> Техника, страница 50 > Испытание материалов

Испытание материалов

Испытание материалов, экспериментальное определение их механич. и физич. свойств, знание которых необходимо для расчета сооружений и машин. В более узком смысле слова, под И. м. подразумевается механич. испытание с целью выяснения механич. прочности материала. На практике применяются следующие виды механич. испытания: 1) на разрыв (растяжение), 2) на раздробление (сжатие), 3) на изгиб, 4) на загиб, 5) на кручение, 6) на твердость, 7) на усталость, 8) на удар, 9) на износ, 10) на обрабатываемость и 11) технологические пробы. Для различных специальных материалов (бумага, проволока, жесть, ремни, цементы, камень, дерево, дорожные материалы) употребляются, кроме того, особые методы, здесь не упомянутые.

I. Испытание на разрыв. Испытание на разрыв представляет собой основной и наиболее распространенный вид И. м. Для производства испытания служат испытательные машины, назначение которых сообщать образцу из испытуемого материала удлинение и одновременно измерять величину растягивающей силы. По механической схеме различаются машины: а) задающие постоянную скорость деформации (например посредством винтового пресса) и б) задающие постоянную скорость нагружения (например посредством равномерного перемещения груза по нагружающему рычагу). Отчетливое изучение законов механич. сопротивления материалов возможно только при первой схеме, почему она получила почти исключительное распространение. По техническим приемам работы машины классифицируются в зависимости от устройства а) механизма для производства деформации и б) механизма для измерения силы. Первый обычно бывает или механическим, в узком смысле слова, или гидравлическим. В первом случае применяется почти исключительно винт, натягиваемый шестерней с червячной передачей; при вращении червяка шестерня, играющая роль гайки винта, втягивает или выталки- ть·

вает последний. В более мощных машинах таких винтов, которые работают параллельно, бывает несколько (до четырех). Нагрузка машины производится или вручную, или от

,_А_

Я—

1"—7

J-Г

3---

	Н
	Г
jis	ц
J j

Фигура 1.

электромотора (в последнем случае непосредственно), или при помощи трансмиссии. Для работы на разных скоростях либо ставят моторы, допускающие достаточно широкое изменение скоростей, либо между мотором и машиной включают специальную переменную передачу. Последняя строится или по принципу фрикционной передачи (европ. система) или по принципу коробки скоростей (ам рик. система). При наличии механич. двигателя параллельная возможность работы от руки является обязательной для каждой машины, так как пользование зеркальным прибором для измерения упругих деформаций при работе мотора невозможно.

Гидравлическое производство деформаций достигается посредством гидравлического пресса, особенно часто—при машинах большой мощности (свыше 100 тонн). В простейших случаях употребляется простой ручной насос, которым рабочая жидкость (обычно — касторовое масло) нагнетается под поршень машины, с давлением до 200 atm. При более крупных установках применяются электромоторы. Гидравлич. привод позволяет работать на аккумуляторах, в которых жидкость под определенным рабочим давлением заготовляется впрок. Аккумуляторы бывают гравитационные, паровые и воздушные; последние применяются обычно лишь при отдельных машинах для смягчения толчков насоса, тогда как первые и вторые обслуживают группу машин. В этом случае громоздкие аккумуляторные и насосные установки м. б. вынесены из машинного зала, а управление машинами становится особенно простым и заключается лишь в приоткрывании или закрывании распределительного крана.

Механизм, измеряющий с и-л у, применяется обычно одного из следующих четырех типов: 1) рычаг с грузом,

2) пружинный динамометр (с рычажной передачей и без нее); 3) металлич. манометр;

4) ртутный манометр.

1) Рычаг с грузом применяется в трех видоизменениях: подвижной груз, неподвижный груз и маятниковый рычаг. Подвижной постоянный груз перемещается по длинному плечу снабженного шкалой рычага, на короткий конец которого измеряемая сила действует непосредственно (Мор и Федергаф) или после многократного уменьшения системой промежуточных рычагов (Олсен, Риле, Альфа). Перед каждым отсчетом рычаг приводится в горизонтальное положение, проверяемое язычками, как у десятичных весов, стрелкой с рычажной передачей или уровнем. Груз снабжен указателем с нониусом, по которому берется отсчет шкалы. К этой группе машин относится большинство рычажных машин: русские—А. Гагарина, германские— Мора и Федергафа, Лозенгаузена, английские — Буктона, американские — Олсена, Риле и шведские — Альфа. Большей частью эти машины снабжаются автоматич. приспособлением, устанавливающимподвиж-ной груз в положение равновесия (часовой механизм, электромагнитная связь, фрикционный механизм, переключатель перемещающего груз мотора и тому подобное.). На фигуре 1 изображена получившая большое распространение рычажная машина Мора и Федергафа (изготовляется силою до 50 ж). Здесь А—нижний захват образца, опускаемый с помощью механич. привода, заключенного в цоколь машины и обслуживаемого мотором М; В—верхний захват, передающий нагрузку при помощи системы рычагов и тяг С, D на рычаг со шкалой Е, по к-рому перемещается уравновешивающий груз F. Неподвижный переменный груз остается приложенным к одной и той же точке рычага, но изменяется по величине так, чтобы рычаг становился каждый раз в горизонтальное положение. Груз составляется при этом из десятичного набора гирь, которые вешаются на рычаг в определенной последовательности. Способ этот обладает большой точностью и применяется в наиболее точных машинах Мартенса (фигура 2), Эмери (Селлерс), Вердера. Машина Эмери (имеется в Механической лаборатории Ленинградского политехнического института) отличается совершенно исключительной чувствительностью, вполне отвечающей точности, с которой м. б. измерена сила. Построенная впервые для арсенала Уотертаун близ Бостона, она позволила при испытании разорвать железный стержень диаметром 125 миллиметров с измеренным сопротивлением в 328 тонн и вслед за ним конский волос толщиной 0,075 миллиметров с сопротивлением в 450 в Маятниковый рычаг измеряет момент уравновешивающего груза посредством изменения угла наклона маятника. При этом сила, действующая на короткое плечо маятника, в малых машинах передается непосредственно от образца, в больших же машинах — уменьшена системой

ч промежуточных рычагов (машины Шоппе-ра—фигура 3, Польмейера, новейшие машины Мора и Федергафа).

2) Пружинные динамометры обычно применяются лишь для самых малых нагрузок, и только в последнее время

Фигура 2.

фирма Шпис в Германии использовала их для испытательных машин обыкновенной мощности. Удобство пружинного динамометра состоит в возможности непосредственного отсчета нагрузки в каждый момент испытания; надежность его, однако, меньше, чем рычага с грузом.

3) Металлические манометры (Бурдона) применяют в испытательных машинах путем непосредственного присоединения к рабочему гидравлическому цилиндру машины, что возможно только в машинах с гидравлич. производством деформаций, и путем включения в механизм особого передаточного органа, превращающего силу механического сопротивления образца в гидростатическое давление. В первом случае манометр измеряет давление жидкости в рабочем цилиндре, которое, будучи умноже

Фигура з. но на площадь поршня, дает величину усилия, передаваемого на образец (здесь остается неучтенной потеря на трение поршня о стенки цилиндра, достигающая 0,5—1% от нагрузки). При втором способе между захватом машины и манометром ставится особый гидравлическ. трансформатор (Mess-dose—измерительная коробка), трансформирующий механическое усилие в гидравлич. давление. Он представляет собой (смотрите Динамометры, фигура 2) низкий гидростатический цилиндр с поршнем, на который непосредственно действует измеряемая сила. Для того чтобы при передаче давления на жидкость не имела места заметная потеря на трение, в нем применен принцип упругой мембраны (металлической или резиновой), перекрывающей зазор между поршнем и стенками цилиндра. Преимущество этого способа измерения нагрузок заключается в непрерывности показаний прибора; недостаток—в затруднительности поверки и контроля, а также в меньшей точности по сравнению с рычажными приборами. Метод предпочтителен в заводской обстановке, при быстрой и интенсивной работе. Кроме трансформаторов прямого действия, в испытательных машинах встречаются и обращенные, превращающие гидростатическое давление рабочего цилиндра в механическое усилие, отклоняющее маятник. На фигуре 4 показана машина Амслера (Швейцария), строящего все свои машины с гидравлич. производством деформаций. Сила измеряется при помощи маятникового манометра, приводящего в движение стрелку циферблата. Для уменьшения трения в цилиндре особым ручн. приводом вращают поршень во время работы пресса (замена трения покоя меньшим трением движения).

Фигура 4.

4) Ртутные манометры, применимые только для машин с гидравлическим производством деформаций, в последнее время почти совсем вышли из употребления.



{			1
13

Фигура 5.

Для измерения упругих деформа-ц и й, в виду их обыкновенно незначительной величины, требующей точности порядка 10~³ миллиметров, применяются специальные измерительные приборы. Из них наибольшим распространением пользуется зеркальный прибор Мартенса (фигура 5). Удлинение образца вызывает поворот прижатой к нему стальной приз-мочки, к которой прикреплено зеркальце S. Угол поворота зеркальца а, пропорциональный (при малых деформациях) удлинению образца Я, измеряется методом Пог-гендорфа-Гаусса с помощью шкалы и зрительной трубы. Для исключения влияния изгиба к образцу прикрепляют два прибора на диаметрально противоположных его образующих. Обыкновенно цена деления шкалы составляет 0,002 миллиметров удлинения.

Для той же цели служат: экстенсометры с микроскопами (Юнга), малоудобные по своей тяжести, но простые в обращении; экстенсометры с микрометрическими винтами (кембриджский, Олсена), работающие по нулевому способу (то есть не дающие непрерывных показаний) и в этом отношении неудобные; экстенсометры с механическ. передачей на стрелку (Кеннеди, Олсен и Риле), доведенные в последнее время (американские типы) до высокого совершенства, свободные от мертвого хода, допускающие быструю установку и дающие точность одного порядка с зеркальным прибором. Экстенсометры, построенные на принципе интерференции света (Менаже, Грюнейзен), измерении электропроводности (Гийери) или радио-техническ. методике (Виддингтон, Генфорд), применяются лишь при научных изысканиях, когда требуется повышенная точность.

Измерение неупругих деформаций производится простыми методами: масштабными линейками, штангенциркулями, простейшими экстенсометрами с механической передачей (Кеннеди) и тому подобное. В результате испытания строится диаграмма растяжения либо по точкам либо с помощью различных автографических приспособлений, которыми обычно снабжены испытательные машины. По одной оси откладываются относительные удлинения ε (отношение приращения длины образца к его начальной длине), по другой—напряжения а (отношение растягивающей силы к исходной площади поперечного сечения F₀). Для железа и мягкой стали типовая диаграмма растяжения имеет вид, показанный на фигуре 6. До точки Р, по закону Гука, сохраняется пропорциональность между а и ε (предел пропорциональности); практически до той же точки материал не получает остающихся деформаций (п р е-дел упругости). Коэффициент пропорциональности Е между напряжениями о и удлинениями ε образца в формуле α= Εε носит название модуля упругости, или модуля Юнга. При точке S образец сразу получает значитель ное остаточное удлинение (1—2%) при постоянном значении Силы, то есть течет (предел текучести, площадка текучести, критическая точка). Иногда (для образцов с плавным переходом от цилиндрической части к головкам) в начале участка текучести появляется зубец, свидетельствующий о неустойчивом повышении напряжения выше предела текучести. При дальнейшем увеличении деформации сопротивление образца снова возрастает (смотрите Наклеп), достигая максимума в точке R (временное сопротивление а _в=после чего начинается об разование местного сужения (шейки), сопротивление образца падает, и, наконец, он рвется в точке Т. Шейка имеет различный вид в зависимости от рода и качества материала (шкала изломов—вкладн. лист, 1—7).

В отношении пределов упругости и пропорциональности можно говорить об их значениях: а) истинных, недоступных определению, б) приближенных, зависящих от точности приборов, и в) условных, определяемых ради однозначности каким-либо условным способом. Практическое значение имеет лишь последняя группа. Для предела упругости назначается предельная величина остаточного удлинения (от 0,001%, по нормам Международного об-ва испытания материалов, до 0,03%, по нормам лаборатории Круппа), для предела пропорциональности — предельная величина отклонения от прямолинейности (увеличение тангенса угла наклона касательной к оси напряжений на 50% — метод Джонсона, НКПС). Предел текучести ясно выражен только для немногих материалов, для которых он имеет физич. характер (мягкая сталь, некоторые сорта” латуни после специальной обработки). Для стали появление площадки текучести, как показал Кестер, обусловлено раз- Ψ/ο,μ^μ/μ,Λ j

рывомхрупкойцементит-. . ¹

ной оболочки зерен,образовавшейся при распадении (при 300—400°) растворенного в феррите углерода. Для остальных металлов на диаграмме растяжения перелом в точке £ отсутствует, и определяется условный предел текучести, задаваемый величиной пластической деформации (например в Германии 0,02%).

После разрыва образца определяется о с-таточное удлинение (5, или относительное увеличение расчетной длины 1₀в процентах, и сужение шейки у> (иногда называемое сжатием), или относительное уменьшение исходной площади поперечного сечения:

, Напряжение 6

Фигура 6.

<5 =

1-1,

Ψ =

F, -F

I, ’ ^т F,

Площадь диаграммы растяжения представляет собой работу деформации, а частное от деления ее на исходный объём образца — удельную работу деформации, которая измеряется в килограммахсм на см³, или в кз/сж². Эта работа почти полностью (за вычетом 5—15%) обращается в тепло, вызывая нагревание образца.

Если построить диаграмму истинных напряжений (то есть отнесенных не к исходной, а к действительной величине площади сечения образца, то получающаяся кривая показывает непрерывное возрастание до самого разрыва; соответствующее последней точке напряжение называется истинным сопротивлением разрыву и значительно превышает временное сопротивление (до двух раз и более).

Для получения при испытании в разных условиях одинаковых результатов должны быть соблюдены определен, требования, касающиеся размеров и формы образца и скорости испытания. Опытами установлено (закон подобия Барба и Кика), что одинаковые относительные деформации при одинаковых напряжениях получают только геометрически подобные образцы. Поэтому Международное общество испытания материалов установило нормальные типы подобных между собой круглых образцов нескольких размеров; в частности во всех случаях отношение расчетной длины (то есть той длины, для которой рассчитывается остаточное удлинение) к диаметру принято равным 10. Так как, по Баушингеру, удлинение не изменяется при замене круглых образцов прямоугольными (1:4) равновеликого поперечного сечения, то допускается применение и прямоугольных образцов; условие надлежащего соотношения размеров выражается при этом зависимостью:

1₀=11,31^/П.

При вычислении сужений шейки, как показали Закс и Кунце, для получения одинаковых с круглыми образцами результатов следует измерять толщину поперечного сечения шейки в самом узком ее месте (на середине ширины). Однако, вследствие неоднородности материала и случайных причин даже вполне подобные образцы могут разорваться неодинаково, давая шейку то посередине, то вблизи головки. В последнем случае общее удлинение образца оказывается меньшим, и для получения сравнимых чисел измеряют удлинение условным способом, пересчитывая его на удлинение образца с шейкой посередине, а именно: измеряют относительное удлинение для половины расчетной длины, отсчитывая ее от места разрыва в сторону наиболее удаленной головки; для этого до начала испытания на поверхность образца с помощью делительной машины наносят деления через 0,5—1 см.

Скорость испытания отражается на диаграмме испытания так, что увеличение скорости влечет за собой повышение всей диаграммы в целом. Для легкоплавких металлов (олово, свинец, цинк) это влияние проявляется весьма сильно и может привести к повышению временного сопротивления в несколько раз (например для цинка временное сопротивление при продолжительности испытания в 3 секунды составляет 38 килограмм/мм², при 20 ч.—7,9 килограмм/мм²). Для большинства же технических материалов влияние скорости в обычных пределах невелико (для стали увеличение скорости с нуля до 1,25% в ск. повышает σ_Β на 2,5%; пре дел текучести повышается значительнее, чем а_в); тем не менее требование одинаковой скорости нагружения является обязательным (принято не превышать 1 килограмм!мм² в ск.). Сильное уменьшение скорости испытания (разрыв в течение недель и месяцев) также

для остальных же металлов (цветные металлы), наоборот, σ_Β резко понижается и в особо неблагоприятных условиях (нек-рые сорта латуни), как показал Вельтер, может упасть даже до предела текучести.

2. Испытание на сжатие. Испытание на сжатие имеет практич. значение лишь для хрупких материалов (чугун, камень), для которых изготовление образцов на разрыв и правильная центрировка их в машине затруднительны. И с-питательные машины для испытания на сжатие представляют собой обычно гидравлич. прессы (например пресс Амс-лера с маятниковым манометром, фигура 7). Один из самых больших прессов построен Олсеном на 5 000 тонн (фигура 8) и служит для испытания на раздробление целых столбов каменной кладки или крупных железных мостовых элементов (стержней). Некоторые машины на растяжение (Олсен,

Эмери, Гагарин, Риле) позволяют также работать и на сжатие. Универсальные машины (фигура 9) работают по желанию на растяжение, сжатие и изгиб. Гидравлический цилиндр А перемещает вверх балку В и связанную с ней поперечину С. Площадка Ώ посредством системы рычагов передает

направленное на нее снизу вверх усилие взвешивающему рычагу Е с передвижным грузом. Образец, помещенный выше D, растягивается, помещенный же ниже—сжимается или изгибается.

Большинство материалов обладает при сжатии теми же модулем упругости, пределом упругости и пределом текучести,что и при растежении.

Если, однако, образец был предварительно растянут за предел упругости, то его предел упругости при сжатии оказывается уменьшенным (эффект

Фигура 9.

Баушингера). Временным сопротивлением, как и при растяжении, называется отношение наибольшей (разрушающей) нагрузки к исходной площади поперечного сечения.

Разрушение при сжатии происходит различными способами. Пластичные материалы только сплющиваются, сохраняя целость (железо—вкладной лист, 8); хрупкие ломаются либо от скалывающих напряжений (чугун—вкладной лист, 9, а также каменные и бетонные кубики, которые дают при изломе две сходящиеся вершинами пирамидки) либо от деформации поперечногр расширения (те же кубики при наличии парафиновой смазки по плоскостям соприкасания с досками пресса). Особый вид испытания на сжатие составляет всестороннее (гидростатическое) давление. При таком испытании достаточно однородные материалы не разрушаются (смотрите Прочность), а в случае неравенства главных сжимающих напряжений хрупкие материалы (мрамор, песчаник в опытах Кармана) становятся пластическими и обнаруживают под микроскопом в своих зернах линии сдвигов.

Так как во избежание продольного изгиба (смотрите) отношение высоты h образца к его диаметру d не должен быть больше 4 для хрупких и 2,5 для пластичных материалов, то трение поверхностей образца о доски пресса, создавая фиктивное увеличение прочности, тем большее, чем короче и толще образец, оказывает существенное влияние на результаты по формуле:

R=R + А~,

где А к R — постоянные (Закс); образец при сжатии принимает бочкообразную форму (вкладной лист, 8). Для исключения этого влияния предложено три способа:

а) производя испытание сериями при раз-

d d

ных _h, экстраполируют результат на ^=оэ;

б) применяют образцы, имеющие форму фигура 10, А (Трапезников); в) придают образцам и доскам пресса форму конич. поверхностей (фигура 10, Б), образующие которых наклонены к плоскости поперечного сечения под углом трения (ок. 3° при наличии смазки, Зибель). При этих предосторожностях диаграмма сжатия для одного и того же металла совпадает с диаграммой растяжения, если в обоих случаях на одной оси откладывать истинные напряжения, а на другой— относительные деформации в виде отношения двух площадей поперечных сечений до и после деформации, ставя в числитель ту, которая меньше (Закс).

3. Испытание на изгиб. Это испытание производится или на специальных машинах (Амслера и др.) или на универсальных машинах (смотрите выше) и имеет практич. значение лишь для хрупких материалов (чугун, закаленная сталь, камень). В результате испытания определяется условное временное сопротивление на изгиб по формуле: σ=ψ, где М—наибольший из гибающий момент, a W—момент сопротивления исходного поперечного сечения образца; условность определения вытекает из неприменимости ф-лы за преде- _{У/////////////////}, лом пропорциональности. Для ^гточного вычисления напряжений необходимо учесть различ-

Фпг. ю. ную форму диаграмм растяже- Ш//////ШШ, ния и сжатия (Бах).

Для хрупких материалов, у которых сопротивление разрыву ниже сопротивления раздроблению (чугун, камень), испытание на изгиб заменяет испытание на растяжение, имея преимущество большей простоты образцов и меньшей мощности машин.

Получение однозначных результатов требует соблюдения закона подобия. Для чугуна международные нормы устанавливают следующую зависимость между пролетом I и поперечным сечением F образца:

l=33,3VF.

4. Испытание на кручение. Это испытание применяется редко. Машины для него обычно имеют горизонтальное расположение образца (фигура 11), закручиваемого вручную или от привода. Скручивающий момент М измеряется по углу отклонения тяжелого маятника, ось привеса которого совпадает с осью образца; угол закручивания—по разности углов поворота обеих головок образца. Условное временное сопротивление на кручение определяется по той же ф-ле, что и при изгибе, где М означает наибольший скручивающий момент, a W—полярный момент сопротивления. Материалы, у которых сопротивление разрыву меньше сопротивления скалыванию (наир, чугун), ломаются при кручении по винтовой линии (вкладной лист, 10), то есть по траектории главных напряжений; при обратном соотношении разрушение идет по плоскости, перпендикулярной к оси образца.

5. Испытание на срезывание. Испытание на срезывание не м. б. произведено в чистом виде, всегда сопровождаясь побочным явле

нием изгиба. Обычно это испытание производится на двойное перерезывание; временное сопротивление на срезывание <т_с условно вычисляется по формуле с_с=~, где Р—перерезывающая сила и F₀ —

поперечное сечение образца. Определение сопротивления срезыванию имеет особенное значение для таких анизотропных материалов (дерево), у которых оно значительно понижено (скалывание вдоль волокон).

6. Испытание на твердость. Понятие твердости, как физич. величины, до сих пор не установлено. Поэтому ее определение заменяется условными технологическ. методами, которых применяется несколько.

Статические методы, а) Проба Бринеля заключается во вдавливании в образец стального шарика определенного диаметра D под определенной нагрузкой Р, в измерении диаметра отпечатка d и вычислении среднего напряжения, приходящегося на 1 миллиметров² поверхности отпечатка (твердость по Бринел ю—Н_Вг):

_{я =}_*р___.

^Br nD(D- /D‘~d‘)

Для получения твердости по Мейе-р у (Н_м) делят силу на площадь проекции отпечатка:

Лм.-$·

Между твердостью по Мейеру и диаметром отпечатка существует зависимость, выражаемая показательной ф-ией:

_М,1Н

Н М= Н₀ (“).

где II₀ и п—постоянные. По II_Вг можно грубо вычислить и временное сопротивление а_встали по эмпирич. ф-ле: σ_Β=0,36 Н_Вгдля углеродистых и σ_Β 0,34II_Вг для хромоникелевых сталей. Неудобство пробы Бринеля заключается: 1) в необходимости двух раздельных операций нагружения и измерения диаметра; 2) в невозможности измерения твердости закаленных сталей; 3) в порче поверхности испытываемого предмета. Эти недостатки устранены в следующей пробе. б) Твердость по Роквелу. В исследуемый предмет вдавливается стальной шарик диаметром ¹/_1вди. (1,5 миллиметров) или алмазный конус с углом при вершине в 120°, сначала при нагрузке в 10 килограмм, потом в 100 (или 150) кг. Разность углублений, произведенных вторым и первым нагружением, измеряется автоматически и отсчитывается по циферблату стрелкой в условных единицах дающих число твердости по Роквелу с помощью одной только операции в течение 6 ск. Остающиеся на предмете отпечатки мало заметны. Измерение эффекта разности двух грузов позволяет не заботиться о состоянии поверхности. Алмазный конус допускает испытание закаленной стали любой твердости. в) Твердость по Викерсу. Вдавливается алмазная четырехгранная пирамида (угол 136°) под нагрузкой в 50 килограмм и измеряется диагональ полученного квадратного отпечатка. За число твердости принимается отношение нагрузки к поверхности отпечатка, прочитываемое по особым таблицам. Получающиеся числа совпадают с чи Бринеля. Специальная машина позволяет быстро произвести отпечаток с помощью ножной педали, опустить столик с предметом, подвинуть микроскоп с микрометром и произвести измерение диагонали. г) Твердостьпо Герб^ерту. На отшлифованную поверхность образца ставится подковообразный (весом 2—4 килограмма) маятник, опирающийся с помощью стального или алмазного шарика диаметром 1 миллиметров ц. т. маятника лежит на 0,1 миллиметров ниже центра шарика. Маятнику сообщают легкие качания и измеряют с помощью секундомера продолжительность 10 полукачаний, которая и принимается за число твердости по Герберту—IIн- Чем мягче материал, тем меньше радиус кривизны сделанного в нем шариком отпечатка и тем короче период колебания шарового маятника. Для стекла II_н=100. Числа II_н не пропорциональны II_Вг, но располагают металлы в тот же ряд. Для перевода на шкалу Бринеля служат формулы:

Н_Вг — 1 ОН].] для IIj-j > 33,3,

Я_Вг=0,ЗН_н » Н_н<33,3.

Отпечатки при пробе Герберта совсем незаметны наглаз. д) Твердостьпо Мартенсу определяется на особом приборе (склерометре) с помощью царапания поверхности образца алмазным конусообразным (угол 90°) резцом; ширина черты измеряется посредством микроскопа; за число твердости по Мартенсу принимается нагрузка в г (определяемая интерполированием между двумя опытными нагрузками), при которой ширина черты получается в 0,01 миллиметров. Твердость по Мартенсу отличается от всех упомянутых выше тем, что в основу ее положен процесс резания, а не пластич. деформации. Этим способом можно измерять различную твердость отдельных составляющих сплава (фаз). Твердость по Мартенсу, кроме того,

не увеличивается от наклепа, в противоположность Нвг и др.

Динамические методы. Они имеют преимущество легкого и простого оборудования, но дают не сравнимые со статическими и не всегда достаточно устойчивые числа. а) Метод отскакивания сводится к измерению относительной высоты отскакивания стального шарика, падающего на исследуемую поверхность: чем мягче металл, тем больше работа пла-стич. деформации и тем меньше часть энергии, принимающая потенциальную форму и обусловливающая высоту подскакивания. В склероскопе Шора падает маленькая баба (2,5 г) с алмазным наконечником. Высота отскакивания измеряется наглаз в условных единицах по шкале Шора, для которой 100-е деление отвечает закаленной стали. б) Метод отпечатка аналогичен пробе Вринеля. На образец падает с определенной высоты небольшая баба с шариком на конце (копер Бюста, Николаева), оставляя отпечаток, диаметр которого измеряется под микроскопом. Отношение работы деформации к вытесненному объёму отпечатка (для черных металлов) не зависит от энергии удара и диаметра шарика и выражает динамическую твердость по Мейеру (в кг/мм²); со статич. твердостью она не совпадает. Часто стараются использовать ударные приборы для получения статической твердости по Бринелю; по существу, это недостижима, но с некоторым приближением осуществляется при условии работы при одной высоте падения и составления эмпирич. таблиц для перехода от диаметров ударных отпечатков к твердостям по Бринелю. Пружинные ударяй-к и (Бауман, Шоппер) сообщают бабе начальный толчок действием пружины. М о-лотки для измерения твердости (Польди-гютте) производят удар произвольной силы одновременно по образцу и эталонному материалу; твердость вычисляется (очень приближенно) из сравнения диаметров обоих отпечатков.

7. Испытание на усталость. Усталостью материала называется хрупкое разрушение его под действием большого числа переменных нагрузок, значительно меньших, чем временное сопротивление. Однократный переход напряжения от наименьшего к наибольшему и обратно называется циклом; если крайние напряжения в цикле равны и противоположны по знаку, цикл называется симметричным. Алгебраич. разность крайних напряжений в цикле называется амплитудой, или интервалом, цикла. Чем меньше амплитуда, тем больше число циклов N, приводящее к разрушению образца; при приближении N к бесконечности (практически к 2—10 млн.) амплитуда стремится к определенному пределу. Отвечающее последнему наибольшее крайнее напряжение в цикле называется пределом усталости (выносливости) Of.

Машины для испытания на усталость устраиваются двух главных типов: на изгиб и на растяжение-сжатие. В машине Шенка, работающей на изгиб,

образец, снабженный наконечниками, вращается электромотором, оставаясь все время под нагрузкой двух симметричных вертикальных сил (фигура 12), сообщающих ему круговой изгиб (с постоянным моментом). Величина нагрузки Р м. б. изменяема перемещением рабочего груза по рычагу. Каждая точка поверхности образца за время одного * оборота проходит через полный симметричный цикл напряжений. Машина снабжена

приспособлениями для измерения: 1) прогибов под грузами (часы Цейсса); 2) вращающего момента (по реакции на статор мотора, подвешенный по типу маятника); и

3) темп-ры образца (термопара). Для машин этой группы часто применяют также простой изгиб консольного образца (Альфа, Амслер, Олсен). Машина Шенка-Ганемана, которая работает на растяжение-сжатие (фигура 13), построена по принципу резонанса, впервые примененном для этой цели Гоп-кинсом. Образец А, неподвижно укрепленный верхним концом, несет на нижнем тяжелый груз В, служащий якорем электромагнита С. Переменный ток, питающий электромагнит, раскачивает якорь и в случае резонанса его частоты с частотой (500 пер/ск.) собственных колебаний механич. системы, со-· стоящей из образца, якоря и связанных с ними двух упругих стальных труб D, доводит амплитуды напряжений в образце до максимума. Напряжения в образце определяют посредством измерения (под микроскопом) упругой его деформации. Другие машины (Стентон и Берстау, Рейнольдс и Смит) строятся по принципу использования сил инерции движущегося взад и вперед противовеса; они часто дают ошибочные показания вследствие побочных напряжений, вызываемых сотрясениями. Строятся также машины на кручение (Лозенгаузен, Шенк, Фёпль-Буземан), на повторный изгиб без вращения (фирма MAN) и др. Самое испытание отнимает всегда много времени (порядка недели) и требует расхода

от 8 до 10 образцов, ломаемых при различных нагрузках, для возможности построения диаграммы: амплитуда напряжений—число циклов разрушения.

Изломы усталости всегда типичны по виду (вкладной лист, 11) и обычно состоят из очень гладкой волокнистой зоны усталости и из зоны неизмененного кристаллич. сложения. Несмотря на кажущееся структурное различие, в действительности зерно металла не меняется, как это легко обнаружить на шлифах, и не происходит, как думали раньше, никакой рекристаллизации. Под действием переменных напряжений, которые в отдельных точках вследствие неоднородности материала выходят за предел упругости, появляются местные остающиеся деформации; накопление последних (вкладной лист, 12) приводит к трещине, которая постепенно распространяется вглубь сечения и вызывает излом. Поэтому одна из обычных причин изломов усталости—концентрация напряжений вблизи мест резких изменений формы изделия (канавка для шпонок, крутые выкружки сопряжений и тому подобное.).

Установить постоянную связь предела усталости с другими механич. свойствами не удается. Ближе других Cf связано с твердостью по Бринелю, отчасти— с временным сопротивлением (σ^ составляет 0,36—0,68 от св, Мур и Коммерс). По отношению к пределу упругости оу оказывается то ниже, то выше и даже превышает иногда предел текучести (мягкое железо, медь), что естественно, т. к. в циклич. состоянии устанавливается свой особый предел упругости (текучести), отличный от статического. На этом основаны ускоренные способы определения Cf а) при испытании изгибом измеряют с большой точностью прогиб конца образца на ходу машины при все возрастающих нагрузках, наблюдая момент отклонения от пропорциональности (Гаф); б) измеряют темп-ру образца при возрастающих нагрузках и устанавливают момент резкого увеличения нагревания (Мур и Коммерс, Стромейер); в) измеряют рассеяние энергии, приходящееся на один цикл (площадь петли гистерезиса), и определяют момент резкого его возрастания (Лер). Все эти способы дают надежные результаты лишь для не особенно твердых, и притом черных, металлов. При несимметричных циклах величина безопасного интервала усталости уменьшается по мере отклонения среднего напряжения в цикле от нуля и стремится к нулю при приближении крайнего напряжения к временному сопротивлению. Зависимость предела усталости о_тах от отношения крайних напряжений п=в несим-

метричном цикле, по Муру и Коммерсу, выражается ф-лой:

^σ»!«Χ “ °f 2-n ’

где Cf — предел усталости симметричного цикла.

На предел усталости оказывает некоторое влияние скорость испытания. Как и при всяком испытании, повышение скорости уменьшает деформацию, а сле довательно, и вред от нагрузки. Влияние скорости начинает чувствоваться (для железа), начиная с 4 000 циклов в мин.; при 60 000 циклов предел усталости повышается на 7,5% (Дженкин).

Для испытания на усталость при ударных скоростях строятся специальные машины (Круппа, Стентона), работающие на повторный ударный изгиб в сменяющихся направлениях (образцы на двух опорах с надрезом посередине). Эти испытания не дают ничего нового, так как при большой величине энергии каждого удара они приближаются по результатам к ударной пробе, а при очень малой—к статической усталости.

8. Испытание на удар. Оно производится или на разрыв или на изгиб (реже на сжатие). Для испытания на разрыв строятся б. ч. вертикальные копры. Копер Амслера (фигура 14) состоит из двух направляющих, по которым движется система из двух баб Ли Б, связанных между собой образцом. Верхняя баба, имеющая заплечики, ударяется ими о массивную наковальню В и останавливается; нижняя баба проходит через отверстие наковальни свободно и разрывает образец, расходуя на работу разрыва свою живую силу. Расход определяется с помогцьюиз-мерения скоростей бабы до и после раз^ рыва, для чего баба Б снабжена карандашом, чертящим при падении диаграмму на быстро вращающемся цилиндре Д.

Измеренную работу деформации делят на рабочий объём образца и получаемую удельную работу деформации (в к зм/см³) сравнивают с такой же работой при статич. испытании геометрически подобного образца; отношение первой ко второй для материалов, не обладающих ударной хрупкостью, не должен быть меньше 1 (обычно 1,10—1,60).

Измерение сил при ударе представляет большие трудности и в лабораторную практику еще не вошло. В отдельных исследованиях применялись следующие способы:

а) кинематический — двукратное дифференцирование кривой, изображающей путь бабы в функции от времени; полученное ускорение (отрицательное), умноженное на массу бабы, дает силу удара;

б) динамометрически й—применение упругих динамометров (две прижимаемые друг к другу линзы, дающие кольца Ньютона, диаметр которых зависит от давления, или пьезокварцевая пластинка, заряд которой пропорционален силе) или неупругих (медные цилиндрики-крешеры, степень

Фигура 14.

осадки которых зависит от наибольшего мгновенного усилия). Показания упругих динамометров часто искажаются вибрациями; неупругие нее заключают в себе неустранимую ошибку, происходящую от распространения статич. тарирования на динамич. процессы. В результате этих измерений всегда оказывается, что динамическ. временное сопротивление выше статического (превышение до 100%); предел текучести также повышен, и притом больше, чем временное сопротивление, на 20—60%. Удлинение или равно или больше статического; сужение шейки почти такое же. Характерная ударная хрупкость проявляется при этом испытании у очень немногих металлов (например у стали с содержанием фосфора > 0,10%).

Испытание на изгиб (излом) надрезанных образцов имеет крупные преимущества: оно требует более дешевых и простых машин и позволяет обнаружить опасную хрупкость там, где испытание на разрыв дает хорошие результаты. Для испытания на изгиб употребляются маятниковые копры (фигура 15). Тяжелый маятник, падая, ударяет по образцу, лежащему на двух опорах (в копре Изода образец зажат одним концом в тиски и получает удар по другому), и ломает его, израсходованная живая сила измеряется по разности потенциальных энергий маятника до начала падения и при окончании взлета после излома: G (H—h), где G—вес маятника, Н и h—начальная и конечная высоты его ц. т. Образец имеет форму прямоугольного бруска, снабженного надрезом до половины высоты в средней части,со стороны противоположной уда-Фигура 15. РУ· Форма и раз меры образца должны быть стандартизованы; однако, до сих пор применяется несколько разных типов (Шарпи, Фремона, Менаже, Германск. общества испытания материалов и др.).

За меру ударной вязкости принимается частное от деления работы деформации на рабочее поперечное сечение образца (за вычетом надреза) и выражается в килограммахм/см². Появление хрупкого излома объясняется тем, что диаграмма растяжения волокон, прилегающих к надрезу, и в особенности предел текучести сильно повышены под влиянием надреза, создающего резкий градиент напряжений и тем затрудняющего де-формацию, и под влиянием скорости; истинное же сопротивление на разрыв не зависит от этих факторов и при достаточно интенсивном действии последних может оказаться н и яг е сопротивления пластич. деформации (предела текучести). Благодаря этому, на появление хрупкости влияют: а) темпера тура образца, понижение которой повышает предел текучести, увеличивая внутреннее трение, и тем облегчает наступление хрупкости; б) скорость удара, увеличение которой также повышает предел текучести; в) форма образца, т. к. широкие образцы с затрудненной поперечной деформацией легче приводят к хрупкому излому, чем узкие. Хрупкий излом при комнатной темп-ре обнаруживают материалы, подвергнутые ненадлежащей термич. и механич. обработке, например крупнокристаллич. железо (рекристаллизация после т. н. критического наклепа), состаренное железо (получившее деформацию при 200—300°), хромоникелевая сталь, отпущенная с малой скоростью охлаждения (хрупкость отпуска); остальные виды испытания, в том числе ударный разрыв, не обнаруживают при этом никаких ненормальностей. Испытание на удар без надреза применяется только при приемке рельсов (смотрите).

9. Испытание на износ. Это испытание пока еще не стандартизовано и отличается разнообразием. Трение I рода. Самый распространенный способ — истирание образцов, прижимаемых определенной нагрузкой к вращающемуся чугунному, стальному или агатовому кругу, иногда в присутствии подсыпаемого равномерной струей истирающего порошка—наждака, стальных опилок (круг Баушингера и др.). За меру изнашиваемости принимается потеря веса образца после прохода условленного пути трения (числа оборотов круга). Для исключения влияния случайных моментов, различных в отдельных опытах, испытания производятся по сравнительному методу, то есть одновременно на двух образцах, из которых один служит эталоном. В машине Шпинделя (для рельсов) истирание производит стальной диск толщиной 1 миллиметров, врезающийся при вращении в образец своим ребром на глубину, служащую мерой изнашиваемости. Трение II рода. Два образца, имеющие форму дисков, диам. 30—50 миллиметров и толщиной 10 миллиметров, взаимно прижаты определенной нагрузкой и получают вращение от привода машины во встречном направлении с одинаковой (чистое катание) или разной (катание, соединенное со скольжением) скоростью (машины Амслера, Мора и Федергафа). Износ также определяется взвёшиванием.

Числа износа находятся в очень слабой связи с результатами других испытаний; лучшая связь замечается с твердостью по Бринелю.

10. Испытание на обрабатываемость производится (по Кеснеру) на специально сконструированном сверлильном станке. Сверло стандартной формы, работая под определенной нагрузкой, после 100 оборотов дает отверстие, глубина которого и принимается замеру обрабатываемости испытуемого металла резанием. Самопишущий аппарат рисует диаграмму глубины отверстия в функции от числа оборотов шпинделя. Чтобы исключить влияние различной заточки сверла на результаты, испытание ставится по способу сравнения испытываемых материалов с эталоном, обрабатываемым в начале и в конце каждой серии. Получаемые числа не стоят ни в какой зависимости от других механич.

свойств. Так, медь при одинаковой твердости по Бринелю с латунью показала в 4 раза худшую обрабатываемость.

ί I. Технологические пробы. Так называются специальные качественные испытания, которые дают в результате вместо числовых характеристик лишь утвердительный или отрицательный ответ. Проба на изгиб состоит в загибе испытываемой полосы в холодном или горячем состоянии с помощью пресса вокруг стержня определенного диаметра, или без стержня до схождения концов, или на определенный угол, причем не должно появляться трещин. Можно при этом оценивать качество металла степенью изгиба В до появления трещины по ф-ле:

в=юо£%,

где а—толщина полосы и ρ—радиус кривизны нейтральной оси при изгибе. Кузнечные пробы (в горячем состоянии):

а) проба на расплющивание плоского образца до увеличения ширины в 1,5—2 раза;

б) проба на вдавливание плоского листа в форму со сферическим углублением; в) проба на осаживание стержня до определенной высоты ударами молотка; г) проба на раздачу отверстия конич. оправками, забиваемыми молотком; д) проба на продавливание дыр штампом и прочие Все эти пробы материал должен выдержать при заданных условиях без механич. повреждения.

Лит.: Од инг И., Современные методы испыта-· ния металлов, Л., 1927; Ваврциньок О., Руководство по испытанию материалов, применяемых в машиностроении и строит, деле, пер. с нем., М.—Л., 1926—27; Martens А., Испытание строительных материалов, пер. с нем., ч. 1—Способы испытания, СПБ, 1910; Давиденков Н., Динамич. испытания металла, Л., 1929; Давиденков Н., Руководство к практич. занятиям в механич. лаборатории, Л., 1924; Sachs G. u. Fiek G., Der Zugversuch, Lpz., 1926; Sachs Grundbegriffe d. mechani-schenTechnologied.Metalls.Lpz., 1925; Muller W., Materialpriifung u. Baustollkunde f. d. Maschinenbau, B., 1924; M e m in 1 er K., Das Materialpriifungswe-sen, 2 Auil., Stg., 1924; Schulze G. и. V о 11-ha г d t E., Werkstoffprtifung f. Masehinen- u. Eisen-bau, B., 1923; Dohmer P. W., Die Brinell’sche Kugeldruckprobe, Berlin, 1925; Bach C. u. Baumann R., Elastizitat u. Festigkeit, 9 Aufl., B., 1924; Batson R. G. u. Hyde J. H., A Treatise on Mechanical Testing, у. 1—2, London, 1922; Timo

shenko S. a. Lessels A., Applied Elasticity, Pittsburg, 1925; G о и g h H. J., The Fatigue of Metals, L., 1924; Moore H. F.a. KommersJ. B., The Fatigue of Metals, N. Y., 1927. H. Давидекков.