Контроль качества металла по его механическим характеристикам

Теоретические предпосылки

Контроль качества металла по его механическим характеристикам наиболее распространенный метод входного и выходного контроля состояния металла на любых предприятиях, связанных с получением и обработкой металлов.

Существует большое количество различных механических характеристик, определяемых при наложении статических или динамических нагрузок на металл и оценивающих его качество, однако наиболее широко используются следующие механические характеристики:

s_В - предел прочности или временное сопротивление разрыву, кгс/мм²;

 s_Т – предел текучести, кгс/мм²;

s_0,2 –условный предел текучести, кгс/мм²;

Е – модуль упругости, кгс/мм²;

d - относительное удлинение, %;

Y - относительное сужение, %:

К_1с – трещиностойкость или вязкость разрушения, МПА м^1/2

НB, HV, HRC, HRB, HRA – твердость; НB, HV, кгс/мм², HRC, HRB, HRA в условных единицах.

КСU, KCV, KCT – ударная вязкость, дж/мм^2;

s_R, s_-1 – предел усталости (предел выносливости) кгс/мм²

Первые шесть видов механических характеристик определяются с помощью снятия кривых растяжения стандартных образцов рис.2.1 при наложении на них медленно меняющейся растягивающей нагрузки.

Испытания проводят на разрывных машинах, которые накладывают меняющуюся нагрузку и фиксируют величину растяжения металла. В исследуемых образцах круглого или прямоугольного сечения стандартизируются рабочая длина (l) и площадь сечения (F) рис.2.1.

F нач

 

или

 

l нач

 

Рис.2.1 Образцы для испытаний на разрыв

 

В процессе испытания снимается кривая растяжения металла, виды которой представлены на рис 2.2. и 2.3.

Δ l, %

σ, кгс/мм^2

σ В

σ т

1

2

Зуб текучести

Область упругой деформации металла

 

 

Область пластической деформации металла

 

Рис.2.2. Кривая растяжения с зубом текучести.

Δ l, %

0,2%

                                                                             σ_0.2

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

Рис.2.3. Кривая растяжения металла без зуба текучести.            

 

Кривая, представленная на рис. 2.2. имеет четкий переход от области упругой деформации к области пластической деформации через зуб текучести. Кривая представленная на рис 2.3. не имеет четкого перехода от упругой к пластической деформации.

На кривой растяжения, представленной на рис.2.2, можно выделить два основных участка: участок 1- называется областью упругой деформации металла. Если в этой области с металла нагрузку снять, то металл возвращается в исходное состояние, кривая растяжения на этом участке линейна; участок 2 – область пластической деформации, при снятии с металла нагрузки в этой области на нем остается остаточное удлинение.

Величина нагрузки, при которой наблюдается переход от упругой деформации к пластической, обозначается σ_т и называется пределом текучести.

Для многих металлов чёткого перехода от области 1 к 2 не существует, зуб текучести на кривых отсутствует (рис.2.3), переход происходит плавно. В этом случае вводится понятие условного предела текучести σ_0,2 – это нагрузка на металл, вызывающая остаточное удлинение, равное 0,2% от первоначальной длины образца. Для определения условного предела текучести σ_0,2 на кривой абсцисс откладывается остаточное удлинение равное 0,2% от первоначальной длины образца и из этой точки проводится прямая параллельная кривой растяжения в области упругой деформации до пересечения с кривой растяжения. Точка пересечения и определит значение σ_0,2 (рис. 2.3).

При дальнейшем наложении нагрузки на образец при достижении величины нагрузки, обозначенной на рис.2.2 и 2.3 символом σ_В, на образце начинает образовываться шейка и по истечение небольшого времени образец рвется. Нагрузка, вызывающая разрыв образца, σ_В – называется пределом прочности или временным сопротивлением разрыву. Наряду с пределом текучести это одна из характеристик прочности металла.

Кривые растяжения позволяют также определить модуль упругости (Е) и характеристики пластичности (δ и Ψ).

Модуль упругости Е численно равен тангенсу угла наклона кривой растяжения в области упругой деформации Е = σ/∆l, кгс/мм². Е служит характеристикой упругости (жёсткости) металла и его способности упруго растягиваться.

Фиксируя размеры образца в момент его разрыва, можно получить характеристики пластичности: относительное удлинение δ и относительное сужение Ψ.

Относительное удлинение определяется: δ = (l_кон - l_нач)/l_нач^. 100%,

где  l_нач – начальная стандартизированная длина образца;

 l_кон – конечная длина образца;

l_кон = l_нач + ∆l;

∆l = l₁ + l_2,

где l₁ – удлинение по всей длине образца (зависит от первоначальной длины  образца и от вида металла); l₂ – удлинение в области шейки (зависит только от вида металла).

Чем больше величина относительного удлинения, тем более пластичен металл, тем легче он обрабатывается деформацией.

Относительное сужение: Ψ = (F_нач - F_кон)/F_нач^. 100%,

где, F_нач –начальное сечение образца;

F_кон – конечное сечение образца в области шейки.

Еще одной характеристикой прочности металла при наличии на нем дефектов является трещиностойкость или вязкость разрушения. Количественной характеристикой трещиностойкости является коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины.

При испытаниях с применением плоских образцов с трещиной рис.2.4 коэффициент интенсивности в вершине трещины обозначается К_1с.

Коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины определяется по следующей формуле:

К_1с = уσ_н√πс,

с

σн

                                                                                                                                         

   

 

 

 

 Рис.2.4. Вид плоского образца для определения трещиностойкости

где  у – безразмерный коэффициент, зависящий от вида и размера образца для испытаний; σ_н – нагрузка, вызывающая разрыв образца; с – длина трещины.

Прочность металла при ударных нагрузках характеризуется ударной вязкостью КСU, KCV, KCT, дж/мм².

 

KCT

KCV

KCU

                                      

R = 1мм

R = 0,25мм

усталостная трещина

 

Рис.2.5. Образцы для испытаний на ударную вязкость.

 

Испытания  по определению ударной вязкости проводят с помощью маятникового копра, разрушающего испытуемый образец за один удар. Образцы для испытаний имеют форму параллелепипеда с концентраторами напряжений в виде канавок или трещины, рис.2.5.

В процессе испытаний определяется работа, затраченная на излом образца. Эта работа, отнесенная к площади сечения образца, и дает значение ударной вязкости.

Прочность металла в условиях динамической нагрузки характеризуется с помощью  предела выносливости или предела усталости: σ_R(-1).  Предел выносливости определяется с помощью снятия кривых усталости. Чтобы снять кривую усталости, необходимо испытать ряд образцов. На образец накладывается динамическая нагрузка с определенной амплитудой и определяется количество циклов до разрыва образца. На следующих образцах амплитуда задаваемой нагрузки снижается и вновь определяется время до разрыва. Далее по полученным точкам строится кривая усталости рис.2.6. 

2

σВ

σ-1, (σR)

nциклов

10^8

10^3

1

10

10^2

10^4

10^5

10^6

10^7

Рис. 2.6. Кривые усталости: 1 – при наличии предельного участка; 2- при отсутствии предельного участка.

Предельная нагрузка, при которой не происходит разрыва образца при любом количестве циклов (рис.2.6, кривая 1), называется пределом усталости (s_-1, s_R) или пределом выносливости.

Динамические нагрузки могут быть симметричными и асимметричными (рис 2.7).

а) симметричные (А₁ =А₂)

 

A2

A1

A1

τцикла

σ

τ

А2

σ-1

τцикла

τ

б) асимметричные (А₁ =А₂)

A2

A1

A1

σ

τ

τцикла

σ-1

τ

τцикла

Рис.2.7. Виды нагрузок при испытаниях на усталость.

 

При симметричной динамической нагрузке предел выносливости обозначается s_-1; при асимметричной s_R.

На некоторых металлах не наблюдается предельного участка (рис.2.6, кривая 2), тогда вводят понятие условного предела усталости. За условный предел усталости принимается нагрузка, при которой не происходит разрыва образца до 10⁷ циклов испытаний для черных металлов и 10⁸ циклов испытаний для цветных металлов. 

Интересно отметить, что величина предела выносливости связана с пределом прочности материала, так для углеродистых сталей при симметричной нагрузке s_-1 обычно составляет 0,6 σ_В.

Из всех механических характеристик металлов наиболее широко в практике используется твердость. Это связано с тем, что испытания на твердость стандартизированы, достаточно хорошо воспроизводятся, не требуют длительного времени. Кроме того, твердость часто можно определять непосредственно на деталях, то есть, нет необходимости в специальном изготовлении образцов. Твердость является интегральной характеристикой металла, позволяющей судить о его прочности, износостойкости, способности к обработке давлением и т.д.