РАЗДЕЛ II
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕГРАДАЦИИ МАТЕРИАЛА НА РАЗНЫХ ЭТАПАХ НАРАБОТКИ
2.1 Метод твердости как эффективное средство в исследовании деградации
материала.
В последние годы в научных исследованиях широкое распространение получили
методы твердости, с помощью которых, не разрушая изделия, казалось бы, можно
определять механические характеристики, а также проводить контроль качества
металла, оценку состояния его структуры. Связь твердости с такими механическими
характеристиками как предел прочности и текучести, а также характеристиками
пластичности можно находить, построив диаграмму твердости [25; 28; 78]. В
работах [32; 58] показано, что взаимосвязь между микротвердостью (или
твердостью) и пределом текучести носит линейный характер.
Эти методы нашли свое применение при проведении физико-химического анализа
материала, при определении твердости крупногабаритных изделий, сварных швов, а
также при определении твердости тонких поверхностных слоев.
Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление упругому и
пластическому деформированию при локальном нагружении индентором. Существует
много методов определения твердости, которые можно классифицировать по
характеру учитываемой деформации (упругая, пластическая, упругая и пластическая
и др.), по характеру приложения нагрузки (статическая и динамическая), а также
по величине прилагаемой нагрузки (макро-, микро- и нанонагрузки) [30; 77; 85;
115].
Наиболее удобными с практической точки зрения и часто применяемыми оказались
методы Бриннеля, Виккерса и Роквелла. Все три метода осуществляются путем
статического вдавливания индентора в испытуемую поверхность. Однако, форма
индентора, класс испытуемых материалов, а также величина прикладываемых
нагрузок у всех трех методов разные. Разными получаются и результаты испытаний.
Повышению точности измерений способствует строгая регламентация системы
испытаний и совершенствования соответствующих испытательных средств.
Широкое распространение получил один из первых методов измерения твердости –
метод Бриннеля (ГОСТ 9012-59).
Осуществляется этот метод посредством вдавливания стального закаленного шарика
под действием некоторой приложенной нагрузки в испытуемый материал со стороны
поверхности, которая заранее должна быть механически обработана.
В области непосредственно под индентором, когда происходит его внедрение в
материал, возникают пластические деформации, и
Рис. 2.1 Схема измерения твердости по Бриннелю
Рис. 2.2 Распределение напряжений в области под индентором:
1 – фmax=(S1-S2)/2; 2 – S2=S3; 3 - S1; r - глубина в радиусах
поверхности касания
реализуется трехосное напряженное состояние, близкое к гидростатическому сжатию
(рис. 2.1). Кривые распределения нормальных и касательных напряжений в области
под индентером можно построить, используя теорию Герца о вдавливании жесткого
индентора, а именно, шара, в твердое тело (рис. 2.2). Поскольку область
пластически деформируемого материала мала по сравнению с испытуемой
поверхностью, то деформации такого порядка малости
можно не учитывать. Сопротивление вдавливанию будет равно [28; 1; 37].
Диапазон прикладываемых нагрузок для этих испытаний составляет от 1562,5Н до
30Ч104 Н. Выбор одной из этих нагрузок для каждого частного случая зависит от
испытуемого материала. Диаметр шарика выбирается из ряда 2,5; 5 и 10мм, а
твердость испытуемого материала определяется по проекции сферического
отпечатка:
, (2.1)
где .
Метод Бриннеля имеет свои существенные недостатки. Во-первых, не соблюдается
закон механического подобия, который заключается в том, что не зависимо от
величины прикладываемой нагрузки, отпечатки должны быть геометрически
подобными. Поэтому с увеличением нагрузки определяемое число твердости растет.
Рис. 2.3 Схема измерения твердости по Виккерсу
Во-вторых, этот метод ограничен классом материалов. Нельзя испытывать
материалы, твердость которых превышает твердость индентора (твердость
закаленного шарика), так как в процессе такого рода испытаний шарик будет
деформироваться, и проекция отпечатка будет больше, а, следовательно, значение
твердости – занижено [77].
В-третьих, методом Бриннеля нельзя измерять твердость тонких поверхностных
слоев.
Одним из недостатков, которого можно избежать, является наклеп, возникающий в
результате вытеснения шариком некоторого объема материала. Минимальное
расстояние между отпечатками должно быть не менее двух их диаметров.
Наиболее распространенным в настоящее время является метод Виккерса (ГОСТ
2999-75).
В зависимости от выбранной нагрузки этот метод позволяет измерять как твердость
крупногабаритных изделий, так и твердость микрообъемов.
Метод осуществляется вдавливанием в подготовленную поверхность испытуемого
материала четырехгранной алмазной пирамиды с углом 136о между противолежащими
гранями (рис. 2.3). Выбор величины угла не случаен. Он характеризует
взаимосвязь между измерениями твердости по Бриннелю и по Виккерсу для
определенных материалов, твердость которых не превышает 4000 Н [28; 41].
Для измерения макротвердости (твердости) прикладываются нагрузки от 5 до 120
кг, при превышении которых возможно повреждение алмазного индентора.
К достоинствам метода определения макротвердости можно отнести: соблюдение
закона механического подобия при измерении макротвердости [29], распространение
его на более широкий класс
материалов (от мягких материалов до очень твердых), более высокая точность
измерения