Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 [ 40 ] 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

тора) определенной формы и размера. Эта формулировка пригодна не для всех существуюплих методов оценки твердости. Разнообразие этих методов н разный физический смысл чисел твердости затрудняют выработку общего определення твердости как механического свойства. В разных методах и при различных условиях проведения испытания числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление малым пли большим пластическим деформациям, сопротивление материала разрушению.

По широте применения испытания иа твердость, особенно при комнатной температуре, конкурируют с наиболее распространенными испытаниями на статическое растяжение. Это объясняется простотой, высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, возможностью оценки свойств отдельных структурных составляющих и тонких слоев на малой площади, легко устанавливаемой связью результатов определения твердости с данными других испытаний. Прн измерении твердости в поверхностном слое образца под индентором возникает сложное напряженное состоянне, близкое к объемному сжатию, которое характеризуется наибольшим коэффициентом мягкости (й>2) по сравнению с другими видами механических испытаний. Поэтому возможны получение «пластических» состояний, исключение разрушения и оценка твердости практически любых, в том числе и хрупких металлических материалов.

Способы определения твердости делят иа статические и динамические - в зависимости от скорости приложения нагрузки, а по способу ее приложения - на методы вдавливания н царапания. Наиболее распространены методы, в которых используется статическое вдавливание нндентора нормально поверхности образца.

Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно подготовить поверхностный слой образца. Он должен по возможности полно характеризовать материал, твердость которого необходимо определить. Вес повердсностные дефекты (окалнна, выбоины, вмятины, грубые риски н т. д.) должны быть удалены. Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от применяемого нндентора и величины прилагаемой нагрузки. Чем меньше глубина вдавливания нндентора, тем выше требуется чистота поверхности и тем более строго нул<но следить, чтобы свойства поверхностного слоя не изменились вследствие наклепа или разогрева при шлифовании и полировке.

Нагрузка прилагается по оси вдавливаемого нндентора перпендикулярно к испытуемой поверхности. Для соблюдения этого условия плоскость испытуемой поверхности образца должна быть строго параллельна опорной поверхности. Неплоскне образцы крепят на специальных опорных столиках, входящих в комплект твердомеров.

Результаты испытаний на твердость зависят от продолжительности приложения нагрузки к вдавливаемому нндеитору н выдержки иод нагрузкой. Прн постоянной нагрузке Р линейный размер отпечатка

dbx, (75)

где т - время выдержки нндентора под нагрузкой; 6, п - коэффициенты, зависящие от свойств материала и величины Р.

В зависимости от т различают кратковременную н длительную твердость. В стандартных методах определяют кратковременную твердость при комнатной температуре. Здесь обычно т= 0-30 с. Длительная твердость оценивается прн повышенных температурах н используется как характеристика жаропрочности материала.

Определяя твердость всеми методами (кроме мнкротвердости), измеряют суммарное сопротивление металла внедрению в нею нндентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляю-

Ших. Поэтому получающийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть по размеру значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих (диаметр нли длина диагонали отпечатков при измерении твердости меняется от 0,1-0,2 до нескольких миллиметров). Неизбежные различия в структуре разных участков образца приводят к разбросу значений твердости, который тем больше, чем меньше размер отпечатка.

1. Твердость по Брииеллю

При стандартном (ГОСТ 9012-59) измерении твердости но Бри-неллю стальной шарик диаметром О вдавливают в испытуемый образец под приложенной определенное время нагрузкой Р; после снятия нагрузки измеряют диаметр d оставшегося fra поверхности образца отпечатка (рис. 141).

Рис. UI. Схема напряженного состояния в зоне пластической де* фпрмаг1ии (заштрихована) при определении твердости по Брииеллю

Рис. 142. Расчетные кривые распределения напряжений вдоль оси вдавливания шарового нндентора (В, К. Григорович)

В поверхностном слое под индентором идет интенсивная пластическая деформация и вытеснение материала из-под нндентор,а (см. рис. 141). Расчетные кривые распределения упругих напряжений вдоль осн вдавливания показывают, что все нормальные иапрян<ення (5, 52 и 5з) плавно снижаются по мере удаления от индеитора, а касательные напряжения Uax достигают максимума на глубине, равной половине радиуса сферической поверхности касания индеитора с образцом, а затем уменьшаются (рнс. 142). По другим направлениям напряжения тоже снижаются.

Распределение напряжений прн пластической деформации иод индентором не должно существенно меняться но сравнеинго с упругой деформацией. Пластически деформирующийся объем окружен «твердым», упруго-напряженным материалом, в результате чего н возникает схема напряженного состояния, близкая к гидростатическому сжатию. При этом сопротивление пластической деформации (5вданл) оказывается примерно в четыре раза больше сопротивления одноосному сжатию

(5сж): 5адавл = ( I ~Ь л;) 5сж.

Металл, вытесненный индентором, оказывается над первоначаль-

рой плоскостью образца {см. рис. !41) и может искажать форму отпечатка (при любой форме индентора). Чем выше пластичность испытываемого материала, тем больший объем участвует в пластической деформации, меньше высота образующегося около отпечатка гребня над первоначальной плоскостью и дальше этот гребень от края отпечатка.

Диаметр отпечатка получается тем меньше, чем выше сопротивление материала образца деформации, производимой нндентором. Число твердостн по Бринеллю (НВ) есть отношение нагрузки Р, действующей на шаровой нндентор диаметром Д к площади F шаровой поверхности отпечатка:

НВ = P/F = Р/. Тогда

НВ = P/D

D-VE - d)

(76)

Площадь отпечатка определяется и по глубине вдавливания индентора h (без снятия нагрузки): F=nDh (77).

Прн определении твердости по Бринеллю шариком с D = 10 мм под нагрузкой Я=30 кН и времени выдержки т=10 с число твердостн записывают так: НВ400, НВ 250, нли НВ=30000 МПа. Прн использовании других условий испытания индекс НВ дополняют цифрами, указывающими диаметр использованного шарика, мм, нагрузку, кгс, н продолжительность выдержки, с. Например, НВ 5/750/30-350 - это число твердостн по Бринеллю (350), полученное при вдавливании шарика с D5 мм нагрузкой Р=750 кгс (7500 И) в течение т=30 с.

Твердость по Бринеллю определяют при помощи шарового индентора диаметром 2,5; 5 нли 10 мм. Инденторы изготавливают из стали с твердостью ие менее 8500 МПа. Методом Брннелля можно испытывать материалы с твердостью от НВ8 до НВ 450. При большей твердостн образца шарнк-нндентор остаточно деформируется на величину, превышающую стандартизованный допуск.

Из формулы (76) следует, что для получения одинаковы.х значений НВ одного и того же образца при использовании шариков разного диаметра необходимо постоянство отношений P/D и djD (условие геометрического подобия отпечатков при использовании шарового ии-дентора). Но на практике такого постоянства добиться невозможно. Отношение djD поддерживают в пределах 0,2-0,6. Для получения отпечатка оптимальных размеров необходн.мо правильно подобрать соотношение между нагрузкой и диаметром шарика. Рекомендуемые нагрузки и диаметры шариков для определения НВ различных металлических материалов с учетом ГОСТ 9012-59 приведены в табл. 13.

Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей 10 с, для цветных металлов и сплавов 30 (при Р ?=10 и 30) Н!П! 60 с (прн Я/0 = 2,5). Зная заданные при испытании Р п D п измерив d, находят число твердости НВ по стандартным таблицам.

Для определения твердости по Бринеллю применяют специальные приборы. На рас. 143 показана схема одного нз них, типа ТШ-2, широко используемого в лабораторной практике.

Прибор смонтирован в массивной станине. На подъемном винте 2, перемещающемся при вращении маховика устанавливаются сменные опорные столнкн 5 для испытуемых образцов. В верхней части

Таблица 13

Нагрузки (Р) и диаметры (D) шариков, рекомендуемых для

станины расположен шпиндель 6, в который вставляют сменные наконечники с шариками разных диаметров. Шпиндель опирается на пружину 9, предназначенную для приложения к образцу предварительной нагрузки 1000 Н для устранения смещений образца во время иснытання. Основная нагрузка прилагается через систему рычагов. На длинном плече основного рычага 15 размещена подвеска, иа которую накладываются сменные грузы 18. Комбинацией грузов можно задать нагрузки от 625 до 30000 Н. Вращение вала электродвигателя 21 посредством червячной передачи сообщается шатуну 19, он опускается, и нагрузка передается на шпиндель прибора. Продолжительность испытания задается передвижным упором. Когда шатун доходит до него, срабатывает коицевой переключатель и электродвигатель начинает вращаться в обратную сторону, шатун поднимается, н нагрузка снимается со шпинделя. По возвращении шатуиа в исходное положение электродвигатель автоматически выключается.

Основной недостаток метода Бринеллю - отсутствие геометри-

W 17 16 15 Ш

Рнс. 14.3. Схема прибора ТШ-2 для определения твердости по Бри1[еллю: /-маховик; 1 - подъемный винт; 5 - шкала для задания времен» в1=держ-чи под 1та1-рузкой; 4 - кнопка-выключатель; 5 - опорный столик: 6 - шпиндель для индикатора; 7 - упорный чехол; 8 - втулка; 9 - пружина; 10 - шпиндель; - сигнальная лампа; /?, /5-рычагн; /5 -серьга; /4-микропереключатель; /6 - вилка; /7-шатун; /5 - грузы; j9 - кривошип; 20-редуктор; 21 - электродвигатель

ческого подобия отпечатков. Это делает не строгим количественное сопоставление чисел твердости разных материалов, полученных прн разных значениях отношений dlD. Для устранения этого недостатка Мей-ер предложил определять число твердости как отношение нагрузки к площади проекции отпечатка с учетом влияния нагрузки на диаметр отпечатка: F=ad\ (78), где а п п - константы материала. Следовательно, число твердости по Мейеру

нм =

(79)

Из формулы (78) следует, что если d=\, то Я=а. Таким образом, константа а равна силе вдавливания шарика, когда диаметр его отпечатка равен I мм. Величина а зависит от материала образца и диаметра шарика D. С увеличением D глубина отпечатка уменьшается; следовательно, уменьшается объем вытесненного шариком металла и сила вдавливания Ра. Константа п не зависит от О и определяется в осноаним коэффициентом деформационного упрочнения. Она меняется в диапазоне 2-2,6.

Число твердости НМ - более строгая характеристика возникающих под индентором напряжений. Оно характеризует среднее контактное давление, действующее на поверхности отпечатка. При расчете НМ относят нагрузку к площади проекции восстановленного отпечатка (после снятия нагрузки). В этом смысле НМ можно рассматривать как характеристику истинных напряжений в луике, в то время как число твердости но Брииеллю НВ является характеристикой условных на-пряжепий, ибо при расчете НВ = Я/лШ нагрузку относят к площади поверхиостн невосстановленного отпечатка.

Отношение НВ/НМ=1--ф, где Jj-степень деформации в лунке при данном напряжении НВ. Средняя степень деформации поверхностного слоя прн вдавлнваннн шара в плоскость по М. П. Марковцу = (М-F) (М, где М - площадь поверхности невосстановленного отпечатка, а F-площадь проекции восстановленного отпечатка. Тогда деформация в невосстановленной лунке

ф„= \l2[\-V\~(dlDf Остаточная деформация в восстановленной лунке Ч, = 1 - (djdf + (djdf (h/D,),

(80)

где Di-диаметр кривизны восстановлеииой лунки, Di= {0,25d + li)lli, h - ее глубина, da - диаметр круга, нз которого выдавливается шаро-аой сегмент {du<id).

Таким образом, величина определяется отношением djD; чем оно больше, тем больше деформации в лунке и меньше отношение НВ/НМ. Только нрн (i/D<0,15 (ф<1 %) разница между числами твердости НВ и НМ становится незначимой {<! %) и их можно приравнивать одно к другому.

М. С. Дрозд предложил новое, названное пластическим, число твердости, основанное на закономерностях изменения размеров отпечатка от величины нагрузки. При статическом вдавливании шарика в плоскую поверхность достаточно большого металлического образца сначала происходит чисто упругая деформация. На этой стадии теория упругости дает следующую зависимость глубины вдавливания hy от нагрузки Р:

где ki(\-~v\)(nEu 2= (I-V2)/n£2, vi, V2, £"1, f?. -коэффициенты Пуассона п модули Юнга материалов образца и шарика соответственно; -радиус нндентора.

Формула (81), таким образом, определяет вид диаграммы упругого вдавливания шарика Р-h.

По достижении глубины вдавливания, примерно равной полоание радиуса площади контакта шарика с образцом, начинается пластическая деформация, развивающаяся при увеличении Р и Л. Снятие нагрузки после любой деформации сопровождается упругим восстановлением отпечатка W. Оно особенно велико по осн вдавливания.

В результате измеряемые в обычных испытаниях остаточные размеры отпечатка, особенно Л, значительно (на 12-25%) меньше, чем

Рис. 144. Диаграммы пластического вдавливания шарового нндентора по М, С- Дрозду (а) и (б) по М. П, Марковцу

у невосстановленного отпечатка. Величина упругого восстановления W = hn-hocT, где hn - полная глубина вдавливания индеитора; ост- глубина восстановленного отпечатка.

Чем больше нагрузка иа нидеитор, тем менее значительна доля W от Лц.

На Стадии пластической деформации характер зависимости P~h аналитически не установлен. Экспериментально показано, что с увеличением нагрузки на пидентор глубина восстаиовлеиного отпечатка растет линейно (рис. 144, а). Точка ири Лост = 0 соответствует нагрузке Ps, по достижении которой в центре отпечатка только начинается пластическая деформация. Величина этой нагрузки определяется пределом текучести (упругости) материала п соответствуег ему по своему физическому смыслу.

Для дальнейшего развития пластической деформации (углублошя отпечатка после его упругого восстановления) необходимо повышение нагрузки относительно Pg, Это есть проявление деформационного упрочнения. Диаграмма Р-Лосг в определенной мере аналогична диаграммам деформации, которые получают при статических испытаннях. Наклон прямой Р-Лост характеризует коэффициент деформационного упрочнения материала tga=(P-Рв)/Лосг.

Еслн перестроить теперь «первичную» диаграмму вдавливания в координатах Р-дОЛост (примерная площадь восстановленного отпечатка) или Р-Dhocx, то для данного материала прн нспользоваиии разных шариков получим серию параллельных прямых, отличающихся по уровню нагрузок на величину Р (рнс. 145,а). Прямые, относящиеся к разным материалам, отличаются наклоном-коэффициентом деформационного упрочнения. Естественно, что в координатах (Р- -Ре)-Dfiaci для каждого материала прн любом диаметре шарика