Испытание на вязкость разрушения

Вязкость разрушения - это относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещина при переходе ее от стабильной к не стабильной стадии роста. Вязкость разрушения тесно связана с показателями прочности материала увеличение прочности сопровождается снижением пластичности и вязкости разрушения. Это объясняется тем, что у высокопрочных материалов мала энергия, поглощаемая при разрушении уровень которой определяется величиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопрочных материалов эффект увеличения прочности существенно перекрывается снижением пластичности, в результате чего вязкость разрушения уменьшается. Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения, чем высокопрочные с понижением температуры прочность растет и при определенных условиях поведение материала средней и низкой прочности становится таким же, как у высокопрочного материала при комнатной температуре. При низких температурах испытание вязкости разрушения можно проводить на образцах меньших размеров.

Вязкая трещина определяется относительным развитием нормально и наклонно участков разрушения. У достаточно толстых образцов с высоко развитой поверхность нормально разрушения вязкость разрушения приближается к предельному значению в условиях плоской деформации. Знания вязкости разрушения позволяет определять максимально допустимые напряжения конструкции при наличии трещин определенной длины. Статические, динамические и циклические испытания сопротивления развитию вязкой трещины сводятся к следующему в образцах определенной формы и размера наводится искусственная трещина. Затем производят нагружение образца с одновременной записью нагрузки и смещения берегов трещины. Имеются виды образцов для определения вязкости разрушения при нагружении: цилиндрический образец с кольцевым надрезом и трещиной для испытаний на осевое растяжение и изгиб; плоский образец с центрально сквозной трещиной на осевое растяжение, плоский образец с боковым односторонним надрезом и трещиной для испытаний на растяжения плоский образец с боковым надрезом и трещиной для испытаний на сосредоточенный изгиб. Форму и размеры образцов для определения характеристик вязкости разрушения выбирают с учетом цели испытания и назначения. Вовремя опыта производится автоматическая запись данных о нагрузке на образец и росте трещины. После того как образец трещины подготовлен, он устанавливается в испытательной машине и производится его непрерывное нагружение с одновременной записью диаграммы нагрузка. Образцы должны иметь толщину, обеспечивающую разрушения в условиях плоской деформации. Основным недостатком испытаний на вязкость разрушения в условиях плоской деформации является необходимость использования больших образцов при исследовании материалов средней и низкой прочности.

Испытания на износостойкость

Испытания на износостойкость допускается проводить:      - путем организации и проведения специальных триботехнических испытаний;      - в рамках планируемых и проводимых испытаний по отработке изделий по показателям качества, в том числе надежности и безопасности, и подтверждению этих показателей.  Специальные триботехнические испытания следует проводить, когда:   - от износостойкости отдельных элементов изделия зависит безопасность его эксплуатации;   - изнашивание является основным видом разрушения изделия;   - от показателей износостойкости зависят технико-экономические характеристики изделия.    Испытания на износостойкость опытных образцов изделий проводят в составе предварительных и (или) приемочных испытаний.    На этапе постановки изделий на производство проводят контрольные испытания на износостойкость установочной серии изделий или первой промышленной партии.    Испытания на износостойкость серийных изделий проводят в составе периодических, типовых испытаний и сертификационных испытаний. Испытания проводят по методам, содержащимся в стандартах, технических условиях или по отдельным методикам, утвержденным в установленном порядке.    Испытания на износостойкость следует проводить с целью решения одной или нескольких следующих задач:   - получения триботехнических характеристик конструкционных и смазочных материалов, необходимых для обоснованного выбора материалов и смазок при проектировании узлов трения;   - оперативного оценивания эффективности мероприятий по совершенствованию свойств материалов и конструкций трущихся сопряжений;    - исследования закономерностей трения и изнашивания, к которым относится комплекс работ по определению влияния различных факторов на скорость изнашивания и абсолютную величину износа;    - изыскания новых материалов и исследования их износостойкости;    - получения исходных данных для расчетов элементов машин на трение и износостойкость;   - определения характеристик процесса изнашивания и соответствующей им степени потери работоспособности;   - определения изменения выходных параметров изделия и, в первую очередь, параметров безопасности в зависимости от износа отдельных элементов;   - выбора наилучших конструктивно-технологических решений;   - выбора оптимальных условий эксплуатации и режимов работы машин и приборов;   - контроля износостойкости материалов, пар трения и изделий;   - осуществления контроля технологической стабильности производства триботехнических материалов и готовой продукции по критериям трения и изнашивания;   - оценки надежности и безопасности узлов трения и их отдельных элементов (в том числе при сертификации) по параметрам износостойкости.     Для достижения каждой из целей испытаний на износостойкость, указанных в 4.6, следует устанавливать рациональный цикл испытаний (РЦИ), при котором иерархически построенные этапы испытаний предусматривают использование результатов испытаний на предыдущем этапе при проведении испытаний на последующих этапах Виды испытаний на износостойкость и их характеристика            

Виды (этапы) испытания	Объекты испытаний	Условия испытаний	Характеристика получаемых данных	Область применения
1 Лабораторные испытания образцов материала	Образцы материала	Вариация нагрузкой и (или) температурой при различных условиях и видах воздействий окружающей среды	Оценка совместимости пар трения; определение предельных силовых и тепловых нагрузок и установление критических точек, после которых наблюдается заметное изменение силы трения или уменьшение износостойкости	Исследование новых материалов, приближенная оценка области их рационального применения, анализ механических и физико-механических процессов в поверхностных слоях. Контроль стабильности свойств материалов при их производстве
2 Лабораторные испытания малогабаритных образцов	Малогабаритные образцы трибосопряжения	Моделированные условия внешнего воздействия, обеспечивающие воспроизведение заданного процесса изнашивания, температурно- силовых полей такой же интенсивности, как в натурных трибосопряжениях	Фрикционно- износные характеристики пары трения при заданных условиях	Испытаниям должно предшествовать определение масштабных коэффициентов перехода.            Анализ износостойкости материала, исследование процесса изнашивания. Получение исходных данных для натурных испытаний
3 Стендовые испытания	Натурные образцы трибосопряжений, сборочные единицы	Воспроизведение на стенде реальных условий эксплуатации	Показатели износостойкости при моделированных условиях эксплуатации	Оценка влияния на фрикционно-износные характеристики пары трения конструкции трибосопряжения. Установление ресурса изнашивания элементов и норм допустимого износа. Контроль качества при производстве
4 Полигонные испытания	Готовые изделия, комплексы	Моделированные на полигоне условия, соответствующие одному или нескольким внешним воздействующим факторам	Показатели и значение износа при моделировании одного или нескольких воздействующих факторов на полигоне	Оценка влияния конструкции и одного или нескольких внешних воздействующих факторов на износостойкость трибосопряжений
5 Эксплуатационные испытания	Готовые изделия и комплексы	Реальное разнообразие условий изнашивания или типовые условия эксплуатации	Ресурс изделий по параметрам износостойкости	Оценка влияния конструкции изделия и реальных условий эксплуатации на износостойкость

Испытание на ударную вязкость

Ударная вязкость - сложная механическая характеристика. Величина ее зависит и от пластичности и от прочности испытываемого материала. Чем выше пластичность и чем больше напряжения на всем протяжении испытаний, тем большая работа, которую необходимо затратить на пластическую деформацию и разрушение в процессе испытания, то есть тем больше ударная вязкость. Поэтому испытания на ударную вязкость обычно более чувствительны к изменению факторов, влияющих на прочность и пластичность (химический состав, дисперсность структуры, форма зерен и т.д.), чем статические испытания, при которых отдельно оцениваются характеристики прочности и пластичности.

Поскольку работа, затраченная при испытаниях на ударную вязкость, идет на пластическую деформацию какой-то части объема образца, правильнее было бы относить ее к этому объему, а не к площади поперечного сечения образца. Но измерение объема деформированной части образца затруднительно; кроме того работа, затраченная на пластическую деформацию распределена по этому объему неравномерно. Поэтому обычно работу, затраченную на пластическую деформацию и разрушение, относят к площади поперечного сечения образца, хотя строгого физического смысла это отношение не имеет.

Проведение испытаний на ударную вязкость может иметь различное назначение:

1. Оценка поведения металла при динамических нагрузках, если детали или изделия из этого металла подвергаются в процессе эксплуатации таким нагрузкам, потому что, как уже говорилось, механические свойства при динамических нагрузках могут отличаться от тех, которые металл проявляет при статическом разрушении.

2. Контроль качества металла, поскольку динамические испытания более чувствительны к различным дефектам, возникающим в процессе производства и обработки (микротрещины, неметаллические включения, вредные примеси, неоднородность химического состава и структуры и т.д.)

3. Оценка склонности металла к хладноломкости, т.е. к переходу из вязкого состояния в хрупкое при понижении температуры. Это явление характерно для металлов с ОЦК и ГПУ решеткой. Статические испытания обычно не позволяют оценить склонность металла к переходу в хрупкое состояние и температуру этого перехода, т.к. при статических испытаниях образцы могут сохранять значительную пластичность при охлаждении до очень низких температур. Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом являются наиболее жестким видом испытаний из всех стандартных испытаний механических свойств. Поэтому температура перехода в хрупкое состояние при динамических испытаниях выше, чем при статических, и поэтому она может быть определена при динамических испытаниях даже для таких материалов, которые при статических разрушаются вязко при самых низких температурах. Кроме того, проведение испытаний на ударную вязкость при низких температурах значительно проще, чем проведение статических испытаний.

Все это обусловливает то, что испытания на ударную вязкость, несмотря на указанные выше недостатки этой характеристики, являются основным способом оценки склонности металлов к хладноломкости

Для исследования склонности металла к хладноломкости и определения температуры перехода в хрупкое состояние проводят серию испытаний на ударную вязкость при пониженных температурах. Температура резкого уменьшения ударной вязкости называется порогом хладноломкости. Часто переход из вязкого состояния в хрупкое, сопровождающийся значительным уменьшением ударной вязкости происходит в интервале температур. В таких случаях говорят о верхнем и нижнем пороге хладноломкости, т.е. о температуре начала и конца этого перехода. Иногда в таких случаях за критерий склонности металла к хладноломкости принимают условный порог хладноломкости, т.е. температуру при которой ударная вязкость получается не ниже определенной величины.

Испытание на кручение

Для испытания на кручение может быть использована испытательная машина, которая обеспечивает: свободное кручение образцов без каких-либо дополнительных нагрузок на образце в течение всего процесса испытания; центрирование образца в захватах с несоосностью не более 0,1 мм на каждые 100 мм; плавность статического нагружения (без толчков и ударов); свободное перемещение одного из захватов вдоль оси образца; измерение нагрузки с погрешностью, не превышающей ±1% от величины измеряемой нагрузки, начиная с 0,2 наибольшего значения каждого диапазона, но не ниже 0,04 предельной нагрузки; вариации показаний силоизмерителя при повторных нагружениях и нагрузке, не превышающие допускаемую погрешность силоизмерения; возможность нагружения с точностью одного наименьшего деления шкалы силоизмерителя испытательной машины; сохранение постоянства показаний силоизмерителя в течение не менее 30 с; измерение угла закручивания с погрешностью, не превышающей 1°.

Для испытания на кручение в качестве основных применяют цилиндрические образцы с диаметром в рабочей части 10 мм и с расчетной длиной 100 и 50 мм, с головками на концах для закрепления в захватах испытательной машины.

При испытании на кручение величину нагрузки отсчитывают с точностью до одного деления шкалы силоизмерителя. Точность измерения углов соответствует цене деления угломера. Вычисление механических характеристик по результатам испытаний проводится с точностью 1 %.

 Определение модуля сдвига при кручении.

Устанавливают и закрепляют испытуемый образец в захватах испытательной машины. Нагружают образец крутящим моментом, соответствующим начальному касательному напряжению, составляющему 10% ожидаемого предела пропорциональности материала, закрепляют на рабочей части образца угломер и отмечают первоначальное показание угломера, принимаемое за нулевое.

Нагружение образца крутящим моментом осуществляют равными ступенями (не менее трех) таким образом, чтобы напряжения в образце не превышали предела пропорциональности, и регистрируют на каждой ступени нагружения углы закручивания образца на его расчетной длине. Время регистрации угла закручивания не должно превышать 10 с.

Модуль сдвига при кручении (G) в МПа вычисляют по формуле:

Модуль сдвига при кручении может быть также определен по тангенсу угла наклона прямолинейного участка диаграммы деформации, соответствующего упругому деформированию, если масштаб диаграммы обеспечивает не более 0,01% относительного сдвига на 1 мм оси абсцисс и не более 1 МПа касательного напряжения на 1 мм оси ординат.

Догружают образец вначале большими, а затем малыми ступенями, отмечая после каждой ступени нагружения угловую деформацию. Нагружение большими ступенями осуществляют до 80% ожидаемого предела пропорциональности. Ступени малых нагружений выбирают так, чтобы до достижения предела пропорциональности было не менее пяти ступеней малых нагружений. Значение малой степени нагружения должно соответствовать увеличению касательного напряжения не более 10 МПа.

Испытание прекращают, когда угловая деформация от нагружения на малую ступень превысит не менее чем в два раза среднее значение угловой деформации, полученное на предыдущих ступенях нагружения на линейном участке.

Определяют значение приращения угла закручивания на малую ступень нагружения на линейном участке. Полученное значение увеличивают в соответствии с принятым допуском. По результатам испытаний определяют нагрузку, соответствующую подсчитанному значению приращения угла закручивания. Если вычисленная в соответствии с принятым допуском величина угловой деформации повторяется несколько раз, то за нагрузку принимают первое (меньшее) значение нагрузки.

Предел пропорциональности при кручении ( ) в МПа вычисляют по формуле:

^,

    

Предел текучести при кручении   в МПа вычисляют по формуле:

^.

 Определение условного предела прочности при кручении

Устанавливают и закрепляют образец в захватах испытательной машины и нагружают до разрушения, фиксируя разрушающую нагрузку T_к. Одновременно регистрируют максимальный угол закручивания   на расчетной длине образца, который используется при подсчете 

Условный предел прочности при кручении ( ) в МПа вычисляют по формуле:

^.

Вычисляют относительные углы закручивания ( ) в рад/мм по формуле

^,

По вычисленным значениям   и нагрузки T_i строят конечный участок кривой в координатах   (можно также воспользоваться диаграммой  ,зарегистрированной в процессе испытания). Для точки кривой, соответствующей моменту разрушения образца, графически определяют величину  , равную тангенсу угла между касательной к кривой в этой точке и осью абсцисс (с учетом масштаба).Размерность указанной величины рад/мм.

Истинный предел прочности при кручении ( ) в МПа вычисляют по формуле:

^,

Максимальный остаточный сдвиг при кручении ( ) вычисляют по формуле:

^,

Испытание на сжатие

Прежде чем приступить к испытанию образцов на прочность, определяют мощность пресса, необходимую для испытаний. В основу выбора положено правило: нагрузка, разрушающая образец, должна составлять не менее 0,2 и не более 0,8 от предельной нагрузки Fmax пресса (при заданной шкале измерения нагрузки).

Плита пресса должна всей плоскостью примыкать к поверхности образца. Это условие может быть нарушено при изгибе плит во время испытания образца. Чтобы этого не произошло, необходимо соблюдать определенное соотношение между размерами плит и образца: ширина образца должна быть не более 1,25 толщины плиты.

Подготовка к испытанию. Перед испытанием проверяют состояние поверхности плит пресса. Она должна быть чистой, без следов грязи и масла, так как последние сильно меняют условия испытания.

Для определения прочности на сжатие применяют образцы (кубы, цилиндры, призмы различных размеров), установленные стандартами на соответствующий материал.

Ход испытаний. Образцы помещают строго на середину нижней плиты пресса, имеющей разметку для центровки образца. Для правильной центровки образцов применяют также специальные шаблоны, прикрепляемые к нижней плите пресса и про-градуированные так, что при совмещении центра образца с центром шаблона включается сигнальное устройство. После этого вращением маховика верхнюю плиту приближают к образцу так, чтобы между ними оставался небольшой зазор. Поворачивая в зависимости от конструкции пресса верхнюю или нижнюю плиту, имеющую шаровую шарнирную головку, добиваются, чтобы зазор по всей поверхности образца был равномерный. Затем вращением маховика верхней подвижной плиты образец зажимают между плитами, при этом достигается полное примыкание всей поверхности нижней и верхней граней образца к поверхности плит пресса. Далее верхнюю плиту приподнимают настолько, чтобы между ней и верхней поверхностью образца зазор составлял 2…5 мм. Установка образца в пресс на этом заканчивается.

Перед включением пресса необходимо убедиться, что предел измерения нагрузки выбран правильно. Для этого проверяют соответствие установки рычага переключения диапазонов измерения требуемому пределу. При измерении усилия манометрами включают нужный манометр, а все остальные манометры отключают, главным образом те, которые используются для измерения меньших нагрузок. Для переключения манометров каждый из них на пульте управления имеет свой вентиль.

Указательная стрелка силоизмерителя должна стоять на нуле, а фиксирующая — быть на нуле или сдвинута так, чтобы предельная ожидаемая нагрузка соответствовала большему числу делений, чем то, против которого она установлена. Маховик регулирующего вентиля и маховик сброса масла должны быть закрыты.

После включения электродвигателя пресса вращением маховика регулирующего вентиля открывают подачу масла в рабочий цилиндр. При этом следят за исчезновением зазора, оставленного между верхней гранью образца и плитой пресса, и за началом движения указательной стрелки силоизмерителя. Требуемую скорость увеличения нагрузки устанавливают опытным путем с помощью регулирующего вентиля.

Момент разрушения образца определяют по началу обратного движения указательной стрелки силоизмерителя при работающем нагружающем устройстве.

Предельную (разрушающую) нагрузку снимают по показанию фиксирующей стрелки. Если последней нет, внимательно следят за указательной стрелкой. За предельную нагрузку принимают наибольшее число делений, достигнутое движущейся стрелкой. При испытании слабых образцов разрушение более продолжительно и нередко наблюдается плавный сброс нагрузки. В этом случае за предельную нагрузку на образец также принимают наибольшее число делений по шкале, достигнутое указательной стрелкой.

После разрушения образца, не выключая двигатель, необходимо плавно сбросить масло из гидроцилиндра в бак. Для этого открывают вентиль сброса и закрывают регулирующий вентиль. Затем двигатель выключают. Куски разрушенного образца аккуратно удаляют с нижней и верхней плит пресса мягкой щеткой или тряпочкой. После этого пресс готов для испытания следующего образца.

Для вычисления предела прочности при сжатии определяют разрушающую силу Рр либо непосредственно по силоизмерите-лю, либо по тарировочным таблицам, прилагаемым к прессу. При использовании манометров разрушающая сила может быть вычислена как произведение площади поршня пресса на максимальное давление масла в прессе в момент разрушения (максимальное показание манометра).