Испытание материалов

УДК 620(075.8)
ББК 34.43я73
 
Б95

978-5-906923-84-4 (КУРС) 
978-5-16-013638-7 (ИНФРА-М, принт) 
978-5-16-106300-2 (ИНФРА-М, онлайн)

В учебном пособии изложены способы и методы испытания материалов, 

рассматриваются средства и устройства для испытания материалов. Рассмотрены вопросы определения параметров свойств проведения технологических испытаний, исследования структур, контроля деталей на наличие 
дефектов.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведе
ний, обучающихся по направлению 2.15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

УДК 620(075.8)
ББК 34.43я73

©  Быков С.Ю., Схиртладзе А.Г., 2017
© КУРС, 2017

978-5-906923-84-4 (КУРС) 
978-5-16-013638-7 (ИНФРА-М, принт) 
978-5-16-106300-2 (ИНФРА-М, онлайн)

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Р е ц е н з е н т ы:
В.А. Тимирязев — д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология 

машиностроения» МГТУ Санкин;

Г.Б. Бурдо — д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Технология 

Подписано в печать 26.10.2017.

Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton.

Печать цифровая. Усл. печ. л. 7,5.

Тираж 500 экз.

ТК 678008-946774-261017

ООО Издательство «КУРС»

127273, Москва, ул. Олонецкая, д. 17А, офис 104.  

Тел.: (495) 203-57-83.

E-mail: kursizdat@gmail.com http://kursizdat.ru

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

E-mail: books@infra-m.ru  http://www.infra-m.ru

ВВедение

Задачи испытания материалов

Выбор материала для какой-либо определенной цели делают 
на основе его механико-технологических, физических и химических 
свойств. Определением связи этих свойств со структурой материала 
и целенаправленным изменением свойств в результате воздействия 
на структуру занимается материаловедение как обобщающая наука 
о материалах; практическое использование полученных результатов 
является задачей технического материаловедения.
Испытание материалов является одной из областей технического 
материаловедения.
Целями испытания материалов являются:
 
• описание свойств по характерным признакам и выражение этих 
признаков в количественной форме (в виде определенных параметров);
 
• контроль изменения свойств, происходящего в процессе изготовления изделий (производственный контроль), и, в частности, 
выявление дефектов, которые могут при этом возникнуть, 
с целью использования результатов для общего анализа надежности, при контроле машин и прочих агрегатов в ходе их эксплуатации;
 
• выявление недопустимых изменений свойств материала, а в случае повреждения —  определение его причины.

исследование характерных признаков  
и определение численных показателей

Существование характерных признаков материалов и возможность определения их численных показателей являются важными 
предпосылками для расчета размеров реальных деталей и создания 
облегченных конструкций, в которых обеспечивается максимально 
возможное использование свойств материала.
Характерный признак материала —  это какое-либо поддающееся 
измерению, а тем самым и численному выражению свойство материала, регламентируемое соответствующими стандартами или нормалями.
Необходимо различать следующие характерные признаки или 
свойства материала:

• механические;
 
• технологические;
 
• термические;
 
• оптические;
 
• электрические;
 
• магнитные;
 
• химические или электрохимические характерные признаки или 
свойства.
Численный показатель свойств материала выражает характерный 
признак конкретного материала в зависимости от его состояния 
и от внешних влияющих на эти свойства факторов (температуры, 
характера и продолжительности нагружения и т. д.). Как правило, 
численный показатель свойств описывается в виде произведения 
некоторого коэффициента на единицу измерения.
Разработаны каталоги характерных признаков (свойств) материалов, где в унифицированном виде регламентированы данные 
примерно по тремстам характерным признакам различных материалов.
К ним относятся:
 
• определение признака, сокращенное обозначение и единица измерения соответствующей величины;
 
• область использования;
 
• способы испытания, которые следует применять для оценки численной величины признака;
 
• важность данного признака для оценки поведения материала 
в конструкциях определенного назначения.

Контроль изменения свойств, происходящего  
в процессе изготовления изделий

Для рационального ведения и автоматизации технологических 
процессов получения исходных заготовок и их обработки давлением, 
резкой и сваркой (склейкой), нанесения покрытий и термической 
обработки необходимо вести испытание материалов на всех стадиях 
технологической цепочки. При этом необходимо наряду с другими 
видами контроля (определение химического состава, структурного 
состояния, загрязненности неметаллическими включениями, внутренних напряжений, толщины слоя покрытия) проводить также 
контроль макроструктуры с целью выявления макроскопических 
неоднородностей или несплошностей типа усадочных раковин, трещин (волосовин), макровключений, расслоений, поскольку все пе

речисленное обычно называют дефектами, их выявление называется 
дефектоскопией.
Контроль качества должны быть естественной составной частью 
всего технологического процесса изготовления изделий, а сами процессы контроля (испытаний) должны быть рационально включены 
в технологическую цепочку, желательно на возможно более ранней 
стадии изготовления изделия. Конкретные требования к качеству 
приводятся в стандартах и нормалях. Эти требования должны быть 
сформулированы уже на стадии проектирования (конструирования) 
и оптимально соответствовать последующей цели применения.
Сами испытания всегда необходимо проводить так, чтобы их результаты можно было использовать для оценки пригодности испытываемого изделия. Решение этих задач, объем которых в связи с непрерывным ужесточением требований к материалам все время расширяется, обеспечивается широким использованием способов 
химической и физической аналитической измерительной техники, 
а также методов неразрушающего контроля материалов. Для получения измеряемых при осуществлении этого контроля сигналов применяют разнообразные формы энергии, например механические 
колебания, электромагнитные волны в диапазоне от γ-лучей и рентгеновского излучения до волн длиной в несколько микрометров, 
а также ядерные излучения и магнитные поля.

Эксплуатационный контроль и анализ поломок

Для выявления состояния машин и эксплуатационного контроля 
агрегатов, за которыми предусмотрен технический надзор (например, аппараты высокого давления, транспортные средства), применяют преимущественно методы неразрушающего контроля. Если 
в процессе эксплуатации происходит разрушение агрегата (вследствие дефектов самого материала, недостатков конструкции или 
изготовления или ошибок при эксплуатации), необходимо всесторонне изучить характер этого разрушения, с тем чтобы определить 
его причины. Применяемые для этой цели традиционные металлографические, механические и технологические способы испытания 
могут быть весьма эффективно дополнены (а для ряда случаев поломок такое дополнение необходимо) исследованиями поверхности 
излома под растровым электронным микроскопом (микрофрактографией), электронно-лучевым микрозондом и другими методами.
Для решения указанного выше комплекса задач необходима стандартизация способов испытания материалов, чтобы результаты ис

пытания могли быть воспроизведены независимо от места и времени, а также от каких-либо субъективных факторов. По этой причине давно разрабатываются стандарты на проведение испытаний, 
на необходимые для этого испытательные приборы и образцы.

Классификация методов испытания

Классификация методов испытания материалов может строиться 
по различным принципам. Иногда те или иные способы испытания 
группируют по признаку решения различных задач, перечисленных 
ранее. Чаще применяется следующая классификация (однако провести точную границу между способами, относимыми к этим группам, не всегда возможно):
а) механические и технологические методы испытаний. Применяются для исследования прочности, деформируемости, пластичности, вязкости и характера разрушения, технологических свойств 
(деформируемости при обработке давлением, свариваемости, прокаливаемости). К этой же группе можно отнести определение 
свойств поверхности, например твердости и сопротивления износу;
б) химические и физические методы исследования химического 
состава и структуры материала и коррозионные испытания;
в) методы исследования тонкого строения и структуры. Поскольку эти методы вначале применяли только для металлических 
материалов, ранее их называли металлографическими методами 
испытания; однако теперь их все более широко применяют также 
и для исследования высокополимерных и керамических материалов;
г) методы неразрушающего контроля, основанные на взаимодействии различных форм энергии с материей; они предназначаются 
для выявления вида, величины и частоты расположения несплошностей (дефектов). Эти методы применяют преимущественно для 
проверки заготовок и деталей машин, так что их технико-экономическое назначение для обеспечения качества в конкретных технологических условиях производства и для безопасной работы при эксплуатации машин и иных агрегатов особенно велико;
д) физические методы испытания. Находят применение для количественного определения механических, термических, оптических, электрических и магнитных свойств материала или же для выявления изменения состояния;
е) методы определения деформаций и напряжений в деталях машин представляют собой специфическую область испытания мате

риалов (тензометрию), особенно тесно связанную с механикой твердого тела.
Точно разграничить способы испытаний, отнесенных к группам 
«а»–«г», не всегда возможно.

исторический обзор

Способы исследования технологических и служебных свойств 
настолько стары, как и сами материалы. В качестве примера можно 
назвать испытание мечей на гиб с перегибом, проводившееся для 
доказательства их упругости и прочности, или обстукивание керамических изделий, чтобы убедиться в отсутствии в них трещин. Однако 
теоретические и экспериментальные исследования свойств материалов для машин и строительных конструкций известны только 
со Средних веков. Леонардо да Винчи описал испытательную машину для определения прочности проволоки при растяжении и провел, как и несколько позже Галилей, теоретический анализ прочности балки (бруса) на изгиб.
В 1678 г. Гук опубликовал работу, где была изложена первая фундаментальная закономерность механического поведения материалов 
(«каково напряжение, такова и деформация»); позднее эта формулировка получила название закона Гука, а после того, как в 1802 г. Юнг 
ввел понятие модуля упругости, предложенная закономерность приобрела принятую теперь форму.
Уже в XVIII в. Ван Мушенбрук провел обширные исследования 
прочности на образцах из дерева и металла; после этого в Англии 
в связи с промышленной революцией начали возникать первые лаборатории, в которых проводились механические и технологические 
испытания материалов, что дало толчок для создания аналогичных 
лабораторий в других промышленных странах, в первую очередь 
в Германии. Здесь особо следует отметить заслуги Баха (Мюнхен) 
и Баушингера (Штутгарт), которые ввели в практику способы механических испытаний и основали государственные официальные 
станции испытания материалов.
В середине прошлого века в связи с частыми поломками железнодорожных осей особенно остро встал вопрос о повреждении материалов при циклическом нагружении; тогда же Вёлер разработал 
способ испытания для определения циклической прочности, используемый до настоящего времени (так называемые усталостные испытания по Вёлеру). В последнее десятилетие это испытание, проводившееся ранее при синусоидальных колебаниях нагрузки с посто

янной амплитудой, было существенно усовершенствовано благодаря 
введению испытаний образцов с надрезом, а также конструктивной 
прочности (на натурных деталях машин или конструкций) и испытаний эксплуатационной прочности (при воздействии нагружений, 
близких к наблюдаемым в условиях службы).
Одновременно начали внедряться способы испытания при ударном нагружении. Первые испытания на удар на надрезанных тавровых балках провел в 1884 г. Тетмайер; на этой основе в 1910 г. были 
проведены испытания на ударный изгиб надрезанных образцов двух 
основных типов —  с надрезом по Шарпи и по Изоду. Недостаточная 
показательность этих испытаний, первоначально предназначавшихся 
только для контроля анизотропии свойств и не позволявших оценить 
сопротивление хрупкому разрушению, привела к разработке способов 
испытания на образцах с наведенными трещинами, что позволяет 
использовать критерии механики разрушения для более надежного 
расчета размеров конструкций, склонных к хрупкому разрушению.
Способ определения твердости царапанием был известен в минералогии уже давно, но только в 1900 г. на Всемирной Парижской 
выставке Бриннель продемонстрировал первый технически приемлемый способ испытания на твердость. Наряду с разработанными 
позднее способами Роквелла и Виккерса, а также с динамическими 
способами определения твердости, в настоящее время способ испытания по Бриннелю является одним из наиболее часто применяемых 
в практике испытания материалов.
В начале текущего столетия в связи с повышением рабочих температур паросиловых установок возникла необходимость в проведении испытаний на прочность при температурах выше 600 К. При 
этом оказалось, что практиковавшиеся прежде способы кратковременных горячих испытаний уже недостаточны и что необходим учет 
явлений ползучести, зависящих от времени. Появились способы 
длительных горячих механических испытаний, продолжительность 
которых теперь доведена до 100 тыс. ч.
После того как Сорби в 1861 г. в Англии и Мартенс в 1878 г. в Германии провели наблюдения поверхности металлических шлифов под 
микроскопом, а Хейн, Обергоффер, Стед, Д. К. Чернов и другие применили специальные реактивы для травления, начали развиваться 
методы исследования структуры. Благодаря переходу от оптической 
к электронной микроскопии, в особенности в связи с применением 
растрового электронного микроскопа, принцип которого впервые 
опубликовал фон Арденне в 1937 г., открылись новые возможности 
исследования тонкого строения материалов.

Первый спектроскоп описал в 1859 г. Кирхгоф. После этого для 
спектрального анализа были созданы спектрографы, а благодаря 
применению спектральных фотометров возникла количественная 
спектрометрия. В результате развития новых физических способов, 
рентггеновского флуоресцентного и рентгеновского способов анализа тонкой структуры, микрорентгеноспектрального анализа 
и электронных микрозондов, а также Оже-спектроскопии традиционные химические способы анализа материалов превратились 
в стройную и прецизионную технику химических и физических аналитических измерений, тесно связанную со способами исследования 
макро- и микроструктур.
Уже через несколько лет после открытия рентгеновских лучей 
(1895 г.) и γ-излучения (Беккерель, 1896 г.) началось промышленное 
применение радиографических способов для неразрушающего контроля материалов. Особую роль в этих работах сыграли Бертольд, Ваупель, Шибольд и Фрайер. В 1929 г. Соколов наблюдал изменение 
распространения ультразвуковых волн в изделиях с дефектами, что 
послужило началом разработки способов ультразвукового контроля, 
которые в различных вариантах используют для неразрушающего 
выявления дефектов. Определение дефектов поверхности с помощью 
магнитных полей впервые осуществил в 1868 г. Сексби. Магнитопорошковый способ испытания, основанный на патентной заявке Хоука от 1919 г., примерно спустя 40 лет был дополнен Фёрстером, который разработал магнитоиндукционный или токовихревой способ 
испытания.
После того как Брэгг, Дебай и Шеррер разработали рентгенографический метод анализа тонкой структуры, Аксенов в 1922 г. впервые 
показал наличие упругих напряжений в поликристаллических материалах при помощи рентгеновских интерференций, что создало 
основу для развития рентгенографического измерения напряжения; 
в этом направлении работали Глоккер, Шибольд и Михераух.
Расширение областей применения материалов и обусловленное 
этим разнообразие требований к их свойствам повлекли за собой 
необходимость осуществления комплексных испытаний, при которых учитывались бы различные факторы: форма реальной конструкции; характер нагружения; влияние окружающей среды. Поскольку развитие таких комплексных испытаний ограничивается 
техническими и экономическими возможностями, одна из важных 
задач дальнейших исследований заключается в том, чтобы использовать данные материаловедения о взаимосвязях между структурой 
и свойствами материалов и на этой основе разработать такие методы 

испытаний, основанные на физике материалов, которые при приемлемых издержках и хорошей воспроизводимости результатов позволяли бы надежно судить о поведении какого-либо материала в реальных условиях службы. В качестве примера здесь можно назвать тесное сочетание разрушающих и неразрушающих способов испытания; 
предпосылки для такого сочетания были созданы развитием механики разрушения. С развитием последней связан также переход при 
неразрушающем испытании материалов от простой дефектоскопии 
(выявление местонахождения дефекта) к дефектометрии (определение размеров дефекта) или от простого определения параметров 
качества к активному управлению качеством (квалиметрия).

Таблица 

Комплексные способы испытания для исследования механических свойств

Основной  
влияющий фактор
Характеристика комплексного  
метода испытания
Конструктивная 
форма детали  
(изделия)

1. Испытание на хрупкое разрушение образцов с надрезами, отверстиями, сварными соединениями, имитирующих детали машин (например, испытание 
пластин большого сечения, испытание по Робертсону).
2. Испытание на разрыв под внутренним давлением 
сосудов высокого давления или трубопроводов.
3. Определение конструкционной прочности деталей, 
подвергающихся действию циклических нагрузок
Характер  
нагружения
1. Ресурсное испытание по многоступенчатой программе или с нагружением по случайному закону.
2. Испытание с комбинированным нагружением (например, растяжение труб, нагруженных внутренним 
давлением).
3. Моделирующие испытания (например, имитирующие движение судна, волн от землетрясения, биохимические процессы).
4. Испытания с нагружением ударной волной (например, взрывные испытания на пластинах)
Продолжительность нагружения 
и влияние окружающей среды

1. Испытания на длительную прочность и термический удар.
2. Испытания при особо высоких или особо низких 
температурах.
3. Испытания с воздействием коррозионно-активных 
сред или излучения с высокой энергией.
4. Испытания на износ в условиях, близких к эксплуатационным