Современные инструментальные методы исследования механических свойств

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого президента России Б. Н. Ельцина

В. А. Хотинов
В. М. Фарбер
О. В. Селиванова
А. Н. Морозова

Современные 
инСтрументальные 
методы иССледования 
механичеСких СвойСтв

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся по направлениям 
22.03.02 и 22.04.02 — Металлургия 
и 22.03.01 и 22.04.01 — Материаловедение 
и технологии материалов

Екатеринбург
Уральский федеральный университет
2017

УДК 620.17:669.017(075.8)
ББК 34.2-07я73
          С56
Авторы:
В. А. Хотинов, В. М. Фарбер, О. В. Селиванова, А. Н. Морозова

Рецензенты:
замдиректора по научной работе доктор технических наук, профессор В. п. Швейкин (Институт машиноведения УрО РАН);
кандидат технических наук, доцент Е. п. Воробьева (профессор кафедры пожарной безопасности в строительстве ФГБОУ ВО «Уральский институт ГпС МЧС 
России»)

Иллюстрации на обложке из архива авторов.

С56
    Современные инструментальные методы исследования механических свойств : 
учебное пособие / В. А. Хотинов, В. М. Фарбер, О. В. Селиванова, А. Н. Морозова. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 96 с.

ISBN 978-5-7996-2130-8

В учебном пособии рассмотрены основные принципы измерения ударной вязкости металлических материалов на основе требований российских и международных стандартов. 
Более подробно описана методика измерения вязких характеристик с записью диаграмм 
ударного нагружения, а также конструкция и принцип действия современных стендов для 
проведения таких испытаний. Также изложены основные принципы измерения микротвердости металлических материалов на основе требований российских и международных стандартов. Более подробно описана методика измерения микротвердости с записью диаграмм 
вдавливания, а также конструкция и принцип действия современных микротвердомеров.

Табл. 8. Рис. 48.

УДК 620.17:669.017(075.8)
ББК 34.2-07я73

Учебное издание

Хотинов Владислав Альфредович, Фарбер Владимир Михайлович,
Селиванова Ольга Владимировна, Морозова Анна Николаевна

СовреМенные инСтруМентальные Методы иССледования 
МеХаничеСкиХ СвойСтв

подписано в печать 07.07.2017. Формат 70×100/16. Бумага офсетная. Цифровая печать. Усл. печ. л. 7,7.
Уч.-изд. л. 5,45. Тираж 50 экз. Заказ 227

Издательство Уральского университета
Редакционно-издательский отдел ИпЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: +7 (343) 375-48-25, 375-46-85, 374-19-41
E-mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ
620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: +7 (343) 358-93-06, 350-58-20, 350-90-13
Факс: +7 (343) 358-93-06. http://print.urfu.ru

ISBN 978-5-7996-2130-8 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2017

ПредиСловие

У

чебное пособие предназначено для студентов (бакалавров 
и магистров) технических университетов, академий и институтов, обучающихся по направлению «Металлургия» и «Материаловедение и технология новых материалов» и специализирующихся по материаловедению, металловедению и термической обработке, 
физике металлов, а также для специалистов заводских лабораторий как 
в научно-исследовательских, так и в производственных целях.
В основе материаловедения как науки лежит процесс установления взаимосвязи структуры металла и комплекса его механических 
свойств. при этом определение механических характеристик необходимо не только для решения научных, но и прикладных задач, так как 
прочностные и вязкопластические свойства для большинства металлических материалов определяют поведение изделия (конструкции) 
при их изготовлении и эксплуатации.
Условия испытаний, проводимых для измерения механических 
свойств, имитируют условия обработки и эксплуатации (схему напряженного состояния, температуру, скорость приложения нагрузки, 
вид надреза и др.). Однако существуют и типичные испытания (на растяжение, на твердость вдавливанием индентора, на ударный изгиб), 
которые используются как приемосдаточные испытания для аттестации металлопродукции.
Современное испытательное оборудование для проведения механических испытаний позволяет автоматизировать процесс получения 
и обработки измеряемых данных, а также получать принципиально новую информацию о свойствах материалов. Это позволяет значительно 
расширить возможности известных методик механических испытаний. 
В настоящем учебном пособии описаны методика и определяемые характеристики для двух таких инструментальных испытаний — измерение микротвердости и испытания на ударный изгиб.

Предисловие

В разделе А пособия рассмотрена методика измерений микротвердости с записью диаграмм вдавливания. подробно описана механика контактного взаимодействия поверхности образца и индентора, 
в которой важную роль играет подготовка поверхности образца к индентированию. Большое внимание уделено интерпретации кривых 
вдавливания при использовании разных инденторов и способов приложения нагрузки, а также механическим характеристикам, определяемым по этим кривым.
В разделе Б пособия описывается методика инструментальных испытаний на ударный изгиб с записью кривых ударного нагружения. 
подробно рассмотрено поведение образца с надрезом (трещиной), методика и условия проведения испытаний. Особое внимание уделено 
описанию и интерпретации кривых ударного нагружения для оценки 
вязкости материала.



раздел а.  
инСтрументальные иСПытания  
на ударный изгиб

В 

настоящее время хорошо известны и сравнительно легко достижимы факторы повышения прочностных свойств сплавов. Однако большинство из них приводит к уменьшению 
вязкопластических характеристик. Хотя в общем плане пути повышения вязкопластических характеристик известны: диспергирование 
структуры, повышение чистоты по вредным примесям и др. В конце 
прошлого столетия был достигнут существенный прогресс в этом направлении, состоящий в разработке и использовании в значительных 
объемах толстолистового проката из сверхнизкоуглеродистых высоковязких сталей, получаемого по технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением. Стали обладают уникальным комплексом механических свойств — сочетанием повышенной прочности 
(σв ≈ 730 Мпа, σт ≈ 600 Мпа), пластичности (d ≥ 22 %) и высокой вязкости (KCV–40 ≥ 2,5 МДж/м 2). Ключевым моментом использования таких сталей в сварных строительных конструкциях (газопроводы высокого давления, высотные здания, судостроительство и пр.) является 
их надежность, которая во многом определяется трещиностойкостью 
материала.
Другая задача: отыскание научно обоснованных критериев и способов оценки трещиностойкости при натурных и лабораторных испытаниях высоковязких сталей. Большинство разработанных ранее 
подходов касались вопросов оценки вязкохрупкого перехода. Например, в образцах Шарпи наиболее вязкие стали класса прочности К65 
(Х80) не разрушались вплоть до –60 °С, испытывая лишь пластический изгиб.
Все это позволило сформулировать технически достижимое требование — полностью исключить в конструкциях хрупкое разрушение. 

РазделА.Инструментальныеиспытаниянаударныйизгиб

В то же время в большинстве работ рассматривается поведение сталей 
вблизи вязкохрупкого перехода, а параметры разрушения высоковязких материалов изучены сравнительно слабо.
В среднеуглеродистых сталях промышленной выплавки границы зерен охрупчены сегрегациями примесных атомов, выделениями неметаллических включений и частиц карбонитридных фаз, по которым, 
как правило, происходит хрупкое (межзеренное) разрушение. Исследованные стали оказались весьма удобным объектом для изучения природы вязкости, так как являются высокочистыми по вредным примесям и неметаллическим включениям и разрушение в данных сталях 
протекало всегда по телу зерна феррита, что позволило в чистом виде 
изучить их свойства.
параметры вязкости стали — это характеристики разрушения, коррелирующие в определенной степени с ударной вязкостью KCV. параметры вязкости разносторонне описывают это важнейшее свойство сталей и тем самым позволяют выявить ее физическую природу.
Объективным и легкодоступным методом оценки трещиностойкости высоковязких сталей являются исследование ударного изгиба с осциллографической записью диаграмм нагружения и фрактографический анализ разрушенных образцов.

1. Поведение образца С трещиной

1.1. зарождение и распространение хрупкой трещины

Д
ля оценки работоспособности металлических сплавов в условиях, приближающихся к эксплуатационным, применяются 
статические испытания на вязкость разрушения, которые основаны 
на принципах линейной механики разрушения и предусматривают 
определение энергоемкости процесса распространения острой трещины. полученные параметры вязкости разрушения (трещиностойкости) 
характеризуют надежность работы материала (конструкции), в котором либо уже имеются трещины или дефекты им подобные (неметал

1.Поведениеобразцастрещиной

лические или другие включения), либо в связи с тяжелыми условиями работы высока вероятность их образования.
Линейная механика разрушения рассматривает процесс разрушения в условиях отсутствия макропластической деформации, которое 
в механике называют хрупким или макрохрупким. при таком разрушении пластическая деформация сосредоточена в узком приповерхностном слое трещины, распространение которой происходит за счет 
запасенной упругой энергии.
Однако, будучи геометрически хрупким, разрушение в зависимости 
от механизма распространения трещины физически может быть как 
хрупким, так и вязким. Это надо всегда учитывать, анализируя процесс разрушения методами линейной механики разрушения [1]. В рамках теории упругости для хрупкого разрушения может быть выполнена количественная оценка. при этом широко используется критерий 
Гриффитса. В основу такого анализа положен ряд допущений. В качестве объекта рассматривается идеально упругое тело, не испытывающее при нагружении пластическую деформацию, с предварительно 
нанесенной трещиной, причина появления которой не анализируется (рис. 1). С учетом сказанного критерий Гриффитса записывается 
в следующем виде:

 
S
E
c
=
2
g
p
,  
(1)

где S — наименьшее напряжение растяжения, Мпа, которое требуется для распространения хрупкой трещины; Е — модуль Юнга, Гпа; 
g — удельная поверхностная энергия стенок трещины, Дж/м 2; с — половина длины трещины, мм.
при растяжении пластины с трещиной у ее вершины одновременно протекают два конкурирующих процесса: с одной 
стороны, при распространении трещины 
происходит выделение энергии упругой 
деформации, с другой — образование новых поверхностей (вследствие роста трещины) требует затрат энергии. Согласно 
критерию Гриффитса трещина будет самопроизвольно распространяться, если увеРис. 1. поведение пластины 
с трещиной при растяжении

РазделА.Инструментальныеиспытаниянаударныйизгиб

личение поверхностной энергии g, связанное с образованием новых 
поверхностей трещины, будет меньше энергии деформации, которая 
выделяется в результате роста трещины.
Согласно уравнению (1) напряжение S обратно пропорционально 
корню квадратному из длины трещины c, следовательно, в процессе 
распространения трещины необходимое для этого напряжение уменьшается, и такой рост трещины становится самоускоряющимся. Таким 
образом, если при нагружении образца возникающее напряжение достигает некоторой определенной величины (напряжение Гриффитса), 
то создаются условия для распространения трещины как хрупкой. Это 
значит, что рост ее будет происходить стремительно, с высокой скоростью и вызовет разрушение по хрупкому механизму.
Расчетами показано, что достижение такого критического напряжения 
может происходить при сравнительно невысоких значениях приложенного напряжения. Это обусловлено тем, что при наличии в образце трещины 
или надреза наблюдается концентрация напряжений в вершине дефекта:

 
S
S
c
r

max = 2
,

где Smax — локальное напряжение в вершине трещины, Мпа; S — средняя величина растягивающего напряжения, Мпа; с — глубина трещины (половина ее длины), мм; r — радиус кривизны в вершине трещины, мм.
Теория Гриффитса не учитывает того факта, что при разрушении 
реальных металлических материалов происходит пластическая деформация. поэтому уравнение (1) используется в несколько видоизмененной форме и под величиной g понимают общую энергию, необходимую для увеличения поверхности трещины. Она включает не только 
истинную поверхностную энергию gS, но и энергию пластической деформации gP, которую надо затратить на развитие трещины.
С учетом данного замечания выражение для критического напряжения, необходимого для протекания хрупкого разрушения, можно 
представить в виде

 
S
E

c

S
P
=
+
2 (
)
g
g
p
. 

Дополнение к энергетической концепции Гриффитса предложил 
Ирвин. Он рассмотрел изменение упругой энергии Еупр большой пластины со сквозной трещиной, имеющей площадь поверхности F:

1.Поведениеобразцастрещиной

 

dE

dF
G
упр =
,

 
G
S c
Е
= p
2

.  
(2)

Физический смысл критерия G в выражении (2) состоит в том, что 
он характеризует работу, которую надо затратить на образование новой поверхности трещины единичной длины или переместить фронт 
трещины единичной длины на единичное расстояние.
Трещина может расти без дополнительной внешней энергии, если 
интенсивность освобождения упругой энергии или, другими словами, сила распространения трещины G превысит критическое значение GС. Таким образом, энергетическим критерием разрушения является условие G > GС.
В зависимости от толщины растягиваемой трещины реализуются различные виды напряженного состояния. В конструкции трещина или ее зародыш действуют как концентраторы напряжений, а напряжения у вершины трещин превышают предел текучести, вызывая 
образование пластически деформированной зоны. Эта пластическая 
зона окружена и стеснена полем упругих напряжений в металле, к которому приложено напряжение, меньшее предела текучести.
Когда размер пластической зоны у вершины трещины сопоставим 
с толщиной образца, пластическая деформация происходит по всей 
его толщине, приводя к плосконапряженному состоянию. Если размер пластической зоны мал, то деформированное состояние у вершины трещины 
является плоским. В этом случае можно 
предсказать условия нестабильности трещины в упругом поле напряжений (рис. 2).
Таким образом, в толстой пластине 
возникает плоское деформированное состояние, то есть поперечной деформации вдоль оси Z не будет, а в тонкой пластине — плоское напряженное состояние, 
для которого характерно отсутствие напряжения вдоль оси Z (Sz = 0). Развитие 
трещины обусловлено силовым критерием разрушения K:

Рис. 2. Модель зоны пластической деформации у вершины трещины

РазделА.Инструментальныеиспытаниянаударныйизгиб

 
K
S
c
=
p .  
(3)

Силовой критерий связан с энергетическим следующим образом:

 
G
K
E
=

2
,

где К — коэффициент интенсивности напряжений, характеризующий 
локальное повышение уровня растягивающих напряжений у вершины трещины, Мпа·м 1/2. Коэффициент К может быть интерпретирован как напряжение, действующее впереди вершины трещины вдоль 
направления ее распространения на расстоянии 1/2π мм от вершины.
Возможны три типа смещения поверхностей трещины друг относительно друга (рис. 3). Тип I раскрытия трещины под действием растягивающих напряжений является наиболее практически важным. поэтому из трех возможных коэффициентов интенсивности напряжений 
КI, КII, КIII в дальнейшем будем рассматривать только КI.
Коэффициент интенсивности напряжений К, а также сопротивление разрушению трещины G в момент начала закритического развития трещины, когда ее длина в уравнении (3) достигает критической 
величины, наиболее важны для практической оценки сопротивления 
разрушению (трещиностойкости).

Рис. 3. Типы взаимного смещения поверхностей трещины  
в зависимости от направления действия напряжений:

I — в плоскости xy (вдоль оси y); II — в плоскости xz (вдоль оси x);  
III — в плоскости xy (вдоль оси z)

Критический коэффициент интенсивности напряжений КIС (при 
плоском деформированном состоянии) или КС (при плоском напряженном состоянии) и соответствующие параметры GIС и GC называют 
вязкостью разрушения. принципиальным преимуществом в определении КIС по сравнению с другими характеристиками предельной проч