При эксплуатации железнодорожной техники – локомотивов, вагонов, путевых и других машин – наиболее распространенными причинами выхода деталей из строя являются хрупкие и вязкие разрушения усталостного характера, изнашивание и коррозия.
При этом наблюдается взаимное влияние коррозии, трения и усталости. Например, кроме механического изнашивания твердыми частицами (абразивное, гидроабразивное, кавитация, эрозия) имеется усталостное изнашивание рельсов, бандажей и колес, подшипников, деталей автосцепки и т.д., износ увеличивается при одновременном воздействии трения и коррозии, а также при молекулярном или атомном “схватывании” металлов и сплавов.
Знакопеременные нагрузки приводят к преждевременному усталостному разрушению из-за концентрации напряжений вследствие коррозии и износа.
Механические свойства, определяющие поведение деталей в эксплуатации, зависят от особенностей кристаллического строения, что подтверждают достижения физики твердого тела, теорий дислокации и разрушения.
Поэтому, кроме традиционных механических испытаний для определения характеристик прочности, упругости, выносливости, твердости, вязкости, начали испытывать металлы при разных температурах, скоростях деформации, условиях, близких к эксплуатации, на вязкость разрушения и т.д.
Для исследования тонкой структуры применяют растровую электронную микроскопию, рентгено-структурный и рентгено-спектральный анализы, ядерный гамма-резонанс и другие методы.
Испытания образцов существенно отличаются от испытания натуральных деталей из-за различий в структуре и свойствах по сечениям, остаточным напряжениям, состоянию поверхности, температуре, параметрам и цикличности нагружения. Поэтому наиболее показательными считаются натуральные и особенно эксплуатационные испытания, когда возможна проверка эффективности способов упрочнения и предупреждения разрушения, выхода из строя.
На процессы усталости и изнашивания большое влияние оказывает прочность и твердость, поэтому в ГОСТах на стали предусмотрены такие характеристики, как предел прочности при растяжении и твердость, определенная различными методами. Применение высокопрочных и поверхностно-упрочненных сталей широко практикуется. Для уменьшения влияния коррозии применяются нержавеющие стали, покрытия из коррозионностойких материалов, анодную защиту.
Большое внимание уделяют также совершенствованию конструкций машин с целью уменьшения рабочих нагрузок, концентрации напряжений.
Эти меры должны привести к повышению надежности, долговечности, а также экономичности и технологичности деталей железнодорожного подвижного состава, пути и различных машин и устройств.
Механические испытания
Определение характеристик прочности, пластичности,
выносливости, ударной вязкости, твёрдости.
1. Прочность – способность сопротивляться деформации и разрушению – определяется при статических испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение (чаще на растяжение). Плоский или круглый образец растягивается и разкрывается на специальной машине с записью диаграммы растяжения – зависимости деформации от нагрузки. При этом определяют модуль упругости Е=σ/δ, как тангенс угла наклона кривой растяжения к оси абсцисс (tg α), предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности или временное сопротивление, истинное сопротивление разрыву. Чаще определяют для сталей предел текучести σт и предел прочности σв, как отношение соответствующих нагрузок к площади поперечного сечения образца до испытания.
2. Пластичность – способность изменять свою форму, не разрушаясь, и хранить ее после снятия нагрузки. Характеристики пластичности – относительное удлинение (δ) образца и относительное сужение (ψ) после разрыва. Определяют δ при статическом испытании на растяжение, как отношение прироста длины к первоначальной длине, в процентах, Ψ, как отношение убыли поперечного сечения образца в месте разрыва (шейка) к первоначальной площади сечения.
δ=(lk-l0)/l0*100% ψ=(F0-Fk)/F0*100%
Характеристики σт, σв, δ, ψ, реже Е включается в ГОСТ на поставку материалов, входят в расчеты конструкций.
3. Ударная вязкость -- способность сопротивляться действию ударных нагрузок – определяется динамическими испытаниями на изгиб на маятниковом копре. Образец квадратного сечения с концентратором напряжений – надрезом разрушается от удара груза маятника. Работа разрушения, отнесенная к площади образца в месте надреза, определяет величину характеристики ударной вязкости. По ГОСТу 9454-78 надрезы могут быть трех видов: с радиусом концентратора 1 мм, 0,25 и углом 450 и усталостной трещиной, заранее созданной вибратором. К – работа на разрушение, КС – ударная вязкость, КСU, KCV, КСТ – обозначения ударной вязкости с учетом формы концентратора.
4. Выносливость - способность сопротивляться усталости и накоплению повреждений при циклических нагрузках, приводящих к трещинам и разрушению.
Особенностью усталости является две стадии – зарождение и развитие трещины, хрупкое разрушение при напряжениях, гораздо меньших пределов прочности и текучести.
Усталость развивается чаще из-за концентрации циклического характера. При испытаниях определяют выносливость при симметричном цикле на определенной базе – количестве циклов. Образец нагружают и испытывают до разрушения на специальных машинах при вращении, кручении или изгибе. Нагрузки постепенно снижают, пока образец не пройдет базу без разрушения. Для стали база N =10 · 106 циклов, для цветных металлов N = 100 · 106 циклов. Предел выносливости при симметричном цикле обозначает σ-1, так как
Имеются зависимости: σ-1= (0,3÷0,5) 
σв; σ-1≡ ψ σв
5. Твердость - способность сопротивляться вдавливанию более твердых тел, а так же царапанию, упругому отскоку. Более точное определение твердости вдавливанием.
Испытание по Бринеллю (ГОСТ 9012-90) проводится для более мягких образцов, так как необходимо получить отпечаток – лунку и измерить ее диаметр при помощи специального микроскопа со шкалой в мм. На специальной машине – прессе Бринелля (ТШ) – медленно вдавливают стальной закаленный шарик Ø 10 мм (из стали марки ШХ 15) с определенной нагрузкой (до 30000 Н) в образец, выдерживают под нагрузкой для преодоления упругой деформации (10÷60 с). Твердомер работает в автоматическом режиме.
Характеристикой твердости по Бринеллю является отношение нагрузки к площади лунки.
В – Бринель, Р- нагрузка на шарик, F- площадь лунки, мм2. Преимущества способа – высокая точность, малое влияние неоднородности структуры при высоких нагрузках. Недостаток – можно испытывать лишь мягкие материалы, с твердостью менее 4500 МПа.
Имеется соответствие между твердостью по Бринеллю и пределом прочности при растяжении: σв= (0,34÷0,55) НВ, действующее для углеродистой стали. Для цветных металлов σв= (0,33÷0,55) НВ, в зависимости от твердости.
Испытание по Роквеллу (ГОСТ 9013-90) проводят, вдавливая стальной закаленный шарик Ø 1,59 мм в сравнительно мягкие материалы или алмазный (твердосплавный) конус с углом при вершине 1200 для твердых закаленных сталей и чугунов. Преимущество – универсальность, большой диапазон по твердости, быстрота определения (2÷3 с) сразу по шкале. Твердомер (ТК) с нагрузкой от 1000 до 1500 Н, к зависимости от индентора, характеристика твердости – условные единицы по шкалам А,В и С, которые, для сравнения, переводят на НВ по специальной таблице.
Обозначение твердости по Роквеллу: НRA,если индентор алмазной канус, а нагрузка 600н., HRC – при нагрузке 1500 Н, HRB, если индентор – шарик, а нагрузка 1000 Н.
Для неответственных деталей с твердостью HRC20-50 применяют твердый сплав вместо алмаза.
Недостаток – меньшая точность, так как могут повлиять неоднородности структуры, поэтому испытание проводят три и более раз, определяя глубину вдавливания индентора после предварительной и затем после основной нагрузки. Образцы следует предварительно сортировать по примерной твердости, определенной напильником или другими способами.
Испытание по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) и на микротвердость (ГОСТ 9450-75) проводят для тонких поверхностных слоев после цементации, азотирования, для фольги, отдельных структурных составляющих при увеличении до 650 раз. Индентор – алмазная пирамида, по отпечатку которой судят о твердости. Обозначение по Виккерсу HV, а микротвердости – Н. Особенности – применение малых нагрузок (от 50 до 1000Н по Виккерсу и от 0,05до 5Н для микротвердомера ПМТ).
6. Испытание на изнашивание проводят на специальных машинах при трении образцов в условиях, близких к эксплуатации (со смазкой, с абразивом и т.д.).
Износ деталей во многом зависит от твердости поверхностных слоев и условий эксплуатации, от коррозии, от прочности, контактной выносливости металла.
Определение твердости образцов
1. Метод Бринеля
Используются образцы стали. Суть метода - замер диаметра отпечатка стального закаленного шарика (ГОСТ 9012-90, метод Бринелля).
Формула для расчета числа твердости НВ=Р/F.
При диаметре шарика D=10 мм и нагрузке Р=30 кН число твердости НВ определяется по таблице. Соотношения для стали с твердостью НВ1200÷1750 МПа - σв 
0,345;НВ; для стали с твердостью НВ 1750÷4500Мпа – δв ≈ 0,35 НВ.
Рис.1.1 Схема испытания Рис.1.2 Схема измерений
на твердость по Бринеллю отпечатка под микроскопом
Бринелля (d, мм)
Таблица 1.1
Протокол испытаний на твердость по Бринеллю
| d1 | d2 | d3 | НВ1 | НВ2 | НВ3 | НВ |
Метод Роквелла
Определение твердости образцов стали по глубине вдавливания алмазного (твердосплавного) конуса или стального закаленного шарика (ГОСТ 9013-90, метод Роквелла).
Таблица 1.2
Соотношения числа твердости НR
по шкалам
| Шкала | Обозна-чение | Пределы по шкале | Твердость по Бринеллю, НВ |
| А | НRA | 70-90 | Свыше 7000 |
| С | НRC | 20-67 | 2300-7000 |
| В | НRВ | 25-100 | 600-2300 |
Рис.1.3 Схема испытаний
на твердость по Роквеллу
3. Метод Виккерса
Определение твердости стали на образцах по диагонали отпечатка, полученного вдавливанием алмазной пирамиды (ГОСТ 2999-90, метод Виккерса).
Рис.1.4 Схема испытания по Виккерсу
Формула для определения числа твердости
НV = 0,189 
где Р- нагрузка на пирамиду (от 10 до 1000 Н);
d – длина диагонали отпечатка [мм];
α = 1360 – угол между гранями пирамиды;
НV= НВ (при твердости менее 4000 МПа).
4. Определение микротвердости (ГОСТ 9450 – 90).
Нагрузки на пирамиду на приборе ПМТ-3 от 0,05 до 5 Н.
Н=0,189 Р/d2,
где Р- нагрузка [Н];
d- длина диагонали отпечатка [мм].
Для сравнения, при букве Н ставят индекс величины нагрузки, например, Н5 220, где 5 – нагрузка [Н].
5. Определение характеристик прочности и пластичности
1. Определение характеристик прочности и пластичности стали при растяжении образца (ГОСТ 1497-86). Формулы для расчета предела текучести 
, предела прочности σв=Рв/F0, относительного удлинения 
и относительного сужения 
. Испытания проводятся на разрывной машине со снятием диаграммы растяжения стандартного образца из низкоуглеродистой стали.
Таблица 1.3
Дата: 2018-12-21, просмотров: 418.
