1.3. Методи іспиту металів

Для визначення складу, властивостей і якості металевих виробів застосовуються наступні методи іспиту металів: хімічний аналіз, механічні іспити, металографічний аналіз і технологічні проби. Останнім часом усе більше поширення одержують і інші, дуже ефективні методи - спектральний і рентгенографічний аналізи і дефектоскопія.

Хімічний і спектральний аналізи служать для визначення хімічного складу металів.

Дослідження будівлі металів виробляється за допомогою макро-, мікро- і рентгеноструктурного аналізу.

Макроаналіз - це метод вивчення структури чи металу сплаву неозброєним чи оком при невеликих збільшеннях. Він дозволяє з'ясувати різні пороки в злитках, виливках, куваннях, а також характер розподілу сірки в сталевих деталях. Мікроаналіз застосовується для виявлення типу структурного складових, визначення розміру зерна і контролю якості термічної обробки. Дослідження будівлі металу виробляються при великому збільшенні за допомогою металографічного мікроскопа.

Рентгеноанализ застосовується для контролю якості виробів просвічуванням. Для дослідження внутрішньої будівлі металів і сплавів застосовується рентгеноструктурний аналіз.

Дефектоскопія широко використовується для виявлення внутрішніх пороків у металевих виробах (тріщин, раковин, неметалічних включень) без руйнування самих виробів. У промисловості використовуються магнітні й ультразвукові дефектоскопи.

Магнітний дефектоскоп діє по наступному принципі. Контрольований виріб намагнічують, досліджуване місце покривають феромагнітним порошком окису чи заліза поливають суспензією, що представляє собою дрібні частки окису заліза, зважені в олії, чи бензині спирті. Оскільки пороки мають знижену магнітну проникність, магнітні силові лінії прагнуть обійти їх. Вийшовши за межі поверхні деталі, вони потім входять назад, утворити неоднорідне магнітне поле. У результаті частки порошку концентруються над пороком, утворити різко обмежений малюнок, по якому судять про його місце, величину і форму.

Найважливіше значення для визначення якості металів мають механічні іспити: статичні і динамічні, на витривалість, зносостійкість і технологічні проби.

Статичними називають іспиту, при яких зразок піддається впливу постійної чи повільно зростаючої сили. Іспиту, при яких зразок піддається впливу чи удару швидко зростаючої сили, називають динамічними.

Іспит металів на розтягання роблять за допомогою розривних машин різних конструкцій. Застосовуються також універсальні машини.

Для іспиту металів на розтягання звичайно використовуються круглі зразки діаметром 20 мм. Розрахункова довжина зразка береться рівної десяти- чи п'ятикратному діаметру.

Випробовуваний зразок металу з первісною площею поперечного переріза F мм поступово розтягують зростаючої силою Р кг, спостерігаючи при цьому за його деформацією. Результати іспитів зображують діаграмою розтягання (мал. 1.1).

Абсолютне подовження, мм

Рис. 1.1 - Діаграма розтягання зразка м'якої сталі при

іспиті на розтягання

На діаграмі по осі ординат відкладають силу, що розтягує, Р, а по осі абсцис - абсолютне подовження зразка (деформація). Зі зростанням навантаження росте і напруга (, що характеризується відношенням величини навантаження і площі поперечного переріза зразка.

Пряма лінія ОР на діаграмі показує, що крапка Р подовження зразка зростає пропорційно росту навантаження. Ця залежність називається законом пропорційності. Найбільша напруга, до якого випробовуваний зразок деформується без відхилення від закону пропорційності, називається межею пропорційності. У межах закону пропорційності деформація буває пружної, тому що вона цілком зникає після зняття навантаження. При подальшому розтяганні зразка спостерігається відхилення від закону пропорційності.

Крапка У відповідає межі пружності, тобто напрузі, при якому зразок при знятті навантаження виявляє перші ознаки залишкової деформації.

При подальшому зростанні зусилля розтягання в пластичних металів на діаграмі спостерігається горизонтальна ділянка SК, що вказує на те, що зразок продовжує подовжуватися без помітного зростання навантаження (метал «тече»). Напруга, при якому зразок продовжує деформуватися при тимчасовій сталості навантаження, називається границею текучості.

Высокоуглеродистые стали не дають площадки плинності на діаграмі розтягання. Для таких металів за границю текучості умові приймають напруга, що викликає залишкове подовження, рівне 0,2 % своєї початкової довжини. Це так називана умовна границя текучості.

Крапка В показує найбільше значення зусилля розтягання під час іспиту зразка. Умовна напруга, що відповідає найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка, називається межею міцності при розтяганні (тимчасовий опір розриву). Межа міцності обчислюють по формулі

 ,                                 (1.1)

де s - межа міцності при розтяганні, кг/мм;

Рb - найбільше показання навантаження, кг;

F0 - первісна площа поперечного переріза зразка, мм.

У ряду металів розривши зразка відбувається при більш низькому навантаженні, чим Рb (крапка Z на діаграмі). Це порозумівається утворенням «шийки», тобто різкого зменшення перетину зразка в одному місці, у якому напруга продовжує рости до моменту розриву зразка.

Діаграма розтягання дає представлення про пластичність металу, що характеризується відносним подовженням d і відносним звуженням площі поперечного переріза зразка f (у відсотках).

Відносним подовженням називається відношення збільшення довжини зразка до первісної його довжини:

 ,                                  (1.2)

де l0 - первісна розрахункова довжина зразка, мм;

l1 - довжина зразка після розтягання, мм.

 ,                                (1.3)

де F0 - первісна площа поперечного переріза зразка, мм2;

F1 - найменша площа поперечного переріза зразка після розтягання, мм2.

Іспиту на стиск і вигин роблять для металів, що працюють у конструкціях на стиск і вигин. Зокрема, за Дст передбачається обов'язкове визначення межі міцності на вигин у чавуна. При цьому поряд з показником межі міцності визначається стріла прогину, що характеризує здатність чавуна до деформацій. У деяких металів відносне подовження і стиск близькі до деформацій.

У деяких металів відносне подовження і стиск близькі до нуля. Такі метали є тендітними, тоді як у пластичних металів ці характеристики більше (десятки відсотків).

Пластичну деформацію металів враховують при виборі матеріалу для виготовлення виробів і, зокрема, при одержанні дроту, операціях гнучкі, витяжки, висадження, штампування і т.д. Пластична деформація забезпечує конструктивну міцність металевих конструкцій, апаратів і інших виробів. Якщо ж метал не здатний до пластичної деформації, то він схильний до так називаних тендітних руйнувань, тобто руйнуванням, що відбуваються при знижених напругах.

У результаті пластичної деформації відбувається зміцнення металу, що одержало назву чи наклепу нагартовки, при цьому пластичність металу різко падає. При великій деформації в результаті процесів ковзання зерна змінюють свою форму, витягаючи в напрямку діючих сил, відбувається їхнє дроблення, кристалічні ґрати спотворюються, структура металу знаходиться в хитливому, напруженому стані. Для зняття наклепу виробу нагрівають при визначеній температурі, при цьому атоми металу здобувають здатність до переміщень, що веде до усунення перекручувань кристалічних ґрат, утворенню нових центрів кристалізації і росту кристаллитов. При цьому міцність металу знижується, а пластичні властивості підвищуються. Такий процес називається рекристалізацією.

Іспит на ударний вигин. При роботі машини, механізму н т.д. деталі випробують ударні навантаження, тому метали, застосовувані для їхнього виготовлення, піддають динамічним і статичним іспитам. Порозумівається це тим, що некоторые метали, що володіють високими показниками статичної міцності, можуть легко руйнуватися навіть при малих ударних навантаженнях, наприклад, виробу з чавуна.

При динамічних іспитах у лабораторних умовах метали випробують на маятникової копрі (мал. 1.2)

Рис. 1.2 - Схема іспиту металів на маятниковому копрі.

Для цей зразок стандартної форми 10х10х55 мм із надрізом установлюють на опорах копра, причому надріз розташовують строго проти того місця, де маятник ударить за зразком. Потім маятник вагою G піднімають на висоту Н. У такім положенні запас потенційної енергії маятника дорівнює А=кгм. Потім маятник звільняють. Падаючи, він руйнує зразок. Невитрачена енергія піднімає маятник з іншої сторони на висоту h, зробивши роботу а = G×h кгм.

Робота, витрачена на руйнування зразка, буде дорівнює

Ак = А - а =G (Н - h) кгм                              (1.4)

Якщо цю роботу віднести до площі поперечного переріза F, то вийде питома робота удару, чи ударна в'язкість ак яку обчислюють по формулі

 кгм/див2.                              (1.4)

Метали, що легко руйнуються під дією удару, називаються тендітними, а добре опірному удару - грузлими.

Визначення твердості. При визначенні твердості ( удавлення, царапанье, пружна віддача, магнітний метод) широко застосовують методи, засновані на здатності тіла (металу) протистояти проникненню в нього іншого більш твердого тіла.

По методу Бринелля твердість установлюють вдавленням у виріб загартованої сталевої кульки визначеного діаметра (10; 5; 2.5 мм) (мал. 1.3).

Рис. 1.3 - Схема визначення твердості по методу Бринелля.

Число твердості по Бринеллю (НВ) характеризується відношенням навантаження, що діє на кульку:

 кгм/мм2,                     (1.6)

де Р - навантаження на кульку Н; F - поверхня відбитка, мм2;

D – діаметр кульки, що вдавлюється, мм; d - діаметр відбитка, мм.

Для визначення твердості застосовують підоймові (мал. 1.4) і гідравлічні преси.

Рис. 1.4 - Схема преса Бринелля.

Зразок, установлений на столику 1 за допомогою гвинта 9, притискають до кульки 2 так, щоб зжати пружину 3. Потім електродвигун надає руху ексцентрик 7, при обертанні якого шатун 6 опускається і вантажі 8 створюють тиск через систему важелів 4 н 5. Ексцентрик, обертаючи, поднимает.шатун і в такий спосіб знімається тиск вантажів зі зразка. При перебуванні шатуна у верхнім положенні електродвигун автоматично відключається. Потім визначають за допомогою спеціальної лупи діаметр відбитка, по якому обчислюють твердість по приведеній формулі, що вимагає багато часу. На практиці користаються спеціальною таблицею, у якій кожному діаметру відбитка відповідає число твердості НВ. Діаметр кульки і навантаження вибирають у залежності від випробовуваного металу (його твердості і товщини). При іспиті сталі і чавуна Р=30D2 (наприклад, D=10 мм, Р=30000 Н); при іспиті алюмінію Р=2.5D2 (наприклад, D=10 мм, Р=2500 Н); при іспиті міді Р=10D2 (наприклад, D = 10 мм, Р=10000 Н). По методу Бринелля не можна випробувати метали з числом твердості вище НВ450, тому що кулька буде деформуватися і результат вийде неправильним.

Для багатьох матеріалів, визначивши число твердості НВ, можна знайти межа міцності sу, тому що твердість і міцність зв'язані простим відношенням: sу = kHB, де k - величина, що залежить від матеріалу (наприклад, для м'якої сталі k = 0.34, литий стали k = 0.3-0.4, міді і її сплавів k = 0.55 і т.д.).

По методу Роквелла твердість визначають для відносно м'яких матеріалів удавленням сталевої кульки діаметром 1,59 мм при твердості обумовленого металу не більш 2200 Мпа (навантаження 1000 Н), для твердих металів - вдавленням алмазного конуса (чи алмазної піраміди) при навантаженні 1500 Н и при іспиті надтвердих сплавів (навантаження 600 Н). Показання твердості спостерігають за допомогою індикатора, циферблат якого має двох шкал: червону В - для іспиту сталевою кулькою і чорну З - для іспиту алмазним конусом.

Твердість по Роквеллу вимірюють в умовних одиницях, що по спеціальних таблицях можуть бути переведені в показники твердості по Бринеллю.

Визначення витривалості. Витривалість - здатність металу пручатися руйнуванню (утоми) від періодично повторюваної дії сил. При перемінному впливі сил (перемінних деформаціях і напругах) можуть утворюватися мікротріщини і тріщини, що концентруються в місцях великих напруг. Руйнування металу не відбудеться, якщо напруга буде менше визначеного значення. Найбільша напруга, що при перемінній дії сил не викликає утворення тріщин, називають границею витривалості. Його визначають на спеціальних машинах, іспитом вигином при обертанні, розтяганні, стиску, крутінні.

Границя витривалості для углеродистой конструкційної сталі звичайно складає 10 млн. циклів, а для кольорових металів - 20 млн. циклів.

Технологічні проби являють собою найпростіші іспити металів при визначенні придатності їх для різних видів обробки.

При сортуванні металу на складах і у виробничих умовах іноді марку стали приблизно визначають по виду іскор, що утворяться при зіткненні зразка металу зі швидко обертовим шліфувальним колом. Колір іскор коливається від сліпуче білого до темно-червоного. Розпечені частки, що відірвалися, стали стикаються з повітрям і окисляються. Окисляючи, вуглець дає дрібні вибухи. Чим більше вуглецю в сталі, тим більше число вибухів.

Наприклад, сталь 0,15-0,20 % З - іскра солом'яно-жовта, 0,45-0,50 % З - ясно-жовта, 0,8 % З - ясно-жовта, 1,1-1,3 % З - біла, 10-14 % Мп - блискуча біла-жовта, швидкорізальна 10-18 % W - темно-червона.

Для пластичних металів як у холодному, так і в нагрітому стані при визначенні їхньої здатності до вигину застосовують пробу на вигин. Після загину зразки не повинні мати тріщин і надрізів.

Загини металу роблять до визначеного кута навколо оправлення до паралельності сторін зразка.

Пробу на перегин застосовують для визначення здатності смугового і листового металу, а також дроту витримувати повторний загин і розгин у холодному стані.

Для визначення здатності металу (головним чином болтового і заклепувального) приймати в холодному стані задану форму при стиску без ознак тріщин, надривів і зламів виробляється проба на осідання.

Здатність листового металу до штампування визначають пробій на видавлювання, а до утворення загину - пробій на подвійний покрівельний замок. Дріт перевіряють на скручування і навівання, труби - на загин, сплющивание, бортование і т.д.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я