Методы механического испытания

Статические испытания на растяжение. Для таких испытаний изготовляют круглые или плоские образцы (рис.1.1а, б), форма и размеры которых установлены ГОСТ-ом. Цилиндрические образцы диаметром d₀ = 10 мм, имеющие расчётную длину l₀ = 10d₀, называют нормальными, а образцы, у которых длина l₀ = 5d₀, – короткими. При испытании на растяжение образец растягивается под действием статической нагрузки и доводится до разрушения.

Испытания проводят на специальных разрывных машинах, которые снабжены самопишущим прибором, автоматически вычерчивающим кривую деформации, называемую диаграммой растяжения.

На рис.1.2 показана типичная диаграмма растяжения в координатах: нагрузка F – удлинение Δl. Эта диаграмма может быть преобразована в диаграмму: напряжение σ – относительное удлинение ε. Здесь: напряжение – нагрузка F, отнесённая к площади A₀ поперечного сечения образца (σ= F/A₀), а относительное удлинение при растяжении – отношение удлинения образца Δl к его начальной длине l₀

(ε = Δl/ l₀).

Диаграмма отражает характерные участки и точки, позволяющие определить ряд свойств материала. На участке О–А удлинение образца происходит прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше F_А на участке А–В прямая пропорциональность нарушается, но деформация остаётся упругой (обратимой). На участке выше точки В возникают заметные остаточные деформации и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке F_С появляется горизонтальный участок диаграммы – площадка текучести C–D. Такая площадка наблюдается главным образом у деталей, выполненных из пластичных материалов. На кривых растяжения хрупких материалов площадка текучести отсутствует.

Выше точки D нагрузка возрастает до точки М, соответствующей максимальной нагрузки F_М, после которой начинается её падение, связанное с образованием шейки (место утонения образца) и разрушением образца. После образования шейки происходит падение нагрузки до точки К, образец удлиняется и происходит его разрушение. С образованием шейки разрушаются только пластичные материалы.

Усилия, соответствующие основным точкам диаграммы растяжения, позволяют установить следующие характеристики сопротивления металла деформациям, выраженные в мегапаскалях, МПа.

Предел пропорциональности σ_П – наибольшее напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением и деформацией:

.

Предел упругости σ_у – напряжение, при котором величина относительной остаточной деформации не превышает 0,005%, т.е. предел упругости соответствует такому наибольшему напряжению, до которого материал сохраняет свои упругие свойства:

.

Для многих материалов разница между пределом пропорциональности и пределом упругости невелика, и на практике между ними обычно различия не делают:

Предел текучести σ_Т – напряжение, при котором происходит рост деформации без увеличения нагрузки:

.

Для ряда материалов, не имеющих на диаграмме выраженной площадки текучести, вводят понятие условного предела текучести σ_0,2, под которым подразумевают напряжение, вызывающее относительную остаточную деформацию, равную 0,2%.

Предел прочности (временное сопротивление) σ_В – напряжение, которое равно отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:

.

Пределы текучести и прочности являются обязательными характеристиками в стандартах марок стали.

Показателями пластичности металлов являются относительное остаточное удлинение δ и относительное остаточное сужение ψ.

Относительное остаточное удлинение рассчитывается как отношение абсолютного удлинения Δl образца после разрыва к его первоначальной расчётной длине , выраженное в процентах:

,

где l – длина образца после разрыва; l₀–начальная длина образца.

Относительное остаточное сужение определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:

,

Здесь А₀ – начальная площадь поперечного сечения образца; А – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Определения твёрдости. Определение твёрдости получило широкое применение в производственных условиях, представляя собой наиболее простой и быстрый способ определения механических свойств. Так как для измерения твёрдости испытывают поверхностные слои металла, то для получения правильного результата поверхность детали не должна иметь наружных дефектов (трещин, крупных царапин и т.д.).

Существуют различные методы измерения твёрдости. Остановимся на двух наиболее распространённых методах.

Измерение твёрдости методом Бринелля. Сущность этого метода заключается в том, что в поверхность испытуемого материала вдавливается стальной закалённый шарик диаметром 2,5; 5 или 10 мм под действием нагрузки соответственно 1,87; 7,5 и 30 кН. На поверхности образца остаётся отпечаток, по диаметру которого определяют твёрдость. На практике пользуются специальными таблицами, которые дают перевод диаметра отпечатка в число твёрдости, обозначаемое НВ. Этот способ применяют главным образом для измерения твёрдости незакалённых металлов и сплавов.

Измерение твёрдости методом Роквелла. Измерение твёрдости по этому методу осуществляют путём вдавливания в испытуемый материал стального шарика диаметром 1,6 мм или конусного алмазного наконечника с углом при вершине 120º. В отличие от метода Бринелля твёрдость по Роквеллу определяют не по диаметру отпечатка, а по глубине вдавливания шарика или конуса.

Вдавливание производится под действием двух последовательно приложенных нагрузок: предварительной, равной 100 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной, примерно, либо 1000 Н (шарик), либо 600 Н (конус),либо 1500 Н (конус). Твёрдость определяют по разности глубин вдавливания отпечатков. Для испытания твёрдых металлов необходима нагрузка 1500 Н. Вдавливание стального шарика нагрузкой 1000 Н производят для определения твёрдости незакалённой стали. Определение сверхтвёрдых материалов производят алмазным наконечником нагрузкой в 600 Н. Глубина вдавливания измеряется автоматически, а твёрдость после измерения отсчитывается по трём шкалам: А, В и С. Твёрдость (число твёрдости) по Роквеллу обозначается следующим образом: HRC (1500 Н), HRA (600 Н), HRB (1000 Н).

Определение твёрдости по Роквеллу имеет широкое применение, так как даёт возможность испытывать мягкие и твёрдые материалы; размер отпечатков очень незначителен, поэтому можно испытывать готовые изделия без их повреждения.

Определение ударной вязкости. Определение ударной вязкости производят на специальном маятниковом копре. Для испытаний применяется стандартный надрезанный образец, который устанавливается на опорах копра. Маятник определённой массы поднимают на высоту Н, отпускают, он падает и разрушает образец, подымаясь с другой стороны на высоту h. Удар наносится по стороне образца, противоположной надрезу. По разности высот H и h определяют работу Р, затраченную на разрушение образца. Ударную вязкость а определяют как отношение работы Р к площади А поперечного сечения образца

.

Для облегчения расчётов пользуются таблицами, в которых для каждого угла подъёма маятника (высоты Н) после разрушения образца указана работа удара.

Выносливость материала. Многие детали машин в процессе работы, кроме воздействия статических нагрузок подвергаются знакопеременным (циклическим) нагрузкам. В результате длительной службы материал постепенно переходит из пластического состояния в хрупкое («устаёт»). Это объясняется тем, что знакопеременные нагрузки приводят к образованию в деталях микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют связь между зёрнами металла, вследствие чего разрушение наступает при меньших напряжениях, чем предел текучести. Способность материала противостоять действию знакопеременных нагрузок называют его выносливостью. Пределом выносливости считается наибольшее напряжение, которое материал, не разрушаясь, выдерживает заданное число циклов нагружения. Число циклов может колебаться от 10⁶ до 10⁷.

1.2. Физико-химические свойства

К физическим свойствам материалов относят плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоёмкость, электропроводность, магнитные свойства.

Химические свойства. Химические свойства – это способность материалов противостоять окислению и разрушению под действием внешней среды: влаги, воздуха, кислот и т.д. Химические разрушения под действием указанных факторов называют коррозией.

Технологические свойства

К основным технологическим свойствам материала относят:

– обрабатываемость,

– свариваемость,

– литейные свойства.

Под обрабатываемостью понимают способность материала подвергаться обработке резанием и обработке давлением в холодном состоянии, которое характеризуется:

– относительным остаточным удлинением δ,

– относительным остаточным сужением ψ.

Свариваемость определяется способностью материала свариваться различными видами сварки, а также прочностью и пластичностью сварного шва.

Литейные свойства материалов характеризуют их способность образовывать отливки без трещин, раковин и др. дефектов. Основными литейными свойствами является жидкотекучесть, усадка, трещиностойкость, газонасыщение.

Технологические свойстваопределяются при технологических испытаниях (пробах), которые дают качественную оценку пригодности материала к различным способам обработки.

Сплавы, предназначенные для получения деталей литьём, называются литейными. Сплавы, предназначенные для получения деталей обработкой давления, называются деформируемыми.

Эксплуатационные свойства

К эксплуатационным свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность – способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость – способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоёв при трении.

Радиационная стойкость – способность материала сопротивляться ядерному облучению.

Выводы.

Конструкционные материалы характеризуются:

1. Механическими свойствами: прочностью, жёсткостью, пластичностью, хрупкостью, ударной вязкостью и выносливостью, которые определяются пределами пропорциональности, упругости, текучести, прочности (временным сопротивлением), относительным остаточным удлинением и относительным остаточным сужением; твёрдостью по Бринеллю и Роквеллу, ударной вязкостью.

2. Физико-механическими свойствами: плотностью, температурой плавления, теплопроводностью, тепловым расширением, теплоёмкостью, электропроводностью и магнитными свойствами.

3. Технологическими свойствами: обрабатываемостью, свариваемостью и литейными свойствами.

4. Эксплуатационными свойствами: жаростойкостью, жаропрочностью, износотойкостью, радиационной стойкостью.

Вопросы для самопроверки

1. Виды и свойства конструкционных материалов, применяемых в машиностроении.

2. Нагрузки, деформации и разрушения.

3. Основные механические свойства конструкционных материалов.

4. Статические испытания на растяжение.

5. Механические характеристики прочности.

6. Механические характеристики пластичности.

7. Определение твёрдости и ударной вязкости.

8. Физико-химические, технологические и эксплуатационные свойства конструкционных материалов.

МЕТАЛЛЫ

Металлические сплавы

Применение чистых металлов в промышленности крайне ограничено. Их использование не всегда экономически выгодно, часто они не отвечают требуемым свойствам. В металлах не всегда сочетаются одновременно несколько необходимых свойств. Их прочность невысока, имеют высокий коэффициент теплового расширения.

Сплавы в отличие от чистых металлов можно получить почти с любыми заданными свойствами.

Сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов. Металлический сплав получают сплавлением металлов или преимущественно металлов с неметаллами. При этом металлический сплав обладает комплексом характерных металлических свойств. Вещества, которые образуют сплав, называются компонентами. Компонент, количественно преобладающий в сплаве, называется основным. Сплавы часто называет по основному компоненту: медные, алюминиевые, магниевые и т.д. По числу компонентов различают двухкомпонентные, (двойные) трёхкомпонентные (тройные) четырёхкомпонентные и многокомпонентные сплавы.

Однородная часть сплава, характеризующаяся определённым составом и строением и отделённая от других частей сплава поверхностью раздела, при переходе через которую состав или строение вещества изменяется скачкообразно, называется фазой. Форма, размер и характер взаимного расположения фаз в сплаве определяют его структуру.

Обособленные части сплава, имеющие одинаковые строения с присущими им характерными особенностями, называют структурными составляющими. Структурными составляющими могут быть как фазы, так и смеси фаз.

Строение сплава зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты. В расплавленном состоянии, в большинстве случаев, сплавы представляют собой однородные жидкие растворы, то есть смесь компонентов, неограниченно растворяющихся друг в друге. В твёрдом состоянии компоненты могут никак не взаимодействовать, либо взаимодействовать с образованием твёрдого раствора или химического соединения. Поэтому в сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твёрдые растворы, чистые компоненты, химические соединения. По строению в твёрдом состоянии все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, химические соединения и твёрдые растворы.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к химическому взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решётку. Структура таких механических смесей неоднородна, состоит из отдельных зёрен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависит от количественного соотношения компонентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам смеси. Обычно механические смеси образуют металлы, заметно отличающиеся друг от друга по атомному объёму и по температуре плавления. Механические смеси не обязательно состоят из чистых компонентов. Образовывать механические смеси могут также твёрдые растворы и химические соединения.

Химическое соединение образуется, когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. Химическое соединение имеет свою кристаллическую решётку, отличную от кристаллических решёток компонентов. Свойства химического соединения резко отличается от свойств образующих его компонентов.

При образовании твёрдого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решётку другого. Твёрдые растворы могут быть твёрдыми растворами замещения и твёрдыми растворами внедрения. Твёрдые растворы замещения образуются в результате частичного замещения атомов кристаллической решётки одного компонента атомами второго. Твёрдые растворы внедрения образуются, когда атомы растворённого компонента внедряются в кристаллическую решётку компонента-растворителя. Твёрдый раствор имеет однородную структуру, одну кристаллическую решётку. В отличие от химического соединения твёрдый раствор существует не при строго определённом соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Различают твёрдые растворы с ограниченной и неограниченной растворимостью. Неограниченная растворимость возможна только в твёрдых растворах замещения, а ограниченная растворимость бывает как в твёрдых растворах замещения, так и твёрдых растворах внедрения.