Современная НТД на оборудование и методики определения характеристик механических свойств материалов при нормальных температурах.

Изучена и проанализирована современная нормативно-техническая документация на оборудование по определению механических свойств материалов . Описаны стандартизированные методики определения характеристик механических свойств материалов при нормальных температурах.
...

ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Современная нормативно-техническая документация на оборудование по определению механических свойств материалов
Глава 2. Методики определения характеристик механических свойств материалов при нормальных температурах 10
2.1. Методы испытаний на растяжение
2.2. Методики определения модуля упругости
2.3. Методы испытаний на сжатие
2.4. Методы испытаний на статический изгиб
2.5. Методы испытаний на твердость
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Нормативно-техническая документация устанавливает правила для выполнения работ в определенной области деятельности и указывает на требования к качеству продукции. Качество металлов и изделий на их основе оценивается по результатам механических, химических, технологических, металлографических испытаний и наружного осмотра. Механические свойства устанавливают по результатам статических, динамических и усталостных (на выносливость) испытаний.
Изучают механические свойства материалов при различных температурах (пониженной, нормальной, повышенной), а также с разными видами нагружения (растяжение, сжатие, кручение, изгиб, вдавливание специального наконечника-индентора ‒ испытание на твердость и др.). Основные испытания материалов необходимо проводить в соответствии с ГОСТами, которые устанавлив ают определяемые механические характеристики, требования к используемому оборудованию, методы испытания, типы и размеры испытываемых образцов и последовательность их нагружения, порядок обработки результатов испытания и оценки достоверности полученных результатов.
Многообразные внешние механические воздействия на конструкцию можно свести к четырем видам:
1) однократное кратковременное статическое нагружение. Оно характеризуется медленным возрастанием нагрузки и деформации, которая приводит к разрушению конструкции за относительно небольшой промежуток времени;
2) длительное статическое нагружение. На результат этого нагружения существенное влияние оказывает температура металла и продолжительность нагружения;
3) нагружение при циклически изменяющихся напряжениях. Оно приводит к усталостному разрушению материала;
4) ударное нагружение.
В связи с этим целью работы является изучение современной нормативно-технической документации на оборудование и методик определения характеристик механических свойств материалов при нормальных температурах.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
‒изучить действующую нормативно-техническую документацию на оборудование для проведения механических испытаний;
‒описать стандартизированные методики определения характеристик механических свойств материалов при нормальных температурах;
‒сделать выводы.

ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов и конструкций из них номинальным диаметром или наименьшим размером в поперечном сечении 3,0 мм и более для определения при температуре 20°C (или в диапазоне от +10°C до +35°C) характеристик механических свойств:
предела пропорциональности;
модуля упругости;
предела текучести физического;
предела текучести условного;
относительного равномерного удлинения;
относительного удлинения после разрыва;
относительного сужения поперечного сечения после разрыва;
временного сопротивления.
Образцы для испытаний рекомендуется изготовлять с использованием металлорежущих станков. При изготовлении образцов необходимо принимать меры, исключающие возможность изменения свойств металла при нагреве или наклепе, возникающих в результате механической обработки. Такими мерами могут быть охлаждение, соответствующие режимы обработки. Глубина резания при последнем проходе не должна превышать 0,3 мм.
Можно испытать сортовой прокат, литые образцы и готовые изделия без предварительной механической обработки при наличии указаний в нормативно-технической документации на правила отбора проб, заготовок и образцов или на металлопродукцию. При этом следует учитывать допуски на размеры, предусмотренные для испытываемых изделий.
Испытания проводят на двух образцах. Другое количество образцов для испытаний может быть предусмотрено в нормативно-технической документации на металлопродукцию.
Для испытания на растяжение применяют пропорциональные цилиндрические или плоские образцы диаметром или толщиной в рабочей части 3,0 мм и более с начальной расчетной длиной  или . Предпочтение следует отдавать коротким образцам.
Литые образцы и образцы из хрупких материалов допускается изготовлять с начальной расчетной длиной .
Допускается применять и другие типы образцов при наличии указаний в НТД на металлопродукцию. Это могут быть и непропорциональные образцы. Для этих образцов начальная расчетная длина устанавливается независимо от начальной площади поперечного сечения образца.
В нормативно-технической документации на правила отбора проб должны указываться тип и размеры образца. Применение при испытании пропорциональных образцов других размеров допускается. Соотношение между шириной и толщиной в рабочей части образца не должно превышать 8:1 для плоских образцов.
Способом крепления образцов в захватах испытательной машины определяют форму и размеры головок и переходных частей цилиндрических и плоских образцов. Способ крепления должен исключить проскальзывание образцов в захватах, деформацию головок, смятие опорных поверхностей, разрушение образца в местах перехода от рабочей части к головкам и в головках.
Рабочая длина образцов должна составлять:
от  до  - для цилиндрических образцов,
от  до  - для плоских образцов.
При разногласиях в оценке качества металла рабочая длина образцов должна составлять:
 - для цилиндрических образцов,
 - для плоских образцов.
При использовании тензометров допускается применение образцов с другими рабочими длинами l, величина которых больше указанных.
Для испытаний на растяжение используется следующее оборудование. Разрывные и универсальные испытательные машины должны соответствовать требованиям ГОСТ28840. Штангенциркули ‒ при соответствии требованиям ГОСТ166. Микрометры ‒ при соответствии требованиям ГОСТ6507. Возможно применять другие измерительные средства. При этом должно быть соблюдено условие обеспечивания измерения с погрешностью не более ±0,5%. Тензометры должны удовлетворять требованиям НТД. Относительная цена деления шкалы тензометра не должна превышать 0,005% от начальной расчетной длины по тензометру le при определении предела пропорциональности и пределов текучести условных с допусками на величину пластической или полной деформации при нагружении или остаточной деформации при разгружении до 0,1%. При определении предела текучести условного с допуском на величину деформации от 0,1 до 1% - не должна превышать 0,05% от начальной расчетной длины по тензометру le. Линейки металлические должны удовлетворять требованиям ГОСТ 427.
Необходимые геометрические размеры образцов измеряют с погрешностью не более ±0,5% для определения начальной площади поперечного сечения. Измерение размеров образцов до испытания проводят в трех местах и более - в средней части и на границах рабочей длины.
 Предел пропорциональности σпц определяют: с помощью тензометров (расчетный способ); по начальному участку диаграммы, записанной от электрических силоизмерителя и измерителя деформации (графический способ) . После приложения к образцу начального усилия Ро, соответствующего напряжению, равному 5-10% от предполагаемого предела пропорциональности σпц, устанавливают на образец тензометр или измеритель деформации.
При определении предела пропорциональности σпц  расчетным способом после установки тензометра проводят нагружение образца равными ступенями до усилия, соответствующего напряжению, равному 70-80% от предполагаемого предела пропорциональности σпц. Число ступеней усилия должно быть не менее 4. Время выдержки на каждой ступени до 5-7 с.
Дальнейшее нагружение проводят более мелкими ступенями. Когда приращение удлинения для малой ступени нагружения превысит среднее значение приращения удлинения (при той же ступени усилия), дальнейшее нагружение прекращают. Определяют среднюю величину приращения удлинения на малую ступень нагружения. Найденную величину увеличивают в соответствии с принятым допуском. Определяют усилие Рпц, соответствующее подсчитанному значению приращения удлинения.
Модуль упругости Е определяют: с помощью тензометров (расчетный способ); по начальному участку диаграммы растяжения, записанной от электрических силоизмерителя и измерителя деформации (графический способ).
Тензометр или измеритель деформации устанавливают на образец после приложения к нему начального усилия Ро , соответствующего напряжению, равному 10-15% от предполагаемого предела пропорциональности σпц.
После установки тензометра проводят нагружение образца равными ступенями. Нагружение производится до усилия, соответствующего напряжению, равному 70-80% от предполагаемого предела пропорциональности σпц. Каждый раз величина ступени нагружения должна быть равной 5-10% от предполагаемого предела пропорциональности σпц . По результатам испытаний определяют среднюю величину приращения удлинения образца Δlср, мм, на ступень нагружения ΔР, Н (кгс).
Рассмотрим механические характеристики, определяемые при испытании хрупких и пластичных материалов на сжатие по ГОСТ 25.503. Механические свойства материала при приложении сжимающих нагрузок определяют по ГОСТ 25.503. Этим ГОСТом предусматривается по результатам испытаний образцов на сжатие определение следующих механических характеристик: модуля упругости, предела пропорциональности, предела упругости, физического предела текучести, условного предела текучести, предела прочности.
Стандарт также устанавливает методику испытания образцов на сжатие для построения кривой упрочнения и оценки ее параметров. Для определения механических свойств материалов при сжатии испытывают цилиндрические образцы четырех типов: с гладкими торцами I–III типов и торцевыми выточками IV типа. Тип и размеры образца выбирают по соответствующей таблице из вышеуказанного стандарта.
Испытание на статический изгиб производят по ГОСТ 14019-2003. Испытание на изгиб в соответствии с ГОСТ 14019 служит для определения способности металла выдерживать заданную пластическую деформацию, характеризуемую углом изгиба. Также это испытание служит и для оценки предельной пластичности металла при изгибе, характеризуемой углом изгиба до образования первой трещины. Для испытания на изгиб используются универсальные испытательные машины. Испытание на изгиб листового, полосового и фасонного металла и лент проводят на плоских образцах. При толщине проката до 30 мм включительно образцы изготовляют с сохранением поверхностных слоев проката. При толщине проката более 30 мм делают механически обработанные образцы толщиной 25 мм, при этом на одной стороне образца сохраняют поверхность проката, и она при изгибе должна находиться на растянутой стороне. Ширина образцов b должна быть равной двум толщинам последних, причем для образцов толщиной 5 мм и менее ширина их должна быть равна 10 мм [16-19].
Из продукции сечением более 30 мм могут быть изготовлены цилиндрические образцы диаметром 25 мм, а из металла квадратного сечения со стороной квадрата более 30 мм – плоские, механически обработанные с одной стороны, толщиной 20 мм. Длину образца, если она не оговорена в нормативно-технической документации на металлопродукцию, устанавливают в зависимости от толщины материала и оправки. Ориентировочную длину образца L в миллиметрах вычисляют по формуле:
L=2(a+D)+100‒150, (1)
где а – толщина (диаметр) образца, мм;
D – диаметр оправки, мм.
Толщину оправки устанавливают в соответствии с нормативно-технической документацией на металлопродукцию. При отсутствии таких указаний толщину оправки принимают равной двум толщинам (диаметрам) испытуемого образца. Радиус закругленной части оправки должен быть равен половине ее толщины. Радиус закругления опор R должен быть не менее толщины образца.
Расстояние между опорами принимают равным D+2,5a с округлением до 1 мм в большую сторону. Образец с постоянной площадью поперечного сечения подвергают изгибу сосредоточенной нагрузкой в середине пролета между опорами (рисунок 1). Испытание на изгиб проводят: до заданного угла; до появления первой трещины в растянутой зоне образца с определением угла изгиба; до параллельности сторон; до соприкосновения сторон. Угол изгиба измеряют без снятия нагрузки.
При испытании на изгиб на жестко закрепленной в тисках оправке образец одним концом зажимают в тисках и изгибают на заданный угол. Угол изгиба измеряют без снятия нагрузки.
Рисунок 1. Изгиб сосредоточенной нагрузкой в середине пролета между опорами
Следует определить характеристику изломов при испытании малопластичных материалов. Картина разрушения при изгибе определяется характером разрушения материала при растяжении. Это связано с тем, что разрушение всегда начинается в растянутой зоне образца. У хрупких и малопластичных материалов наблюдается отрыв, т.е. излом будет перпендикулярен направлению растягивающих напряжений. У ряда материалов с ограниченной пластичностью четко выявляется характер разрушения в виде разрушения путем среза. Высокопластичные материалы, как отмечалось, не разрушаются при изгибе [20-22].
Следующей механической характеристикой является ‒ твердость. Под твердостью понимают свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации или разрушению при внедрении более твердого тела – индентора. Существующие методы измерения твердости значительно отличаются друг от друга по форме применяемого индентора, условиям приложения нагрузки и способу расчета чисел твердости. Наиболее распространены методы, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца.
Результаты испытаний на твердость зависят от продолжительности приложения нагрузки к вдавливаемому индентору и продолжительности выдержки под нагрузкой. При постоянной нагрузке линейный размер отпечатка составит:
d = b· tn, (2)
где t – время выдержки индентора под нагрузкой Р;
b и n – коэффициенты, зависящие от свойств материала и величины Р.
Различают кратковременную и длительную твердость. В стандартных методах определяют кратковременную твердость при комнатной температуре. Здесь обычно t = 10 ÷ 30 с. При измерении твердости в поверхностном слое образца под индентором возникает сложное напряженное состояние. Оно имеет схожесть с объемным сжатием, которое характеризуется отсутствием нормальных растягивающих напряжений при наличии значительных касательных напряжений. Это способствует возникновению пластического состояния и оценке твердости практически любых, в том числе и очень хрупких, материалов. В то же время напряженное состояние в приповерхностных слоях характеризуется значительной неоднородностью.
Сравнивать показатели твердости материалов можно только при условии, что они определены одинаковыми методиками. Среди стандартных методик испытания на твердость наибольшее практическое значение имеют статические испытания вдавливанием шарика (по Бринеллю – шкала В, по Роквеллу –шкалы В, F, G, E, H, K), конуса (по Роквеллу – шкалы А, С и D), пирамиды (по Виккерсу), пирамиды и бицилиндрического наконечника (по методу микротвердости). Измерение твердости перечисленными методами производится в соответствии с действующими ГОСТами. Общим обозначением численного результата определения твердости служит латинская буква Н [16-20]. Дополнительной буквой отмечается способ определения твердости:
НВ – твердость по Бринеллю;
HR – твердость по Роквеллу; HV – твердость по Виккерсу;
Н□, Н◊,HΔ, Н0 – микротвердость (в зависимости от формы алмазного наконечника).
Твердость по Бринеллю. ГОСТ 9012 устанавливает метод измерения твердости по Бринеллю металлов и сплавов с твердостью не более 450 ед. при использовании в качестве индентора стального шарика и 650 ед. при использовании в качестве индентора твердосплавного шарика.
Сущность метода заключается во вдавливании шарика в образец под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки. Твердость по Бринеллю НВ (HBW – при использовании в качестве индентора твердосплавного шарика) выражается отношением
приложенной нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка F по формуле:
(3)
где D – диаметр шарика, мм;
d – диаметр отпечатка, мм.
При определении твердости по Бринеллю применяются шарики диаметром 10; 5; 2,5; 2; 1 мм с твердостью не менее 850 HV 10 для стального и 1500 HV 10 для твердосплавного. Форма отпечатка при различной глубине и соответствующих ей нагрузках не сохраняет геометрического подобия, и поэтому значение твердости зависит от величины приложенной нагрузки и времени ее приложения, особенно для пластичных материалов. Поэтому в ГОСТ 9012 оговорены уровни применяемых нагрузок, зависящих от соотношения К и D, приведенных в таблицах 2-3.
Диаметр шарика и соответствующую нагрузку надо выбирать так, чтобы диаметр отпечатк находился в пределах 0,25-0,6D. Для выбора К (соотношение между нагрузкой и квадратом диаметра шарика) рекомендуется пользоваться данными таблицы 3.
Таблица 2. Уровень нагрузки в зависимости от значения диаметра
Таблица 3. Рекомендуемые значения К
Продолжительность выдержки под нагрузкой должна быть для черных металлов от 10 до 15 с, для цветных металлов и сплавов –от 10 до 180 с (в зависимости от материала и его твердости). Число твердости имеет размерность кгс/мм2, которая в соответствии со стандартом не пишется. Твердость, равная 185 ед. по Бринеллю при условии, что D = 10 мм, Р = 3000 кгс и продолжительность выдержки под нагрузкой от 10 до 15 с, обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами НВ, например185 НВ, если использован стальной шарик.
При других условиях испытания после букв НВ (HBW) указываются условия испытания в следующем порядке: диаметр шарика, нагрузка и продолжительность выдержки под нагрузкой. Для получения правильных результатов необходимо соблюдать следующие условия:
‒поверхность, подготовленная для испытания на твердость, должна быть плоской, параллельной опорной стороне, гладкой, сухой и свободной от посторонних веществ;
‒наклеп и нагрев поверхности образца недопустимы;