Изучение процесса кристаллизации

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Методические указания

для лабораторных (практических) занятий

по дисциплине "Материаловедение "

для студентов всех специальностей и направлений

очной и заочной форм обучения

Составитель Г.Ф. Бабюк

Тюмень

ТюмГНГУ

Утверждено на заседании кафедры "Общетехнических дисциплин"

протокол №2 от 1 ноября 2013г.

Составитель Г.Ф. Бабюк

© Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тюменский государственный

нефтегазовый университет", 2013 г.

Введение

Курс «Материаловедение» является одним из основных в цикле общетехнической подготовки инженеров различных специальностей. Материаловедение закладывает основы профессиональных знаний и умений, позволяющих решать производственные конструкторские и технологические задачи, связанные с оптимизацией выбора материалов и технологий изготовления и упрочнения изделий различного назначения.

Любой выпускник технического вуза независимо от специальности должен иметь базовые представления о строении и свойствах основных промышленных материалов и методах целенаправленного изменения этих свойств.

Лабораторные работы по курсу «Материаловедение» предназначены для приобретения практических навыков и закрепления теоретических знаний в области материаловедения.

В результате освоения дисциплины «Материаловедение» студент должен

знать:

- основные классы современных материалов, их свойства и области применения;

- принципы выбора материалов и способы их обработки;

- особенности этапов жизненного цикла материалов и изделий из них;

- закономерности структурообразования, фазовые превращения в материалах;

- влияние структурных характеристик на свойства материалов;

- закономерности и практические способы воздействия на механические свойства металлических сплавов путем изменения их химического состава и структуры;

- характерные особенности строения и свойств полимерных материалов;

- классификацию, маркировку, механические свойства, режимы упрочняющей термической обработки и области применения сталей.

уметь:

- выбирать материал для заданных условий эксплуатации с учетом требований технологичности, экономичности, надежности и долговечности изделий;

- выбирать материалы для решения задач профессиональной деятельности;

- пользоваться оптическим микроскопом для изучения структуры материалов;

- измерять твердость для контроля результатов термической обработки;

- определять физические, химические и механические свойства материалов при различных видах испытаний;

- прогнозировать на основе информационного поиска конкретную способность материалов;

- работать с учебной, а при необходимости - научной и справочной литературой по материаловедению.

владеть:

- принципами выбора материалов для элементов конструкций и оборудования;

- методами планирования и проведения измерительных экспериментов, выбора и использования методов обработки экспериментальных данных и оценки результатов эксперимента;

- навыками определения механических свойств материалов, техники проведения экспериментов и статистической обработки экспериментальных данных.

К выполнению лабораторных работ допускаются подготовленные студенты. Для этой цели они знакомятся с лабораторными работами по курсу «Материаловедение», уясняют цель и методику выполнения работы, отражают в отчете основные теоретические представления, используемые в работе. При выполнении работ по изучению микроструктуры различных сплавов используется альбом макро- и микроструктур металлических сплавов.

Отчет по лабораторным работам необходимо выполнять в отдельной тетради, на титульном листе которой написать:

«Материаловедение»

Лабораторные работы

студента (тки) группы (номер группы)

Фамилия, имя отчество.

Объем отчета по одной работе обычно не превышает 3-5 страниц. Отчет должен соответствовать рекомендуемому содержанию, быть понятным, кратким лаконичным, написанным без произвольных сокращений; текст, иллюстрированный и табличный, материалы должны соответствовать известным требованиям оформления отчетов. В случае статической обработки результатов эксперимента должны быть указаны доверительные интервалы экспериментально полученных значений и приведены графики полученных аппроксимирующих функций. В отчетах о работах, связанных с изучением микроструктур, должны быть изображены схемы микроструктур с указанием всех структурных и фазовых составляющих. Происхождение любой точки, линии и др. на схеме микроструктуры должно быть понятно студенту и любому, читающему отчет о работе. Под схемой микроструктуры должна быть приведена подрисуночная подпись с указанием материала, его марки, структурных составляющих и увеличения металлографического микроскопа. Результатом микроструктурного анализа является информация о структурных и фазовых составляющих сплавов, о том, что они собой представляют, как получаются. Отчет должен содержать заключение или выводы по работе.

Выполнение лабораторных работ по материаловедению позволит студенту овладеть широко используемыми методами исследования структуры, научиться «читать» диаграммы состояния различных систем, «понимать» структуру различных металлических материалов. Многие работы носят характер научных исследований, позволяющих закрепить ранее приобретенные знания и навыки в обработке результатов эксперимента, составлении и оформлении отчета о работе, умении делать выводы по работе.

В лабораторных работах приведены контрольные вопросы и тесты, позволяющие студенту проверить свою готовность к выполняемой работе.

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Лабораторные работы выполняются на приборах и оборудовании лабораторий и при выполнении их студент должен соблюдать правила техники безопасности:

1. Перед началом работы на приборе студент должен изучить его устройство, приемы безопасного обслуживания, получить инструктаж от преподавателя или лаборанта.

2. Строго соблюдать указанную методику выполнения работы.

3. Не включать без разрешения преподавателя или лаборанта используемые в работе приборы и оборудование.

4. Не помещать на рабочие места посторонние предметы.

5. Строго выполнять правила эксплуатации приборов и оборудования.

6. Работать только на приборах и оборудовании, используемых в данной работе.

7. При работе с химическими реактивами соблюдать осторожность, во избежание ожогов не допускать их попадания в лицо, на кожный покров, на одежду.

8. Загрузку и выгрузку образцов при работе на электротермическом оборудовании во избежание электротравм производить при выключенном напряжении питания.

9. Во избежание ожогов загрузку образцов при работе на электротермическом оборудовании производить специальными клещами.

10. Категорически запрещается оставлять без присмотра выгруженные из камеры электротермического оборудования образцы.

11. Запрещается при приготовлении микрошлифов работать на дефектных (порванных) шлифовальных шкурках и полировальных материалах.

12. Не прижимать сильно микрошлиф к вращающемуся диску, обтянутому шлифовальной шкуркой или полировальным материалом, во избежание взрыва образца и порыва шлифовальной шкурки или полировального материала.

13. Во избежание поломки соблюдать осторожность, не прилагать больших усилий при работе с металлографическим микроскопом.

14. При обнаружении любой неисправности сообщать преподавателю или лаборанту.

Лабораторная работа № 1

Цель работы

1.1.1. Изучить процесс кристаллизации из жидкого состояния.

1.1.2. Изучить процесс кристаллизации на изломах слитков, полученных из расплавленного состояния при различных условиях охлаждения.

1.1.3. Зарисовать картину кристаллизации поваренной соли (NaСl) из насыщенного водного раствора.

Приборы и материалы

Биологический микроскоп, образцы разрушенных слитков, раствор поваренной соли, спиртовка, плакаты.

Свойства металлов

Металлами являются 88 из 110 известных химических элементов таблицы Менделеева. Металлы - один из классов конструкционных материалов, которые проявляют следующие характерные свойства:

· высокую теплопроводность и электропроводимость;

· положительный температурный коэффициент электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление растет);

· способность к термоэлектронной эмиссии (при нагреве поверхность металла испускает электроны);

· непрозрачность, металлический блеск;

· высокую пластичность, т. е. способность деформироваться без разрушения.

Все эти свойства обусловлены атомным строением и типом связи между атомами металлов.

Теория металлического состояния рассматривает металл, как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных свободными электронами. Свободные электроны, как бы создают газ, который хаотично распространяется во всех направлениях, связывая ионы в металле. Между положительными ионами и свободным электронным газом возникают силы, электростатического взаимодействия, которые обуславливают металлический тип связи между атомами.

Металлическая связь ненаправленная: каждый атом стремится притянуть к себе как можно больше других, поэтому металлы образуют компактные, плотно упакованные кристаллические структуры. Это позволяет легко смещать одни слои атомов относительно других, вместо нарушенных межатомных связей тут же образуются новые. Металл деформируется, но не разрушается, т. е. проявляет пластичность. Именно это уникальное свойство позволило металлам стать важнейшим конструкционным материалом, обеспечивая одновременно надежность в работе и технологичность при изготовлении.

Рис. 1.1. Пространственная кристаллическая решетка

Основное свойство кристаллических решеток – их пространственная периодичность.Это значит, что любую кристаллическую решетку можно представить состоящей из множества одинаковых соприкасающихся микрообъемов, называемых элементарными ячейками.

Атомы в кристалле расположены на строго определенном расстоянии, на котором энергия взаимодействия между ними минимальна. Силы притяжения и отталкивания между двумя соседними атомами с увеличением расстояния уменьшаются.

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». У металлов чаще всего встречаются три типа кристаллических решеток из 14 возможных:

· ОЦК - объемноцентрированная кубическая (Fe_α, Cr, W, Mo, Na);

· ГЦК - гранецентрированная кубическая (Fe_γ., Ni, Cu, Al, Ag, Au);

· ГПУ – гексагональная плотноупакованная (Zn, Cd, Mg, Ti, Be).

Методы условного изображения кристаллической ячейки различны, чаще пользуются схемами из плотных шаров и в виде правильных геометрических фигур (рис.1.2).

Рис. 1.2. Модели элементарных ячеек:

а, г – ГПУ (гексагональная плотноупакованная);

б, д – ГЦК (гранецентрированная кубическая);

Полиморфизм металлов

Некоторые металлы в зависимости от температуры могут существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется полиморфизм или аллотропия, а различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной кристаллической формы к другой называется полиморфным превращением. Полиморфные превращения протекают при определенной температуре. Полиморфные модификации обозначают строчными греческими буквами α, β, γ, δ и т. д., причем, α соответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре. Полиморфизм характерен для железа, олова, кобальта, марганца, титана и некоторых других металлов.

Важное значение имеет полиморфизм железа. На рис. 1.3 изображена кривая охлаждения железа. Полиморфные превращения характеризуются горизонтальными участками на кривой охлаждения, так как при них происходит полная перекристаллизация металла. До 911°С устойчиво Fe_a, имеющее кубическую объемно-центрированную решетку. В интервале 911-1392°С существует Fe_y c кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. При 1392-1539° С вновь устойчиво Fe_a. Часто высокотемпературную модификацию Fe_a обозначают Fe_δ. Остановка на кривой охлаждения при 768° С связана не с полиморфным превращением, а с изменением магнитных свойств. До 768° С железо магнитно, а выше - немагнитно.

Рис. 1.3. Кривая охлаждения железа

Процесс кристаллизации

Каждое вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением.

Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов (кристаллической решетки) из жидкой или газообразной среды. В природе все самопроизвольно протекающие процессы, в том числе плавление и кристаллизация вызываются тем, что новое состояние в новых условиях является более устойчивым и обладает меньшим запасом свободной энергии. Под свободной энергией F - понимают ту часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу. С повышением температуры свободная энергия жидкого и твердого состояния уменьшается. Однако она меняется различно для жидкого и твердого состояния (рис.1.4.). При температуре выше T₀ меньшей свободной

Рис. 1.4. Свободная энергия F

энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже T₀ - в твердом состоянии. Следовательно, при T> T₀ вещество находится в жидком состоянии, а при T<T₀ – в твердом состоянии. Очевидно, что при T₀ свободные энергии жидкого и твердого состояния равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии.

Температура T₀ называется равновесной или теоретической температурой кристаллизацией (плавления).

При T₀ не может происходить процесс кристаллизации, т.к. для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден, т.е. необходимо создать такие условия, при которых свободная энергия твердой фазы будет меньше, чем свободная энергия жидкой фазы. Как видно из рисунка 1.4., это возможно лишь при некотором переохлаждении сплава. Температура, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации. Степенью переохлаждения _∆T называется разность между равновесной (теоретической) и фактической температурами кристаллизации

_∆T= T₀-T_кр , где T₀ – равновесная температура, T_кр – фактическая температура кристаллизации.

Для развития процесса кристаллизации необходима некоторая степень переохлаждения _∆ T. Движущей силой любого превращения является разность свободных энергий, зависящая от скорости охлаждения.

_∆F=F_ж-F_кр

Процесс кристаллизации изучают по кривым охлаждения (рис. 1.5).

Температура

Рис. 1.5. Кривые охлаждения при кристаллизации

Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры (участок AB).Скорость охлаждения (наклон кривой) зависит от разности температур металла и охлаждающей среды. При достижении температуры кристаллизации на кривой появляется площадка (участок BC), т.к. отвод тепла компенсируется так называемой открытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации (точка C), т.е. когда весь жидкий металл перейдет в кристаллическое состояние, температура опять начинает снижаться, происходит охлаждение затвердевшего металла (участок CD). Чем больше скорость охлаждения, тем при низкой температуре заканчивается процесс кристаллизации и тем больше будет степень переохлаждения.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

· зарождение центров кристаллизации или зародышей;

· рост кристаллов из этих центров.

На рис.1.6. дана модель процесса кристаллизации.

Рис. 1.6. Качественная схема процесса кристаллизации

Каждую секунду появляется какое-то количество новых центров кристаллизации, в то же время появившиеся ранее зародыши подрастают с определенной скоростью на какую-то величину. Столкновение растущих кристаллов приводит к потере ими правильной огранки. Это уже не кристаллы, а зерна.

Общая скорость процесса кристаллизации (рис.1.7.) складывается из скорости элементарных процессов и зависит от степени переохлаждения (или скорости охлаждения расплава): ч.ц. – число центров кристаллизации, возникших за 1 с в 1 мм³ расплава, с.р. – линейная скорость роста кристалла, мм/c.

Рис.1.7. Скорость кристаллизации

При медленном охлаждении V₁ и малой степени переохлаждения ΔT₁ возникает малое число зародышей в единицу времени. Из них небольшое количество крупных зерен. В этом случае получается крупнозернистая структура металла.

При большой скорости охлаждения V₂ и значительной степени переохлаждения ΔT₂ возникает множество зародышей в единицу времени, и из них вырастает много мелких зерен. Структура получается мелкозернистая.

Таким образом, практически увеличение скорости охлаждения при кристаллизации приводит к формированию более мелкозернистого металла, имеющего более высокие механические свойства.

Очень маленькая скорость охлаждения может привести к получению только одного зародыша, из которого можно вырастить монокристалл.

Строение слитка

На процесс кристаллизации всегда влияет множество факторов: направление теплоотвода, наличие нерастворимых примесей в расплаве и т. д.

В слитке кристаллизация всегда начинается у стенок формы, так как металл здесь охлаждается быстрее. Степень переохлаждения у стенок велика, поэтому здесь образуется множество мелких кристалликов, по-разному ориентированных. Эту часть слитка называют мелкозернистой коркой 1.

Затем кристаллы начинают расти от поверхности в направлении, обратном отводу тепла, т. е. перпендикулярно стенке формы. В поперечном направлении кристаллы мешают друг другу расти, поэтому они приобретают вытянутую форму. Их называют столбчатыми кристаллами 2.

В центре крупного слитка образуется объем жидкого металла с почти одинаковой температурой во всех точках. Тепло от этой зоны отводится медленно, с одинаковой скоростью во всех направлениях.

Рис.1.8. Схема строения стального слитка

Поэтому зародыши здесь возникают в разных участках и не имеют преимущественного направления роста. Это зона крупных, по-разному ориентированных равноосных кристаллов 3.

В верхней части слитка за счет усадки возникает крупная пустота – усадочная раковина 4. Эту часть слитка удаляют. Наилучшие механические свойства должны быть в первой зоне – корке, наихудшие – в сердцевине слитка, особенно в верхней части.

Размер зон в конкретном изделии зависит от состава металла, скорости охлаждения при кристаллизации и температуры заливаемого в форму металла.

В отливках небольшого поперечного сечения при быстром охлаждении и большом перегреве может происходить транскристаллизация: столбчатые кристаллы дорастают до столкновения, равноосные кристаллы в центре вообще не образуются.

Свободно растущий в жидкости кристалл при малой степени переохлаждения принимает форму дендрита – разветвляется подобно дереву (рис.1.9), кристалл Чернова (рис.1.10). При росте дендритов максимальная скорость роста наблюдается по плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов.

.

Рис.1.9. Схема дендрита Рис.1.10. Кристалл Чернова

В результате вырастают длинные ветви, которые называют осями первого порядка. На них появляются ветви второго порядка и т. д. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендритов. Примеси оттесняются гранями растущего кристалла. Кроме того, при затвердевании происходит усадка металла. Все это приводит к тому, что в участках, расположенных между осями дендритов, сконцентрированы примеси и имеются микропоры. Такая особенность строения литого металла приводит к понижению его механических свойств, особенно пластичности.

Порядок выполнения работы

1.4.1. Уясните цель работы.

1.4.2. Изучите процессы и условие необходимое для протекания процесса кристаллизации.

1.4.3. Изучите типы кристаллических решеток.

1.4.4.Изучите дефекты кристаллического строения.

1.4.5. Изучите строение металлического слитка.

1.4.6. Составьте отчет о работе

Содержание отчета

1.5.1. Цель работы и задание по ее выполнению.

1.5.2. Краткие сведения по кристаллизации металлов

1.5.3. Наблюдать и вычертить схему кристаллизации поваренной соли из капли раствора.

1.5.4. Начертить схему строения стального слитка.

1.5.5. Объяснить причину образования трех зон в слитке и усадочной раковины. Объясните, что такое транскристаллизация, и в каких случаях желательно ее развитие.

1.6. Контрольные вопросы

1.6.1. В чем сущность кристаллического строения металлов?

1.6.2. Каковы характерные свойства металлических материалов?

1.6.3. Какие типы кристаллических решеток Вам известны?

1.6.4. Охарактеризуйте основные параметры кристаллической решёт-

ки и их связь со свойствами материалов?

1.6.5. Каков физический смысл температуры T₀, соответствующей точки пересечения кривых F_ж и F_кр?

1.6.6. Как изменяется скорость кристаллизации металла, если степень переохлаждения возрастает?

1.6.7. Какие материалы обладают свойствами анизотропии и изотропии?

1.6.8. Что такое полиморфные превращения?

1.6.9. Укажите условия процесса кристаллизации.

1.6.10. По схеме строения стального слитка (показанного в разрезе) укажите его наиболее ослабленные места.

1.6.11. Какова связь между величиной зерна, скоростью зарождения, скоростью роста кристаллов и степенью переохлаждения?

1.6.12. Как можно получить мелкозернистый металл при кристаллизации?

1.6.13. Какие условия получения крупнозернистого металла при кристаллизации

1.6.14. Из каких элементарных процессов состоит процесс кристаллизации?

1.6.15. Как влияет скорость охлаждения при кристаллизации на формирование структуры металла?

1.6.16. Почему металлы при охлаждении ниже определенной температуры затвердивают?

1.6.17. На предприятии изготавливают вазы для цветов: металлические, пластмассовые и стеклянные. Объясните какими связями связаны атомы между собой, какое строение и какими свойствами обладают данные материалы? Какая ваза будет прочнее. (практическая ситуация)

1.6.18. Чем отличается гомогенное образования зародышей от гетерогенного?

1.6.19. Чем отличается кристаллическое вещество от аморфного?

1.6.20.Назовите дефекты кристаллической решетки. На что они влияют?

1.6.21. В чем сущность модифицирования.

Список литературы

1.8.1. Бондаренко Г.Г. Материаловедение: учеб/ Г.Г. Бондаренко, Т.А. Кабанова, В.В. Рыбалко; под ред. Г.Г. Бондаренко. – М.: Высш. шк.,2007. – 360с.: ил.

1.8.2. Лахтин Ю.М., Материаловедение [Текст]: учебник для вузов / Ю.М.Лахтин, В.П.Леонтьева,- 4-е изд., перераб – М.: Альянс, 2009.-527с.- с. 7-37.

1.8.3. Ржевская С.В. Материаловедение: Учеб. для вузов.–3-е изд., перераб. и доп.– М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2005.- 456с. - С.15-40.

Лабораторная работа № 2

Цель работы

2.1.1. Изучить методику проведения испытаний на растяжение и определение механических свойств.

2.1.2. Определить графическим способом показатели прочности, определить показатели пластичности.

Приборы и материалы

Машина для испытаний на растяжение, линейка, микрометр, штангенциркуль, образцы различных металлов.

Рис. 2.2. Схема процесса деформации

деформации сохраняется и в пластической области. Поэтому задолго до полного разрушения можно обнаружить на отдельных его участках трещины разрушения.

Механические свойства материалов: прочность, твердость, пластичность, вязкость, упругость определяются при различных условиях нагружения и разных схемах приложения усилий. Широко распространено испытание материалов на растяжение, по результатам которого можно определить показатели прочности и пластичности материала.

Прочность – это способность материала сопротивляться пластической деформации под действием внешних нагрузок.

Пластичность – это способность материала проявлять, не разрушаясь, остаточную деформацию.

Испытания на растяжение относятся к статическим испытаниям, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно.

Условия приведения испытаний на растяжение и порядок определения показателей механических свойств регламентированы стандартом ГОСТ1497-84.

Зависимость между силами и деформациями записывается с помощью механического или электронного диаграммного аппарата машины в виде кривой растягивающая силаР – абсолютное удлинение образца ΔI.

На рис. 2.3 показаны типичные диаграммы растяжения. Для получения удельных механических характеристик данного материала, не зависящих от размеров образцов, диаграмма деформации при растяжении строится в координатах – растягивающее напряжение - относительное удлинение δ:

где Р- растягивающая сила; F₀ - исходная площадь поперечного сечения образца; Δ1- абсолютное удлинение; 1_о -расчетная длина образца до испытания.

Рис. 2.3. Виды диаграмм растяжения различных материалов:

А - для большинства металлов в пластичном состоянии с постепенным переходом из упругой области в пластическую (медь, бронза, легированные стали); б - для некоторых металлов в пластичном состоянии со скачкообразным переходом в пластическую область (малоуглеродистая сталь, некоторые отожженные бронзы); в - для хрупких материалов (чугун, стекло, закаленная и не отпущенная сталь, силумин)

Диаграмма σ - ε отличается от диаграммы P-ΔI только масштабом и поэтому при приемо-сдаточных испытаниях часто механические свойства определяют по первичной диаграмме P-Δl (рис.2.4).

На рисунке совмещены диаграммы с постепенным и резким переходом в пластическую область.

В упругой области нагружения, где имеется прямая пропорциональность между удлинением образца и соответствующей нагрузкой (участок 0 - Р_ПЦ, см. рис. 2.4), основной характеристикой является модуль продольной упругости (модуль первого рода, или модуль Юнга):

Рис. 2.4. Характерные участки и точки диаграммы растяжения.

В настоящее время наиболее точным считается определение модуля упругости динамическим способом.

Сопротивление начальным (малым) пластическим деформациям, возникающим при переходе из упругой области в упруго-пластическую и отличаемым по отклонению от линейной зависимости, характеризуют следующие величины:

Предел пропорциональности σ_пц - условное напряжение, соответствующее отклонениям от линейного хода кривой деформации (от закона Гука), задаваемым определенным допуском, например увеличением тангенса угла наклона кривой деформации к оси напряжений на 25 или 50% при переходе от прямолинейного участка к криволинейному:

,

где Р_пц - нагрузка при пределе пропорциональности.

Предел упругости σ_0,05 - условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций заданной величины (0,05%);

,

где Р_0,05 - нагрузка на пределе упругости.

Предел текучести (физический) σ_т - условное напряжение, соответствующее наименьшей нагрузке "площадки текучести", когда деформация образца происходит без увеличения нагрузки:

,

где Р_т - нагрузка при пределе текучести.

Предел текучести (условный) σ_0,2 - условное напряжение при котором остаточная деформация достигает величин 0,2%:

,

где Р_0,2-нагрузка при условном пределе текучести.

Сопротивление значительным пластическим деформациям пластичных металловхарактеризуется пределом прочности (временным сопротивлением) - σ_в. σ_в-условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом:

,

где Р_в - максимальная нагрузка, достижение которой практически совпадает с началом образования шейки в образце из пластичного материала (переход от равномерной деформации всей рабочей части образца к сосредоточенной деформации в одном сечении).

Пластичность металлов характеризует следующие величины:

а) относительное удлинение (при разрыве) δ - отношение прироста длины образца после разрыва к первоначальной расчетной длине:

,

1_к-длина образца на расчетном участке после разрыва.

Величина δ зависит от базы l₀, по которой определяется δ. Чем больше l₀, тем меньше δ. Индекс у δ (δ _2,5; δ ₅; δ ₁₀) указывает на кратность испытуемого образца (l₀/d₀);

б) относительное сужение (при разрыве) ψ - отношение наибольшего (в месте разрыва) уменьшения поперечного сечения образца к первоначальной площади поперечного сечения:

,

где F_к - площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Относительное сужение ψ как более локальная характеристика лучше оценивают вязкость материала при разрушении, чем относительное напряжение σ.

Хотя рассмотренные характеристики имеют большое практическое значение, они условны, поскольку подсчет напряжений делением нагрузок на первоначальную площадь поперечного сечения не дает истинных напряжений, а относительное удлинение δ при образовании шейки не характеризует максимальной пластичности материала и зависит от размеров используемого образца.

При исследованиях иногда используют диаграммы истинных напряжений. Истинное напряжение S вычисляют делением действующей в определенный момент нагрузки Р на площадь поперечного сечения образца в тот же момент. Абсциссой диаграммы истинных напряжений часто принимают относительное сужение ψ, измеряемое и подсчитываемое для каждого момента нагружения соответственно.

На рис.2.5 показаны диаграмма истинных напряжений S-ψ для металла, образующего шейку при растяжении, и для сопоставления диаграмма σ - ε. Из этих диаграмм видно, что с увеличением деформации истинные напряжения непрерывно растут до момента разрушения образца. У пластичных материалов (большинство сталей и деформируемых цветных сплавов)максимальная нагрузка, соответствующая σ_в, является характеристикой пластической деформации, а у хрупких материалов (чугуны, многие литейные алюминиевомагниевые сплавы и др.) – характеристикой сопротивления разрушения, так как в последнем случае максимальная нагрузка соответствует моменту разрушения.

Рис.2.5. Диаграмма истинных напряжений при растяжении

Для пластичных материалов характеристикой сопротивления разрушения гладкого образца при растяжении служит истинное сопротивление разрушению S_к- истинное напряжение в момент разрушения:

_,

где Р_к- усилие в момент разрушения; F_к- площадь сечения в месте разрушения (рис.2.5).

Порядок проведения работы

1. Изучить основные теоретические положения и условия проведения испытаний на растяжение.

2. Испытать на растяжение образцы различных материалов с записью диаграммы растяжения. Результаты занести в протокол (табл. 2).

3. Обработать результаты, определить механические свойства испытанных материалов и сравнить их.

Подготовка к испытанию

При изготовлении из заготовок образцов принимают меры, исключающие возможность изменения свойств металла от нагрева или наклепа. Плоские образцы должны сохранять поверхностные слои проката, если нет других указаний. Стрела прогиба плоских образцов на длине 200 мм не должна превышать 10% толщины образца, но не более 4 мм. Шероховатость обработанных поверхностей Ra рабочей части цилиндрических образцов не должна быть более 1,25 мкм, а шероховатость R_z боковых поверхностей рабочей части плоских образцов не более 20 мкм.

Допускается испытывать сортовой прокат, литые образцы и готовые изделия без предварительной механической обработки.

Для испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) применяют пропорциональные цилиндрические (тип - V ) или плоские образцы диаметром или толщиной в рабочей части 3 мм и более с начальной расчетной длиной

l₀ = 5,65 √ F или l₀ = 11,3 √ F₀.

Применение коротких образцов предпочтительнее.

Литые образцы и образцы из хрупких материалов допускается изготавливать с начальной расчетной длиной

l₀ = 2,82√ F₀

где F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца.

Допускается применять пропорциональные образцы других размеров и непропорциональные образцы. Для плоских образцов соотношение между шириной и толщиной в рабочей части не должно превышать 8:1.

Рабочая длина I образцов не должна составлять:

от l₀ + 0,5d₀ до l₀ = 2 d₀ -для цилиндрических образцов;

от l₀ + 1,5√ F₀ до l₀ = 2,5 √ F₀-для плоских образцов;

Перед испытанием образцы обязательно измеряют, определяют F₀; по всей рабочей длине образца рекомендуется наносить метки, например через каждые 5 или 10 мм; на хрупких образцах метки наносят карандашом, красителем и т.п.

Проведение испытаний

В данной лабораторной работе применяют цилиндрические образцы III (рис.2.6) типа согласно таблице 1.

Рис.2.6. Тип пропорциональных цилиндрических образцов для

испытаний на растяжение III (по ГОСТ-1497-84)

Таблица 2.1

Наши рекомендации

Номер образца	do	l0=5d0	l=10d	D	h1	h2	r