Для разных изделий применяются разные виды и марки металлов и сплавов. Выбор обычно основывается на характеристиках материалов. При проектировании любой конструкции учитываются свойства и испытания металлов, которым они были подвержены.
Производимые испытания над разного рода металлами помогают определить механические, термические, химические свойства металлов. Соответственно, в зависимости от выявляемых свойств металла, проводятся и определенные виды испытаний.
О том, какие свойства и испытания металлов имеют большое значение, и какими они бывают мы и поговорим далее.
Свойства металлов.
Каждый вид металла имеет определенный набор свойств - механических, технологических и эксплуатационных, которые характеризуют его способность к нагреву и охлаждению, свариванию, устойчивость к большим нагрузкам и прочее. Наиболее важные из них следующие:
- литейные - эти свойства металла важны при отливе, для качественных отливок;
- жидкотекучесть;
- усадка (т.е. изменение объемов и размеров при охлаждении и затвердевании);
- ликвация (химический состав может быть неоднородным по объему);
- свариваемость (важно при проведении сварочных работ, оценивается это свойство уже по готовому сварному соединению);
- обработка давлением - важно как металл реагирует на внешние нагрузки, не разрушается ли он под давлением;
- обработка резанием - обозначает поведение металла под воздействием разных режущих инструментов;
- ударная вязкость;
- износостойкость - сопротивление металла к поверхностным разрушениям под воздействием трения;
- коррозионная стойкость - стойкость к воздействию щелочных сред, кислот;
- жаростойкость - сопротивление окислению под воздействием высоких температур;
- жаропрочность - материал должен сохранять все свои свойства даже под воздействием высоких температур;
- хладостойкость - сохранение пластичности металла при низких температурах;
- антифрикционность - свойство, характеризующееся тем, как металл может прирабатываться к другим материалам.
Все эти свойства выявляются в ходе испытаний: механических, химических и прочих.
Механические испытания металлов.
При проведении таких испытаний на металл оказывают разную нагрузку - динамическую (ударное увеличение напряжения в металле) или статическую (постепенное увеличение напряжения).
В ходе нагрузок в металле могут возникать разные виды напряжения:
- сдвиговое;
- растягивающее;
- сжимающее.
Так, например, при скручивании металла в материале возникает сдвиговое напряжение, тогда как разгибание или сгибания приводят одновременно к сжимающему и растягивающему напряжению.
Согласно этим нагрузкам и возникающему напряжению могут проводиться такие виды механических испытаний:
- на растяжение;
- на изгиб;
- на удар (определяется ударная вязкость металла).
Кроме того механические испытания предполагают проверку на усталость материала (обычно при изгибе), на глубокую вытяжку и ползучесть. Также проводятся испытания на твердость, которые осуществляются методом вдавливания и динамическим способом (на металл скидывают боек с наконечником из алмаза).
Химические испытания металлов.
Методы химических испытаний применяют для того, чтобы определить состав металла, его качество и пр. В ходе таких испытаний обычно выявляется наличие ненужных и нежелательных примесей, а также количество легирующих примесей.
Химические испытания также помогают получить оценку стойкости металла к воздействию разных реагентов.
Один из видов таких испытаний - это селективное воздействие определенными химическими растворами. Это помогает определить такие показатели, как пористость, количество включений, сегрегации и прочее.
Испытания методом контактных отпечатков необходимы для определения уровня содержания в металле фосфора и серы.
Сезонное растрескивание металла определяется с помощью специальных растворов, воздействию которых подвергается материал. Проводится и ряд других испытаний.
Оптические и физические испытания.
В ходе испытаний металл не только подвергают разного рода воздействиям, но и тщательным образом исследуют под микроскопом. Такие исследования позволяют оценить качество металла, его пригодность, структурные характеристики и прочее.
Кроме того металлы подвергаются радиографическому контролю. Эти исследования осуществляются с помощью гамма-излучения и жесткого рентгеновского излучения. Такой контроль позволяет определить имеющиеся дефекты в металле. Часто радиографическому исследованию подвергаются сварные швы.
Существует также ряд других методов контроля, которым подвергается металл. Среди них:
- Магнитно-порошковый - применяется только для никеля, железа и кобальта, а также их сплавов. Этим методом определяются дефекты некоторых видов стали.
- Ультразвуковой - также позволяет выявлять дефекты только с помощью импульса ультразвука.
- Специальные методы - это и прослушивание со стетоскопом, и испытания на циклическую вязкость и пр.
Все эти испытания, в том числе контрольные, очень важны: они помогают определить какие металлы подходят для разных конструкций, каким обработкам можно подвергать материал, какие режимы сварки использовать и прочее.
1.Испытания на растяжение
Этими испытаниями определяют такие характеристики, как пределы пропорциональности, упругости, прочности и пластичность металлов. При испытании на растяжение образец растягивается под действием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.
Диаграмма растяжения в координатах «нагрузка Р - удлинение?l» отражает характерные участки и точки. На участке 0 - Р пц удлинение образца увеличивается прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше Р пц, на участке Р пц - P упр прямая пропорциональность нарушается, но деформация остается обратимой. На участке выше точки P vпр возникают заметные остаточные деформации, и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке Р т появляется горизонтальный участок диаграммы -- площадка текучести Т-Т 1 .На кривых растяжения хрупких металлов площадка текучести отсутствует. Выше точки Р т нагрузка возрастает до точки А, соответствующей максимальной нагрузке Р в, после которой начинается ее падение, связанное с образованием местного утонения образца. Затем нагрузка падает до точки В, где и происходит разрушение образца.
Диаграмма растяжения образца из пластичного материала
Предел упругости у упр - напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допуском:
где P упр - напряжение, соответствующее пределу упругости, Н.
Предел прочности у в -- напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:
где P в - напряжение, соответствующее пределу прочности, Н.
Относительное удлинение д находится как отношение увеличения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:
где l k - длина образца после разрыва, мм;
l 0 - расчетная (начальная) длина образца, мм.
2. Методы определения твердости
Наиболее распространенным методом определения твердости металлических материалов является метод вдавливания, при котором в испытуемую поверхность под действием постоянной статической нагрузки вдавливается другое, более твердое тело. На поверхности материала остается отпечаток, по величине которого судят о твердости материала. Показатель твердости характеризует сопротивление материала пластической деформации, как правило, большой, при местном контактном приложении нагрузки.
Измерение твердости по Бринеллю . Сущность этого способа заключается в том, что в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм в зависимости от толщины образца под действием нагрузки, которая выбирается в зависимости от предполагаемой твердости испытуемого материала и диаметра наконечника по формулам: Р = 30D 2 ; Р = 10D 2 ; Р = 2,5D 2 .
На поверхности образца остается отпечаток, по диаметру которого определяют твердость. Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой с делениями.
Твердость рассчитывают по формуле
где НВ - твердость по Бринеллю, кгс/мм 2 ;
F - площадь полученного отпечатка, мм 2 ;
D - диаметр наконечника, мм;
d - диаметр отпечатка, мм.
Измерение твердости методами Бринелля (а), Роквелла (б), Виккерса (в)
Измерение твердости по Роквеллу. Измерение осуществляют путем вдавливания в испытуемый металл стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120°. Твердость по Роквеллу определяют по глубине вдавливания наконечника.
Вдавливание производится под действием двух последовательно приложенных нагрузок -- предварительной, равной? 100 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной 1400, 500 и 900 Н. Твердость определяют по разности глубин вдавливания отпечатков.
Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропроводность. Они имеют характерный металлический блеск.
Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для металлических сплавов, особенно конструкционных, большое значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.
Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают напряжение и деформация. отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца.
Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Деформация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается.
В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.
Прочность – способность металлов оказывать сопротивление деформации или разрушению статическим, динамическим или знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.
Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.1). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.
Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.1), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.
Рис. 3.1. Кривая деформации
Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.
При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.
Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании. Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).
Представленная зависимость ОАВ (см. рис. 3.1) между приложенным извне напряжением (σ ) и вызванной им относительной деформацией (ε ) характеризует механические свойства металлов.
· наклон прямой ОА показывает жесткость металла , или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;
· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е ), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию:
· напряжение, которое называется пределом пропорциональности (σ пц), соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А ;
· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (σ 0,2). Это напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия;
· максимальное напряжение (σ в) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности .
Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (δ ) или относительное сужение (ψ ), они характеризуют пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.
При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.2) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца, в результате этого получают так называемые диаграммы деформации.
Рис. 3.2. Диаграмма «усилие (напряжение) – удлинение»
Деформация образца при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму. Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие, в конечном счете, к полному разрушению образца в целом.
Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:
1) пределом прочности на разрыв;
2) пределом пропорциональности;
3) пределом текучести;
4) пределом упругости;
5) модулем упругости;
6) пределом текучести;
7) относительным удлинением;
8) относительным равномерным удлинением;
9) относительным сужением после разрыва.
Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) σ в, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р В предшествующей разрушению образца:
σ в = Р в /F 0 ,
Эта характеристика является обязательной для металлов.
Предел пропорциональности (σ пц) – это условное напряжение Р пц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости мости между деформацией и нагрузкой. Он равен:
σ пц = Р пц /F 0 .
Значения σ пц измеряют в кгс/мм 2 или в МПа.
Предел текучести (σ т) – это напряжение (Р т) при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Вычисляется по формуле:
σ т = Р т /F 0 .
Предел упругости (σ 0,05) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Предел упругости σ 0,05 вычисляют по формуле:
σ 0,05 = Р 0,05 /F 0 .
Модуль упругости (Е ) – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Он равен:
Е = Рl 0 / l ср F 0 ,
где ∆Р – приращение нагрузки; l 0 – начальная расчетная длина образца; l ср – среднее приращение удлинения; F 0 – начальная площадь поперечного сечения.
Предел текучести
(условный
)
– напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.
Вычисляется по формуле:
σ 0,2 = Р 0,2 /F 0 .
Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.
Относительное удлинение (после разрыва ) – одна из характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения расчетной длины образца после разрушения (l к ) к начальной расчетной длине (l 0 ) в процентах:
Относительное равномерное удлинение (δ р) – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.
Относительное сужение после разрыва (ψ ), как и относительное удлинение – характеристика пластичности материала. Определяется как отношение разности F 0 и минимальной (F к ) площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F 0 ), выраженное в процентах:
Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость – свойство, обратное пластичности.
Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом – измерением твердости.
Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т.е., по сути дела, твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.3, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D . Число твердости по Бринеллю (НВ) есть нагрузка (Р ), деленная на площадь сферической поверхности отпечатка (диаметром d ).
Рис. 3.3. Испытание на твердость:
а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
При измерении твердости методом Виккерса (рис. 3.3, б) вдавливается алмазная пирамида. Измерив диагональ отпечатка (d ), судят о твердости (HV) материала.
При измерении твердости методом Роквелла (рис. 3.3, в) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Число твердости – это значение, обратное глубине вдавливания (h ). Имеются три шкалы: А, В, С (табл. 3.1).
|
|
Методы Бринелля и Роквелла по шкале B применяют для мягких материалов, а метод Роквелла по шкале C – для твердых, а метод Роквелла по шкале A и метод Виккерса – для тонких слоев (листов). Описанные методы измерения твердости характеризуют среднюю твердость сплава. Для того чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100 – 400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка. Полученная характеристика (Н ) называется микротвердостью , и характеризует твердость определенной структурной составляющей.
Таблица 3.1 Условия испытания при измерении твердости методом Роквелла
|
Условия испытания |
Обозначение т вердости |
|
|
Р = 150 кгс |
||
|
При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 60 кгс |
||
|
При вдавливании стального шарика и нагрузке Р = 100 кгс |
Значение НВ измеряют в кгс/мм 2 (в этом случае единицы часто не указываются) или в СИ – в МПа (1 кгс/мм 2 = 10 МПа).
Вязкость – способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. Многие детали в процессе работы испытывают не только статические нагрузки, но подвергаются также ударным (динамическим) нагрузкам. Например, такие нагрузки испытывают колеса локомотивов и вагонов на стыках рельсов.
Основной вид динамических испытаний – ударное нагружение надрезанных образцов в условиях изгиба. Динамическое нагружение ударом осуществляется на маятниковых копрах (рис. 3.4), а также падающим грузом. При этом определяют работу, затраченную на деформацию и разрушение образца.
Обычно в этих испытаниях, определяют удельную работу, затраченную на деформацию и разрушение образца. Ее рассчитывают по формуле:
КС = K / S 0 ,
где КС – удельная работа; К – полная работа деформации и разрушения образца, Дж; S 0 – поперечное сечение образца в месте надреза, м 2 или см 2 .
Рис. 3.4. Испытания на ударную вязкость с помощью маятникового копра
Ширина образцов всех типов измеряется до испытаний. Высоту образцов с U- и V-образным надрезом измеряют до испытаний, а с Т-образным надрезом уже после испытаний. Соответственно удельная работа деформации разрушения обозначается KCU, KCV и КСТ.
Хрупкость металлов в условиях низких температур называют хладоломкостью . Значение ударной вязкости при этом существенно ниже, чем при комнатной температуре.
Ещё одной характеристикой механических свойств материалов является усталостная прочность . Некоторые детали (валы, шатуны, рессоры, пружины, рельсы и т.п.) в процессе эксплуатации испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величине и направлению (знаку). Под действием таких знакопеременных (вибрационных) нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называют усталостью металла, а образовавшиеся изломы – усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости , т.е. величину наибольшего напряжения, которое металл может выдержать без разрушения при заданном числе перемен нагрузки (циклов) (N ).
Износостойкость – сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения. Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, для контактного провода и токосъемных элементов токоприемника электрифицированного транспорта. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдельных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.
Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей.
Учебное пособие для профессионально-технических училищ. — М.: Машиностроение, 1990. — 256 с.: ил. — ISBN 5-217-00830-X.В доступной форме изложены основы теории прочности,пластичности металлов и сплавов. Рассмотрены устройство, принцип действия,правила эксплуатации приборов и оборудования для проведения испытаний,дефектоскопии. Приведены математические основы обработки результатов измерений. Учебное пособие может быть использовано при подготовке рабочих на производстве.Техника безопасности, противопожарная безопасность и производственная санитария
Основные сведения по технике безопасности.
Противопожарная безопасность.
Производственная санитария.
Основные свойства материалов
Исходные металлические материалы. Основные сведения о производстве металлов и сплавов.
Основные свойства металлов и сплавов.
Неметаллические материалы, их свойства и области применения.
Основы теории упругой и пластической деформации и разрушения
Общая характеристика и атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов.
Понятие о напряженно-деформированном состоянии.
Упругая и пластическая деформации.
Влияние температуры на прочность и пластичность металлов и сплавов.
Сведения о процессе разрушения.
Механические испытания металлов и сплавов
Классификация методов испытаний.
Статические испытания.
Испытания на ударный изгиб.
Испытания на усталость.
Испытания на длительную прочность и ползучесть.
Измерение твердости.
Оборудование и приборы для проведения механических испытаний
Классификация оборудования и приборов для проведения механических испытаний.
Устройство и принцип действия машин для статических испытаний.
Устройство и принцип действия машин для ударных испытаний.
Устройство и принцип действия машин для повторно-переменных нагрузок (испытания на усталость).
Устройство и принцип действия машин для проведения специальных испытаний.
Приборы для измерения твердости.
Контрольно-измерительные средства, применяемые при испытаниях.
Неразрушающие методы контроля. Определение физических свойств металлов и сплавов
Классификация методов неразрушающего контроля.
Дефекты металлов и сплавов, причины их возникновения.
Тепловые методы обнаружения дефектов.
Термический анализ фазовых превращений в металлах и сплавах.
Термический анализ при высоких температурах.
Термический анализ при высоких скоростях нагрева и охлаждения.
Калориметрический анализ.
Дилатометрический метод.
Магнитные методы.
Электрические методы.
Параметрический вихретоковый метод.
Акустические методы.
Методы капиллярного контроля.
Методы течеискания.
Радиографический и радиоскопический методы.
Испытания неметаллических материалов
Испытания строительных материалов и изделий.
Испытания текстильных материалов.
Испытания пластических масс.
Специальные виды испытаний
Испытания на обрабатываемость металлов резанием.
Технологические испытания.
Испытания слесарного инструмента.
Основные сведения о стандартизации, метрологии и контроле качества продукции
Государственные стандарты и метрология.
Стандартизация и качество продукции.
Стандарты на испытания материалов и готовой продукции.
Требования к образцам для испытаний и методы обработки результатов испытаний
Пробы и изготовление из них образцов для испытаний.
Статистическая обработка результатов испытаний.
Оформление результатов испытаний.
Список литературы
При выборе материалов для изготовления машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства. К таким свойствам относятся: прочность, упругость, пластичность, ударная вязкость, твердость и выносливость. По этим свойствам можно провести сравнительную оценку различных сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий. Механические свойства определяют по результатам механических испытаний. Сплавы подвергают механическим испытаниям на растяжение, твердость, ударную вязкость. Сварные соединения испытывают на растяжение, ударную вязкость, загиб или сплющивание.
При механических испытаниях сплавы подвергают различным нагрузкам. Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади сечения испытываемого образца.
Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил.
Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 3.1). На практике материал может подвергаться нескольким видам деформации одновременно.
Для определения прочности, упругости и пластичности материалы в виде образцов круглой и плоской формы испытывают на растяжение. Испытания производят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.2).
На оси абсцисс диаграммы откладывают значения деформации, а на оси ординат - нагрузки, приложенные к образцу.
Прочность - способность материала сопротивляться разрушению иод действием нагрузок. Оценивается прочность пределом прочности и пределом текучести.
Рис. 3.1.
а - сжатие, б - растяжение, в - кручение, г - срез, д - изгиб
Рис.
Предел прочности ст в (временное сопротивление) - это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца:
где начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца.
Предел текучести а т - наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки:
где Р 1 - нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести (точка Б диаграммы).
Площадку текучести имеют в основном только пластичные материалы. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют условный предел текучести, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длины образца:
Упругость - способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки. Оценивается пределом упругости. Предел упругости 0,05 - условное напряжение, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05 % от расчетной длины образца:
где Р 0 05 - нагрузка предела упругости (точка А диаграммы).
Аналогичным образом, меняя формы образца и виды нагружения, можно определить о и (изгиб), а сж (сжатие), о кр (кручения) и т.д.
Пластичность - способность материала изменять, не разрушаясь, форму и размеры под действием внешних сил и сохранять остаточные деформации после снятия нагрузок. Оценивается относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение 5 - отношение приращения (/ к - / 0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах:
Относительное сужение у - отношение разности начальной и минимальной площадей (Р 0 - Р к) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади Р 0 , выраженное в процентах:
Чем пластичнее сплав, тем больше значение относительного удлинения и сужения. У хрупких материалов эти значения близки к нулю.
Ударная вязкость - это способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на излом образца работы А к площади его поперечного сечения Б в месте надреза:
Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы квадратного сечения. Разрушение образцов может быть хрупким или вязким. Хрупкое разрушение не сопровождается заметной пластической деформацией. Вязкому разрушению предшествует значительная пластическая деформация. Температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому называется порогом хладноломкости. Ударная вязкость резко снижается, а порог хладноломкости повышается с увеличением размера зерна и при выделении по границам зерен хрупких составляющих.
По ГОСТ 9454-78 ударную вязкость обозначают буквами КСи, КСУ, КСТ. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третьи буквы II, V, Т - вид концентратора напряжения (?7- радиус концентратора 1 ±0,07 мм, V - радиус 0,25 ± 0,025 мм, Т - трещина).
Твердостью называется способность металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела или, что равнозначно, оказывать сопротивление пластической деформации.
Твердость измеряют чаще всего способами Бринелля, Роквелла и Виккерса.
Определение твердости по Бринеллю. При определении твердости по Бринеллю в плоскую поверхность материала вдавливают под постоянной нагрузкой Р стальной твердый шарик диаметром 2,5; 5 и 10 мм.
Для определения твердости измеряют диаметр отпечатка и находят по нему число твердости в специальных таблицах.
Метод Бринелля не следует применять для материалов твердостью более НВ 450, так как стальной шарик может деформироваться и результаты будут искажаться.
Между числом твердости по Бринеллю и пределом прочности при растяжении эмпирическим путем получена приблизительная зависимость:
сталь (НВ 125... 175) - ст в = 0,343 НВ; сталь (НВ более 175) - а в = 0,362 НВ; алюминиевое литье - ст в = 0,26 НВ; бронза и латунь отожженные - а в = 0,55 НВ; серый чугун - а в = (НВ - 40)/6; цинковые сплавы - а в = 0,09 НВ.
Определение твердости по Роквеллу. При испытаниях твердости по Роквеллу в испытываемый материал вдавливается алмазный либо твердосплавный конус с утлом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм. Конус применяют для испытания твердых материалов, а шарик - для мягких. Толщина образца при испытании по Роквеллу должна быть не менее 1,5 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Значение твердости отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. На циферблате имеется три шкалы: А, В и С. При испытании материалов с высокой твердостью применяют алмазный конус и груз 150 кг. Твердость в этом случае отсчитывается по шкале С и обозначается НЯС.
Если при измерении берется стальной шарик и груз 100 кг, то твердость отсчитывается по шкале В и обозначается НЯВ.
При испытаниях очень твердых тел применяется груз 60 кг. Твердость отсчитывается по шкале А и обозначается НИА.
Числа твердости по Роквеллу можно приблизительно пересчитать в числа твердости по Бринеллю. На основании экспериментальных данных установлена зависимость: НЯС = 10 НВ.
Определение твердости по Виккерсу. Твердость определяют вдавливанием в испытуемый материал с полированной или шлифованной поверхностью четырехгранной алмазной пирамиды с утлом при вершине 136°. Полученный отпечаток имеет форму ромба. Число твердости по Виккерсу (НУ) по специальным таблицам определяют по измеряемой величине а (диагональ отпечатка, мм). Этот метод широко применяется для измерения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.
Loading...