Связь характеристик твердости с характеристиками прочности металлов и сплавов

Если рассматривать твердость как среднее контактное напряжение при внедрении индентора, то это напряжение можно связать с характерным напряжением при других испытаниях материалов, например растяжением. Уже давно известна эмпирическая связь твердости по Бринеллю НВ с временным сопротивлением при растяжении ст_в:

где k — коэффициент, зависящий от материала и его структурномеханического состояния.

Однако обоснованное установление связи между ст" и НВ можно выполнить при анализе диаграмм растяжения и вдавливания материалов с различным уровнем прочности и твердости.

Диаграмму вдавливания можно получить при постепенном внедрении сферического индентора диаметром D в испытуемый материал. Измеряя нагрузку вдавливания Р и диаметр восстановленного отпечатка <7 на каждой ступени нагружения, рассчитывают текущие контактные напряжения ИВ и контактные деформации у^вл по следующим формулам:

На рис. 3.11, а показана диаграмма вдавливания в координатах «НВ — у^вл» для стали 20 (с содержанием углерода 0,2%). Рядом (рис. 3.11,6) показана диаграмма растяжения в координатах «а — 8».

Рис. 3.11. Диаграммы вдавливания (а) и растяжения (б) стали 20 в области пластической деформации для этой же стали в области пластической деформации. Между рассматриваемыми диаграммами вдавливания и растяжения наблюдается явная аналогия.

Сходство диаграмм вдавливания и растяжения, а также наличие на них общих физических точек дают основание для оценки характеристик прочности по характеристикам твердости. Поэтому предел текучести а_{() 2}, соответствующий остаточной деформации при растяжении бод ⁼ 0,2%, следует оценивать по твердости на пределе текучести НВ₀,₂. соответствующей остаточной деформации при вдавливании |/ц^Л = 0,2% (см. рис. 3.11). Аналогично временное сопротивление а, соответствующее предельной равномерной деформации при растяжении 5_В, следует оценивать по максимальной твердости НВ_тах, соответствующей деформации при вдавливании (см. рис. 3.11). При выполнении этих условий связь между указанными характеристиками прочности и твердости будет общей и устойчивой для широкого круга конструкционных материалов:

где коэффициент с ~ 0,33.

Диаграмму вдавливания сферического индентора можно получить в автоматизированном режиме путем непрерывной регистрации нагрузки Р и глубины отпечатка t. Общий вид такой диаграммы непрерывного вдавливания индентора аналогичен диаграмме, изображенной на рис. 3.10. С помощью программных средств диаграмма «Р — г» преобразуется в диаграмму «Н В — у^вл», по которой могут быть определены ПВ₀, 2 и ПВ_пшх.

Для получения диаграмм вдавливания «НВ — у^1!Д» и определения ао, 2 и <�т" созданы стационарные и переносные приборы и разработаны специальные методики. А сам метод определения механических свойств материалов по характеристикам твердости получил название безобразцового метода контроля, поскольку он нс требует изготовления и испытания образцов. Основное преимущество безобразцового метода заключается в возможности оперативного определения механических свойств металла на готовых изделиях без их разрушения.

На рис. 3.12 показан общий вид переносного прибора МЭИ-Т7, установленного на трубопроводе, для безобразцового контроля механических свойств металла в цеховых условиях.

Прибор состоит из двух узлов (переносного или лабораторного). Подвижная часть испытательной головки включает в себя корпус 13, ползун 14 и может перемещаться по стойке 3. В корпусе головки расположен силоизмерительный механизм, состоящий из плоской пружины 5, штока 7 и индикатора 1. Шток нижним концом упирается в один из инденторов 11, вмонтированных в державку 12. Для измерения диаметра отпечатка на корпусе закреплен микроскоп 2. Подсветка микроскопа осуществляется с помощью батареек, расположенных в полости стойки 3, и тумблера 19. Нагружающий механизм испытательной головки включает в себя зубчатую рейку, закрепленную на стойке 3, вал-шестерню 20, расположенный в ползуне 14, и рукоятку 6. Ползун 14 соединен с корпусом 13 фиксатором 8. Подъем фиксатора их гнезда ограничителя поворота 15, закрепленного на ползуне 14, осуществляется рычагом 4. В результате этого корпус и ползун разъединяются и головка поворачивается относительно стойки. Испытательная головка закрепляется на переносном столе 17 и перемещается относительно последнего с помощью рычага хода 16, что позволяет при одном закреплении прибора на изделии 18 при помощи втулочно-ролико;

Рис. 3.12. Безобразцовый контроль механических свойств металла трубопровода переносным прибором МЭИ-Т7.

вой цепи 10 и натяжного устройства 9 выполнять несколько испытаний в различных местах изделия.

Особый практический интерес безобразцовый метод представляет для оперативной диагностики фактических механических свойств металла элементов конструкций и машин на стадиях их изготовления и эксплуатации. Если при изготовлении оборудования безобразцовый контроль механических свойств позволяет выявить их изменение под воздействием технологических факторов, то в период эксплуатации — под воздействием эксплуатационных факторов. Кроме того, безобразцовый метод эффективен при разработке новых материалов и технологий их обработки, а также при определении механических свойств металла в локальных зонах концентрации напряжений и деформаций изделий машиностроения. При упрочнении поверхностных слоев деталей различными методами безобразцовый метод контроля является единственным методом для определения механических свойств тонких поверхностных слоев металла и оценки качества их упрочнения.