Тема 10. Методы контроля механических свойств

Механические свойства определяют в результате механических испытаний, которые основаны на выявлении способности материала к деформированию и определению пределов, до которых контролируемый образец способен выдержать нагрузку без разрушения в строго регламентированных условиях испытаний. Регламентацию условий испытаний, соответствующим определенным стандартам, обеспечивают выполнением условий геометрического подобия (форма и размеры контролируемых образцов), условий механического подобия (схема и скорость приложения нагрузок) и условий физического подобия (внешние условия испытаний – температура и состав окружающей среды). Испытания проводят, как правило, на нескольких образцах и определяют среднее значение контролируемой физической величины.

В исследовательской и производственной практике наибольшее применение находят статические и динамические испытания. В отличие от динамических испытаний при статических испытаниях нагрузка возрастает медленно и плавно в течение продолжительного периода времени вплоть до разрушения образца. К статическим испытаниям относят испытания на растяжение, использующиеся при определении прочностных свойств (прочность – свойство металлов и сплавов не разрушаясь воспринимать механическую нагрузку) и пластических свойств (пластичность – свойство металлов и сплавов под действием нагрузки не разрушаясь изменять свою форму и размеры).

Испытания на растяжение проводят на испытательных разрывных машинах механического или гидравлического типа, записывающих диаграмму растяжения. Плоские и цилиндрические образцы стандартизованной формы устанавливают в захватные устройства машины и растягивают до разрушения при определенной скорости раздвижения захватов. Величина пластической деформации образца зависит от материала. Хрупкие материалы, в отличие от пластичных материалов, обладают незначительной пластической деформацией и растягиваются незначительно. Величину приложенного усилия в любой момент времени определяют силоизмерительным устройством испытательной машины, а величину удлинения образца определяют прямым измерением непосредственно на образцах.

При испытании на растяжения определяют модуль упругости (модуль Юнга), характеристики прочности: физический и условный пределы текучести и временное сопротивление (предел прочности) и характеристики пластичности: относительное удлинение и относительное сужение.

При динамических испытаниях нагрузка возрастает мгновенно и действует в течение короткого периода времени (доли секунды). К ним относят испытания на ударный изгиб, применяемые при определении сопротивления хрупкому разрушению металлов и сплавов (хрупкость – свойство металлов и сплавов разрушаться, не претерпевая заметной пластической деформации).

Испытания на ударный изгиб проводят с использованием маятниковых копров и стандартизованных образцов прямоугольной формы, в которых выполнены надрезы (концентраторы напряжений) для увеличения чувствительности метода. В отличие от испытаний на растяжение, испытания на ударный изгиб, как правило, соответствуют реальным условиям эксплуатации. Ударная нагрузка и концентратор напряжения устраняют появление сдвигающих напряжений и способствуют хрупкому разрушению, при котором металл с достаточно высокой статической прочностью разрушается при малых ударных нагрузках. При испытании определяют работу удара, затраченную на разрушение образца, и ударную вязкость, как удельную работу разрушения образца при различных формах надреза.

К особому виду механических испытаний относят испытания на твердость (твердость - характеризует сопротивление металлического материала местной пластической деформации, которая имеет место при вдавливании наконечника в поверхностный слой материала). Испытания на твердость осуществляют несколькими способами, различающимися по характеру воздействия твердого наконечника (индентора). В качестве наконечника используются шарики, пирамиды, конусы, выполненные из малодеформирующихся материалов (закаленная сталь, твердый сплав, алмаз). При измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные металлы, но и металлы, которые при обычных механических испытаниях разрушаются хрупко.

Твердость и предел прочности материала, как правило, пропорциональны, т.к. в том и в другом случае возникает местная пластическая деформация. Поэтому испытания на твердость можно считать одним из видов оценки прочности. По сравнению с испытаниями на растяжение и ударный изгиб испытание на твердость не требует специальных образцов, и выполняются на изделиях, в которых достаточно обработать напильником небольшой участок для создания горизонтальной площадки, являются менее трудоемкими и более производительными. Поэтому испытания на твердость могут быть использованы для оценки и идентификации различных структурных составляющих и фаз, так как изменение твердости может быть связано с изменением химического состава и структуры и служит объективным средством контроля качества сварных соединений, механической и термической обработки материала.

Испытания на твердость разделяют по способу приложения нагрузки на статические испытания (нагрузка прикладывается плавно и постепенно) и динамические испытания (индентор воздействует на контролируемый образец с определенной кинетической энергией), а по величине прикладываемой нагрузки на испытания на макротвердость (твердость) и испытания на микротвердость. Испытания проводят с использованием приборов - твердомеров.

Наибольшее применение нашли статические испытаниям на твердость (при статическом нагружении). К ним относятся испытания на твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

При испытании на твердость по Бринеллю шарик в течение установленного времени вдавливается с определенной силой в испытуемый образец. В результате на поверхности объекта образуется отпечаток в виде полусферы с определенным диаметром и глубиной. Числа твердости (НВ) оцениваются по справочным таблицам в зависимости от диаметра отпечатка, диаметра шарика и величины нагрузки. Диаметр отпечатка измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют среднее двух измерений. Между числом твердости и пределом прочности различных металлов существует зависимость.

При испытаниях на твердость по Виккерсу в качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида, которая дает отпечаток в форме квадрата. Измерение алмазной пирамидой дает более точные значения твердости, чем измерения шариком или конусом, так как пирамида имеет большой угол при вершине и диагональ отпечатка во много раз больше глубины. Метод особенно пригоден для определения твердости тонких, твердых и хрупких металлов или поверхностных слоев. Зная средний диаметр диагоналей отпечатка и нагрузку по справочным таблицам определяют число твердости (НV).

При испытаниях твердости по Роквеллу в качестве индентора используется алмазный конус и стальной шарик. Индентор вдавливается в образец под давлением двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной и общей, равной сумме предварительной и основной. Глубина предварительного вдавливания служит началом отсчета, а твердость определяют по разности между глубиной отпечатка, полученной под действием общей нагрузки, но измеренной после снятия основной нагрузки, и глубиной вдавливания от предварительной нагрузки. Полученную разность вычитают из произвольно выбранной максимальной глубины вдавливания.

Известны три шкалы твердости: HRA и HRC (индентор - конус), HRB (индентор - шарик). Числа твердости определяются непосредственно по стрелочному прибору, что проще и менее трудоемко, чем при определении твердости по Бринеллю и Виккерсу, так как не надо определять размеры отпечатка. К тому же при испытании по Роквеллу можно изменять нагрузку в широких пределах, так как при вдавливании конуса сохраняется закон подобия, а условия деформации под вершиной конуса с увеличением давления не изменяются. Поэтому испытания по Роквеллу проводят как на пластичных материалах, так и твердых материалах. Этот метод получил наибольше применение.

Для изучения механических свойств необходимо знать не только «усредненную» твердость, представляющую твердость в результате суммарного влияния присутствующих в сплаве фаз и структурных составляющих, но и микротвердость отдельных фаз, включений и тонких слоев. При измерении микротвердости используют приборы - микротвердомеры салмазным наконечником в виде трех или четырехгранной пирамиды. Микротвердость определяется по методу Виккерса при нагрузке до 5 Н по средней длине диагоналей отпечатка. Исследуемая поверхность образца предварительно шлифуется, полируется и протравливается (изготавливают микрошлиф). Твердомеры оснащены окулярным микрометром, обеспечивающим возможность не только измерять отпечаток, но и фотографировать микроструктуру с полученными отпечатками. Микротвердость обозначается Н или Н_μ.

В настоящее время широкое применение в производственной практике получили портативные цифровые приборы измерения твердости, основанные на использовании акустических, и вихретоковых методов. Эти методы позволяют установить корреляционную связь между механическими свойствами и структурно-чувствительными акустическими, электрическими и др. характеристиками исследуемых материалов. Выбор метода определяется необходимым объемом и точность контроля. Применение методов неразрушающего контроля физико-механических свойств обеспечивает автоматизацию исследований без приготовления специальных образцов.

 

Тема 11. Методы контроля и анализа теплофизических свойств

Методы контроля и анализа теплофизических свойств веществ (теплофизические методы) позволяют определить такие теплофизические характеристики металлических материалов, как критические температуры (критические точки) существования фаз и тепловые эффекты фазовых превращений. К фазовым превращениямотносят переход из одного агрегатного состояния в другое (плавление, кристаллизация), а также из одной модификации в другую (полиморфное превращение). Эти превращения сопровождаются соответственно большим или малым тепловым эффектом. Регистрируя изменение теплофизических свойств, можно выявить вид превращений и определить условия, способствующие или тормозящие превращение. Теплофизические методы контроля и анализа теплофизических свойств разделяются по способу их регистрации на: термические, калориметрические и дилатометрические методы.

По особенностям измерения изменений теплофизических свойств методы разделяют на прямые (абсолютные) и относительные (дифференциальные) методы. В абсолютных методах исследования проводят на контролируемых объектах. Дифференциальные методы основаны на сравнении изменения теплофизических свойств исследуемого вещества и стандартного образца, не испытывающего фазовых превращений в исследуемом интервале температур. В дифференциальном методе повышается чувствительность и точность измерений.

Термические методы (методы термического анализа) используют для регистрации изменения температуры объекта исследования по времени в процессе нагрева или охлаждения. Постоянную скорость нагрева или охлаждения объекта исследования обеспечивают программные регуляторы нагревательного устройства. При абсолютном термическом анализе автоматически записывается графическая зависимость изменения температуры во времени в процессе нагрева или охлаждения (термограмма) контролируемого объекта. Вид термограммы позволяет производить построение линий ликвидуса-солидуса на диаграмме состояния сплавов и изучать превращения в сплавах в твердом состоянии.

При плавлении или кристаллизации чистых металлов и сплавов имеет место большой тепловой эффект (выделение или поглощение скрытой теплоты превращений), проявляющий в том, что при плавном изменении кривизны кривой появляются различного рода отклонений (ступеньки, изломы, перегибы), характеризующие критические точки вещества. Появление температурных аномалий объясняется тем, что выделяющаяся или поглощающаяся теплота препятствует плавному изменению температуры. Фазовые превращения в чистых металлах происходят при постоянной температуре (на термограмме появляется ступенька), а в сплавах – в интервале температур ликвидус-солидус (на термограммах появляются изломы). Если превращение идет с поглощением тепла (эндотермический процесс), то на термограмме нагрева наблюдается замедление скорости нагрева по сравнению с исходной кривой. Если превращение идет с выделением тепла (экзотермический процесс), то на термограмме охлаждения наблюдается замедление. Анализ термограмм позволяет по критическим точкам провести идентификацию анализируемого вещества.

Сравнение критических точек при нагреве и охлаждении вещества позволяет выявить различие их числовых значений (температурный гистерезис).

К недостаткам прямого термического анализа относят недостаточную чувствительность, трудность фиксирования критических точек при фазовых превращениях в твердом металле, сопровождаемых малыми тепловыми эффектами; необходимость использования большого объема исследуемого вещества и необходимость нагрева контролируемого объекта с постоянной скоростью.

Дифференциальный термический метод (дифференциальный термический анализ) основан на измерении разности температур объекта исследования и стандартного образца. Метод используется для определения температуры фазовых превращений с небольшим тепловым эффектом или с малым количеством исследуемого вещества.

Одновременный нагрев контролируемого объекта и стандартного образца с измерением разности их температур с помощью дифференциальной термопары позволяет не соблюдать постоянство скорости нагрева (охлаждения), как в прямом термическом анализе. При равенстве температур стандартного образца и исследуемого объекта разность температур равна нулю. В момент фазового превращения в дифференциальной термопаре возникает разность температур между исследуемым объектом и стандартным образцом и термоЭДС, которая фиксируется высокочувствительным милливольтметром. В зависимости от знака теплового эффекта в момент фазовых превращений разность температур может быть больше или меньше нуля.

Дифференциальный термический метод находит наибольшее применение, так как обеспечивает более высокую чувствительность и точность анализа независимо от случайных колебаний скорости нагрева (охлаждения).

Калориметрический метод используют для определения теплоемкости веществ и тепловых эффектов фазовых превращений. В критических точках, соответствующих фазовым превращениям, происходит скачкообразные изменения удельной теплоемкости. Для определения удельной теплоемкости используют приборы – калориметры. Действие калориметра основано на измерении количества теплоты, переходящей от нагретого объекта исследования к калориметру. Калориметры разделяют на жидкостные (эксплуатируются до 500⁰С) и твердотельные.

Наибольшее применение в исследовательской практике получили твердотельные калориметры. Исследуемый образец в виде полого цилиндра устанавливают в массивный цилиндрический медный блок, который размещают в печи. Внутрь объекта вводится электрическая спираль. При нагреве объекта исследования и медного блока в печи с малой скоростью температуры объекта исследования и медного блока равны. При достижении определенной температуры и импульсном включении спирали образец кратковременно подогревается и возникает разность температур между объектом исследования и медным блоком, фиксируемая дифференциальной термопарой. Скорость нагрева исследуемого объекта будет определяться количеством теплоты, полученной от спирали. Зная электрическую мощность, подведенную к спирали, массу исследуемого объекта и скорость его нагрева, можно определить удельную теплоемкость исследуемого вещества при контролируемой температуре.

Для высокоточного определения температуры фазовых превращений и их тепловых эффектов применяют метод дифференциальной сканирующей калориметрии (прибор – дифференциальный калориметр). Исследуемый образец и стандартный образец устанавливают в калориметрический медный блок дифференциального калориметра в печи и нагревают с постоянной скоростью. В полости образцов помещают одинаковые электрические спирали, питаемые постоянным током, чтобы обеспечить их раздельный контролируемый подогрев. При непрерывном нагреве в температурном интервале фазовых превращений между образцами появляется разность температур, которая количественно характеризует зависимость происходящих при этом тепловых процессов. Если в контролируемом объекте происходит поглощение тепла в результате фазовых превращений, то его через управляющее устройство дополнительно подогревают и, наоборот, нагревают стандартный образец при выделении тепла. Подведенная к образцу электрическая мощность характеризует тепловой эффект, регистрируемый графически в виде термограммы.

Дилатометрический (лат. dilato – расширение) метод используют в структурном анализе для измерения изменения длины (объема) контролируемого объекта при нагреве (тепловое расширение) или охлаждении. Если в металлах и сплавах при изменении температуры не происходит фазовых превращений, то их длина изменяется плавно. Если имеет место фазовые превращения, то наблюдается скачкообразное изменение длины (объема) и коэффициента теплового расширения материала (является более структурно-чувствительной характеристикой) в интервале температуры начала и конца фазового превращения. Результаты измерения регистрируют на бумажном носителе (дилатограмма). Дилатометрический метод, который относят к структурно-чувствительным методам, может быть использован при контроле химического состава и структуры материалов, например, сплавов с особыми теплофизическими свойствами (дилатометрический структурный анализ).

Для измерения изменения размеров образца используют приборы - дилатометры. Дилатометры снабжены средствами контроля температуры объекта исследования и устройствами, задающими программу нагрева (охлаждения). Дилатометры разделяют на механические и электрические. В механических дилатометрах изменение длины фиксируется индикаторным устройством часового типа. Электрические дилатометры,характеризующиеся безинерционностью, используют в автоматических устройствах, предназначенных для изучения быстро протекающих процессов. В дилатометрах этого типа можно зафиксировать изменение длины контролируемого объекта с помощью индуктивных, емкостных и резисторных датчиков, электрические характеристики которых пропорциональны величине перемещения или углу поворота. Линейные или угловые перемещения датчиками преобразуются в электрический сигнал.

Дифференциальный дилатометрический метод по сравнению с абсолютным дилатометрическим методом является более структурно-чувствительным методом.Оноснован на том, что при одновременном нагреве контролируемого объекта и стандартного образца регистрируют разность изменения размеров объекта исследования и стандартного образец в виде графика (дифференциальная дилатограмма).

Благодаря высокой точности дифференциальный дилатометрический анализ позволяет фиксировать не только критические точки, но и температуру выделения и температурные интервалы существования вторичных упрочняющих фаз при старении.

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: