ГОСТ 25.503-97

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

РАСЧЕТЫ И ИСПЫТАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ.
МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ

МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОВЕТ
ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Воронежской государственной лесотехнической академией (ВГЛТА), Всероссийским институтом легких сплавов (ВИЛС), Центральным научно-исследовательским институтом строительных конструкций (ЦНИИСК им. Кучеренко), Всероссийским научно-исследовательским институтом стандартизации и сертификации в машиностроении (ВНИИНМАШ) Госстандарта РФ ВНЕСЕН Госстандартом России 2 ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 12-97 от 21 ноября 1997 г.) За принятие проголосовали:

Наименование государства	Наименование национального органа по стандартизации
Азербайджанская Республика	Азгосстандарт
Республика Армения	Армгосстандарт
Республика Белоруссия	Госстандарт Белоруссии
Республика Казахстан	Госстандарт Республики Казахстан
Киргизская Республика	Киргизстандарт
Республика Молдова	Молдовастандарт
Российская Федерация	Госстандарт России
Республика Таджикистан	Таджикгосстандарт
Туркменистан	Главная государственная инспекция Туркменистана
Республика Узбекистан	Узгосстандарт
Украина	Госстандарт Украины

3 Постановлением Комитета Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации от 30 июня 1998 г. № 267 межгосударственный стандарт ГОСТ 25.503-97 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 июля 1999 г. 4 ВЗАМЕН ГОСТ 25.503-80

ГОСТ 25.503-97

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Дата введения 1999-07-01

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт устанавливает методы статических испытаний на сжатие при температуре °С для определения характеристик механических свойств черных и цветных металлов и сплавов. Стандарт устанавливает методику испытания образцов на сжатие для построения кривой упрочнения, определения математической зависимости между напряжением течения s s и степенью деформации , и оценки параметров степенного уравнения (s s 1 - напряжение течения при = 1, п - показатель деформационного упрочнения). Механические характеристики, кривая упрочнения и ее параметры, определяемые в настоящем стандарте, могут быть использованы в случаях: - выбора металлов, сплавов и обоснования конструктивных решений; - статистического приемочного контроля нормирования механических характеристик и оценки качества металла; - разработки технологических процессов и проектирования изделий; - расчета на прочность деталей машин. Требования, установленные в разделах 4 , 5 и 6 , являются обязательными, остальные требования - рекомендуемыми.

2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты: ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытания на растяжение ГОСТ 16504-81 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения ГОСТ 18957-73 Тензометры для измерения линейных деформаций строительных материалов и конструкций. Общие технические условия ГОСТ 28840-90 Машины для испытаний материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования

3 ОПРЕДЕЛЕНИЯ

3.1 В настоящем стандарте применяют следующие термины с соответствующими определениями: 3.1.1 диаграмма испытаний (сжатия): График зависимости нагрузки от абсолютной деформации (укорочения) образца; 3.1.2 кривая упрочнения: График зависимости напряжения течения от логарифмической деформации; 3.1.3 осевая сжимающая нагрузка: Нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания; 3.1.4 условное номинальное напряжение s: Напряжение, определяемое отношением нагрузки к начальной площади поперечного сечения; 3.1.5 напряжение течения s s: Напряжение, превышающее предел текучести, определяемое отношением нагрузки к действительной для данного момента испытаний площади поперечного сечения образца при равномерном деформировании; 3.1.6 предел пропорциональности при сжатии : Напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и абсолютным укорочением образца достигает такого значения, при котором тангенс угла наклона, образованного касательной к диаграмме F - D h в точке F пц с осью нагрузок, увеличивается на 50 % своего значения на линейном упругом участке; 3.1.7 предел упругости при сжатии : Напряжение, при котором относительная остаточная деформация (укорочение) образца (e) достигает 0,05 % первоначальной расчетной высоты образца; 3.1.8 предел текучести (физический) при сжатии : Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения сжимающей нагрузки; 3.1.9 условный предел текучести при сжатии : Напряжение, при котором относительная остаточная деформация (укорочение) образца достигает 0,2 % первоначальной расчетной высоты образца; 3.1.10 предел прочности при сжатии : Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению; 3.1.11 показатель деформационного упрочнения n: Степенной показатель аппроксимирующего кривые упрочнения уравнения , характеризующий способность металла к упрочнению при равномерной пластической деформации.

4 ФОРМА И РАЗМЕРЫ ОБРАЗЦОВ

4.1 Испытания проводят на образцах четырех типов: цилиндрических и призматических (квадратных и прямоугольных), с гладкими торцами I - III типов (рисунок 1) и торцевыми выточками IV типа (рисунок 2).

Рисунок 1 - Экспериментальные образцы I - III типов

Рисунок 2 - Экспериментальные образцы IV типа

4.2 Тип и размер образца выбирают по таблице 1. Таблица 1

Тип образца	Начальный диаметр цилиндрического образца d 0 , мм	Начальная толщина призматического образца а 0 , мм	Рабочая (начальная расчетная) высота образца h(h 0)*, мм	Определяемая характеристика	Примечание
				Модуль упругости, предел пропорциональности	Рисунок 1
				Предел пропорциональности, предел упругости
	6; 10; 15; 20; 25; 30	5; 10; 15; 20; 25; 30	Определяют по приложению А	Физический предел текучести, условный предел текучести. Построение кривой упрочнения до значений логарифмических деформаций
				Построение кривой упрочнения	Рисунок 2. Толщину и высоту буртика определяют по приложению А
* Высоту призматического образца устанавливают исходя из его площади b × а, приравнивая ее к ближайшей площади через d 0 . ** Для построения кривых упрочнения применяются только цилиндрические образцы.
Примечание - Ширину призматических образцов b определяют из соотношения .

4.3 Места вырезки заготовок для образцов и направление продольной оси образцов по отношению к заготовке должны быть приведены в нормативном документе на правила отбора проб, заготовок и образцов на металлопродукцию. 4.4 Образцы обрабатывают на металлорежущих станках. Глубина резания при последнем проходе не должна превышать 0,3 мм. 4.5 Термическую обработку металлов следует проводить до финишных операций механической обработки образцов. 4.6 Погрешность измерения диаметра и размеров поперечного сечения призматического образца до испытания не должна быть более, мм: 0,01 - для размеров до 10 мм; 0,05 - для размеров свыше 10 мм. Измерение диаметра образцов до испытания проводят в двух взаимно перпендикулярных сечениях. Результаты измерений усредняют, вычисляют площадь поперечного сечения образца, округляя в соответствии с таблицей 2. Таблица 2 4.7 Погрешность измерения высоты образца до испытания не должна быть более, мм: 0,01 - для образцов I и II типов; 0,01 - для образцов III типа, если испытания данного типа образца проводят при деформациях £ 0,002 и более 0,05 мм для > 0,002; 0,05 - для образцов IV типа.

5 ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ И АППАРАТУРЕ

5.1 Испытания проводят на машинах сжатия всех систем и машинах растяжения (зона сжатия), отвечающих требованиям настоящего стандарта и ГОСТ 28840. 5.2 При проведении испытаний на сжатие испытательная машина должна быть оснащена: - преобразователем силы и тензометром или преобразователями силы и перемещений с самопишущим прибором - при определении механических характеристик Е с, . При этом установка тензометра проводится на образец в его расчетной части, а самопишущий прибор предназначен для записи диаграммы F (D h); - преобразователями силы и перемещений с самопишущим прибором - при определении механических характеристик , , и построении кривой упрочнения на образцах III типа. При этом преобразователь перемещений устанавливают на активном захвате испытательной машины. Допускается измерять абсолютную деформацию (укорочение) образца D h измерительными приборами и инструментом; - преобразователем силы и измерительными приборами и инструментом - при построении кривой упрочнения на образцах IV типа. 5.2.1 Тензометры должны соответствовать требованиям ГОСТ 18957. 5.2.2 Суммарная погрешность измерения и регистрации перемещений с самопишущим прибором абсолютной деформации D h не должна превышать ± 2 % измеряемой величины. 5.2.3 Самопишущий прибор должен обеспечивать запись диаграммы F (D h) со следующими параметрами: - высотой ординаты диаграммы, соответствующей наибольшему предельному значению диапазона измерения нагрузок, не менее 250 мм; - масштабами записи по оси абсолютной деформации от 10:1 до 800:1. 5.2.4 Цена деления шкал измерительных приборов и инструмента при измерении конечной высоты образца h к не должна превышать, мм: 0,002 - при e £ 0,2 % ( ; для образцов I - III типов; 0,050 - при e > 0,2 % для образцов IV типа, где А 0 и А к - 0,002 - при £ 0,002 начальная и конечная площади поперечного 0,050 - при > 0,002 сечения) 5.2.5 Погрешность измерения конечного диаметра образца и размеров поперечного сечения призматического образца не должна быть более, мм: 0,01 - для размеров до 10 мм; 0,05 - для размеров свыше 10 мм.

6 ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

6.1 Число образцов для оценки среднего значения механических характеристик Е с, , , , и должно быть не менее пяти*, если в нормативном документе на поставку материалов не оговорено другое количество. ____________ * Если разница в определяемых характеристиках не превышает 5 %, можно ограничиться тремя образцами. 6.2 Число образцов для построения кривой упрочнения 6.2.1 Для построения кривой упрочнения на образцах III, IV типов с последующей обработкой результатов испытаний методами корреляционного анализа число образцов выбирают в зависимости от предполагаемого вида кривой упрочнения и ее участков (см. приложение Б). Для участка I кривой упрочнения (см. рисунок Б.1а) испытывают не менее шести образцов, для участка II - не менее пяти образцов, для участка III - в зависимости от значения деформации, соответствующей данному участку (не менее одного образца на диапазон степеней деформации = 0,10). Для кривых упрочнения, приведенных на рисунках Б.1б - Б.1г и Б.1е - Б.1к, число образцов должно быть не менее 15, а для кривых, представленных на рисунке Б.1д, - не менее восьми образцов для каждого из участков кривой, отделенных друг от друга максимумами и минимумами. 6.2.2 При ограниченном объеме испытаний для построения кривой упрочнения на образцах III типа с последующим регрессионным анализом результатов испытания число образцов должно быть не менее пяти. 6.3 Испытания образцов на сжатие проводят в условиях, обеспечивающих минимальный эксцентриситет приложения нагрузки и безопасность проведения экспериментов. Рекомендуется использовать приспособление, приведенное в приложении В. 6.4 Твердость деформирующих плит должна превышать твердость упрочненных во время испытания образцов не менее чем на 5 HRC э. Толщину деформирующих плит устанавливают в зависимости от создаваемых усилий в образце и принимают равной 20-50 мм. 6.5 Необходимо контролировать соблюдение равномерности деформирования при испытании образцов на сжатие (отсутствие бочкообразования и вогнутости). 6.5.1 При определении модуля упругости Е с, предела пропорциональности и упругости контроль осуществляют с помощью приборов, устанавливаемых на противоположных сторонах призматического и цилиндрического образцов, при этом нормируемая разность показаний двух приборов не должна превышать 10 (15) %. 6.5.2 При определении предела текучести предела прочности и при построении кривой упрочнения контроль осуществляют по равенствам для цилиндрических и призматических образцов:

Где h 0 - начальная расчетная высота цилиндрического и призматического образцов, по которой определяется укорочение (база тензометра), мм; h к - конечная расчетная высота цилиндрического и призматического образцов после испытания до заданной деформации или при разрушении, мм; А 0 - начальная площадь поперечного сечения цилиндрического образца, мм 2 - ; А к - конечная площадь поперечного сечения цилиндрического образца после испытания до заданной деформации или при разрушении, мм 2 ; А к.п - конечная площадь поперечного сечения призматического образца после испытания до заданной деформации или при разрушении, мм 2 (А к.п = а к, b к, где а к - конечная толщина призматического образца, b к. - конечная ширина призматического образца, мм); А 0п - начальная площадь поперечного сечения призматического образца, мм 2 (А 0п = а b). 6.6 При испытании образцов I, II типов торцы образцов обезжиривают. Смазывание торцов смазочным материалом недопустимо. 6.7 При испытании образцов III типа допускается применение смазочного материала, а при испытании образцов IV типа применение смазки является обязательным. 6.7.1 При испытании образцов III типа в качестве смазочного материала применяют машинное масло с графитом, смазочно-охлаждающую жидкость марки В-32К и Укринол 5/5. 6.7.2 При испытании образцов IV типа в качестве смазочного материала применяют стеарин, парафин, парафино-стеариновую смесь или воск. На образцы смазочный материал наносят в жидком состоянии. Толщина смазочного материала должна соответствовать высоте буртиков. 6.7.3 Допускается применение других смазочных материалов, обеспечивающих уменьшение контактного трения между образцами и деформирующей плитой. 6.8 При испытании образцов на сжатие до предела текучести скорость относительной деформации выбирают от 10 -3 с -1 до 10 -2 с -1 , за пределом текучести - не более 10 -1 с -1 , а для построения кривых упрочнения устанавливают от 10 -3 с -1 до 10 -1 с -1 . Скорость относительной деформации рекомендуется определять с учетом упругой податливости системы «испытательная машина - образец» (см. ГОСТ 1497). Если выбранная скорость относительной деформации в области текучести не может быть достигнута непосредственно регулированием испытательной машины, то ее устанавливают от 3 до 30 МПа/с [(от 0,3 до 3 кгс/мм 2 × с)] регулированием скорости нагружения до начала области текучести образца. 6.9 Определение механических характеристик 6.9.1 Механические характеристики Е с, , , определяют: - с помощью тензометров с ручным и автоматизированным съемом информации (аналитический и расчетный способ обработки); - по записанной испытательной машиной автодиаграмме в координатах «усилие - абсолютная деформация (Р - D h)» с учетом масштаба записи. Запись диаграмм выполняется при ступенчатом нагружении с циклами разгрузки и непрерывном приложении возрастающего усилия в диапазонах указанных скоростей нагружения и деформирования. Масштаб записи: - по оси деформации не менее 100:1; - по оси нагрузки 1 мм диаграммы должен соответствовать не более 10 МПа (1,0 кгс/мм 2). Поле записи усилий и деформаций должно быть, как правило, не менее 250 ´ 350 мм. 6.9.2 Результаты испытаний каждого образца записывают в протокол испытаний (приложение Г), а результаты испытаний партии образцов - в сводный протокол испытаний (приложение Д). 6.9.3 Модуль упругости при сжатии определяют на образцах I типа. Порядок проведения испытаний образца и методика построения диаграммы испытаний по показаниям преобразователя силы и тензометра приведены ниже. Образец нагружают до напряжения s 0 = 0,10 (напряжение соответствует ожидаемому значению предела пропорциональности). При напряжении s 0 на образец устанавливают тензометры и нагружают ступенчато-возрастаюшим напряжением до (0,70-0,80) . При этом перепад между соседними ступенями напряжения D s составляет 0,10 . По результатам испытаний строят диаграмму (рисунок 3). Модуль упругости при сжатии Е с, МПа (кгс/мм 2), рассчитывают по формуле

Где D F - ступень нагрузки, Н (кгс); D h ср - средняя абсолютная деформация (укорочение) образца при нагружении на D F , мм.

Рисунок 3 - Диаграмма испытаний для определения модуля упругости при сжатии

Для определения модуля упругости при сжатии по диаграмме F (D h), записанной на самопишущем приборе (см. 4.2), образец нагружают непрерывно до s = (0,7-0,8) . Напряжение соответствует ожидаемому значению предела пропорциональности. По диаграмме, используя формулу (1), определяем модуль упругости при сжатии Е с. 6.9.4 Предел пропорциональности при сжатии определяют на образцах I и II типов. Порядок испытаний образца и методика построения диаграммы по показаниям преобразователя силы и тензометра приведены ниже. Образец нагружают до напряжения s 0 = 0,10 (напряжение соответствует ожидаемому значению предела пропорциональности). При напряжении s 0 на образец устанавливают тензометр и нагружают ступенчато-возрастающим напряжением до (0,70-0,80) , при этом перепад между соседними ступенями напряжения D s составляет (0,10-0,15) . Далее образец нагружают ступенями напряжения, равными 0,02 . Когда значение абсолютной деформации (укорочение) образца D h на ступени напряжения, равной 0,02 , превысит среднее значение абсолютной деформации (укорочение) образца D h (при той же ступени напряжения) на начальном линейном упругом участке в 2, 3 раза, испытания прекращают.

Рисунок 4 - Диаграмма испытаний для определения предела пропорциональности при сжатии

По результатам испытаний строят диаграмму и определяют предел пропорциональности при сжатии (рисунок 4). При построении диаграммы проводят прямую ОМ, совпадающую с начальным прямолинейным участком. Через точку О проводят ось ординат OF , а затем - прямую АВ на произвольном уровне, параллельную оси абсцисс. На этой прямой откладывают отрезок KN , равный половине отрезка АК. Через точку N и начало координат проводят прямую ON и параллельно ей касательную CD к кривой. Точка касания определяет нагрузку F пц, соответствующую пределу пропорциональности при сжатии , МПа (кгс/мм 2), рассчитанному по формуле

Для определения предела пропорциональности при сжатии по диаграмме F (D h), записанной на самопишущем приборе (см. 4.2), образец нагружают непрерывно до напряжения, превышающего ожидаемое значение предела пропорциональности . По диаграмме, используя формулу (2) и проведя приведенные выше построения, определяют предел пропорциональности при сжатии от . 6.9.5 Предел упругости при сжатии определяют на образцах II типа. Порядок испытаний по показаниям преобразователя силы и тензометра приведен ниже. Образец нагружают до напряжения 0,10 (напряжение соответствует ожидаемому значению предела упругости при сжатии). При напряжении s 0 на образец устанавливают тензометр и нагружают ступенчато-возрастающим напряжением до (0,70-0,80) . При этом перепад между соседними ступенями напряжения D s составляет (0,10-0,15) . Далее с напряжения (0,70-0,80) образец нагружают ступенями напряжения, равными 0,05 . Испытания прекращают, когда остаточное укорочение образца превысит заданное значение допуска. По результатам испытаний строят диаграмму и определяют предел упругости при сжатии (рисунок 5).

Рисунок 5 - Диаграмма испытаний для определения предела упругости при сжатии

Для определения нагрузки F 0,05 рассчитывают абсолютную деформацию (укорочение образца) D h , исходя из базы тензометра. Найденное значение увеличивают пропорционально масштабу диаграммы по оси абсолютной деформации и отрезок, полученной длины ОЕ, откладывают по оси абсцисс вправо от точки О. Из точки Е проводят прямую ЕР, параллельную прямой ОА. Точка пересечения Р с диаграммой определяет высоту ординаты, т.е. нагрузку F 0,05 , соответствующую пределу упругости при сжатии s 0,05 МПа (кгс/мм 2), рассчитанному по формуле

Для определения предела упругости при сжатии по диаграмме F (D h), записанной на самопишущем приборе (см. 4.2), образец нагружают непрерывно до напряжения, превышающего ожидаемое значение предела упругости . По диаграмме, используя формулу (3) и рисунок 5, определяют предел упругости при сжатии . 6.9.6 Предел текучести (физический) при сжатии определяют на образцах III типа. Образец непрерывно нагружают до напряжения, превышающего ожидаемое значение , и записывают диаграмму на самопишущем приборе (см. 4.2). Пример определения нагрузки F т, соответствующей пределу текучести (физическому), приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Определение нагрузки F т соответствующей пределу текучести при сжатии

Предел текучести (физический) , МПа (кгс/мм 2), рассчитывают по формуле

6.9.7 Условный предел текучести при сжатии определяют на образцах III типа. Образец непрерывно нагружают до напряжения, превышающего ожидаемое значение условного предела текучести , и записывают диаграмму на самопишущем приборе (см. 4.2). Масштаб по оси деформации не менее 100:1, а по оси нагрузки - 1 мм диаграммы должен соответствовать не более 10 МПа (1,0 кгс/мм 2). Допускается определение по диаграммам, записанным с масштабом по оси удлинений 50:1 и 10:1, если исходная высота образца больше или равна 25 и 50 мм соответственно. Полученную диаграмму перестраивают с учетом жесткости испытательной машины. По диаграмме (рисунок 7) определяют нагрузку, соответствующую условному пределу текучести (физическому) при сжатии рассчитанному по формуле

По результатам испытаний строят диаграмму F (D h) (рисунок 8) и определяют нагрузку, соответствующую условному пределу текучести при сжатии, который рассчитывают по формуле (5).

1 - характеристика жесткости испытательной машины; 2 - диаграмма F (D h), записанная на самопишущем приборе; 3 - диаграмма F (D h), записанная с учетом жесткости испытательной машины

Рисунок 7 - Диаграмма испытаний для определения условного предела текучести при сжатии

D h ос т - абсолютная остаточная деформация (укорочение) образца

Рисунок 8 - Диаграмма испытаний для определения условного предела текучести при сжатии

6.9.8 Предел прочности при сжатии определяют на образцах III типа. Образец непрерывно нагружают до разрушения. Наибольшую нагрузку, предшествующую разрушению образца, принимают за нагрузку , соответствующую пределу прочности при сжатии s в, МПа (кгс/мм 2), рассчитанному по формуле

6.10 Методика испытаний для построения кривой упрочнения 6.10.1 Для построения кривой упрочнения испытывают серию одинаковых цилиндрических образцов III и IV типов (см. раздел 3) на нескольких уровнях заданных нагрузок. 6.10.2 Кривую упрочнения строят в координатах: ордината - напряжение течения s s , абсцисса - логарифмическая деформация (рисунок 9) или в двойных логарифмических координатах , (рисунок 10).

Рисунок 9 - Экспериментальная кривая упрочнения в координатах s s -

Рисунок 10 - Экспериментальная кривая упрочнения в логарифмических координатах

Напряжение течения s s , МПа (кгс/мм 2), рассчитывают по формуле

Где F - осевая сжимающая нагрузка, Н (кгс). Напряжение течения s s 1 , МПа (кгс/мм 2), определяют графически по экспериментальной кривой упрочнения при логарифмической деформации (укорочении) образца , равной 1. Логарифмическую деформацию (укорочение) , рассчитывают по формулам: для образцов III типа

Для образцов IV типа

Результаты испытаний каждого образца записывают в протокол испытаний (приложение Г), а результаты испытаний партии образцов - в сводный протокол (приложение Д). Примечание - Допускается построение кривой упрочнения по относительной деформации (укорочение) e . 6.10.3 Порядок испытаний образца приведен ниже. Нагружают образец до заданной нагрузки. Разгружают образец до нулевой нагрузки и измеряют конечный диаметр образца d к в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а для образцов III типа также конечную высоту образца h к. Конечный диаметр d к для образцов IV типа измеряют посредине осаженного образца (на расстоянии 0,5 от торцов). Для определения d к образцов III типа измеряют диаметры осаженных образцов на обоих торцах в двух взаимно перпендикулярных направлениях и устанавливают среднее арифметическое значение конечного диаметра торцов d т, а посредине образца измеряют максимальное значение конечного диаметра осаженной заготовки , мм, рассчитывают по формуле

Результаты измерений d к и h к усредняют. Конечную площадь поперечного сечения образца А округляют, как приведено в таблице 2. Для образцов IV типа одноразовое испытание проводят до момента исчезновения буртиков. С целью достижения более высоких степеней равномерной деформации применяют двухступенчатую осадку, при этом значение логарифмической деформации между осадками должно быть не менее 0,45. При двухступенчатом испытании проводят после первого осаживания перетачивание образцов для образования цилиндрической выточки (IV тип). Размеры буртиков образца выбирают по таблице 1 . Отношение высоты переточенного образца к диаметру принимают по приложению А. Для образцов III типа допускается применять промежуточное перетачивание для двухступенчатого осаживания, при этом логарифмическая степень деформации между ступенями должна быть не менее 0,45. 6.10.4 Напряжение течения s s и соответствующие им значения логарифмических деформаций для заданных уровней нагрузок определяют по 6.10.2. 6.10.5 Строят кривую упрочнения (см. рисунки 9, 10). Методика обработки экспериментальных данных изложена в приложении Е. 6.10.6 В обоснованных случаях (при ограниченном количестве образцов или при использовании результатов для расчетов процессов, связанных со ступенчатым нагружением) образцы III типа допускается испытывать при ступенчатом увеличении нагрузки (рисунок 11). При этом результаты испытаний для построения кривой упрочнения обрабатывают методом регрессионного анализа (см. приложение Е).

Рисунок 11 - Проведение испытаний при ступенчатом увеличении нагрузки

6.10.7 Испытание образцов считается недействительным: - при отрыве буртиков у образцов IV типа во время нагружения; - при разрушении образца по дефектам металлургического производства (расслой, газовые раковины, плены и т.д.). Количество образцов для испытаний взамен признанных недействительными должно быть одинаковым. 6.11 При проведении испытаний образцов всех типов соблюдают все правила технической безопасности, предусмотренные при работе на данном оборудовании. Испытания образцов IV типа выполняют обязательно с использованием приспособления (см. приложение В).

ПРИЛОЖЕНИЕ А
(справочное)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ОБРАЗЦОВ III, IV ТИПОВ

Образцы III типа для построения кривой упрочнения изготовляют высотой h 0 , превышающей диаметр d 0 . Для образцов IV типа допускается . Первоначальное отношение должно быть максимально возможно при условии обеспечения продольной устойчивости. Высоту образца h 0 определяют по формуле

, (А.1)

Где п - показатель деформационного упрочнения; n - коэффициент приведения высоты (n = 0,5 - для образцов III типа; n = 0,76 - для образцов IV типа). Высоту образца h 0 после определения по формуле (А.1) округляют до целого числа. Отношение для переточенных образцов принимают равным 1,0. Значения показателей п для широко применяемых металлов и сплавов приведены в таблице А.1. Толщину буртика u 0 (раздел 4) принимают равной 0,5-0,8 мм для образцов из пластичных и средней прочности материалов и 1,0-1,2 мм - для хрупких материалов. Большие значения u 0 выбирают для образцов, изготовленных из материалов с высокими прочностными свойствами, и при изготовлении образцов для повторной осадки. Таблица А.1 - Значение показателя деформационного упрочнения при сжатии пруткового материала

Материал	Состояние материала	Показатель деформационного упрочнения n
1 ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ МЕТАЛЛЫ
Железо	Отжиг обычный
	Отжиг в вакууме
Алюминий	Отжиг
Медь	Отжиг
Никель	Отжиг
Серебро	Отжиг
Цинк	Отжиг
Молибден	Отжиг рекристаллизационный
Магний	Прессование
Олово	-
Уран	-
2 УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ
С содержанием углерода 0,05-0,10 %	Горячая прокатка
С содержанием углерода 0,10-0,15 %	Отжиг
	Неполный отжиг
	Нормализация
С содержанием углерода 0,20-0,35 %	Отжиг
	Неполный отжиг
	Нормализация
	Горячая прокатка
С содержанием углерода 0,40-0,60 %	Отжиг
	Неполный отжиг
	Нормализация
	Горячая прокатка
С содержанием углерода 0,70-1,0 %	Отжиг
	Неполный отжиг
	Горячая прокатка
С содержанием углерода 1,1-1,3 %	Неполный отжиг
3 ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
15Х	Горячая прокатка
20Х	Отжиг
	Нормализация
	Закалка + отпуск при t = 650 °С
	Закалка + отпуск при t = 500 °С
35Х	Горячая прокатка
40Х	Отжиг
	Нормализация
	Закалка + отпуск при t = 400 °С
45Х	Горячая прокатка
20Г	Отжиг
	Нормализация
10Г2	Отжиг
65Г	Горячая прокатка
15ХГ	Отжиг
	Горячая прокатка
40ХН	Отжиг
35ХС	Отжиг
	Нормализация
12ХН3А	Отжиг
	Нормализация
	Закалка + отпуск при t = 600 °С
	Горячая прокатка
4ХНМА	Отжиг
	Нормализация
	Закалка + отпуск при t = 600 °С
	Горячая прокатка
30ХГСА	Отжиг
	Нормализация
18ХГТ	Отжиг
17ГСНД	Нормализация + старение при t = 500 °С
17ГСАЮ	Нормализация
хвг	Отжиг
5ХНВ
7Х3
Х12Ф
3Х3В8Ф
Р18
4 ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
20Х13	Отжиг
12Х18Н9	Нормализация
12Х18Н9Т	Закалка в масле
	Закалка в воде
20Х13Н18	Закалка в масле
10Х17Н13М2Т	Закалка в воде
Аустенитные стали типа 09Х17Н7Ю, 08Н18Н10, 10Х18Н12, 10Х23Н18
17-7	Закалка
18-8
18-10
23-20
5 АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
АМг2М	Отжиг
А мг6	Отжиг
Д1	Отжиг
	Закалка + естественное старение
	Старение при t = 180 °С
	Старение при t = 200 °С
1915	Закалка
	Зонное старение
	Старение на максимальную прочность (стабильное состояние)
	Прессование
АК4-1	Отжиг
	Закалка + старение
АВ	Прессование
Д20	Прессование
Д16	Прессование
6 МЕДНЫЕ СПЛАВЫ
Латунь Л63	Отжиг
Латунь ЛС59-1В	Отжиг
Латунь CuZn15 (15 % Zn)	-
Латунь CuZn30 (30 % Zn)	-
Бронза ОФ7-0,25	Отжиг
Бронза С u А l 41 (41 % A l)	-
7 ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ
ОТ4	Отжиг в вакууме
ВТ16	Отжиг в вакууме

Высоту буртика t 0 , мм, (раздел 4) определяют по формуле 1)

Где m - коэффициент Пуассона, значения которого для ряда металлов приведены в таблице А.2. ______________ 1) В случае применения повторной осадки образцы изготовляют с высотой буртиков на 0,02-0,03 мм меньше расчетной. Таблица А.2 - Значения коэффициентов Пуассона m металлов и сплавов

Наименование металлов и сплавов
Углеродистые стали с повышенным содержанием марганца (15Г, 20Г, 30Г, 40Г, 50Г, 60Г, 20Г2, 35Г2)
Иридий
Стали 20Х13, 30ХНМ
Аустенитные стали
Железо, низкоуглеродистые стали и высоколегированные стали марок 30Х13, 20Н5, 30ХН3
Цинк, вольфрам, гафний, стали с большим содержанием углерода, сталь 40ХН3
Хром, молибден
Кобальт
Алюминий, дюралюминий, никель, цирконий, олово
Титан, магниевые сплавы
Тантал
Ванадий
Серебро
Медь
Ниобий, палладий, платина
Золото
Свинец
Индий

Для образцов с u 0 = 0,5-1,2 мм из металлов и сплавов с m = 0,22-0,46 расчетные значения t 0 приведены на рисунке А.1 и в таблице А.3. Таблица А.3 - Значение высоты буртика t 0

Рисунок А.1 - Зависимость оптимального значения высоты буртиков от коэффициента Пуассона

ПРИЛОЖЕНИЕ Б
(справочное)

ВИДЫ КРИВЫХ УПРОЧНЕНИЯ

Имеется восемь видов кривых упрочнения, построенных по результатам испытания на сжатие (рисунок Б.1). Ход кривых упрочнения s s () обусловлен главным образом природой металлов и сплавов (рисунок Б.1а, б, в, г, д), видом и режимом предварительной термической и пластической обработки (рисунок Б.1е, ж, к). Наиболее распространенным видом является кривая упрочнения, изображенная на рисунке Б.1а. Этим видом кривых упрочнения обладают термически обработанные и горячекатаные углеродистые и легированные конструкционные и инструментальные стали, многие высоколегированные стали, железо, алюминий и его сплавы, медь и титан и большинство их сплавов, легкие металлы и ряд труднодеформируемых металлов и их сплавов. В этих кривых упрочнения напряжение течения сравнительно сильно возрастает на начальных стадиях деформации, в дальнейшем интенсивность упрочнения плавно уменьшается, а затем с ростом деформации почти не изменяется. Для пластичных металлов и сплавов интенсивность увеличения s s с ростом меньше, чем для прочных металлов и сплавов. Второй вид кривых упрочнения (рисунок Б.1б) характеризуется большой интенсивностью упрочнения, которая может несколько уменьшаться при больших степенях деформации. Такой тип кривой упрочнения характерен для аустенитных сталей, некоторых медных и титановых сплавов. Третий вид упрочнения (рисунок Б.1в) описывает зависимость s s () циркония и сплава на его основе цирколай-2. Для таких кривых упрочнения интенсивность упрочнения при небольших степенях деформации весьма незначительна, а затем резко возрастает; несущественное уменьшение интенсивности упрочнения проявляется при степенях деформации, близких к разрушению. Четвертый вид кривых упрочнения (рисунок Б.1г) отличается тем, что после достижения максимального значения s s его значение с дальнейшим увеличением или уменьшается, или остается неизменным. Такой тип кривых упрочнения установлен для цинка и его сплавов с алюминием в отожженном состоянии (кривая 2), закаленном и состаренном состоянии (кривая 1), а также для некоторых алюминиевых сплавов при высоких степенях деформации. Кривые упрочнения, представленные на рисунке Б.1д, характерны для сверхпластичных материалов. Ход кривой s s () для таких материалов сложный, с проявлением максимумов и минимумов (пятый вид кривых упрочнения). Представленные на рисунке Б.1е кривые упрочнения (шестой вид) характерны для различных пластичных сплавов, получивших предварительную обработку давлением в холодном состоянии при сравнительно небольших деформациях (примерно 0,1-0,15), причем направления нагрузок при предварительном и последующем деформировании противоположны (например волочение + осадка). При этом интенсивность изменения s s меньше для сплавов, получивших большую степень предварительной деформации (кривая 3 по сравнению с кривой 1). У таких кривых упрочнения интенсивность возрастания s s ростом во всем диапазоне степеней деформации меньше, чем у кривых упрочнения первых трех видов (рисунки Б.1а, б, в). Кривые упрочнения, изображенные на рисунке Б.1ж, относятся к предварительно деформированным в холодном состоянии сплавам с противоположным направлением нагрузок при предварительном и последующем деформировании, пластичным сталям с большими степенями предварительной деформации (более 0,1-0,15), сталям средней и высокой прочности, латуням и бронзам с высокими степенями предварительной деформации. Восьмой вид (рисунок Б.1и) кривых упрочнения соответствует сталям и некоторым сплавам на его основе, получившим предварительную обработку в виде холодной пластической деформации, при этом направление приложения нагрузки при обеих деформациях совпадает. Более пологий наклон кривых упрочнения (кривые 3 и 4) соответствует более высоким степеням предварительной деформации. Для таких сталей характерна невысокая интенсивность роста s s с увеличением . Кривые упрочнения первого вида хорошо аппроксимируются зависимостью

С некоторым приближением зависимость (Б.1) описывает кривые упрочнения второго и третьего вида. Рекомендуется использовать эту зависимость для аппроксимации кривой упрочнения четвертого вида в диапазоне степеней деформации до возникновения максимума на ней. Кривые упрочнения шестого, седьмого и восьмого типов с достаточной для практики точностью могут быть линеаризированы и тогда с некоторым приближением их можно аппроксимировать уравнением

Где - экстраполированный предел текучести предварительно деформированных сталей (отрезок, отсекаемый линеаризированной прямой на оси ординат); b ¢ - коэффициент, характеризующий наклон линеаризованных кривых упрочнения.

Рисунок Б.1 - Типы кривых упрочнения

КОНСТРУКЦИИ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ НА СЖАТИЕ

На рисунке B.1 приведен сборочный чертеж приспособления для проведения испытаний на сжатие, позволяющего исключить перекосы между образцом и деформирующей плитой и уменьшить погрешность нагружения образца. Допускается использование приспособлений иных конструкций.

5 - образец; 6 - самоустанавливающая опора со сменным вкладышем

Рисунок B .1 - Приспособление для испытания на сжатие

ПРОТОКОЛ испытания образцов I-III типов для оценки механических характеристик Назначение испытаний _______________________________________________________ Испытательная машина. Тип __________________________________________________ Образец. Тип ______________________________________. Твердость по шкалам Бринелля или Роквелла ______________________________________________________ ПРОТОКОЛ испытания цилиндрических образцов III и IV типов для построения кривой упрочнения Назначение испытаний _______________________________________________________ Испытательная машина. Тип _____________________. Образец. Тип ________________ Номер образца Твердость по шкалам Бринелля или Роквелла s s , МПа (кгс/мм 2) СВОДНЫЙ ПРОТОКОЛ испытания образцов I- IV типов для оценки механических характеристик и параметров аппроксимирующих ура внений кривых упрочнения Название испытаний _______________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Характеристика испытуемого материала: Марка и состояние. __________________________________________________________ Направление волокна ________________________________________________________ Тип заготовки ______________________________________________________________ Тип и размеры образца _______________________________________________________ Состояние поверхности образца _______________________________________________ Твердость по шкалам Бринелля или Роквелла ___________________________________ ___________________________________________________________________________ Тип и основные характеристики испытательной машины и измерительной техники: испытательной машины ______________________________________________________ тензометра _________________________________________________________________ преобразователя перемещений ________________________________________________ измерительных приборов и инструмента ________________________________________ преобразователя силы ________________________________________________________ самопишущего прибора ______________________________________________________ Условия испытаний: Материалы и твердость деформирующих плит (НВ или HR С э) _____________________ Скорость относительной деформации, с -1 _______________________________________ Скорость нагружения, МПа/с (кгс/мм 2 × с) ________________________________________ Скорость перемещения деформирующей плиты, мм/с _____________________________ Результаты испытаний Испытания проводил Личная подпись Расшифровка подписи Зав. Лабораторией Личная подпись Расшифровка подписи

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ КРИВОЙ УПРОЧНЕНИЯ. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ АППРОКСИМИРУЮЩИХ УРАВНЕНИЙ

1 При испытании партии образцов Для каждого конкретного значения испытывают по одному образцу. Кривые упрочнения, описываемые уравнениями (рисунки Б.1а, б, в) или (рисунки Б.1 e , ж, к), строятся по результатам обработки методом наименьших квадратов всех экспериментальных точек во всем диапазоне изучаемых степеней деформации. Обработку следует проводить на ЭВМ. При этом для кривых упрочнения определяют параметры аппроксимирующих уравнений , n , , b ¢ .

Рисунок E .1 - типовые зависимости показателя деформационного упрочнения n от степени деформации

В случае обработки опытных данных аналитическим путем рекомендуется использовать справочную литературу. 2 При ограниченном количестве испытаний При ограниченном количестве опытов (пяти образцов) кривые упрочнения строят на основе обработки диаграмм машинных записей по осадке всех испытуемых образцов до конечной степени деформации. s s рассчитывают для значений равным 0,01; 0,03; 0,05; 0,08; 0,1, и далее через каждые 0,05 до конечного значения степени деформации . Для каждого значения s s определяют, как среднюю по данным (пяти точек). Построение кривых упрочнения и дальнейшую обработку опытных данных проводят, как при испытании партии образцов. 3 Определение показателя деформационного упрочнения n при малых степенях деформации и в узком их диапазоне Для большинства металлов и сплавов зависимость n () не является линейной функцией (рисунок E.1): с ростом обычно уменьшается n , достигая при больших значениях практически постоянной величины (рисунок E.1а), или вначале увеличивается, достигнув максимума, а затем уменьшается (рисунок E.1б). И только в отдельных случаях n , носит линейный характер (рисунок E.1 a). Первый вид зависимости (рисунок E.1б) характерен для меди, углеродистых конструкционных и инструментальных сталей, ряда конструкционных легированных сталей. Представленный на рисунке Е.1б вид зависимости n , присущ для материалов, испытывающих структурно-фазовые превращения при деформации - аустенитные стали, некоторые латуни. Практически не меняется величина n с ростом (рисунок E.1в) для железа, хромистых конструкционных сталей. Для алюминиевых сплавов в зависимости от их химического состава наблюдаются все три вида зависимости n . В связи с изменением n с ростом для большинства металлов и сплавов возникает необходимость в определении n при небольших степенях деформации и в узком их диапазоне. n может быть определена путем обработки опытных данных на ЭВМ методом наименьших квадратов, однако количество экспериментальных точек должно быть не менее 8-10 в рассматриваемом диапазоне степеней деформации или рассчитано по формуле

. (E .1)

Под действием сил металл способен изменять свою форму и раз­меры, т. е. деформироваться.

Рис. 2. Виды деформаций стержня: а - растяжение;

б - сжатие; в - изгиб; г - кручение; д - срез

Деформации могут быть упругими и пластическими (остаточными). Упру­гие деформации исчезают после сня­тия нагрузки, а пластические остают­ся.

Величины деформаций зависят от значения действующих сил, а виды - от направления приложения сил. Наи­более часто встречаются следующие

основные виды деформаций: растяжение, сжатие, изгиб, кручение и срез. На практике металл подвер­гается одному или нескольким видам деформаций в зависимости от прила­гаемых сил.

При выборе металла для изготовле­ния конструкций, деталей, инструментов исходят из его механических свойств. Механическими свойствами называется совокупность качеств, характеризующих способность металлов противостоять деформации при приложении сил. К механическим свойствам относятся прочность, упругость, плас­тичность, твердость, вязкость, усталостная прочность (выносли­вость) и др. Чтобы определить механические свойства металла, его испытывают в лабораториях на специальных машинах.

Испытание металлов на растяжение. Испытание металлов на растяжение позволяет определить наиболее важ­ные механические свойства металлов: прочность, упругость и плас­тичность (рис.3).

Рис. 3. Диаграмма растяжения металлов:

а - пластичных; б - хрупких

Прочность - способность металлов сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Упругость - способность метал­лов восстанавливать первоначальную форму и размеры после пре­кращения действия нагрузок, вызвавших их изменение. Пластич­ность - способность металлов необратимо изменять свою форму и размеры, не разрушаясь под действием нагрузок. Противоположным свойством пластичности является хрупкость.

Известно, что груз приложенный к металлическому стержню, вызывает в нем растягивающие напряжения, которые определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения стержня

σ = P/F,

где σ - напряжение, Па;

F- площадь попереч­ного сечения, м 2 .

Сравнение прочности и упругости металлов проводят по величи­не предельных напряжений.

Прочность обычно определяется пределом прочности, который равен отношению максимальной (наибольшей) нагрузки, вызвав­шей разрушение стержня, к площади его первоначального попереч­ного сечения:

σ В = Рmах / F о

F о - площадь первоначаль­ного поперечного сечения стержня, м 2 .

Предел прочности, называемый также временным сопротивлени­ем, - важнейшая характеристика. Если напряжения в изделии, кон­струкции или инструменте превзойдут предел прочности, то они раз­рушаются.

Упругость оценивается пределом упругости, который равен от­ношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных дефор­маций стержня, к площади его первоначального поперечного се­чения

σ уп = Руп/Fо,

где Руп - наибольшая нагрузка, не вызывающая остаточных де­формаций, Н.

Если напряжения в деталях превзойдут предел упругости, то они изменят свою форму и размеры, что может иметь катастрофические последствия.

Пластичность металлов характеризуется относительным удлине­нием и относительным поперечным сужением.

Относительным удлинением называется отношение приращения длины стержня после разрыва к его первоначальной длине:

ι - ι 0

δ = ──────100

где ι 0 - первоначальная длина образца, мм;

ι- длина образца после разрыва, мм;

ι - ι 0 =۵ ι - абсолютное удлинение, мм.

Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения стержня после разрыва к первона­чальной площади его поперечного сечения:

Ψ = ────── 100

где Fо - первоначальная площадь поперечного сечения стержня;

F- площадь поперечного сечения стержня после разрыва, мм 2 ;

Fо-F = ۵F - абсолютное сужение, мм 2 .

Чем больше значение относительного удлинения и сужения, тем пластичнее металл. У хрупких металлов эти величины незначитель­ны или равны нулю. Хрупкость металла является отрицательным свойством, а пластичность положительным.

Испытание металлов на растяжение проводят на разрывных ма­шинах, которые обеспечивают приложение к образцам статических, т.е. постоянных или плавно возрастающих нагрузок.

Хрупкие металлы (чугун, закаленная сталь и др.), работающие на изгиб, испытывают не только на растяжение, но и на изгиб. При этом определяют предел прочности на изгиб (σ ИЗГ) по соответствующим формулам. Испытания проводят на разрывных машинах, имеющих для этого специальные приспособления в виде двух опор, на которые укладывают образец. Посредине образ­ца создают равномерно повышающуюся нагрузку до его разру­шения.

Предел прочности на изгиб - важнейшая характеристика ме­таллов конструкций, работающих на изгиб. Испытанию на изгиб подвергают большинство судостроительных металлов.

Испытание металлов на твердость. Твердостью называется спо­собность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого материала.

В настоящее время применяют разнообразные методы испытания металлов на твердость. Наиболее распространены методы, при ко­торых в металл под действием статической нагрузки вдавливают специальный наконечник-индентор (шарик, конус или пирамиду). Эти методы называют по фамилии их авторов: Бринелля, Роквелла и Виккерса. Твердость определяют также ударным вдавливанием шарика (метод Польди) и методом упругой отдачи бойка (метод Шора).

Приближенно твердость можно оценить и по углублениям, ос­тавляемым чертилкой, кернером, зубилом и другими режущими ин­струментами. О твердости судят по глубине отпечатка, оставленно­го на металле наконечником или режущими инструментами. Чем больше глубина отпечатка при одинаковой нагрузке на внедряе­мый материал одинакового размера, тем меньше твердость и нао­борот.

Испытывая металл на твердость, можно просто и быстро опре­делить его механические свойства, причем не только в лаборатори­ях, но и на производстве. По величине твердости можно приближенно судить и о других механических свойствах металлов: прочности, износостойкости и т.п., а также обрабатываемости. Чем металл тверже, тем его труднее обрабатывать.

В зависимости от твердости выбирают металлы для изготовления тех или иных деталей, конструкций, инструментов. Рассмотрим наиболее распространенные методы испытания металлов на твердость.

Метод Бринелля заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого образца стального шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм.

Твердость по методу Бринелля выражается в числах твердости НВ (Н - твердость, В - Бринелля).

Испытание на твердость по методу Бринелля проводится на при­борах с применением плоских или круглых образцов и деталей. Для получения точных результатов на поверхности образцов не должно быть ржавчины, окалины, вмя­тин и т. п.

Метод Роквелла заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого ме­талла алмазного конуса или стального закаленного шарика диамет­ром 1,59 мм.

В приборах (твердомерах) Роквелла в отличие от при­боров Бринелля число твердости определяют непосредственно по шкале индикатора.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и обозначаются символом HR (Н - твердость, R - Роквелл). К символу до­бавляется обозначение шкалы индикатора (А, В или С), по которой измерялась твердость, и соответствующее числовое значение твер­дости.

По методу Роквелла можно испытывать мягкие и твердые ме­таллы, а также готовые изделия, так как отпечатки от наконечника незначительны. Испытание занимает мало времени (не более 50 с), не требует никаких измерений; показания читаются непосредствен­но по шкале индикатора.

Метод Виккерса заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого металла четырех­гранной алмазной пирамиды.

Метод Польди заключается во вдавливании стального шарика под действием динамической (ударной) нагрузки в поверхность испытуемого металла и эталонного образца.

По соотношению площадей или диаметров отпечатков расчетным путем по таблицам определяют твердость металла. Она будет тем меньше, чем больше отпечаток на испытуемом металле по сравнению с отпечатком на эталонном образце, и наоборот.

Испытание металлов на ударную вязкость. Ударной вязкостью (динамической прочностью) называется способность металлов оказывать сопротивление действию ударных (динамических) нагрузок.

Многие детали машин, конструкции и инструменты испытывают при эксплуатации ударные нагрузки. Например, судовые конструкции подвергаются ударам волн, льда и т. п. Поэтому при их изго­товлении необходимо учитывать эту важнейшую характеристику.

Металлы, легко разрушающиеся под действием ударной нагруз­ки, называются хрупкими. Они непригодны для изготовления дета­лей, работающих в условиях ударных нагрузок. Вязкими называ­ются металлы, разрушающиеся при значительных ударных нагруз­ках и значительных пластических деформациях.

Испытание металлов на ударную вязкость проводят на механиз­мах, называемых маятниковыми копрами. Оно заключа­ется в ударном изломе (изгибе) маятником копра образца и в под­счете израсходованной работы на разрушение образца.

Маятник поднимают на некоторую высоту Н. С этой высоты он свободно падает разрушает образец и снова поднимается на неко­торую высоту h. Работа, затраченная на разрушение образца,

А = P(H - h) или А =Pι (cosβ - cosα),

где Р - сила тяжести (вес) маятника, Н;

Н - высота подъема маятника до удара, м;

h - высота подъема маятника после удара, м;

l- длина маятника, м.

Ударную вязкость металла определяют по величине удельной ударной вязкости а H , равной отношению работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения в месте разрушения:

а H = А /F

где А - работа, затраченная на разрушение образца, Дж;

F - пло­щадь поперечного сечения образца в месте разрушения, м 2 .

Современный маятниковый копер имеет шкалу, градуированную непосредственно в единицах работы. Если поднять маятник на не­которую высоту Н, то стрелка покажет запас энергии маятника до удара РН в джоулях. После разрушения образца маятник поднимается на некоторую высоту h, в это время стрелка покажет запас энергии-маятника Ph после удара. Таким образом, ударная вязкость

а H = (РН - Ph)/F.

Ударная вязкость зависит не только от рода металла, но и от его температуры, химического состава, структуры и т. д. Например, две марки стали, с разной структурой могут иметь совершенно, различ­ные значения ударной вязкости, но почти одинаковые другие меха­нические свойства.

Испытание металлов на усталостную прочность (выносли­вость). Многие детали машин и механизмов, некоторые конструк­ции и инструменты при эксплуатации подвергаются действию пере­менных нагрузок, т. е. меняющихся по значению, направлению или по значению и направлению одновременно. Таким нагрузкам под­вергаются, например, корпуса судов детали машин (валы, оси, ша­туны, коленчатые валы).

В результате длительного воздействия переменных нагрузок прочность металла уменьшается и деталь, конструкция или инстру­мент разрушается. Разрушение металла часто наступает при напря­жениях, которые значительно меньше, чем предел прочности, а иногда даже меньше, чем предел текучести.

Способность металлов сопротивляться усталостному разруше­нию называется усталостной прочностью (выносливостью). Пока­зателем ее является предел усталости (выносливости), который определяют в ходе испытания на специальных машинах. Испытания проводят на переменный изгиб, растяжение-сжатие и кручение.

Чаще всего применяют способ испытания изгибом при вращении (рис. 4). В этом случае один конец образца закрепляют в патроне, а к другому через шарикоподшипник подвешивают груз. При вра­щении наружные волокна образца попеременно будут испытывать растягивающие и сжимающие усилия. При достижении некоторого числа перемен (циклов) образец разрушается. Число циклов опре­деляют по установленному на станке счетчику.

Рис. 4. Схема испытания образца на усталост­ную прочность: 1 - патрон станка; 2 - образец;

Подшипник качения

Пределом усталости металлов называется максимальное напря­жение, при котором образец еще выдерживает неограниченное чис­ло циклов, не разрушаясь. Пределы усталости обозначают:

при из­гибе - σ -1 ;

при растяжении-сжатии - σ- 1 p ;

при кручении - τ -1 .

Между пределом усталости и пределом прочности существует следующая приблизительная зависимость:

σ -1 == 0,47σ в; σ -1 p = 0,32σ в; τ -1 = 0,22σ в.

Усталостная прочность зависит от значения переменных напря­жений, состояния поверхностей деталей и других факторов. Ее сле­дует учитывать при создании, например, быстроходных судов, сверх­звуковых самолетов, космических кораблей, мощных турбин, испы­тывающих при эксплуатации переменные нагрузки.

Металлы, работающие в сложных условиях, испытывают при повышенных и пониженных температурах, в условиях коррозии, при истирании и т. д.

Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться технологической обработке, целью которой является придание металлам определенных форм, размеров и свойств. К ним относятся: литейные свойства, ковкость, свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием и др. Поведение металла при технологической обработке определяют по технологическим пробам.

Технологические пробы применяют главным образом для опре­деления пригодности материала к тому или иному способу обра­ботки. О результатах технологических испытаний судят по состоя­нию поверхности после испытания (отсутствие трещин, надрывов, изломов). Наиболее распространены следующие технологические пробы: на изгиб в холодном и нагретом состоянии; на перегиб и выдавливание; на осадку; на раздачу и обжатие труб; искро­вая.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: плот­ность, температура плавления, теплопроводность, электро-провод­ность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и способность намагничиваться (табл. 1).

Химические свойства - способность металлов и сплавов сопро­тивляться воздействию окружающей среды, которое проявляется в различных формах. Под влиянием кислорода воздуха и влаги ме­таллы подвергаются коррозии: чугун и сталь ржавеют; бронза покрывается зеленым слоем оксида меди; сталь при нагреве в печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется.

Металлы и сплавы, стойкие против окисления при высокой тем­пературе нагрева, называются жаростойкими или окалиностойкими. Из них изготовляют такие детали, как клапаны двигателей внутрен­него сгорания и др. Золото, серебро и нержавеющие стали слабо поддаются коррозии.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.

По характеру изменения во времени действующей нагрузки механи-ческие испытания могут быть статическими (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамическими (на ударный изгиб) и циклическими (на усталость).

По воздействию температуры на процесс их делят на испытания при комнатной температуре, низкотемпературные и высокотемпературные (на длительную прочность, ползучесть).

Статические испытания проводятся при воздействии на образец с определенной скоростью постоянно действующей нагрузки. Скорость деформации составляет от 10 - 4 до 10 - 1 с - 1 . Статические испытания на растяже-ние относятся к наиболее распространенным. Свойства, определяемые при этих испытаниях, приведены в многочисленных стандартах по техническим условиям на материалы. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение.

Динамические испытания характеризуются приложением к образцу ударной нагрузки и значительной скоростью деформации. Длительность ис-пытания не превышает сотен долей секунды. Скорость деформации состав-ляет около 10 2 с - 1 . Динамические испытания чаще всего проводят по схеме ударного изгиба образцов с надрезом.

Циклические испытания характеризуются многократными измене-ниями нагрузки по величине и по направлению. Примером испытаний явля-ются испытания на усталость, они длительны и по их результату определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжения. В конечном итоге находят предельные напряжения, который образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

Испытания на твердость.

Простейшим механическим свойством является твердость. Методы определения твердости в зависимости от скоро-сти приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по спо-собу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Методы опреде-ления твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.

Твердость - это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.

При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы ис-пытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и не-которые другие.

При испытании материалов на твердость не изготавливают стандарт-ных специальных образцов, однако к размерам и поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.

Твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) устанавливают путем вдавли-вания в металл индентора - алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под действием постоянной нагрузки Р: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой в течение 10-15 с. Для определения твердости черных металлов и сплавов используют нагрузки от 5 до 100 кгс, медных сплавов - от 2,5 до 50 кгс, алюминиевых сплавов - от 1 до 100 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора находят длину диагонали отпечатка, а твердость HVрассчитывают по формуле

HV = 1,854*P/d 2

где Р - нагрузка, кгс; d- диагональ отпечатка, мм.

Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и дли-ны диагонали. Поэтому на практике вычислений не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HVизмеряется в кгс/мм 2 , Н/мм 2 или МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс.

По методу Бриннелля вдавливают в образец или изделие стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием нагрузок 3000, 1000, 750, 500, 250, 62,5 кгс и др. (ГОСТ 9012-59, рис. 1.). Полученный круглый отпечаток на образце измеряют под лупой и по таблицам находят величину твердости по Бринеллю, значение которой не превышает 450 НВ. Твердость по Бринеллю почти совпадает со значениями твердости по Виккерсу.

Твердость НВ - это также величина напряжений сопротивления вдавливанию:

HB=P/F ot =P/πDt=2P/πD(D-√(D 2 -d 2))

F ot - площадь отпечатка, мм 2 ;

t- глубина сегмента отпечатка;

D- диаметр шарика, мм;

d- диаметр отпечатка, мм.

Твердость по Бринеллю НВ (по умолчанию) имеет размерность кгс/мм 2 , например, твердость алюминиевого спла-ва равна 70 НВ. При нагрузке, определяе-мой в ньютонах, твердость по Бринеллю измеряется в МПа. Например, твердость отожженной стали равна 207 НВ при на-грузке 3000 кгс, диаметре шарика 10 мм, диаметре отпечатка 4,2 мм или, учитывая коэффициент перевода: 1 Н = 9,8 кгс,

НВ = 2 028 МПа.

Рис. 1. Схема определения твердости по Бринеллю

По методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В).

При этом определяют твердость, соответственно, HRA, HRC и HRB. В на-стоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Ро-квелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после снятия основной нагрузки.

Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок - предвари-тельной Р 0 и основной Р 1 которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р 0 + Р 1 После выдержки в течение нескольких секунд ос-новную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предва-рительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно де-ление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.

На рис. 2 представлена схема измерения твердости по методу Рок-велла алмазным или твердосплавным конусом. При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором - алмазным ко-нусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как

HRC= t/0,002=100-(H-h)/0,002

HRB = 130-(H-h)/0,002

Рис. 2. Схема определения твердости по Роквеллу (индентор - конус)

На практике значения твердости по Роквеллу не рассчитываются по формулам, а считываются с соответствующей (черной или красной) шкалы прибора. Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB -для низкой. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной на-грузкой.

Испытание на растяжение материалов проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение». Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения при температуре 20 °С пределов пропорциональности, уп-ругости, текучести, временного сопротивления разрыву, относительного уд-линения и относительного сужения, модуля упругости.

Для испытаний применяют плоские и цилиндрические образцы, выре-занные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов регла-ментированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому по-добию и могут быть короткими и длинными. Для цилиндрического образца берется соотношение начальной рабочей длины l 0 и исходного диаметра d 0: l 0 = 5d 0 - короткий образец, l 0 = 10d 0 - длинный образец. Для плоского образца берется соотношение рабочей длины l 0 и площади поперечного сечения F 0:

l 0 = 5,65√F 0 - короткий образец, l 0 = 11,3√F 0 - длинный образец. Цилиндри-ческие образцы изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной l 0 и головок, форма и размер которых соответствуют захватам машины (рис. 3).

Рис. 3. Цилиндрические и плоские образцы до (а) и после (б) испытания на растяжение

Растяжение образца проводят на специальных машинах, позволяющих фиксировать величину прилагаемой нагрузки и изменение длины образца при растяжении. Эти же машины дают возможность записывать изменение длины образца при увеличении нагрузки (рис. 4), т.е. первичную диаграмму испытания на растяжение в координатах: нагрузка Р, Н, кН; и абсолютное удлинение образца А, мм.

Рис. 4. Первичная диаграмма растяжения

Измеряя величину нагрузки в характерных точках диаграммы испы-таний на растяжение (рис.4), определяют следующие параметры механиче-ских свойств материалов:

σ пц - предел пропорциональности, точка р;

σ 0,05 - предел упругости, точка е;

σ т - предел текучести физический, точка s ;

σ 0,2 - предел текучести условный;

σ в - временное сопротивление разрыву, или предел прочности, точка b .

Значения 0,05 и 0,2 в записи предела упругости и текучести соответ-ствуют величине остаточной деформации ∆l в процентах от l 0 при растяжении образца. Напряжения при испытании на растяжение вычисляют путем деления нагрузки Р, соответствующей характерной точке на диаграмме, на площадь первоначального поперечного сечения F 0 рабочей части испытуемо-го образца:

σ пц =P пц / F 0 ; σ 0,05 =P 0,05 / F 0 ; σ т =P т / F 0 , или σ в =P max / F 0 ;

Площадь поперечного сечение F 0 определяется по следующим формулам:

для цилиндрического образца

F 0 = πd 0 2 / 4

для плоского образца

где а 0 - первоначальная толщина; b 0 - первоначальная ширина образца.

В точке k устанавливают напряжение сопротивления разрушению материала.

Предел пропорциональности и предел упругости определяют с помо-щью тензометра (прибор для определе-ния величины деформации). Предел текучести физический и условный рассчи-тывают, находя нагрузку по диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести, то для вычисления условного предела текучести необходи-мо провести графические построения на диаграмме (рис. 1.5). Вначале находят величину остаточной деформации, рав-ную 0,2 % от l 0 , далее отмечают отрезок на оси деформации, равный 0,2 % от l 0 , и проводят линию, параллельную пропорциональному участку диаграммы рас-тяжения, до пересечения с кривой растяжения.

Рис. 5. Определение предела текучести

Нагрузка P 0,2 соответствует точке их пересечения. Физический и условный предел текучести характери-зуют способность материала к началу пластической деформации, т.е. сопротивление малой пластической деформации.

Предел прочности можно подсчитать, используя показания силоизмерителя, по максимальной нагрузке Р max при разрыве либо найти Р max (Р в) по первичной диаграмме растяжения. Характер деформации при растяжении вязких и хрупких материалов существенно различается.

Хрупкие материалы после достижения максимальной нагрузки быстро разрушаются без значительной пластической деформации, поэтому σ в для

хрупких материалов является характеристикой сопротивления разрушению, а для пластичных - характеристикой сопротивления деформации.

Напряжение разрушения определяют как истинное. При этом нагруз-ку разрушения делят на конечную площадь поперечного сечения образца после разрушения F K:

S к =P к /F к

Все рассчитанные таким образом величины являются характеристи-ками прочности материала.

Пластичност ь, т.е. способность деформироваться без разрушения, характеризуется изменениями размеров образца. При испытании на разрыв определяют следующие характеристики пластичности:

относительное удлинение

δ=(l k -l 0)/ l 0 *100%

относительное сужение

Ψ=(F 0к -F)/ F 0 *100%

где l к, F к — соответственно, длина рабочей части и площадь поперечного сече-ния образца после разрыва.

Рассчитанные характеристики механических свойств после испытания на растяжение заносятся в протокол.

Испытания на ударный изгиб.

Ударная вязкость характеризует удельную работу, затрачиваемую на разрушение при ударе образца с надре-зом. Ударная вязкость испытывается на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах». Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и уста-навливает метод испытания при температурах от -100 до +1000 °С. Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентрато-ром напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затра-ченную при ударе К, или ударную вязкость КС.

Используют образцы прямоугольной формы с концентратором типа U, V, Т (усталостная трещина). Наиболее распространенными образцами являются образцы размерами 55x10x10 мм с U-концентратом 2x2 мм (рис. 6).

Рис. 6. Стандартный образец с U -образным надрезом для испытаний на ударный изгиб

На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает дви-гаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, за-трачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения. По величине этого угла и определяют работу удара К или работу, затраченную на разрушение образца. Работу разрушения К относят к площади поперечного сечения образца Soв месте излома и тем самым находят КС - ударную вязкость:

где Kизмеряется в Дж (кгс*м), S 0 — в м 2 (см 2).

В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается

KCU, KCV, КСТ и имеет размерность МДж/м 2 (МДж/см 2) или кгс*м/см 2 .

Испытание на растяжение металла заключаются в растяжении образца с построением графика зависимости удлинения образца (Δl) от прилагаемой нагрузки (P), с последующим перестроением этой диаграммы в диаграмму условных напряжений (σ - ε)

Испытания на растяжение проводятся по , по этому же ГОСТу определяются и образцы на которых проводятся испытания.

Как уже говорилось выше, при испытаниях строится диаграмма растяжения металла. На ней есть несколько характерных участков:

1. Участок ОА - участок пропорциональности между нагрузкой Р и удлинением ∆l. Это участок, на котором сохраняется закон Гука. Данная пропорциональность была открыта Робертом Гуком в 1670 г. и в дальнейшем получила название закона Гука.
2. Участок ОВ - участок упругой деформации. Т.е., если к образцу приложить нагрузку, не превышающую Ру, а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении

Выше точки В диаграмма растяжения отходит от прямой - деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма принимает криволинейный вид. При нагрузке, соответствующей Рт (точка С), диаграмма переходит в горизонтальный участок. В этой стадии образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки. Получение такого участка на диаграмме растяжения объясняется свойством материала деформироваться при постоянной нагрузке. Это свойство называется текучестью материала, а участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.
Иногда площадка текучести носит волнообразный характер. Это чаще касается растяжения пластичных материалов и объясняется тем, что вначале образуется местное утонение сечения, затем это утонение переходит на соседний объем материала и этот процесс развивается до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести. Когда имеется зуб текучести, при определении механических свойств материала, вводят понятия о верхнем и нижнем пределах текучести.

После появления площадки текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению и диаграмма поднимается вверх. В точке D усилие достигает максимального значения Pmax. При достижении усилия Pmax на образце появляется резкое местное сужение - шейка. Уменьшение площади сечения шейки вызывает падение нагрузки и в момент, соответствующий точке K диаграммы, происходит разрыв образца.

Прилагаемая нагрузка для растяжения образца зависит от геометрии этого образца. Чем больше площадь сечения, тем более высокая нагрузка необходима для растяжения образца. По этой причине, получаемая машинная диаграмма не дает качественной оценки механических свойств материала. Чтобы исключить влияние геометрии образца, машинную диаграмму перестраивают в координатах σ − ε путем деления ординат P на первоначальную площадь сечения образца A0 и абсцисс ∆l на lо. Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений. Уже по этой, новой диаграмме, определяют механические характеристики материала.

Определяются следующие механические характеристики:

Предел пропорциональности σпц – наибольшее напряжение, после которого нарушается справедливость закона Гука σ = Еε , где Е – модуль продольной упругости, или модуль упругости первого рода. При этом Е =σ/ε = tgα , т. е. модуль E это тангенс угла наклона прямолинейной части диаграммы к оси абсцисс

Предел упругости σу - условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций определенной заданной вели­чины (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); допуск на остаточную деформа­цию указывается в индексе при σу

Предел текучести σт – напряжение, при котором происходит увеличение деформации без заметного увеличения растягивающей нагрузки

Также выделяют условный предел текучести - это условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной величины (обычно 0,2% от рабочей длины образца; тогда условный предел текучести обозначают как σ0,2). Величину σ0,2 определяют, как правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутствует площадка или зуб текучести

§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 8). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Рис. 8. Виды деформаций:
а - сжатие, б - растяжение, в - кручение, г - срез, д - изгиб

Рис. 9. Диаграмма растяжения:
а - условная диаграмма в координатах Р-∆l, б – условная диаграмма напряжений и диаграмма истинных напряжений

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение (ГОСТ 1497-73). Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат - нагрузки, приложенные к образцу.
Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность – отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности σ в (временное сопротивление) - это условное напряжение в Па (Н/м 2), соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: σ в =P max /F 0 , где P max - наибольшая нагрузка, Н; F 0 - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м 2 . Истинное сопротивление разрыву S к - это напряжение, определяемое отношением нагрузки Р к в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва F к (S к = Р к / F к).
Предел текучести (физический) σ т - это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: σ т =Р т /F 0 , где Р т - нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.
Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца: σ 0,2 =Р 0,2 /F 0 .
Упругость - способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р уп оценивают пределом пропорциональности σ пц и пределом упругости σ уп.
Предел пропорциональности σ пц - напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца σ пц =Р пц /F 0 .
Предел упругости (условный) σ 0,05 - это условное напряжение в МПа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05% от расчетной длины образца l0: σ 0,05 =P 0,05 /F 0 , где P 0,05 - нагрузка предела упругости, Н.
Пластичность , т. е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение (после разрыва) δ - это отношение приращения (l к -l 0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине l 0 , выраженное в процентах: δ=[(l к -l 0)/l 0 ]100%.
Относительное сужение (после разрыва) φ - это отношение разности начальной и минимальной площадей (F 0 -F к) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади F 0 поперечного сечения, выраженное в процентах: φ=[(F 0 -F к)/F 0 ]100%.
Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен. У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционного материала является отрицательным свойством.
Ударная вязкость , т. е. способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м 2) в месте надреза КС=W/F.
Для испытания (ГОСТ 9454-78) изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.
Определение ударной вязкости особенно важно для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем ниже порог хладноломкости, т. е. температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость - снижение ударной вязкости при низких температурах.
Циклическая вязкость - это способность материалов поглощать энергию при повторнопеременных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных деталей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.
Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностноупрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).
Способ Бринелля (ГОСТ 9012-59) основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытываемого металла. Твердость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Испытание проводят следующим образом. На поверхности образца, твердость которого нужно измерить, напильником или абразивным кругом зачищают площадку размером 3-5 см 2 . Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкосновения со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавливает шарик в испытываемый образец. На поверхности металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металл мягче.
За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диаметром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 10, а).

Рис. 10. Определение твердости металла методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)

Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптической лупы (с делениями) и по полученному значению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.
Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых результатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, например закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.
Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013-59). В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная величина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытание проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р 0 равна 100 Н.
При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и общую нагрузку P=P 0 +P 1 =1500 Н. Твердость отсчитывают по шкале «С» и обозначают HRC.
Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчитывается по шкале «В» и обозначается HRB.
При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмазный конус и общую нагрузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 - твердость 50 по шкале «С».
При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999-75) в качестве вдавливаемого в материал наконечника используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения нагрузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев металла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу – HV 500.
Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости . Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05-5 Н, а размер отпечатка 5-30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-3, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.
Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть излома 1 с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, а также машины для испытаний на растяжение – сжатие и на повторно-переменное кручение. В результате испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.