Механические испытания металлов. Прочность, определение прочности металла.

Выбор металла для изготовления деталей машин и конструкций определяется конструктивными, эксплуатационными, технологическими и экономическими требованиями.

Металл должен обладать необходимой прочностью, способностью деформироваться, соответствовать условиям эксплуатации (стойкость против коррозии, тепло- и электропроводность и др.) и иметь минимальную стоимость.

Прочность — основное требование, предъявляемое к любому металлу, идущему на изготовление деталей машин и металлоконструкций.

Прочностью называется способность материала выдерживать, не разрушаясь, внешние нагрузки. За меру прочности принята нагрузка, которую выдерживает каждый квадратный миллиметр (или сантиметр) сечения детали.

Определение прочности металла производится путем растяжения образцов определенной формы и размеров на испытательной машине. При растяжении площадь поперечного сечения образца уменьшается, образец становится тоньше, а длина его увеличивается. В какой-то момент растяжение образца по всей длине прекращается и происходит только в одном месте, образуется так называемая шейка. Спустя некоторое время образец разрывается в месте образования «шейки».

Процесс растяжения протекает так только у вязких материалов, у хрупких (твердая сталь, чугун) разрыв образца происходит с незначительным удлинением и без образования «шейки».

При делении максимальной нагрузки, которую выдержал образец до разрыва (нагрузка измеряется специальным прибором — силоизмерителем, входящим в конструкцию испытательной машины), на площадь его поперечного сечения до растяжения получают основную характеристику металла, называемую пределом прочности (σ в).

Предел прочности каждого металла конструктору необходимо знать для определения размеров детали, технологу — для назначения режимов обработки.

При повышенных температурах кратковременные испытания на растяжение выполняются на обычных испытательных машинах, только в машину встраивается печь (как правило, муфельная электрическая) для нагрева образца. Печь крепится на станине машины так, чтобы ось муфеля совпала с осью машины. Внутрь печи помещается испытуемый образец. Для равномерного нагрева печь должна быть в 2—4 раза длиннее образца, и поэтому закрепление его непосредственно в захватах машины невозможно. Образец закрепляется в специальных удлинителях из жаропрочной стали, а те в свою очередь крепятся в захватах машины.

Для получения стабильных результатов необходимо, чтобы образец выдерживался при температуре испытания в течение 30 минут. На величину предела прочности нагретого металла значительное влияние оказывает скорость растяжения: чем выше скорость, тем больше значение предела прочности. Поэтому для правильной оценки теплостойкости стали продолжительность испытания на растяжение должна составлять 15—20 минут.

Прочностью называется способность металла не поддаваться разрушению под действием внешних нагрузок. Ценность металла как машиностроительного материала наряду с другими свойствами определяется прочностью.

Величина прочности указывает, какая сила необходима, чтобы преодолеть внутреннюю связь между молекулами.

Испытание металлов на прочность при растяжении производится на специальных машинах различной мощности. Эти машины состоят из нагружающего механизма, который создает усилие, производит растяжение испытываемого образца и показывает величину усилия, приложенного к образцу. Механизмы бывают механического и гидравлического действия.

Мощность машин различна и достигает 50 т. На рис. 7, а показано устройство машины, состоящей из станины 2 и зажимов 4, при помощи которых закрепляются испытываемые образцы 3.

Верхний зажим закреплен в станине неподвижно, а нижний при помощи особого механизма при испытании медленно опускается, растягивая образец.

Рис. 7. Испытание металлов на растяжение :

а - прибор для испытания металлов на растяжение; б - образцы для испытания на растяжение: I - круглый, II - плоский

Нагрузка, передаваемая при испытании на образец, может быть определена по положению стрелки прибора на измерительной шкале 1.

Испытание образцов должно всегда проводиться в одинаковых условиях, чтобы полученные результаты можно было сравнивать. Поэтому соответствующими стандартами установлены определенные размеры образцов для испытания.

Стандартными образцами для испытания на растяжение являются образцы круглого и плоского сечений, показанные на рис. 7, б.

Плоские образцы применяют при испытании листов, полосового материала и т. д., а если профиль металла позволяет, то делают круглые образцы.

Пределом прочности (σ b) называется наибольшее напряжение, которое может испытывать материал до его разрушения; предел прочности металла равняется отношению наибольшей нагрузки при испытании образца на разрыв к первоначальной площади поперечного сечения образца, т. е.

σ b = P b /F 0 ,

где Р b - наибольшая нагрузка, предшествующая разрыву образца, кгс;

F 0 - начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 .

В целях безопасной работы машин и сооружений необходимо, чтобы при эксплуатации напряжения в материале не превышали установленного предела пропорциональности, т. е. наибольшего напряжения, при котором не вызываются деформации.

Предел прочности некоторых металлов при испытании на растяжение, кгс/мм 2:

Свинец 1,8

Алюминий 8

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление к разрушению (пластичность, вязкость) а так же способность металла не разрушаться при наличии трещин.

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т.е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера служб изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамическое испытание).

2. Критерий оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризует работоспособность материала в условиях эксплуатации. Критерий конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

Критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость, разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.)

Критерии, определяющие долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т.д.)

3. Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натуральных и эксплуатационных испытаниях.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

7. Методы испытаний

7.1. Испытания на растяжение. Для данного испытания применяется образец цилиндрической формы с утолщениями по краям (рис. 6).

Рис. 6. Образцы для испытания на растяжение

Образец укрепляется в захваты испытательной машины и подвергается растяжению. В современных машинах скорость растяжения может изменяться в широких пределах от 0,003-3000 мм/мин. Испытательные машины оснащены устройством, регистрирующим результат испытания – кривую деформации (рис. 7). По результатам испытаний на растяжение определяются характеристики прочности и пластичности.

Приложение к металлу напряжений вызывает деформацию. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. На приведенной диаграмме (рис. 7а), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением (штриховая линия).

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.

При упругом деформировании под воздействием внешних сил изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменения межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. При снятии нагрузки перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место деформация сохраниться.

Представленная на рис. 7а зависимость ОАВ между приложенным извне напряжением (s) и вызванной им относительной деформацией (e) характеризует относительные свойства металлов. Наклон прямой ОА показывает жесткость металла, тангенс угла наклона пропорционален модулю упругости (Е), напряжение s А соответствует моменту появления пластической деформации, в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучестиs 0,2 (напряжение вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от длины или другого размера образца). Максимальное напряжение s в соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении называется пределом прочности.

Рис. 7. Изменение деформации в зависимости от напряжения

Величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение d (или относительное сужение y), характеризуют пластичность металла.

Относительное удлинение: d = (l к - l 0) 100/ l 0

Относительно сужение: y = (F 0 - F к) 100/ F 0

где l 0 и l к - длина образца, а F 0 и F к площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно.

Характеристики материалов s 0,2 , s B , d, y, а также E являются базовыми - они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также входит в расчеты прочности и ресурса.

7.2. Испытание на изгиб. Для хрупких материалов широко применяются испытания на изгиб. Чаще испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образце, лежащей на двух опорах. Предел прочности при изгибе s изг (s max) вычисляют по формуле:

s изг (s max) = М max / w,

где М max - максимально изгибающий момент, w – площадь поперечного сечения образца.

7.3. Испытания на удар. Под ударной вязкостью понимается способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Обычно ударная вязкость оценивается работой, необходимой для деформации и разрушения призматического образца с односторонним поперечным надрезом при испытании на ударный изгиб, условно отнесённой к сечению образца в основании надреза (дж/м 2 , нм/м 2 , кгс×м/см 2); обозначается символом а н.

Разрушение образца, расположенного на двух опорах, осуществляют ударом маятника копра (рис. 8 а).

Рис. 8. Схема маятника копра (а) и виды образцов (б) для испытаний на удар

Испытания проводят с использованием одного из видов образцов, приведенных на рис. 8 б, которые при одинаковом сечении (10х10 мм) имеют надрезы глубиной 2 мм, т.о. в месте разрушения сечение нетто 8х10 мм. В последнем случае надрез глубиной в 1 мм делается механически, а затем создается усталостная трещина глубиной также 1 мм. Надрезы выполняются с разной остротой r = 1мм (U – образный надрез) и r = 0,25 мм (V – образный надрез).

Работа по разрушению образца А н складывается из двух составляющих - работы зарождения трещины (А з) и работы по распространению трещины (А р), т.е. А н = А з + А р.

Под работой по зарождению трещины понимают работу, затраченную на макродеформацию образца до зарождения на дне надреза трещины. Величина А з для данного пропорциональна деформируемому объему металла, а последнее пропорционально остроте надреза.

В связи с этим, испытывая образцы с разной остротой надреза полученные данные нанесем на график в координатах а-r и проведем прямую, проходящую через эти две точки, до пресечения с осью ординат (рис. 9).

Рис. 9. График для определения работы трещины методом экстраполяции

Экстраполируя, таким образом, значения радиуса надреза на нуль, получим ударную вязкость образца с надрезом равным нулю т.е. работу по распространению трещины А р.

Работу по распространению трещины можно получить другим методом - прямым испытанием образцов с заранее нанесенной трещиной (третий вариант подготовки образцов для испытания на удар (рис. 8б). Очевидно, что при испытании такого образца получаемая ударная вязкость равна работе распространения, т.к. трещина готова и А з = 0, то А н = А р.

Надежным конструкционным материалом считается такой, в котором работа по распространению трещины равна нулю.

В результате испытаний образцов с надрезом на маятниковых копрах кроме определения полной работы А н, затраченной на деформацию и разрушение образца данного типа, рассчитывается также удельная работа на единицу площади КС = А н /S o , где S o – площадь поперечного сечения нетто образцов в месте надреза до испытания. В зависимости от типа надреза удельная работа обозначается КСU при применении U – образного надреза, KCV, если использован V – образный надрез и КСТ в случае испытаний образца с трещиной.

Для определения порога хладноломкости испытания на удар проводят при различных температурах. Для многих металлов и сплавов при определенных температурах изменяется механизм разрушения. Вязкое разрушение с понижением температуры сменяется на хрупкое. Температурный интервал изменения характера разрушения называется порогом хладноломкости .

Вязкое разрушение характеризуется волокнистым изломом и определенной работой по распространению трещины, а хрупкое – кристаллическим изломом при практически нулевом значении работы по распространению трещины. Порог хладноломкости характеризуется температурным интервалом, в котором содержание волокон в изломе (%В) или работа по распространению трещины (А р) изменяются от 100% (или некоторого значения для А р) до нуля. Кривая, подобная изображенной на рис. 10 называется сериальной т.к. для ее построения требуется проведение серии испытаний при разных температурах.

Рис. 10. Сериальные кривые

Порог хладноломкости характеризуется двумя температурами: Т в (температура, выше которой илом полностью вязкий) и Т н (ниже этой температуры излом полностью хрупкий и А р =0). Если порог хладноломкости характеризовать одной цифрой, то указывают середину порога Т 50 (температура, при которой 50% волокна в изломе или величина А р уменьшились вполовину). Эта температура называется температурой полухрупкости .

7.4. Испытания на твердость. Под твердостью материала понимается сопротивление проникновения в него постороннего тела (индентора) т.е. твердость также характеризует сопротивление деформации.

Рис. 11. Схемы испытания на твердость

а – по Бринеллю, б – по Роквеллу, в – по Виккерсу

Наиболее распространенным методом определения твердости является метод Бриннеля (рис. 11а), когда в испытуемый образец под действием силы Р внедряется шарик диаметром D. Число твердости по Бриннелю НВ есть нагрузка Р, деленная на сферическую поверхность отпечатка диаметром d.

При методе Роквелла (рис. 11б) индентором служит алмазный конус. Числом твердости называется величина, обратная глубине вдавливания (h).

При методе Виккерса (рис. 11в) вдавливается алмазная пирамидка и по диагонали отпечатка (d) судят о твердости (HV).

(прочность, упругость, пластичность, вязкость), как и другие свойства, являются исходными данными при проектировании и создании различных машин, механизмов и сооружений.

Методы определения механических свойств металлов делятся на следующие группы:

· статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);

· динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);

· циклические, когда нагрузка многократно изменяется (испытание на усталость);

· технологические — для оценки поведения металла при обработке давлением (испытания на изгиб, перегиб, выдавливание).

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) проводятся на стандартных образцах круглого или прямоугольного сечения. При растяжении под действием плавно возрастающей нагрузки образец деформируется до момента разрыва. Во время испытания образца снимают диаграмму растяжения (рис. 1.36, а ), фиксирующую зависимость между действующей на образец силой Р, и вызванной ею деформацией Δl (Δl — абсолютное удлинение).

Рис. 1.36. Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали (а ) и зависимость между напряжением и относительным удлинением (б )

Вязкость (внутреннее трение) — способность металла поглощать энергию внешних сил при пластической деформации и разрушении (определяется величиной касательной силы, приложенной к единице площади слоя металла, подлежащего сдвигу).

Пластичность — способность твердых тел необратимо деформироваться под действием внешних сил.

При испытании на растяжение определяют:

· σ в — границу прочности, МН/м 2 (кг/мм 2):

0 — начальная площадь сечения образца;

· σ пц — границу пропорциональности, МН/м 2 (кг/мм 2):

где P пц — нагрузка, соответствующая границе пропорциональности;

· σ пр — границу упругости, МН/м 2 (кг/мм 2):

где Р пр — нагрузка, соответствующая границе упругости (при σ пр остаточная деформация соответствует 0,05-0,005 % начальной длины);

· σт — границу текучести, МН/м 2 (кг/мм 2):

где Р т — нагрузка, соответствующая границе текучести, Н;

· δ — относительное удлинение, %:

где l 0 — длина образца до разрыва, м; l 1 — длина образца после разрыва, м;

· ψ — относительное сужение, %:

где F 0 — площадь сечения до разрыва, м 2 ; F — площадь сечения после разрыва, м 2 .

Испытания на твердость

Твердость — это сопротивление материала проникновению в него другого, более твердого тела. Из всех видов механического испытания определение твердости является самым распространенным.

Испытания по Бринеллю (ГОСТ 9012-83) проводятся путем вдавливания в металл стального шарика. В результате на поверхности металла образуется сферический отпечаток (рис. 1.37, а ).

Твердость по Бринеллю определяется по формуле:

— диаметр шарика, м; d — диаметр отпечатка, м.

Чем тверже металл, тем меньше площадь отпечатка.

Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от исследуемого металла, его твердости и толщины. При испытании стали и чугуна выбирают D = 10 мм и P = 30 кН (3000 кгс), при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и P = 10 кН (1000 кгс), а при испытании очень мягких металлов (алюминия, баббитов и др.) D = 10 мм и P = 2,5 кН (250 кгс). При испытании образцов толщиной менее 6 мм выбирают шарики с меньшим диаметром — 5 и 2,5 мм. На практике пользуются таблицей перевода площади отпечатка в число твердости.

Испытания по Роквеллу (ГОСТ 9013-83). Проводятся путем вдавливания в металл алмазного конуса (α = 120°) или стального шарика (D = 1,588 мм или 1/16", рис. 1.37, б ). Прибор Роквелла имеет три шкалы — В, С и А. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы С и А), а шарик — для испытания мягких материалов (шкала В). Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной Р 0 и общей Р :

Р = Р 0 + Р 1 ,

0 = 100 Н (10 кгс). Основная нагрузка составляет 900 Н (90 кгс) для шкалы В; 1400 Н (140 кгс) для шкалы С и 500 Н (50 кгс) для шкалы А.

Рис. 1.37. Схема определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Рoквеллу; в — по Виккерсу

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принимают величину, которая соответствует осевому перемещению наконечника на расстояние 0,002 мм.

Твердость по Роквеллу вычисляют следующим способом:

НR = 100 - e (шкалы А и С); НR = 130 - e (шкала В).

Величину e определяют по формуле:

где h — глубина проникновения наконечника в металл под действием общей нагрузки Р (Р =Р 0 + Р 1); h 0 — глубина проникновения наконечника под действием предварительной нагрузки Р 0 .

В зависимости от шкалы твердость по Роквеллу обозначают НRВ, НRС, НRА .

Испытания по Виккерсу (ГОСТ 2999-83). В основе метода — вдавливание в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды (α = 136°) (рис. 1.37, в ). Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Твердость по Виккерсу:

— среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеренных после снятия нагрузки, м.

Число твердости по Виккерсу определяют по специальным таблицам по диагонали отпечатка d . При измерении твердости применяют нагрузку от 10 до 500 Н.

Микротвердость (ГОСТ 9450-84). Принцип определения микротвердости такой же, как и по Виккерсу, согласно соотношению:

Метод применяется для определения микротвердости изделий мелких размеров и отдельных составляющих сплавов. Прибор для измерения микротвердости — это механизм вдавливания алмазной пирамиды и металлографический микроскоп. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же тщательно, как микрошлифы.

Испытание на ударную вязкость

Для испытания на удар изготавливают специальные образцы с надрезом, которые затем разрушают на маятниковом копре (рис. 1.39). Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на подъем маятника после его разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника отнять часть, которая тратится на подъем (взлет) после разрушения образца, получим работу разрушения образца:

K = Р(h 1 - h 2)

K = Рl (соs β - соs α), Дж (кг·м),

де P — масса маятника, Н (кг); h 1 — высота подъема центра масс маятника до удара, м; h 2 — высота взлета маятника после удара, м; l — длина маятника, м; α, β — углы подъема маятника соответственно до разрушения образца и после него.

Рис. 1.39. Испытание на ударную вязкость: 1 — маятник; 2 — нож маятника; 3 — опоры

Ударную вязкость, т. е. работу, затраченную на разрушение образца и отнесенную к поперечному сечению образца в месте надреза, определяют по формуле:

МДж/м 2 (кг·м/см 2),

где F — площадь поперечного сечения в месте надреза образца, м 2 (см 2).

Для определения KС пользуются специальными таблицами, в которых для каждого угла β определена величина работы удара K . При этом F = 0,8 · 10 -4 м 2 .

Для обозначения ударной вязкости добавляют и третью букву, указывающую на вид надреза на образце: U, V, Т . Запись KСU означает ударную вязкость образца с U -образным надрезом, KСV — с V -образным надрезом, а KСТ — с трещиной (рис. 1.40).

Рис. 1.40. Виды надрезов на образцах для испытания на ударную вязкость:
а — U -образный надрез (KCU ); б — V -образный надрез (KСV ); в — надрез с трещиной (KСТ )

Испытание на усталость (ГОСТ 2860-84). Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называется усталостью металла . При разрушении металла вследствие усталости на воздухе излом состоит из двух зон: первая зона имеет гладкую притертую поверхность (зона усталости), вторая — зона долома, в хрупких металлах она имеет грубокристаллическое строение, а в вязких — волокнистое.

При испытании на усталость определяют границу усталости (выносливости), т. е. то наибольшее напряжение, которое может выдержать металл (образец) без разрушения заданное число циклов. Самым распространенным методом испытания на усталость является испытание на изгиб при вращении (рис. 1.41).

Рис. 1.41. Схема испытания на изгиб при вращении:
1 — образец; виг — изгибающий момент

Применяют следующие основные виды технологических испытаний (проб).

Проба на изгиб (рис. 1.42) в холодном и горячем состоянии — для определения способности металла выдерживать заданный изгиб; размеры образцов — длина l = 5а + 150 мм, ширина b = 2а (но не менее 10 мм), где а — толщина материала.

Рис. 1.42. Технологическая проба на изгиб: а — образец до испытания; б — загиб до определенного угла; в — загиб до параллельности сторон; г — загиб до соприкосновения сторон

Проба на перегиб предусматривает оценку способности металла выдерживать повторный изгиб и применяется для проволоки и прутков диаметром 0,8—7 мм из полосового и листового материала толщиной до 55 мм. Образцы сгибают попеременно направо и налево на 90° с равномерной — около 60 перегибов в минуту — скоростью до разрушения образца.

Проба на выдавливание (рис. 1.43) — для определения способности металла к холодной штамповке и вытягиванию тонкого листового материала. Состоит в продавливании пуансоном листового материала, зажатого между матрицей и зажимом. Характеристикой пластичности металла является глубина выдавливания ямки, что соответствует появлению первой трещины.

Рис. 1.43. Испытание на выдавливание: 1 — лист; h — мера способности материала к вытяжке

Проба на навивку проволоки диаметром d ≤ 6 мм . Испытание состоит в навивке 5—6 плотно прилегающих по винтовой линии витков на цилиндр заданного диаметра. Выполняется только в холодном состоянии. Проволока после навивки не должна иметь повреждений.

Проба на искру используется при необходимости определения марки стали при отсутствии специального оборудования и маркировки.

К атегория:

Слесарно-инструментальные работы

Прочность и твердость металла

Металлы, применяемые в машиностроении и инструментальном производстве, обладают разнообразными ценными свойствами, но самые главные из них - прочность и твердость.

Расскажем коротко об этих свойствах.

Прочность, как известно, есть способность материала сопротивляться разрушению. Если металл не рвется при растяжении и не разрушается при ударе, говорят, что металл прочен. Но в технике нельзя полагаться только на общее впечатление о том, прочен или недостаточно прочен металл, с которым имеют дело. Прочность материала должна быть точно измерена, причем должны быть отдельно определены его способность сопротивляться разрыву и его способность, противостоять ударным нагрузкам. Чтобы определить прочность металла, изготовленные из него образцы подвергают растяжению на специальных машинах до тех пор, пока они не разорвутся. Проследив при действии какой силы разорвался образец и изучив изменение его размеров в месте разрыва, можно получить полную и точную характеристику прочности металла, из которого образец изготовлен.

Затем, разделив величину силы, разорвавшей образец, выраженную в килограммах, на площадь поперечного сечения образца, выраженную в квадратных миллиметрах, узнают то напряжение, которое выдержал образец, т. е. прочность материала на разрыв. Величина этой силы, отнесенная к единице площади сечения и измеренная поэтому уже не в кг, а в кг/мм2, называется пределом прочности при растяжении и обозначается во всей технической литературе, чертежах и технологических документах буквой зв (сигма бэ).

Знание величины предела прочности при растяжении з8 того или иного металла позволяет не только рассчитать изделие на прочность, но и подобрать необходимые режимы резания при его обработке. Это имеет большое значение потому, что прочность сталей весьма различна. Так, например, Ст. 1 имеет = 32 40 кг/мм2, а некоторых высоколегированных сталей доходит до 200 кг/мм2.

Изучая дальше разорванный образец, можно обнаружить, что его сечение в месте разрыва несколько сузилось, а общая длина увеличилась. Это явление говорит о том, насколько данный материал способен противостоять разрушению и изменять свою форму, не нарушая молекулярной связи между его частицами, т. е. быть пластичным.

Если же теперь подсчитать насколько уменьшилась площадь поперечного сечения образца, а затем эту величину разделить на его первоначальную площадь, то получится результат, выраженный в. процентах и называемый относительным сжатием поперечного сечения. Относительное сжатие поперечного сечения обозначается буквой ф (пси) и характеризует вязкость материала. Величина у самых мягких низкоуглеродистых сталей доходит до 60%, у наименее вязких - до 30%.

Измерение увеличенной длины образца характеризует относительное удлинение и обозначается буквой 8 (дельта). Чем больше относительное удлинение, тем больше пластичность металла. По величине относительного удлинения 5 и относительного сжатия <|>, косвенно, можно судить и о вязкости металла. Под вязкостью металла понимают свойство материала противоположное хрупкости.

Второе главное свойство металлов - это твердость. Чем выше твердость, тем деталь долговечнее, тем медленнее она изнашивается. Режущий инструмент только потому снимает стружку с детали, что твердость его намного выше твердости обрабатываемого материала. Уже небольшое изменение твердости существенно сказывается на эксплуатационных свойствах детали и инструмента. Все это заставляет производственников тщательно следить за состоянием твердости детали.

Твердость металла определяется вдавливанием какого-нибудь, предмета в испытываемый материал. По глубине вдавливания судят насколько велика эта твердость. На этом принципе работают существующие приборы для измерения твердости: пресс Бринелля и приборы Роквелла.

При помощи пресса Бринелля твердость незакаленных сталей, а также чугуна измеряется вдавливанием в них стального шарика диаметром 10 мм с силой 3000 кг. Для других материалов сила вдавливания шарика меняется: для меди, латуни и им подобных она составляет 1000 кг, а для мягких сплавов 250 кг. Прибор Рок-велла определяет твердость закаленных материалов вдавливанием) специального алмазного конуса. Результатом измерения, характеризующим величину твердости материала, служат соответствующие числа твердости: число твердости по Бринеллю (Нв) и число твердости по Роквеллу (HR).

Число твердости по Бриннелю Я в представляет результат от деления нагрузки (в кг) на площадь отпечатка шарика, выраженную в мм2. Чтобы избежать вычислений при определении числа Нв, пользуются специальными таблицами, в которых можно найти это число по диаметру полученного отпечатка. Наивысшая твердость, которая может быть испытана на этом прессе, равна: Ив = 450.

Пресс Бринелля (рис. 15) действует следующим образом. Зачищенная до получения плоской и ровной поверхности деталь устанавливается на шаровую опору и маховиком, вращающим винт, поднимается до соприкосновения с шариком наконечника. Затем закрывают винтелем выход для масла из цилиндра в резервуар и создают давление на поршень и шариковый наконечник, действуя насосом. Приведенный в действие насос нагнетает масло в цилиндр из резервуара, создает давление на поршень и одновременно передает его манометру и рычагу с грузами. Величина давления соответствует весу грузов. Через некоторое время открывается винтель, часть масла из цилиндра уходит в резервуар и давление падает до нуля. После этого опускают маховиком винт, освобождают деталь и при помощи специальной лупы замеряют диаметр отпечатка.

Рис. 1. Схематическое изображение гидравлического пресса Бринелля.

Рис. 2. Схема действия прибора Роквелла.

Процесс испытания начинается с подвода предмета к алмазному наконечнику и приложения предварительного усилия (10 кг). Это усидчив создается пружиной, находящейся во втулке шпинделя прибора. Рабочий рычаг 6 действует на шпиндель прибора, причем точка его опоры находится на оси 7, а место передачи силы наконечнику --на призме. На этот рычаг действует груз.

В нерабочем положении рычаг опирается на серьгу и давление на шпиндель не передается. Во время испытания рукоятку освобождают и тогда рычаг вместе с серьгой и рычагом опускается. Плавному опусканию всей этой системы способствует масляный успокоитель 8, позволяющий регулировать скорость приложения силы на испытываемый предмет. Получив возможность перемещения, алмазный конус, опускаясь, проникает в металл. Величина этого перемещения передается рычажком индикатору.

Однако, следует сказать, что далеко не у всех деталей можно проверять твердость описанными приборами. Нельзя, например, с. их помощью определять твердость на режущей кромке инструмента или на внутренней поверхности какой-нибудь матрицы. В подобных случаях прибегают к проверке твердости с помощью тарированных напильников.

На этом можно закончить описание двух, наиболее важных свойств стали - ее прочности и твердости. Однако эти свойства непостоянны. Они могут изменяться с изменением структуры стали, т. е. ее строения. Что же заставляет изменяться структуру стали?