И относительное остаточное сужение при разрыве

, (2)

где ℓ _p, A_p – соответственно расчетная длина образца и площадь поперечного сечения в наиболее тонком месте шейки после разрыва.

Чем пластичнее материал, тем больше ε _r и ψ_r. Если испытываемый образец не доводя до разрушения нагрузить до состояния, соответствующего точке L диаграммы (см. рис. 2, в), а затем разгрузить, то процесс разгрузки изобразиться прямой LL ₁. Эта прямая всегда параллельна участку ОА диаграммы. При разгрузке деформация полностью не исчезает. Она уменьшается на величину упругой деформации, т.е. на величину L₁M. Отрезок OL ₁ представляет собой остаточную или пластическую деформацию.

Рис. 3

Рис. 4

Противоположным свойству пластичности является хрупкость, т.е. способность материала разрушаться при незначительных остаточных деформациях. Для хрупких материалов характерно разрушение при малых остаточных деформациях (рис. 4), поэтому при их испытании на растяжение определяется только предел прочности σ _ut. К хрупким материалам относят чугуны, высокоуглеродистые инструментальные стали, стекло и др.

Твердость материалов

На производстве при необходимости быстрого контроля свойств изготавливаемых деталей, например, контроля прочности после термической или термохимической обработки, метод испытания образцов на растяжение имеет много неудобств. Применяют сравнительную оценку свойств материала, минуя изготовление и разрушение образцов, путем измерения твердости.

Твердость (Н) – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. При вдавливании в материал инородного тела возникают местные пластические деформации, сопровождающиеся при дальнейшем увеличении нагрузки местным разрушением. Показатель твердости связан непосредственно с показателями прочности и пластичности. Твердость материала тесно связана также с его обрабатываемостью: чем тверже материал, тем хуже он обрабатывается, от твердости зависит и износостойкость.

Испытания по определению твердости характеризуются быстротой выполнения и не сопровождаются разрушением деталей. Существует несколько методов определения твердости. Выбор метода зависит от твердости испытуемого материала, толщины, размеров и формы изделия.

Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность испытуемого материала стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм под действием силы F, приложенной перпендикулярно к поверхности изделия в течение определенного времени. Числом твердости по Бринеллю называется отношение нагрузки F к площади сферического отпечатка А, т.е. F/ A. Твердость по Бринеллю при условиях испытания, когда диаметр шарика 10 мм, F = 3000 кгс и продолжительность выдержки под нагрузкой от 10 до 15 с, обозначается цифрами, характеризующими число твердости, и буквами НВ. Например, 120НВ, где 120 – число твердости в кгс/мм²; НВ – твердость по Бринеллю.

При других режимах испытания после букв НВ указывают условия испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузку и продолжительность выдержки под нагрузкой, разделенные наклонной чертой. Например, 120 НВ 5/750/20, где 120 – число твердости в кгс/ мм²; НВ – твердость по Бринеллю; 5 – диаметр шарика в мм; 750 – нагрузка в кгс; 20 – время (в секундах) выдержки под нагрузкой.

Чтобы не проводить вычислений, имеются таблицы перевода диаметра отпечатка в число твердости НВ. Выбор диаметра шарика зависит от толщины детали. Минимальная толщина испытываемого образца, чтобы исключить деформацию изгиба, должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка. Методом Бринелля испытывают материалы с твердостью до 450 НВ, что связано с твердостью закаленных шариков. Этим методом нельзя определить твердость пленок, твердость деталей после химико-термической обработки из-за незначительной толщины обработанного поверхностного слоя.

О твердости по методу Роквелла судят по разности глубин, на которые проникает алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм при действии двух последовательно приложенных нагрузок: предварительной величиной 10 кгс и общей – 60, 100 или 150 кгс, равной сумме предварительной и основной нагрузок. Для определения числа твердости применяют три шкалы. Шкала В соответствует вдавливанию шарика и число твердости при этом обозначается HRB. Для более твердых материалов применяются шкалы А и С_э, соответствующие вдавливанию алмазного конуса. Вначале индентор вдавливается в поверхность образца под предварительной нагрузкой, которая не снимается до конца испытаний, что обеспечивает точность измерений. Затем подается основная нагрузка (для шкалы А – 50 кгс, для шкалы В – 90 кгс, для шкалы С – 140 кгс), после снятия которой число твердости определяют глубиной отпечатка. Размерность чисел твердости по Роквеллу – условные единицы. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. По шкалам А, В и С_э устанавливаются следующие пределы измерения твердости: шкала А – 70 … 85 ед. (твердые сплавы, изделия с высокой поверхностной твердостью); шкала С_э – 20 … 67 ед. (термообработанная сталь); шкала В – 25 … 100 ед. (мягкие металлы и сплавы).

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими число твердости, и буквами HR с указанием шкалы. Например, 60HRC_э, где 60 – число твердости; HR – твердость по Роквеллу; C _э – шкала твердости.

Метод Роквелла получил широкое распространение благодаря высокой производительности (совмещение операций вдавливания индентора и измерения размеров отпечатка), универсальности, небольшому размеру отпечатка. В определенном интервале чисел твердости имеет место следующее соотношение между твердостью по Бринеллю и Роквеллу: 1 HRC_э ≈ 10 НВ.

Метод измерения твердости по Виккерсу заключается во вдавливании в испытываемый материал правильный четырехгранной алмазной пирамиды с углом в 136° между противоположными гранями. Число твердости по Виккерсу вычисляется путем деления нагрузки на площадь поверхности пирамидального отпечатка. Обычно используют таблицы, с помощью которых по длине диагонали отпечатка находят число твердости. Если при измерении твердости используется нагрузка F = 30 кгс и время выдержки 10 … 15 с, твердость обозначается буквами HV и цифрами, характеризующими число твердости. Например, HV300, где HV – твердость по Виккерсу, 300 – число твердости в кгс/мм². При иных режимах измерения после символа HV указывают цифры, разделенные наклонной чертой и обозначающие нагрузку и время выдержки, а через тире – число твердости. Например, HV30/ 20 – 300, где HV – твердость по Виккерсу; 30 – нагрузка в кгс; 20 – время выдержки, с; 300 – число твердости. Почти полное совпадение значений твердости по Виккерсу и Бринеллю наблюдается в интервале 100 … 450 НВ.

Метод Виккерса широко применяется для определения твердости тонких образцов и тонких поверхностных слоев металла после химико-термической обработки, а также мелких деталей, деталей сложной формы.

Экспериментально установлено, что по значению твердости можно оценить предел прочности при растяжении σ _ut, условный предел текучести σ_0,2, модуль упругости Е материала. Так, для конструкционных углеродистых сталей с НВ ≥ 150, σ_0,2 ≈ 0,2 НВ и σ_ut ≈ 0,345 НВ; для латуни σ_ut ≈ 0,5 НВ; для дюралюминия σ_ut ≈ (0,36 … 0,37)НВ и т.д.