вулканизации. Приборы, которыми проводятся измерения твёрдости, получили название дюрометры (рис. 3). 

Основными элементами дюрометров являются:

1. индентор в форме стержня из закалённой стали диаметром 1,1–1,4 мм;
2. калиброванная пружина, нагружающая индентор;
3. опорная площадка размером не менее 100 мм2 с отверстием диаметром 2,5–3,5 мм для выхода индентора;
4. индикатор, отображающий величину определяемой твёрдости в условных единицах (от 1 до 100).

Метод Польди является динамическим. Суть его состоит в том, что посредством прибора Польди (рис. 4), одновременно в металл ОК (1) и эталонный образец (3), с известной твёрдостью, действием ударной нагрузки на боёк (7) внедряется индентор (2), представляющий собой стальной закалённый шарик. Сравнивая диаметры отпечатков от шарика в эталоне (d1) и ОК (d2), несложно определить число твёрдости материала ОК по Польди (HP): 

по приближённой формуле: HP = HB(d1)2/(d2)2, где НВ – твёрдость эталона по Бренеллю. 

Результаты получаются приближёнными, поскольку твёрдость эталона определяется по методу Бренелля – статическим вдавливанием, а исследование ОК – динамическим, при котором твёрдость материала значительно выше статической.

На практике пользуются заранее составленными таблицами для разных