Сталі, які мають твердість НВ. МПа

МПа

1200 1750

0,34НВ

1750-4500

0.35HB

Мідь, латунь, бронза:

відпалена

0,55 НВ

Наклепана

0,4 HВ

Алюміній і його сплави, які мають

твердість НВ: 200 450

(0.33 -0,36)НВ

Дюралюміній:

відпалений

0,36НВ

після гартування і старіння

0.35HВ

Мат-л

Інтервал твердості, МПа

Мінімальна товщина зразка, мм

Співвідношення між навантаженням і

діаметром кульки К=Р/D²

Діаметр кульки, мм

Навантаження Р.Н

Витримка під навантаженням, с

Чорні метали

4500......1400

6-3

4-2

2

300

10 5

2,5

30000

7500

1875

10

<1400

6

6-3

3

100

10 5

2.5

10000

2500

Шкала

Позначення твердості за Роквеллом

Тип індентора

Межі вимірювання в одиницях

твердості

за

Роквеллом

Навантаження, H

Відповідна твердість за Брінеллем

А

HRA

Алмазний конус

70... 89

600

Шкалою А користуються при вимірюванні твердості матеріалів, якщо вона більша, ніж у загартованих сталей (тверді сплави, кераміка та ін.).

За шкалою В оцінюють твердість м'яких матеріалів, таких, як мідь, латунь, бронза, алюмінію, незагартовані сталі.

За шкалою С вимірюють твердість переважно загартованих сталей.

Метод Віккерса (ГОСТ 2999-83) засновано на тому, що твердість визначають вдавлюванням чотиригранної піраміди з кутом при вершині 136° у поверхню зразка. Твердість оцінюють відношенням навантаження до поверхні відбитка:

де а - кут при вершиш, а=136⁰; а - середньоарифметична довжина обох діагоналей відбитка.

Діапазон навантажень 50; 100; 200; 300; 500 і 1000Н. Можливість застосування малих навантажень 50 і 100Н дозволяє визначити твердість деталей малої товщини і тонких поверхневих шарів (цементованих, азотованих тоїцо). Метод застосовують для будь-яких матеріалів.

Вимірювання мікротвердості (ГОСТ9450-84) проводять на мікротвердомірах, обладнаних мікроскопами. Твердість за методом Віккерса оцінюють по відбитку піраміди з кутом 136°, але при малих навантаженнях від 0,05 до 5Н. Відбиток при цьому має малі розміри, що дозволяє оцінювати твердість окремих зерен для будь-яких матеріалів.

Метод Польді - спосіб орієнтовного визначення твердості за допомогою переносного приладу динамічним вдавлюванням шарового або конічного індентора.

Принцип дії приладу засновано на тому, що куля під дією удару, який наноситься вручну, одночасно вдавлюється у поверхню, що випробовується і в еталонний зразок, твердість якого відома.

Твердість за Польді, у відповідності з методом Брінелля, визначають за формулою:

Цей метод використовують для контролю великогабаритних виробів і деталей.

Сучасні прилади для вимірювання твердості динамічними методами розроблені на базі мікропроцесорної техніки. Вони забезпечують вихід на персональний комп'ютер і високу продуктивність контролю. Принцип дії цих приладів базується на вимірюванні швидкості пружного відскоку індентора від контролюємої поверхні. Швидкість відскоку являється функцією твердості.

Електронний блок приладів забезпечує підсилення і перетворення вхідних сигналів датчиків в цифровий код, математичну обробку, керування режимами вимірювання і індикацію результатів.

Механічний пристрій забезпечує рух індентора з твердосплавним кульковим вакінечником діаметром 3,5мм відносно поверхні контролюємого матеріалу і електричної катушки. В середині індентора розміщений постійний магніт. При перетинанні магнітним полем витків катушки в ній виникає ЕРС, пропорційна швидкості руху індентора.

Динамічні вимірювачі твердості застосовуються для деталей масою більше трьох кілограмів з товщиною стінки не менш 10 мм. Чистота поверхні для контролю - не менше R_z20. Але для оцінки можливості застосування таких приладів слід керуватися не тільки товщиною стінки, а і жорсткістю в цілому системи, яка контролюється.

Динамічні твердоміри мають різні функціональні можливості, кількість шкал і діапазони вимірювання.

Тріщиностійкість кількісно оцінюється критичним коефіцієнтом інтенсивності напруг (в'язкість руйнування) - К_1с у вершині тріщини для умов розвитку деформації лише в одній площині. Для визначення К_1с проводиться розтягування спеціальних зразків з попередньо утвореною тріщиною втомленності. При випробуваннях будують діаграму "навантаження - зміщення берегів тріщини". Аналіз цих діаграм дозволяє визначити опір розповсюдженню тріщин в залежності від розмірів зразку і тріщини. Величина в'язкості руйнування є структурно чутливою і, як правило, являється тим нижчою, чим вище межа текучості. (Рис.1.2).

Рис 1.2 Залежність К_1е від для сталі - 1; сплавів титану - 2; сплавів алюмінію - З

Визначення тріщиностійкості відповідальних конструкцій проводять з точністю до ±10%. Для конструкцій з обмеженою відповідальністю вимоги до визначення К_1с знижуються.

1.3 Механічні властивості, які визначають при динамічному навантаженні

Динамічні випробовування відрізняються від статичних більшою швидкістю навантаження. При цьому необхідно розділяти динамічні навантаження одноразові (імпульсивні) і циклічні - знакозмінні. При динамічних одноразових випробовуваннях визначається ударна в'язкість, холодноламкість і критична температура крихкості.

Рис. 1.3 Схема визначення ударної в’язкості від температури

При циклічних (знакозмінних) навантаженнях визначають межу витривалості, а також довговічність від моменту появи тріщини і до руйнування -живучість.

Ударна в'язкість(КС)

визначається відношенням роботи, яка витрачається при ударному зламі на руйнуваннях

К зразка з надрізом (концентратом) до площі перетину зразка S в місті руйнування (Рис.1.3):

КС=К/8, Дж/м*

По відомим величинам маси бойка маятника і висоти падіння розраховується величина роботи на руйнування. Найбільш поширеними є зразки з величиною R= 1мм (U - подібний надріз) і R=0,25мм (V подібний), а також з тріщиною від утомленості. Відповідно до цього величина ударної в'язкості позначається КСU; КСV або КСТ.

В реальних конструкціях робота на руйнування являється інтегральною величиною, яка складається з роботи на уворення тріщини - КСут і роботи на розповсюдження в'язкої тріщини -КСр:

КС=КС_ут + КС_p;

При руйнуванні крихких матеріалів основна частина роботи витрачається на утворення тріщини, а її розповсюдження потребує незначної роботи. При руйнуванні пластичних матеріалів робота розповсюдження тріщини зіставима або більша по значенню, ніж робота по її утворенню.

Холодноламкістю називається властивість матеріалів мати абсолютно крихкий злам при низьких температурах. Різні матеріали і сплави в залежності від температури можуть руйнуватись крихко або в'язко. Це залежить в основному від типу кристалічної решітки і хімічного складу. Так, наприклад, метали з об'емноцентрованою кубічною решіткою (Fе_а; Сr; Рb) мають схильність до різкого зниження ударної в'язкості при певній мінусовій температурі. Разом з тим, метали з решіткою гранецентрованого куба(Fе_y; Ni; Cu) відносяться до нехолодноламких.

При виготовленні конструкцій необхідно оцінювати їх температурний запас в'язкості. Для цього необхідно знати поріг холодноламкості матеріалу, з якої виготовляється конструкція і температурні умови її експлуатації в майбутньому. Температурний інтервал між цими величинами і складає запас в'язкості. Поріг холодноламкості визначають при випробуванні ударним згином надрізаних зразків при різних температурах. По отриманим даним будують графіки залежності ударної в'язкості від температури(рис.1.4).

Поріг холодноламкості

Рис. 1.4 Залежність ударної в’язкості від температури

Зниження ударної в'язкості відбувається у певному інтервалі температур Т1-ТЗ, який називають порогом холодноламкості. В цьому інтервалі злами можуть бути як в'язкими, так і крихкими. Температура, яка відповідає заданій величині ударної в'язкості, називається критичною температурою крихкості Ткр.

Поріг холодноламкості можливо визначити також по зовнішньому вигляду зламу, оцінюючу кількість волокна у відсотках матової волокнистої складової. Кількість волокна в зламі визначається як відношення площі волокнистого (в'язкого) зламу до площі перетину зразка. За поріг холодноламкості приймається температура, при якій в зламі спостерігається приблизно рівні площі: по 50% волокнистого і кристалічного (крихкого) зламів.

Така температура і є критичною і позначається Т₅₀. Для відповідальних деталей за критичну вважається температура, при якій зберігається 90% волокна (Т₉₀).

Вплив особливих умов експлуатації на поведінку металевих конструкційних матеріалів

До числа особливих експлуатаційних умов слід віднести: - підвищену температуру, низьку температуру, радіаційне випромінювання, глибокий вакуум.

При експлуатації металевих сплавів під дією підвищених температур проявляються такі їх важливі характеристики як — жаростійкість і жароміцність. Жаростійкість - властивість металів і сплавів створювати опір окисленню і газовій корозії при високих температурах. Підвищення жаростійкості досягають за рахунок легування хромом, алюмінієм, кремнієм, які утворюють на поверхні плівки, непроникнені для іонів основного металу і кисню-оксидні плівки (Сг₂0₃; Аl₂0₃). Сприяють підвищенню жаростійкості також захисні покриття, склад яких визначається умовами експлуатації і складом агресивного середовища.

Структура жаростійких матеріалів повинна бути одно фазною і однорідною, чому сприяють такі види термообробки як відпал і нормалізація.

Суттєво підвіщує жаростійкість такий фактор, як чистота обробки поверхні деталей. Поліровані деталі повільніше окислюються, оскільки оксиди більш рівномірно розподілені по поверхні.

Жароміцність - це властивість матеріалу довгий час чинити опір деформуванню і руйнуванню під дією навантажень при підвищених температурах, коли вони сягають величини більше 0,3 Т_пл. В таких умовах працюють деталі двигунів внутрішнього згоряння, печей, котлів, турбін і т.ін.

При навантаженні матеріалів довгий час в умовах високих температур спостерігаються процеси повзучості (або крипу), тобто з часом матеріал деформується з певною швидкістю. Найбільш важливий вид повзучості - повільна повзучесть виникає в області температур (0,4...0,7) Т_пл матеріалу.

Основними показниками повзучості є швидкість повзучості і умовна межа повзучесті - напруга, яка викликає при даній температурі задану деформацію за встановлений проміжок часу. Умовну межу повзучості позначають символом , МПа. Напр., 130 МПа, позначає, що напруга 130 МПа викликає 1%

деформації за 10⁵ годин при Т=550° С. В умовах, коли проявляється повзучість при тривалих статичних навантаженнях проводять випробування на тривалу міцність - це властивість матеріалу чінити опір руйнуванню в умовах тривалого статичного навантаження. Межа тривалої міцності позначається символом МПа. Наприклад, =150МПа, що позначає - напруга 150 МПа призводить матеріал до руйнування за 10⁵ год при Т=550° С. Основними чинниками, які забезпечують вимоги до жароміцних сплавів є висока ступінь легування такими елементами як Сr, Мо,V і т.п., стабільність структури і міцність кордонів при великозернистій структурі.

В реальних умовах при підвищенних температурах в металевих сплавах спостерігається одночасно з повзучістю і явище втомленості. Явище деформації і руйнування матеріалу під дією циклічних нагрівань і охолоджень носить назву термічної втомленості. В умовах втомленості при високих температурах, як і при повзучості формується субзеренна структура і тріщіни розповсюджуються по межах зерен. Термічна втомленість відрізняється від механічної в основному тим, що напруження визначаються пружно-пластичними властивостями матеріалу. Значення термічних напружень визначають з рівняння:

де Е - модуль пружності; а - коефіцієнт лінійного розширення;

- температурний інтервал; V - коефіцієнт Пуасона.

Величина залежить від теплопроводності матеріалу, умов нагрівання - охолодження і масштабного фактору.

При експлуатації металевих конструкцій в умовах радіаційного випромінювання (космічного, сонячного, технологічного) менш стійким виявляються метали с ГЦК решіткою, ніж метали з ОЦК і ГЩС решітками. Найбільший вплив на властивості мають нейтрони, які не маючи заряда, здатні проникати в глибину кристалічної решітки. При цьому вони викликають порушення електронної структури, локальні підвищення температури, радіаційну ерозію, яка виникає на поверхні під дією високошвидкісних частинок.

Такі дефекти призводять до зміни структурно чутливих властивостивостей, а саме знижується пластичність, в'язкість, підвищується питомий електроопір, міцність і опір малим пластичним деформаціям - о_а2, тобто, зростає імовірність крихкого руйнування. Це і є до дії радіації найбільш небезпечним наслідком — після дії радіації до радіаційного випромінювання. Наприклад, критична температура температури крихкості при крихкості молібдена після дії охолодженні після дії нейтронного випромінювання нейтронного випромінювання підвищується від -ЗО до + 70°С. Загальний характер впливу радіаційного випромінювання на і опір відриву наведені на графіку (рис. 1.5)

Рис. 1.5 Зміна критичної температури крихкості при охолодженні після дії нейтронного випромінювання

Як видно з графіків критична температура крихкості після дії випромінювання суттєво зростає. Глибокий вакуум характеризується зовнішнім тиском * 10⁴¹- 10^іг мм рт. ст. При цьому порушується термодинамічна рівновага металу з газовим середовищем і на кордоні виникають процеси конденсації або сублімації, тобто метали зразу перетворюються на пар, минаючи рідку фазу

Крихке руйнування відбувається при умові рівності межі текучості і опору відриву S при певній температурі:

=S

Один із шляхів боротьби з сублімацією є створення захисних покрить, які мають більшу стійкість у вакуумі, ніж основний метал.

Такими особливостями володіють керамічні матеріали, які складаються із оксидів і інших з'єднань Аl; Ве; Сr; Мg; Sі; Ті; Zn. Такі з'єднання здатні довгий час працювати в умовах глибокого вакууму. Інша проблема, яка виникає при експлуатації деталей в умовах глибокого вакууму - холодне зварювання, яке пояснюється тим, що у вакуумі різко збільшується коефіцієнт тертя завдяки відсутності оксидних плівок. Це ускладнює процес ковзання в парах тертя і призводить до „схоплювання" деталей. Рідкі змащувальні матеріали при цьому використовувати не можливо, оскільки вони випаровуються. В таких умовах як змащувальні матеріали використовуються золото, срібло, кобальт, нікель і більш довговічні: графіт; МoS₂, вольфрам.

Розділ 2. Практичне використовування випробувань механічних властивостей

2.1 Випробування механічних властивостей

Поведінка металів під дією зовнішніх навантажень характеризується їх механічними властивостями, які дозволяють визначити межі навантаження для кожного конкретного матеріалу, провести зіставну оцінку різних матеріалів і здійснити контроль якості металу в заводських і лабораторних умовах.

До випробувань механічних властивостей пред'являється ряд вимог. Температурно-силові умови проведення випробувань повинні бути по можливості наближені до службових умов роботи матеріалів в реальних машинах і конструкціях. Разом з тим методи випробувань повинні бути достатньо простими і придатними для масового контролю якості металургійної продукції. Враховуючи необхідність зіставлення якості різних конструкційних матеріалів, методи випробувань механічних властивостей повинні бути строго регламентовані стандартами.

Результати визначення механічних властивостей використовують в розрахунковій конструкторській практиці при проектуванні машин і конструкцій. Найбільше розповсюдження мають наступні види механічних випробувань.

1. Статичні короткочасні випробування однократним навантаженому на одноосне розтягування - стиснення, твердість, вигин і кручення.

2. Динамічні випробування з визначенням ударної в'язкості і її складових - питомої роботи зародження і розвитку тріщини.

3.Випробування змінним навантаженням з визначенням межі витривалості матеріалу.

4. Випробування на термічну утомленість.

5.Випробування на повзучість і тривалу міцність.

6. Випробування на опір розвитку тріщини з визначенням параметрів в'язкості руйнування.

7. Випробування матеріалів в умовах важконапруженого стану, а також натурні випробування деталей, вузлів і готових конструкцій.

Статичні випробування

Найчастіше проводять випробування на розтягування (ГОСТ 1497). Звичайно застосовують малий п'ятикратний зразок круглого перетину (діаметр 5 мм, розрахункова довжина 25 мм). На рис. 2.1 приведено два види діаграм розтягування: з ділянкою і без ділянки текучості в координатах навантаження Р - подовження Δl. Діаграма просто перетвориться в діаграму в координатах напруга σ — відносна деформація δ. При цьому σ = Р/F₀; δ =(∆l /l₀)х100%, де F₀, lо – початкова ділянка перетину і довжина зразка до випробування.

Діаграма розтягування складається з трьох ділянок: пружної деформації ОА, рівномірної пластичної деформації АВ і зосередженої деформації шийки ВС.

Рис. 2.1. Діаграми розтягувань:

а - з майданчиком текучості; б - без майданчика текучості; в - діаграма істинних напруг

Ділянка пружної деформації має прямолінійний вигляд і характеризує жорсткість матеріалу. Чим меншу пружну деформацію зазнає матеріал під дією навантаження, тим вище його жорсткість, яка характеризується модулем пружності: E= σ / δ.

Модуль пружності - структурно нечутлива характеристика, визначувана силами міжатомної взаємодії, є константою матеріалу.

Пружні властивості залежать від температури металу. При пониженні температури міжатомні відстані зменшуються, кристали стискаються, що приводить до збільшення модуля пружності. Основне зростання модуля пружності відбувається в області температур до 77 К, нижче за температури рідкого азоту зростання сповільнюється, а поблизу температури абсолютного нуля модуль пружності стає незалежний від температури.

Найменша напруга, при якій зразок деформується без помітного збільшення навантаження («тече»), називається фізичною межею текучості σ _т, він вимірюється в мегапаскалях (МПа). Якщо немає ділянки текучості, то визначають умовну межу текучості σ _0.2, при якому зразок одержує залишкове подовження, рівне 0,2 % первинної розрахункової довжини:

Межа текучості - основний показник міцності при розрахунку допустимих напруг, що характеризують опір малим пластичним деформаціям.

Напруга, відповідна найбільшому навантаженню, передуючому руйнуванню, називається тимчасовим опором (σ _в); він вимірюється в МПа:

Величина пластичної деформації до моменту руйнування характеризує пластичність матеріалу. Розрізняють дві характеристики пластичності: відносне подовження 8,%, і відносне звуження ψ %:

σ =[( l- l₀)/ l₀]*100

де l - довжина зразка після розриву; l₀ - первинна довжина зразка;

де F - площа перетину зруйнованого зразка в місці розриву; F₀ –первинна площа перетину зразка.

Умовно прийнято вважати метал надійним при δ ≥ 15 %, ψ ≥45 %.

Більш точну залежність між деформацією зразка і напругою показують діаграми істинних напруг (рис. 2.1, в). Істинну напругу визначають розподілом навантаження на площу поперечного перетину зразка у момент випробування.

Рис. 2.2. Схема визначення твердості:

а - по Брінеллю; б - по Роквеллу; в - по Віккерсу

Найпростішим методом випробування властивостей є вимірювання твердості. Твердістю називають властивість матеріалу чинити опір деформації в поверхневому шарі при місцевих контактних діях. Розрізняють наступні методи визначення твердості: по Брінеллю (по діаметру відбитка кульки); по Роквеллу (по глибині вдавлювання алмазного конуса або загартованої кульки); по Віккерсу (для деталей малої товщини або тонких поверхневих шарів твердість визначають по діагоналі відбитка алмазної піраміди). Схеми цих методів приведені на рис. 2.2.

Випробування по методу Брінелля (рис. 2.2, а) полягає у вдавлюванні у випробовуване тіло сталевої кульки діаметром D під дією постійного навантаження Р і вимірюванні діаметра відбитка d. Число твердості по Брінеллю НВ визначається величиною навантаження Р, діленого на сферичну поверхню відбитка. Чим менше діаметр відбитка, тим вище твердість металу. На практиці твердість визначають не по формулах, а по спеціальних таблицях, виходячи з діаметра відбитка d. З побоювання можливої деформації кульки метод Брінелля не рекомендується застосовувати для сталі з твердістю більше 450 НВ.

Тимчасовий опір і число твердості по Брінеллю зв'язаний між собою: для сталі σ _в = 0,34 НВ, для мідних сплавів σ _в = 0,45 НВ, для алюмінієвих сплавів σ _в = 0,35 НВ.

При випробуванні по методу Роквелла (рис. 2.2, б) індентором служить алмазний конус (для більш м'яких матеріалів маленька сталева кулька). Конус і кулька вдавлюються в метал двома послідовними навантаженнями: попереднім Р₀= 100 Н і основним Р₁, Існує три шкали_. При випробуванні алмазним конусом і навантаженню Р₁ = 1400 Н - шкала С, твердість позначається HRC, те ж при Р₁ = 500 Н - шкала А (НRА), а при випробуванні сталевою кулькою і Р₁ = 900 Н - шкала В (НRВ).

Одиниця твердості по Роквеллу — безрозмірна величина, відповідна осьовому переміщенню індикатора на 0,002 мм.

По шкалі С визначають значення твердості більш твердих матеріалів, ніж методом Брінелля (твердість більше 450 НВ).

Твердість по Віккерсу (рис. 2.2, в) визначають шляхом вдавлювання правильної чотиригранної піраміди під дією навантаження Р і вимірювання діагоналі відбитка d. Навантаження міняється від 10 до 1000 Н. Чим тонше матеріал, тим менше повинне бути прикладене навантаження. Число твердості по Віккерсу НV визначають за допомогою спеціальних таблиць по величині діагоналі відбитка.

В деяких випадках визначають мікротвердість окремих ділянок металу. Цей метод використовують для вимірювання твердості окремих зерен або дуже тонких шарів.

2.2 Динамічні випробування

Основним динамічним випробуванням є метод випробування на ударний вигин (ГОСТ 9454) з визначенням ударної в'язкості металу. Метод заснований на руйнуванні зразка з надрізом одним ударом маятникового копра (мал. 2.3).

Зразок встановлюють на опорах копра і завдають удару по стороні зразка, протилежній надрізу. Робота, що втитрачається на руйнування зразка, визначається так:

К= Рg (Н-h) = Рg1 (соs а2 - соs а1)

Рис. 2.3. Схема випробувань на ударну в'язкість

де Р - маса маятника; g - прискорення сили тяжіння, Н, h - висота підйому маятника до удару і після руйнування зразка; l - довжина маятника; а₁, а₂ -кути підйому маятника до удару і після руйнування зразка. Величини Р, Н, l, а₁ - постійні, тому при випробуваннях значення роботи руйнування визначають за допомогою спеціальних таблиць по значенню а₂ (h).

Ударна в'язкість КС, Дж/см², визначається як відношення роботи руйнування К, що затрачується на деформацію і руйнування ударним вигином надрізаного зразка, до початкової площі поперечного перетину зразка в місці надрізу S₀ по формулі КС = К/S₀.

Залежно від виду концентратора напруг розрізняють зразки трьох типів, з радіусом дна надрізу 1,0 мм (тип U); 0,25 мм (тип V) і ініційованою тріщиною (тип Т) (рис. 2.4).

Введення ударних випробувань зразків з тріщинами є слідством того, що працездатність матеріалу визначається не стільки опором зародженню тріщини, скільки опором її розповсюдження. Звичайні зразки мають перетин 10x10 мм, але для особливо відповідальних випадків і для оцінки працездатності крупних деталей застосовують зразки перетином 25x25 мм з ініційованою тріщиною. Чим гостріше надріз, тим більше жорстким випробуванням піддається метал. Вид надрізу входить в позначення роботи удару і ударної в'язкості.

Рис. 2.4. Основні види зразків для випробувань в'язкості (ГОСТ 9454):

а - тип I (тип Менаже); б - тип II (тип Шарлі); в - тип 15 (з ініційованою тріщиною)

Роботу удару позначають двома буквами КU, КV, КT, а ударну в'язкість - трьома буквами КСU, КСV, КСТ. В цих позначеннях останні букви є символами концентраторів напруг.

Випробування ударної в'язкості широко застосовують для оцінки схильності металу до крихкого руйнування при низьких температурах. Перевагою цього методу є простота експерименту, врахування впливу швидкості навантаження і концентрацій. Для оцінки холодноламкості звичайно проводять випробування серії зразків при температурах, що знижуються. Криву залежність ударної в'язкості від температури називають серіальними кривими холодноламкості (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Зміна ударної в'язкості сталі СтЗ при пониженні температури випробувань

За допомогою цих кривих визначають температурний поріг холодноламкості. При температурі експлуатації нижче порогу холодноламкості метал застосовувати не слід.

Технічними умовами на поставку металопродукції відповідального призначення звичайно обумовлюють мінімально допустиме значення ударної в'язкості при заданій температурі.

Оцінку холодноламкості можна також проводити по виду зламу зразка, що руйнувався. Метод заснований на визначенні співвідношення площ в'язких і крихких ділянок зламу ударних зразків. В'язкий злам має характерну волоконну будову з попелястим відтінком. З пониженням температури кількість волоконної складової в зламі знижується, з'являються кристалічні блискучі ділянки.

Звичайно за критичну температуру приймають таку, при якій частка волоконної складової структури рівна 50 %.

Визначення складових ударної в'язкості дозволяє виявити вплив різних чинників на обидві стадії руйнування.

2.3 Трибологічне випробування

При трибологічних випробуваннях (випробуваннях на знос, зносостійкість) основними поняттями є зношування, знос і зносостійкість.

Зношуванням називається процес поступової зміни розмірів, форми або стану поверхні зразка або деталі унаслідок руйнування поверхневого шару в процесі тертя.

Знос - результат зношування, визначуваний за допомогою кількісної оцінки процесу зношування.

Зносостійкість - здатність матеріалів або деталей чинити опір зношуванню в умовах зовнішнього тертя.

Знос конкретних деталей і вузлів визначається природою контактуючих матеріалів і умовами тертя.

Велике число чинників, що впливають на процес зношування деталей машин, обумовлює виконання наступних етапів випробувань:

1. звичайні лабораторні випробування фізичних і механічних властивостей матеріалів;

2. випробування матеріалів на тертя і знос на лабораторних установках;

3. стендові випробування вузлів тертя;

4. натурні (експлуатаційні) випробування деталей машин і механізмів.

При вивченні на першому етапі фізичних і механічних властивостей матеріалів і прогнозуванні на їх основі зносостійкості цих матеріалів звичайно ґрунтуються на тому, що між зносостійкістю і твердістю, зносостійкістю і модулем пружності або коефіцієнтом жорсткості існує близька до прямолінійної залежність.

На другому етапі випробувань звичайно проводиться оцінка впливу рівня заданих фізико-механічних властивостей матеріалів в поєднанні з вибраними режимами тертя на зносостійкість цих матеріалів.

Для правильного вибору методики і умов випробувань на лабораторній установці слід детально ознайомитися з умовами роботи досліджуваної деталі або вузла тертя, тобто виявити характер мастила поверхонь, що труть, швидкість ковзання, тиск в зоні контакту, температуру в поверхневому шарі деталей, що труть, і інші характеристики, а також визначити основний механізм зношування пари.

При проведенні випробувань на лабораторних установках потрібне відтворення всієї сукупності основних умов на поверхні тертя, які мають місце при реальній експлуатації деталей і вузлів з обов'язковим збереженням основного механізму зношування пари.

Виявити основний механізм зношування можливо тільки при детальному вивченні пошкоджень поверхні шарів деталей, а також при виявленні структурних змін, що відбуваються в активних шарах деталей в процесі тертя.

В тих випадках, коли пряме відтворення експлуатаційних умов тертя на лабораторних установках утруднено, використовуються наступні принципи правильності вибору умов випробувань.

Принцип В.А. Кисліка - забезпечення однакової форми руйнування матеріалу при випробуванні на лабораторній установці і при експлуатації деталі.

Принцип Б.І. Костецького - забезпечення однакового характеру пошкоджень поверхні, структурних змін і змін мікротвердості поверхневого шару матеріалу, випробуваного на лабораторних установках і в умовах реальної експлуатації.

Лабораторні машини для випробування на зношування підрозділяються на наступні групи:

• машини, відтворюючі певний заданий вид зношування;

• машини, відтворюючі певне задане поєднання умов тертя;

• машини універсального типу;

• машини для випробування в приватних умовах тертя (відмінних від перших двох груп).

Всього існує вісім типів лабораторних установок, що дозволяють відтворювати умови тертя і зношування, що виникають при експлуатації машин і механізмів.

Оскільки найпоширенішим є абразивний вид зношування, то серед лабораторних установок, призначених для випробування матеріалів на зношування можна виділити машину Х4-Б, на якій проводяться випробування на абразивне зношування при терті об абразивне полотно або папір (зношування закріпленим абразивом).

Рис. 2.6 Форма і розміри зразків дня випробування на зношування на машині типу Амслера: а - при чистому кочінні (верхній зразок вільний на осі) і при кочінні з прослизанням (верхній зразок обертається навколо осі); б - при ковзанні; в - при ковзанні, схема випробування «урізуванням»

На результат випробування великий вплив надає відношення твердості абразиву до твердості випробовуваного матеріалу ,/„. При H_а <H_М знос зразка дуже малий або взагалі відсутній, при / 1,4... 1,6 знос зберігає постійні значення, тобто вже не залежить від твердості абразиву. В цьому випадку основним механізмом зношування матеріалу закріпленим абразивом є мікрорізання.

З машин універсального типу можна виділити машину для випробування на зношування типу МІ, аналогічну по конструкції широко вживаній машині Амслера. На цій машині можна вести випробування при терті ковзання, терті кочіння, терті кочіння з прослизанням, як з мастилом, так і без неї. Види зразків для випробування на зношування на машині МІ показані на рис. 2.6.

При проведенні стендових випробувань проводиться оцінка фактичного зносу самих деталей або вузлів в умовах, близьких до тих, в яких вони експлуатуються. Для цієї мети конструюються спеціальні стенди, що дозволяють імітувати реальні умови навантаження і зносу деталей і вузлів.

При випробуванні деталей машин і вузлів на зношування в умовах експлуатації (натурні випробування) визначають ресурс роботи деталей і вузлів і роблять остаточні висновки про правильність вибору матеріалів для пари тертя, що вивчається.

Зміна вихідних параметрів деталі і вузла дає лише непряме уявлення про величину зносу. Найповнішу інформацію про величину зносу і його розподіл по поверхні тертя дають диференціальні методи вимірювання зносу: мікрометрування, метод штучних баз, метод поверхневої активації.

• Метод мікрометрування заснований на вимірюванні деталей до і після випробувань за допомогою інструментальних мікроскопів, мікрометрів, індикаторів і інших приладів. Для визначення малих величин зносу і характеру розподілу його по робочій поверхні деталей застосовують метод профілографування поверхні за допомогою профілографів різних типів. Вертикальне збільшення профілографів складає 400-200000, що дозволяє з великою точністю визначати знос. Про величину зносу судять на основі зіставлення профілограм, знятих з робочої поверхні деталей до і після випробувань.

•Метод штучних баз полягає в тому, що на робочу поверхню деталей наносять поглиблення строго певної геометричної форми (конус, піраміда, сфера і ін.). При зношуванні поверхні і шару деталі відбувається зменшення глибини і інших розмірів поглиблення, по яких судять про величину лінійного зносу даної ділянки поверхні.

Метод штучних баз призначений для оцінки місцевого або локального лінійного зносу деталей. Система поглиблень дозволяє оцінювати характер руйнування зносу на робочій поверхні деталей. Використовування відбитків, що наносяться за допомогою приладу ПМТ-3 (для визначення мікротвердості), дозволяє оцінювати величину зношування окремих структурних складових матеріалу (наприклад, фази карбіду).

У виробничих умовах при вимірюванні лінійного зносу в труднодоступних місцях деталей великих розмірів відбитки наносять конічними кернами або висвердлюють отвори конічної форми.

•Метод поверхневої активації, розроблений В.І. Постниковим, заснований на створенні радіоактивного поверхневого шару глибиною 0,05-0,5 мм в заданій ділянці поверхні деталі за допомогою опромінювання його зарядженими частинками (протонами, нейтронами, а-частинками), прискореними до енергії 10-20 МЕВ. Опромінювання деталей здійснюється на спеціальному прискорювачі (циклотроні). Одночасно з деталями активізуються зразки, які потім використовуються для побудови тарировочного графіка залежності зміни радіоактивності поверхні від глибини зношеного шару. Тарировочний графік будують на основі лабораторних випробувань активованих зразків, а потім використовують для визначення величини зносу деталі в процесі їх експлуатації по зменшенню радіоактивності поверхні. Чутливість методу 1-2 мкм.

Висновки

Як ми бачимо, до випробувань механічних властивостей пред'являється ряд вимог. Температурно-силові умови проведення випробувань повинні бути по можливості наближені до службових умов роботи матеріалів в реальних машинах і конструкціях. Разом з тим методи випробувань повинні бути достатньо простими і придатними для масового контролю якості металургійної продукції. Враховуючи необхідність зіставлення якості різних конструкційних матеріалів, методи випробувань механічних властивостей повинні бути строго регламентовані стандартами.

Результати визначення механічних властивостей використовують в розрахунковій конструкторській практиці при проектуванні машин і конструкцій. Найбільше розповсюдження мають наступні види механічних випробувань.

При експлуатації металевих конструкцій в умовах радіаційного випромінювання (космічного, сонячного, технологічного) менш стійким виявляються метали с ГЦК решіткою, ніж метали з ОЦК і ГЩС решітками. Найбільший вплив на властивості мають нейтрони, які не маючи заряда, здатні проникати в глибину кристалічної решітки. При цьому вони викликають порушення електронної структури, локальні підвищення температури, радіаційну ерозію, яка виникає на поверхні під дією високошвидкісних частинок.

Такі дефекти призводять до зміни структурно чутливих властивостивостей, а саме знижується пластичність, в'язкість, підвищується питомий електроопір, міцність і опір малим пластичним деформаціям - о_а2, тобто, зростає імовірність крихкого руйнування. Це і є до дії радіації найбільш небезпечним наслідком — після дії радіації до радіаційного випромінювання. Наприклад, критична температура температури крихкості при крихкості молібдена після дії охолодженні після дії нейтронного випромінювання нейтронного випромінювання підвищується від -ЗО до + 70°С.

При виготовленні конструкцій необхідно оцінювати їх температурний запас в'язкості. Для цього необхідно знати поріг холодноламкості матеріалу, з якої виготовляється конструкція і температурні умови її експлуатації в майбутньому. Температурний інтервал між цими величинами і складає запас в'язкості. Поріг холодноламкості визначають при випробуванні ударним згином надрізаних зразків при різних температурах. По отриманим даним будують графіки залежності ударної в'язкості від температури

Такими особливостями володіють керамічні матеріали, які складаються із оксидів і інших з'єднань Аl; Ве; Сr; Мg; Sі; Ті; Zn. Такі з'єднання здатні довгий час працювати в умовах глибокого вакууму.

Інша проблема, яка виникає при експлуатації деталей в умовах глибокого вакууму - холодне зварювання, яке пояснюється тим, що у вакуумі різко збільшується коефіцієнт тертя завдяки відсутності оксидних плівок. Це ускладнює процес ковзання в парах тертя і призводить до „схоплювання" деталей. Рідкі змащувальні матеріали при цьому використовувати не можливо, оскільки вони випаровуються. В таких умовах як змащувальні матеріали використовуються золото, срібло, кобальт, нікель і більш довговічні: графіт; МoS₂, вольфрам.

Список використаних джерел

1. Арзамасов Б.Н., Брострем В.А., Буше Н.А. и др. Конструкционные материалы Справочник. М.: Маш-е, 1990

2. Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы: Учебник для электротехн. и энерг. спец. вузов / Н.П.Богородицкий, В.В.Пасынков, Б.М.Тареев. - 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - 304 с.

3. Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов «Строительные материалы»,

4. Гуревич Л.М. Составление технологического процесса на поверхностное упрочнение деталей термической и химико-термической обработкой. Сост. Л. М. Гуревич; Волгоград. гос. техн. ун-т. Волгоград, 2003.

5. И.А.Рыбьев «Строительное материаловедение»,

6. Изучение влияния температуры на магнитные свойства ферромагнетиков Авторы: издательство "Lion & K", 2009

7. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов. В 2 т. / А.В.Шишкин, В.С.Чередниченко, А.Н.Черепанов, В.В.Марусин; под ред. В.С.Чередниченко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – Т.1. Элементы теоретических основ материаловедения и технологии получения материалов. – 448 с. – (Серия «Учебники НГТУ»).

8. Правила безпечної роботи з інструментом та пристроями.- К.: ФОРТ, 1998.- 174с.

9. Практические вопросы испытания металлов. - М.: Металлургия, 1979.- 280с.

10. Прикладная механика композитов. - М: "Мир", 1989.- 358с.

11. Прочность материалов и конструкций.- К.: Академпериодика, 2005.-

12. Рябикина М. А., Щеглова А.М. Методическое пособие по курсу Металловедение и термообработка (углублённый анализ микро- и макроструктуры металлов и сплавов). - Мариуполь: ПГТУ, 2008.

13. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. Химиздат, 2007.

14. Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т.1/ Под ред Ю.В. Корицкого и др.- 3-е изд., перераб. - М,: Энергоатомиздат, 1986. - 368 с.

15. Электротехнический справочник в 4 т. Т.1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. – 9-е изд. Стер. – М.: Издательство МЭИ, 2003. -440 с.