Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах

Основные типы кристаллических решеток

Все металлы являются кристаллическими телами, имею­щими определенный тип кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный газ). Такой тип структуры называется металлической связью.

Тип ре­шетки определяется формой элементарного геометриче­ского тела, многократное повторение которого по трем пространственным осям образует решетку данного кристал­лического тела.

 

 

Кубическая

(1 атом на ячейку)

Объемно-центрированная кубическая (ОЦК)

(2 атома на ячейку)

Гранецентрированная кубическая (ГЦК)

(4 атома на ячейку)

Гексагональная плотноупакованная (ГП)

(6 атомов на ячейку)

 

 

 

Испытание на растяжение

При испытании на растяжение, согласно ГОСТ 1497, определяют сопротивление металла малым пластическим деформациям, характеризующееся пределом пропорциональности σ_пц, пределам упругости σ_у и пределом текучести σ_т (или σ_0,2), а также сопротивление значительным пластическим деформациям, которое выра жают временным сопротивлением σ_в.

При растяжении определяют и пластичность металла, то есть величину пластической деформации до разрушения, которая может быть оценена относительным удлинением образца δ и его относительным сужением ψ (после разрыва образца).

Для испытания на растяжение используют стандартные образцы (см. ниже). Машина для испытаний снабжена устройством, записывающим диаграмму растяжения.

Диаграмма растяжения показывает зависимость между растягивающей нагрузкой, действующей на образец, и его деформацией. На диаграмме по оси ординат записывают нагрузку Р, а по оси абсцисс - абсолютное удлинение образца Δl (Δl = l_х — lо, где l_х и lо - текущая (в данный момент времени) и начальная длины образца) — Рис. 1

 

 

Рис. 1. Схема диаграммы растяжения: изменение удлинения образца в зависимости от нагрузки

 

Кривая изменения абсолютного удлинения Δl в зависимости от прилагаемой нагрузки Р при растяжении состоит из прямолинейного участка ОА и криволинейного АВ, отвечающего переходу в область пластических (остаточных) деформаций и характеризуемой постепенным уменьшением тангенса угла наклона кривой к оси абсцисс (см. Рис. 1).

Пластической называют деформацию, остающуюся после снятия нагрузки (кроме того, наблюдается обратимая пластическая деформация, которая, как и упругая, исчезает после снятия нагрузки). Величина остаточной деформации в момент раз ру­шения (удлинение, сужение) служит мерой пластичности материала. Если величина пластической деформации до разрушении мала, то материал называют хрупким. Пластическая деформация предшествует любому виду разрушения (вязкому или квазихрупкому), но при квазихрупком разрушении она весьма мала, локализована в микро- и субмикрообъемах и не выявляется при обычных методах измерения макродеформации. В этом последнем случае необходимо изыскание такиx условий испытания (скорости нагружения,температуры испыта­нии и т. п.), при которых можно было бы выявить пластичность материала.

Для возможности сравнения результатов испытаний различных но размерам образцов целесооб­разно установить связь между удельными и относительными ве­личинами, т. е. между условным напряжением σ, равным P/F₀, где P - растягивающая нагрузка (сила), F₀ — плошадь поперечного се­чения образца до испытания, и относительным удлинением δ, равным Δl/I₀, где Δl — абсолютное уд- шпение образца; I₀ - длина образца до испытания. Так как значе­нии Р и Δl делятся на постоянные для данных условий испытания величины, то вид диаграммы, приведенной на Рис. 1, не меняется (отличается только масштабом) при переходе от координат P – Δl к координатам σ — δ.

Напряжения ниже точки А практически не вызывают измери­мой остаточной деформации и относительно этой точки могут быть установлены (с определенным допуском на точность измеря­емых деформаций) предел упругости σ_у, а также предел пропорци­ональности σ_пц. Здесь и далее напряжения получаются делением соответствующей нагрузки на F₀ — плошадь поперечного сечения образца до испытания.

Предел упругости σ_у — 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 σ_у.

Предел пропорциональности σ_пц — условное напряжение, соответствущее отклонениям от линейного хода кривой деформации (от закона Гука), задаваемым определенным допуском (например, увеличением тангенса угла наклона кривой деформации к оси на­пряжения на 25 или 50% при переходе от прямолинейного участка к криволинейному).

Следует отметить, что для реальных поликристоллических металлов определение σ_у и σ_пц представляет значительные методические трудности, так как предусматривает измерение очень малых деформаций. Поэтому на практике чаще обращаются к такой характеристике, как условный предел текучести.

Условный предел текучести — это условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной величина (обычно 0,2% от рабочей длины образца; тогда условный предел текучести обозначают как σ_0,2). Величину σ_0,2 определяют, правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутвует площадка или зуб текучести.

В тех случаях, когда диаграмма растяжения имеет площадку текучести (Рис. 2, а), измеряют физический предел текучести σ_т, условное напряжение, соответствующее наименьшей нагрузке площадки текучести, когда деформация образца происходит увеличения нагрузки. Иногда распространение деформации по длине образцов из пластичных материалов при напряжениях, отвечающих площадке текучести, носит волнообразный характер: вначале образуется местное утонение сечения, затем это утононение переходит на соседний объем материала и этот процесс разшнми ся до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести. Когда имеется зуб текучести (Рис. 2, б), вводят понятия о верхнем σ^в_т и нижнем σ^н_т пределах текучести.

 

Рис. 2. Схемы диаграмм растяжения металлов, дающих площадку (а) зуб (б) текучести

 

Если при испытании образцов, например на растяжение, не возникает локализованной деформации (не образуется шейки - местное сужение поперечного сечения), то образец из хрупких металлов разрушается при какой-то максимальной нагрузке, отвечающей точке В на Рис. 1. Деление этой нагрузки на площадь начального поперечного сечения дает разрушающее напряжение, называемое временным сопротивлением σ_b(это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом). В тех случаях, когда окончание растяжения сопровождается местным утонением образца (образованием шейки), диаграмма растяжения имеет вид, изображенный на Рис. 2, т. е. нагрузка в момент разрыва пластичного металла и напряжение, отнесенное к исходному сечению (в точке D), могут быть меньше, чем напряжение в какой-то предыдущий момент растяжения. Но и и этом случае временное сопротивление определяется применительно к точке В, т. е. относительно максимальной нагрузки, момент достижения которой практически совпадает с началом образования шейки в образце из пластичного материала. Появление шейки определяет переход от равномерной деформации всей рабочей части образца к сосредоточенной деформации в определенном сечении.

При переходе в область пластических деформаций (правее точки Ана диаграмме Рис. 1) изменения поперечного сечения образца становятся уже значительными и отнесение нагрузки к исходному (до деформации) сечению F₀ дает лишь условные напряжения. Если учитывать изменение сечения при деформации и относить нагрузку не к исходному сечению, а к сечению в каждый дан­ный момент деформацииF_x, то получают истинные напряжения. Эти последние, естественно, отличаются от условных напряжений и тем больше, чем пластичнее материал (чем сильнее изменяется сечение в ходе деформации относительно исходного). Соответственно изменяется вид диаграммы растяжения, которая схематично показана на Рис. 3. В случае хрупких материалов (чугун, литые алюминиевые сплавы и др.) различие между истинными и услов­ными напряжениями может быть небольшим.

По диаграмме растяжения, как было отмечено выше, можно судить и о пластичности металла, которая характеризуется относительным удлинением после разрыва δ и относительным сужением площади сечения у образца.

Под относительным удлинением δ понимают отношение абсолютного удлинения образца после разрыва Δl = l_к — lо (где l_к — конечная длина образца) к его начальной расчетной длине lо, выри женное в процентах, т. е.

δ = (l_к - lо)*100%/lо

 

В случае испытания «коротких» (пятикратных) образцов (см. ниже) относительное удлинение обозначают δ₅, в случае «длинных» (десятикратных) – δ₁₀.

Относительное сужение после разрыва ψ представляет собой oтношение уменьшения площади поперечного сечения разорванного образца ΔF= F₀ — F_K (где F_K - минимальная площадь поперечного сечения образца после его разрыва) к первоначальной площади поперечного сечения Fo, выраженное в процентах, т. е.

 

Ψ = (F₀ — F_K)*100%/ F₀

 

При расчете режимов обжатий в процессах обработки меча им» давлением чаще всего используют показательδ.

Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс (см. Рис. 1) характеризует модуль упругости материала Е = σ/ δ (где δ - относительная деформация, равная Δl/l₀). Модуль упругости E определяет жесткость материала: интенсивность увеличения напряжения по мере увеличении упругой деформации. Физический смысл Есводится к тому, что он характеризует сопротивляемость металла упругой деформации. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры в широких пределах.

 

 

5. В настоящее время температура критической хрупкости определяется по испытаниям на ударный изгиб:

Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах.

Метод основан на разрушении образца с концентратором напряжений посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах. В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работа удара), или ударную вязкость.

В соответствии c ГОСТ 9454-78 проводится серия испытаний на маятниковом копре металлических образцов с записью диаграммы нагружения в цифровом виде на ПК. На основании полученных данных строится сериальная кривая зависимости энергии разрушения от температуры с последующим определением критической температуры хрупкости.