Определение характеристик прочности

Прочность – свойство материала сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил.

В зависимости от способа приложения нагрузки различают прочность при растяжении, изгибе, сжатии, кручении, прочность на срез, при действии циклической или знакопеременной нагрузки – усталостную прочность и др.

В зависимости от скорости приложения нагрузки различают

статическую прочность, характеристики которой определяются при медленном равномерном возрастании нагрузки;

динамическую прочность, характеристики которой определяются при ударном приложении нагрузки.

В зависимости от температуры испытания различают

прочность при температуре ( ) °C, низкотемпературную прочность и прочность при повышенной и высокой температуре.

1.1. Определение характеристик статической прочности

Основными характеристиками статической прочности материалов являются предел текучести σ_т, который характеризует способность материала
сопротивляться пластической деформации, и предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σ_в. Значения названных характеристик определяют по ГОСТ 1497-84 (Металлы. Методы испытаний на растяжение). Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские стандартные разрывные образцы (рис. 1), которые изготавливаются на металлорежущих станках из заготовок. Правила вырезки этих заготовок из изделий указаны в стандартах. Образец закрепляют в испытательной машине, схема которой приведена на рис. 2, и нагружают.

А б

Рис. 1. Стандартные образцы для испытания на статическое осевое
растяжение: а – круглые образцы; б – плоские образцы с головками

На рис. 2 обозначено: 1 – собственно машина; 2 – винт грузовой; 3 – нижний
захват (активный); 4 – образец; 5 – верхний захват (пассивный); 6 – силоизмерительный датчик; 7 – индикатор нагрузок;
8 – привод нагружающего механизма.

Результаты испытаний фиксируются на диаграмме растяжения (график зависимости напряжения σ от деформации ε, рис. 3). При этом силу Р, растягивающую образец, относят к первоначальной площади поперечного сечения F₀ (это отношение называется напряжением σ), а удлинение образца Dl – к первоначальной длине расчетной части образца l₀:

σ = P / F₀, (1)

ε = Δl / l₀, (2)

ε

σт

σв

σ, Па

Предел текучести физический (нижний предел текучести) σ_т – наименьшее напряжение, соответствующее растягивающему усилию Р_т, при котором образец деформируется без заметного увеличения этого усилия, Н/м² (МПа, кгс/мм²):

σ_т = Р_т / F₀, (3)

где Р_т – наименьшая нагрузка, соответствующая стадии текучести материала на диаграмме растяжения образца, Н (кгс);

F₀– начальная площадь поперечного сечения образца, м² (мм²).

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σ_в – напряжение, соответствующее наибольшему усилию Р_max, предшествующему разрыву образца, Н/м² (МПа, кгс/мм²):

σ_в = Р_max / F₀, (4)

1.2. Определение характеристик прочности при циклическом нагружении
(испытания на усталость)

Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется усталостью. Разрушение таких деталей, как валы, рессоры, рельсы, шестерни и др., в эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.

Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках, она характеризуется наибольшим напряжением σ_-1, которое выдерживает металл, не разрушаясь при бесконечно большом числе циклов нагружения, и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для оценки способности материала сопротивляться действию циклических напряжений и исследования различных стадий усталостного разрушения в технике широко используют кривые усталости (рис. 4), которые показывают связь между уровнем переменного напряжения σ и числом циклов до разрушения N (кривые Велера).

Для углеродистой конструкционной стали предел усталости условно принимается равным (0,4 – 0,5) σ_в.

Значение предела выносливости зависит от многих факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.

Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.Живучесть − это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины до полного разрушения, она измеряется числом циклов нагружения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.

1.3. Определение характеристик динамической прочности

Основной характеристикой динамической прочности материалов является ударная вязкостьKCUилиKCV, Дж/м² (кгс∙м/см²).

В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динами-ческие (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78 (Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах).
Метод основан на разрушении стандартного образца для испытания на динамическую прочность (рис. 5) с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах (схема испытания представлена на рис. 6). При испытании определяют полную работу, затраченную на разрушение образца ударным изгибом (работу удара), по значению которой рассчитывается ударная вязкость.

Ударную вязкость (KC) в Дж/см² (кгс·м/см²) вычисляют по формуле:

KC= K/ S₀, (5)

где K – работа удара, Дж (кгс·м);

S₀– начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см², вычисляемая по формуле:

S₀= H₁∙ B, (6)

где Н₁ – начальная высота рабочей
части образца, см;

B − начальная ширина образца, см.

Для определения ударной вязкости применяют образцы (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 6, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 6, б). Работа удара K (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:

К = G(h₁ – h₂), (7)

где G – сила тяжести, Н, G = mg;

m – масса маятника, кг;

h₁ – исходная высота подъема маятника, м;

h₂ – высота подъема маятника после разрушения образца, м.

Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вяз-кости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква
V (КСV).

А б

Рис. 6. Схема испытаний на ударную вязкость:

а – маятниковый копер; б – установка образца

Для обозначения работы удара и ударной вязкости при пониженной и повышенной температуре вводится цифровой индекс, указывающий температуру испытания. Цифровой индекс ставят вверху после буквенных составляющих, например: KCV⁻⁴⁰– работа удара, определенная на образце с концентратором вида V при температуре минус 40 °С; KCU ⁺¹⁰⁰– ударная вязкость, определенная на образце с концентратором вида U при температуре плюс 100 °С.

Определение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки сопротивляемости к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью. Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до минус 100 °С). Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания» (рис. 7). Температура, ниже которой происходит падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости. Порог хладноломкости − температура, при которой металл переходит из вязкого состояния в хрупкое. Верхним порогом хладноломкости является температура t_в, при которой доля вязкой (волокнистой, матовой) составляющей в изломе металла (сплава) более 90 %, а нижним – температура t_н, при которой доля вязкой составляющей в изломе металла менее 10 %, т. е. преобла-дает хрупкий (кристаллический, блестящий) излом. В технике за порог хладноломкости принимают критическую температуруt_кр, при которой доля вязкого излома составляет 50 %. Чем ниже порог хлад ноломкости материала, тем выше его надежность при низкой температуре.

1.4. Определение характеристик жаропрочности – прочности металла
при высокой температуре

Жаропрочность − свойство металлов при высокой температуре соп-ротивляться деформации и разрушению при действии приложенных напряжений. Жаропрочность зависит от химического состава, структуры и технологии изготовления сплава.

Основными характеристиками жаропрочности являются предел ползучести σ_пл и предел длительной прочности σ_дл. О жаропрочности судят по результатам длительных испытаний на статическое осевое растяжение стандартных образцов (см. рис. 1) при высокой температуре (ГОСТ 9651-84), на ползучесть (ГОСТ 3248-81) и длительную прочность (ГОСТ 10145-81). Образец при испытаниях помещается в термостат, в котором поддерживается заданная температура.

Пределом ползучести называется напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) или заданную скорость ползучести на прямолинейном участке кривой ползучести.

Предел ползучести обозначается как напряжение σ с числовыми индексами – верхний указывает температуру в градусах Т, а нижний − отношение
деформации δ в процентах и времени τ в часах, за которое она возникает , например: МПа означает, что напряжение 80 МПа за время 100 000 ч при температуре 600 °С создает 1 % пластической деформации ползучести. Нижний индекс представляет собой скорость ползучести, %/ч, V = 1×10⁻⁵.

Предел ползучести является базовой расчетной характеристикой конст-рукций, работающих с ограниченной суммарной деформацией ползучести. Например, для подвижных узлов турбин (валов, лопаток) суммарная деформация ползучести за весь период работы не должна превышать определенного значения, обусловленного конструктивными соображениями работоспособности.

Ползучесть − свойство металлов медленно и непрерывно пластически деформироваться при статическом нагружении, особенно при высокой температуре. При повышенной температуре металлы приобретают способность получать остаточные деформации («ползти») даже в тех случаях, когда действующие напряжения лежат значительно ниже предела текучести (упругости) данного металла при заданной температуре.

Испытания на ползучесть дают возможность получения кривой ползу-чести, представляющей собой графическое изображение зависимости деформации от времени при постоянных температуре и напряжении, по которой определяют деформацию за установленное время или скорость ползучести.

Пределом длительной прочности называется напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время.

Предел длительной прочности обозначается как напряжение МПа, с числовыми индексами − верхний указывает температуру в градусах, а нижний − длительность испытания в часах. Например, означает, что температура испытания − 650 °С, длительность испытания − 100 000 ч.