Приобретение квартир 

Механические свойства металлов и способы их определения. Испытание материалов и сварных соединений Испытание стали на прочность

Закон Гука

Как известно, различные металлы и сплавы имеют разные механичес­кие и технологические свойства, которые предопределяют качество дета­лей машин, а также обрабатываемость металла. Эти свойства металла выявляют соответствующими испытаниями на растяжение, сжатие, изгиб, твердость и др.

Испытание на растяжение. Чтобы определить прочность металла, работающего на растяжение, изготовляют образец 1 и устанавливают его в зажимы (или захваты) 2 разрывной машины. Для этих целей чаще всего ис­пользуют машины с гидравлической системой передачи усилия или с вин­товой системой.

Растягивающая сила F (рис. 51) создает напряжение в испытываемом об­разце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превысит прочность об­разца, он разорвется.

Рис. 51

Результаты испытания обычно изображают в виде диаграммы. По оси абсцисс откладывают нагрузку F, по оси ординат - абсолютное удлине­ние?l.

Из диаграммы видно, что вначале образец удлиняется пропорционально нагрузке. Прямолинейный участок OA соответствует обратимым, упругим деформациям. При разгрузке образец принимает исходные размеры (этот процесс описывается все тем же прямолинейным участком кривой). Ис­кривленный участок АС соответствует необратимым, пластическим дефор­мациям. При разгрузке (штриховая прямая СВ) образец не возвращается к начальным размерам и сохраняет некоторую остаточную деформацию.

От точки С образец удлиняется без увеличения нагрузки. Горизонталь­ный участок СМ диаграммы называется площадкой текучести. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести.

Как показывают исследования, текучесть сопровождается значительными взаимными сдвигами кристаллов, в результате чего на поверхности образца по­являются линии, наклонные к оси образца под углом 45°. Претерпев состояние текучести, материал снова обретает способность сопротивляться растяжению (упрочняется), и диаграмма за точкой М поднимается вверх, хотя гораздо бо­лее полого, чем раньше. В точке D напряжение образца достигает своей наи­большей величины, и на образце появляется резкое местное сужение, так назы­ваемая шейка. Площадь сечения шейки быстро уменьшается и, как следст­вие, происходит разрыв образца, что на диаграмме соответствует положению точки К. Предел прочности образца определяют по формуле о пч = F D / S, где: S пч - предел прочности;

F D - нагрузка, при которой через определенный промежуток време­ни наступает разрушение растянутого образца, Н (кгс); S - площадь поперечного сечения образца в исходном положении, м 2 (мм 2).

Обычно при испытании различных металлов и сплавов на растяжение определяют относительное удлинение е - отношение прироста длины об­разца до разрыва к начальной длине образца. Его определяют по формуле? = ?l/l 0 -100,

где: ? - относительное удлинение;

L = l 1 - I 0 - абсолютное удлинение; l 0 - начальная длина образца; l 1 - длина образца после испытания. Экспериментально было установлено, что напряжение в материале при упругой деформации возрастает пропорционально относительному удлине­нию образца. Эта зависимость получила название закона Г у к а.

Для одностороннего (продольного) растяжения закон Гука имеет вид о = Е-?,

где: о = F/s - нормальное напряжение; F - растягивающая сила; s - площадь поперечного сечения;

Относительное удлинение;

Е - постоянная величина, зависящая от материала стержня.

Примечание. В системе СИ единицей измерения напряжений служит Пас­каль - напряжение, вызванное силой 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2 .

1 Па = 0,102 10 -4 кгс/см 2 ;

1 Па = 0,102 10 -6 кгс/мм 2 ;

1 кгс/см 2 = 9,81 10 4 Па;

1 кгс/мм 2 = 9,81 10 6 Па.

В связи с тем, что единица напряжения паскаль очень мала, приходится пользо­ваться более крупной единицей - мегапаскаль 1 МП а = 10 6 Па.

Госстандарт допускает к применению единицу ньютон на квадрат­ный миллиметр (Н/мм 2). Числовые значения напряжений, выраженные в Н/мм 2 и в МПа, совпадают. Единица Н/мм 2 удобна и потому, что размеры на чер­тежах проставляют в миллиметрах.

Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости при растяжении или модулем Юнга. Каков физический смысл моду­ля упругости? Обратимся к диаграмме растяжения образца (см. рис. 51, II). Модуль упругости на ней пропорционален тангенсу угла наклона а к оси аб­сцисс. Значит, чем круче прямая OA, тем жестче материал, и тем большее сопротивление оказывает он упругой деформации.

Для характеристики металла важно знать не только относительное удли­нение?, но и относительное сужение площади поперечного сечения, кото­рое также позволяет характеризовать пластичность материала.

Естественно, что при растяжении образца площадь поперечного сечения уменьшается. В месте разрыва она будет наименьшей. Относительное суже­ние определяют по формуле? = (S 0 - S 1) / S 0 100%,

где: ? - относительное сужение;

S 0 - площадь поперечного сечения образца до испытания; S 1 - площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке).

Чем больше относительное удлинение и относительное сужение попереч­ного сечения образца, тем более пластичен материал.

Кроме трех рассмотренных характеристик механических свойств метал­лов: предела прочности (o пч), относительного удлинения (е) и относитель­ного сужения (?), можно определить, пользуясь записанной на машине ди­аграммой, предел упругости (о y) и предел текучести (о m),

Испытание на сжатие. Для испытания металлов на сжатие (рис. 53) чаще всего применяют прессы, в которых сжимающая сила образуется путем увеличения гидравлического давления. При сжатии образца из плас­тичного материала, например малоуглеродистой стали (рис. 53, I), его по­перечные размеры увеличиваются, в то время как длина значительно уменьшается. Нарушение целостности образца при этом не происходит (рис. 54). Из диаграммы сжатия (рис. 53, II) видно, что в начальной стадии нагружения деформация возрастает пропорционально нагрузке, затем де­формация резко возрастает при незначительном увеличении на­грузки, далее рост деформации постепенно замедляется вследст­вие увеличения сечения образца.


Рис. 52


Рис. 53

Образцы из хрупких материалов при сжатии разрушаются (рис. 54, III). Например, стержень из чугуна при достижении разруша­ющей нагрузки распадается на части, которые сдвигаются относительно друг друга по косым площадкам (рис. 53, III).

Рис. 54

Для сжатия полностью применим закон Гука, согласно которому мате­риалы противодействуют сжатию пропорционально приложенной силе до предела упругости. Модуль упругости при сжатии для большинства мате­риалов равен модулю упругости при растяжении. Исключение составля­ют только некоторые хрупкие материалы - бетон, кирпич и т. д. Анало­гия в характере напряжения сжатия с напряжением растяжения позволяет описывать эти процессы одними и теми же математическими уравнени­ями.

Испытание на изгиб . При испытании на изгиб образец (брус) укла­дывают концами на две опоры и в середине нагружают (рис. 55). О сопро­тивлении материала изгибу судят по величине прогиба образца.


Рис. 55

Представим теперь себе в брусе воображаемые продольные волокна. При деформации изгиба волокна одной зоны сжимаются, другой - растягива­ются (рис. 55, II).

Между зонами сжатия и растяжения расположен нейтральный слой, во­локна которого не подвергаются деформации, то есть их длина не изменяет­ся. Из рис. 55 видно, что, чем больше волокна расположены от нейтрально­го слоя, тем большую деформацию они испытывают. Таким образом, мож­но сделать вывод, что при изгибе в поперечных сечениях бруса под действи­ем внутренних сил возникают нормальные напряжения сжатия и растяже­ния, величина которых зависит от положения рассматриваемых точек в се­чении. Наибольшие напряжения принято обозначать: в зоне сжатия - ? max , в зоне растяжения - ? m ах. В точках, расположенных на нейтраль­ной оси, напряжения равны нулю. Нормальные напряжения, возникающие в различных по высоте точках поперечного сечения, возрастают пропорци­онально расстоянию от нейтрального слоя и могут быть рассчитаны по фор­муле? = (Е z) / р,

где: ? - нормальные напряжения;

z - расстояние от интересующего нас волокна до нейтрального слоя; Е - модуль упругости; р - радиус кривизны нейтрального слоя.

Испытание на срез. При испытании на срез (рис. 56) металличес­кий образец 3, имеющий цилиндрическую форму, вставляют в отверстие приспособления, представляющего собой вилку 1 и диск 2. Машина вы­тягивает диск из вилки, вследствие чего происходит перемещение сред­ней части образца относительно крайних его частей. Рабочая площадь S (площадь среза) равна удвоенной площади поперечного сечения образца, так как срез происходит одно­временно по двум плоско­стям.

Рис. 56

При срезе все точки дефор­мируемых сечений, ограни­ченных плоскостями действу­ющих сил, смещаются на рав­ные расстояния, то есть мате­риал в этих точках испытыва­ет одинаковую деформацию. Это означает, что во всех точ­ках сечения будут одинако­вые действующие напряже­ния.

Величину напряжения оп­ределяют делением равнодействующей F внутренних (поперечных) сил на площадь поперечного сечения стержня S. Так как вектор напряжения рас­положен в плоскости сечения, в ней возникает касательное напряжение, определяемое по формуле r ср = F/2S, где: r ср - величина напряжения среза;

F - равнодействующая сила;

S - площадь поперечного сечения образца. Срез - это разрушение в результате сдвига одной части материала отно­сительно другой, возникающее под действием касательных напряжений. Для деформации сдвига справедлив закон Гука: в зоне упругости напряже­ния прямо пропорциональны относительным деформациям. Коэффициен­том пропорциональности служит величина модуля упругости при сдвиге G. Относительный сдвиг (угол сдвига) обозначается у. Таким образом, закон Гука для деформации сдвига имеет вид t = Gg, где: r = F/S - касательное напряжение; F - касательная сила; S - площадь сдвигающихся слоев; y - угол сдвига;

G - модуль сдвига, зависящий от материала тела.

Испытание на кручение. При испытании образцов на кручение один конец трубы 2 закрепляют неподвижно 1, другой вращают с помо­щью рычага 3 (рис. 57). Кручение характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня, вала, трубы под влиянием моментов (пар сил), действующих в этих сечениях. Если на поверхности стержня до приложения сил кручения нанести прямолинейные образующие (рис. 57, I), то после скручивания эти образующие принимают вид винтовых линий, а каждое поперечное сечение по отношению к соседнему повора­чивается на некоторый угол (см. рис. 57, II). Это значит, что в каждом сечении происходит деформация сдвига и возникают касательные на­пряжения. Степень смещения материала при кручении определяется уг­лами закручивания? и сдвига у. Абсолютная величина кручения опре­деляется углом закручивания рассматриваемого сечения относительно неподвижно закрепленного сечения. Наибольший угол закручивания получается на самом большом расстоянии от закрепленного конца стержня.


Рис. 57

Отношение угла закручивания? к длине участка I, подвергающегося кручению, называют относительным углом закручива­ния Q = ? / Z,

где: Q - относительный угол закручивания;

Угол закручивания;

Испытание на твердость. При опре­делении твердости материалов в завод­ской и лабораторной практике пользу­ются двумя методами: методом Бринелля и методом Роквелла.

Метод Бринелля. Этот метод основан на том, что при измерении твердости металлов стальной шарик 1 диаметром 2,5; 5 или 10 мм вдавливает­ся в поверхность испытуемого образца 2 при заданной нагрузке 3 от 625 Н до 30 кН (62,5 до 3000 кгс). После удаления нагрузки измеряется диаметр d отпе­чатка, оставшегося на поверхности об­разца (рис. 58), который тем меньше, чем тверже металл.

Рис. 58

Примечание. Стальной шарик должен быть выполнен из термически обрабо­танной стали твердостью не менее НВ850. Шероховатость поверхности R z не ни­же параметра 0,100 по ГОСТ 2789-73. На поверхности шарика не должно быть де­фектов, видимых с помощью лупы при 5-кратном увеличении.

Число твердости по Бринеллю вычисляются по формуле

D - диаметр шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Специальная таблица (ГОСТ 9012-59) дает возможность определить твер­дость наиболее распространенных металлов.

Следует отметить, что между твердостью стали по Бринеллю НВ и преде­лом ее прочности о пч для обычных углеродистых стилей существует соот­ношение, выраженное формулой о пч = 0,36 НВ.

Следовательно, зная твердость стали по Бринеллю, можно вычислить и предел прочности при растяжении.

Эта формула имеет большое практическое значение. Методом Бринел­ля обычно определяют твердость незакаленных сталей, чугуна, цветных металлов. Твердость же закаленных сталей измеряют на приборе Рок­велла.

Метод Роквелла. При измерении твердости металлов по этому методу наконечник стандартного типа (алмазный конус для твердых ме­таллов или стальной шарик - для более мягких) вдавливается в испыту­емый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагру­зок: предварительной (F 0) 100 Н (10 кгс) и окончательной (F 1) 1000 Н (100 кгс) - для шарика и 1500 Н (150 кгс) - для алмазного конуса.

Под действием предварительной нагрузки конус проникает в металл на глубину h 0 (рис. 59,I); при добавлении к предварительной основной нагруз­ки глубина отпечатка увеличивается до h (рис. 59, II) и после снятия основ­ной нагрузки остается равной h 1 (рис. 59, III).


Рис. 59

Глубина отпечатка h = h 1 - h 0 , полученная за счет основной нагрузки F 1 , характеризует твердость по Роквеллу. Испытания по методу Роквелла производят специальными приборами, снабженными индикатором, который показывает число твердости сразу по окончании испытания.

Индикатор имеет две шкалы: черную (С) для испытания алмазным кону­сом и красную (В) для испытания шариком.

Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах.

Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC50 (твердость 50 по шкале С).

Определение твердости тарированными на­пильниками . Твердость HRC может быть определена с помощью ряда напильников, подвергнутых термической обработке на различную твер­дость насечки. Обычно интервал насечек колеблется от 3 до 5 единиц HRC. Тарирование напильников производится по эталонным плиткам, твердость которых заранее точно определена на приборе.

Твердость испытуемой детали Определяется двумя напильниками с ми­нимальным интервалом по твердости, один из которых может только сколь­зить по детали, а второй ее слегка царапать. Если напильник с НRС62 цара­пает металл, а с HRC59 только скользит по поверхности детали, то твер­дость HRC60-61.

Практически этим способом пользуются для установления твердости ин­струментов (разверток, фрез и т. п.), твердость которых измерить иным спо­собом бывает трудно.

Существуют и другие способы определения твердости (способ Виккерса, эле­ктромагнитные способы и др.), которые в данной книге не рассматриваются.


МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Введение

Механические свойства определяют способность металлов сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок). Они зависят от химического состава металлов, их структуры, характера технологической обработки и других факторов. Зная механические свойства металлов, можно судить о поведении металла при обработке и в процессе работы машин и механизмов.

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Прочность - способность металла не разрушаться под действием приложенных к нему внешних сил.

Пластичность - способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения.

Твердость - способность металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела.

Ударная вязкость - степень сопротивления металла разрушению при ударной нагрузке.

Механические свойства определяют путем проведения механических испытаний.

1. Испытания на растяжение

Этими испытаниями определяют такие характеристики, как пределы пропорциональности, упругости, прочности и пластичность металлов. Для испытаний на растяжение применяют круглые и плоские образцы (рисунок 2.1, а, б), форма и размеры которых установлены стандартом. Цилиндрические образцы диаметром d 0 = 10 мм, имеющие расчетную длину l 0 = 10d 0 , называют нормальными, а образцы, у которых длина l 0 = 5d 0 , - короткими. При испытании на растяжение образец растягивается под действием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.

Разрывные машины снабжены специальным самопишущим прибором, который автоматически вычерчивает кривую деформации, называемую диаграммой растяжения. Диаграмма растяжения в координатах «нагрузка Р - удлинение?l» отражает характерные участки и точки, позволяющие определить ряд свойств металлов и сплавов (рисунок 2.1). 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 упругой (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 , которая наблюдается, главным образом, у деталей из низкоуглеродистой стали. 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 (шейки). Затем нагрузка падает до точки В, где и происходит разрушение образца. С образованием шейки разрушаются только пластичные металлы.

а, б - стандартные образцы для испытания на растяжение;

в - диаграмма растяжения образца из пластичного материала

Рисунок 2.1 - Испытание на растяжение

Усилия, соответствующие основным точкам диаграммы растяжения, дают возможность определить характеристики прочности, выраженные в мегапаскалях, МПа, по формуле

где у i - напряжение, МПа;

P i - соответствующая точка диаграммы растяжения, Н;

F 0 - площадь поперечного сечения образца до испытания, мм 2 .

Предел пропорциональности у пц - это наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией:

где P пц - напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, Н.

Предел упругости у упр - напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допуском (обычно 0,05 %):

где P упр - напряжение, соответствующее пределу упругости, Н.

Предел текучести физический у т -- напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:

где P т - напряжение, соответствующее пределу текучести, Н.

Если площадка текучести на диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести у 0,2 -- напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.

Предел прочности (временное сопротивление) у в -- напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:

где P в - напряжение, соответствующее пределу прочности, Н.

По результатам испытания на растяжение определяют характеристики пластичности металлов.

Показатели пластичности металлов -- относительное удлинение и относительное сужение - рассчитывают по результатам замеров образца до и после испытания.

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.

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

где F 0 - начальная площадь поперечного сечения образца;

F к - площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

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 (наконечник). 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.

Твердость определяют на специальных приборах - твердомерах, которые отличаются друг от друга формой, размером и материалом вдавливаемого наконечника, величиной приложенной нагрузки и способом определения числа твердости. Так как для измерения твердости испытывают поверхностные слои металла, то для получения правильного результата поверхность металла не должна иметь наружных дефектов (трещин, крупных царапин и т. д.).

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 (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Выбор диаметра шарика D и нагрузки Р

Материал образца

Твердость, кгс/мм2

Толщина образца, мм

Диаметр шарика D, мм

P/D2, кгс/мм2

Выдержка под нагрузкой, с

Черные металлы (сталь, чугун)

Черные металлы

Твердые цветные металлы (латунь, бронза, медь)

Мягкие цветные металлы (олово, алюминий и др.)

На поверхности образца остается отпечаток (рисунок 2.2, а), 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.

Рисунок 2.2 - Измерение твердости методами Бринелля (а), Роквелла (б), Виккерса (в)

На практике пользуются специальными таблицами, которые дают перевод диаметра отпечатка в число твердости, обозначаемое НВ. Например: 120 НВ, 350 НВ и т.д. (Н - твердость, В - по Бринеллю, 120, 350 - число твердости в кгс/мм 2 , что соответствует 1200 и 3500 МПа).

Этот способ применяют, главным образом, для измерения твердости незакаленных металлов и сплавов: проката, поковок, отливок и др.

Твердомер Бринелля можно использовать в том случае, если твердость материала не превышает 450 кгс/мм 2 . В противном случае произойдет деформация шарика, что приведет к погрешностям в измерении. Кроме того, твердомер Бринелля не применяется для испытания тонких поверхностных слоев и образцов тонкого сечения.

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° (см. рисунок 2.2, б). В отличие от метода Бринелля твердость по Роквеллу определяют не по диаметру отпечатка, а 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. Для испытания твердых материалов (например, закаленной стали) необходима нагрузка 1500 Н, а вдавливание стальным шариком нагрузкой 1000 Н производят для определения твердости незакаленной стали, бронзы, латуни и других мягких материалов. Глубина вдавливания измеряется автоматически, а твердость после измерения отсчитывается по трем шкалам: А, В, С (таблица 2.2).

Таблица 2.2 - Наконечники и нагрузки для шкал А, В, С

Твердость (число твердости) по Роквеллу обозначается следующим образом: 90 HRA, 80 HRB, 55 HRC (Н - твердость, Р - Роквелл, А, В, С - шкала твердости, 90, 80, 55 - число твердости в условных единицах).

Определение твердости по Роквеллу имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы без дополнительных измерений; размер отпечатков очень незначителен, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи.

Измерение твердости по Виккерсу. Данный метод позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов. Он пригоден для определения твердости очень тонких поверхностных слоев (толщиной до 0,3 мм). В этом случае в испытуемый образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136 о (см. рисунок 2.2, в). При таких испытаниях применяются нагрузки от 50 до 1200 Н. Измерение отпечатка производят по длине его диагонали, рассматривая отпечаток под микроскопом, входящим в твердомер. Число твердости по Виккерсу, обозначаемое НV, находят по формуле

d - длина диагонали отпечатка, мм.

На практике число твердости НV находят по специальным таблицам.

3. Определение ударной вязкости

Определение ударной вязкости производят на специальном маятниковом копре (рисунок 2.3). Для испытаний применяется стандартный надрезанный образец, который устанавливается на опорах копра. Маятник определенной массой поднимают на установленную высоту Н и закрепляют, а затем освобожденный от защелки маятник падает, разрушает образец и снова поднимается на некоторую высоту h. Удар наносится по стороне образца, противоположной надрезу. Для испытаний используют призматические образцы с надрезами различных видов: U-образный, V-образный, T-образный (надрез с усталостной трещиной).

а - схема испытания; б - образцы для испытаний.

Рисунок 2.3 - Испытания на ударную вязкость

Ударная вязкость КС (Дж/см 2) оценивается работой, затраченной маятником на разрушение стандартного надрезанного образца, отнесенной к сечению образца в месте надреза:

где А - работа, затраченная на разрушение образца (определяется по разности энергий маятника до и после удара: А 0 - А 1), Дж;

F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см 2 .

В зависимости от вида надреза в образце ударная вязкость обозначается KCU, KCV, KCТ (третья буква - вид надреза).

металл свойство испытание механический

Литература

1. Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. - М.: Мир, 2004. - 380 с.

2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю.М. Лахтин. - М.: Металлургия, 1993. - 448 с.

3. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др. - М.: Высшая школа, 2001. - 622 с.

4. Евстратова, И.И. Материаловедение/ И.И. Евстратова и др. - Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. - 268 с.

5. Маркова, Н.Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н.Н. Маркова. - Орел: ОрелГТУ, 2006. - 96 с.

6. Ильина, Л.В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л.В. Ильина, Л.Н. Курдюмова. - Орел: ОрелГТУ, 2007.

Подобные документы

    Определение механических свойств конструкционных материалов путем испытания их на растяжение. Методы исследования качества, структуры и свойств металлов и сплавов, определение их твердости. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов.

    учебное пособие , добавлен 29.01.2011

    Сущность статических испытаний материалов. Способы их проведения. Осуществление испытания на растяжение, на кручение и изгиб и их значение в инженерной практике. Проведение измерения твердости материалов по Виккерсу, по методу Бринеля, методом Роквелла.

    реферат , добавлен 13.12.2013

    Методика определения твердости по Бреннелю, Роквеллу, Виккерсу. Схема испытаний на твердость различными способами. Продолжительность выдержки образца под нагрузкой. Основные методы внедрения в поверхность испытываемого металла стандартных наконечников.

    лабораторная работа , добавлен 12.01.2010

    Методика определения твердости и измерения отпечатка, схемы испытания различными способами. Сопротивление материала проникновению в него более твердого тела. Расчеты определения твердости; перевод твердость по Бринелю в твердость по Раквеллу, Виккерсу.

    лабораторная работа , добавлен 12.01.2010

    Анализ поведения материала при проведении испытания на растяжение материала и до разрушения. Основные механические характеристики пропорциональности, текучести, удлинения, прочности, упругости и пластичности материалов металлургической промышленности.

    лабораторная работа , добавлен 12.01.2010

    Понятие твердости. Метод вдавливания твердого наконечника. Измерение твердости по методу Бринелля, Виккерса и Роквелла. Измерение микротвердости. Порядок выбора оборудования. Проведение механических испытаний на твердость для определения трубных свойств.

    курсовая работа , добавлен 15.06.2013

    Обзор теоретических сведений по исследованию характера упрочнения металла по индикаторной диаграмме растяжения. Схема определения твердости по Бринеллю и по Роквеллу. Расчет основных параметров индикаторной дигаммы, анализ графических зависимостей.

    курсовая работа , добавлен 04.04.2014

    Понятие и виды ликвации, причины их возникновения и способы устранения. Сущность и методику измерения ударной вязкости механических свойств металла. Цементация стали: сущность процесса, структура, свойства и области применения. Титан и его сплавы.

    контрольная работа , добавлен 26.06.2013

    Механические свойства металлов, основные методы их определения. Технологические особенности азотирования стали. Примеры деталей машин и механизмов, подвергающихся азотированию. Физико-химические свойства автомобильных бензинов. Марки пластичных смазок.

    контрольная работа , добавлен 25.09.2013

    Свойства металлов и сплавов. Коррозионная стойкость, холодостойкость, жаростойкость, антифринционность. Механические свойства металлов. Диаграмма растяжения образца. Испытание на удар. Физический смысл упругости. Виды изнашивания и прочность конструкции.

Использовать металлы в повседневной жизни начали еще вначале развития человечества. Медь - это первый их представитель. Она доступна в природе и прекрасно обрабатывается. При археологических раскопках часто находят изготовленные из нее предметы домашнего обихода и разные изделия.

В процессе развития человек обучался объединять разные металлы, производя сплавы большей прочности. Из них делали орудия труда, а позже использовали для изготовления оружия. Опыты продолжаются и в наше время, создаются сплавы с удельной прочностью металлов, пригодные для возведения современных конструкций.

Виды нагрузок

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся такие, которые способны оказывать сопротивление действию на них внешних сил или нагрузок. Они могут быть самыми разнообразными и по своему воздействию различают:

  • статические, которые неспешно возрастают от нулевого значения до максимума, а затем остаются постоянными или незначительно меняются;
  • динамические - возникают вследствие удара и действуют короткий промежуток.

Виды деформации

Деформация - это видоизменение конфигурации твердого тела под воздействием прилагаемых к нему нагрузок (внешних сил). Деформации, после которых материал возвращается в прежнюю форму и сохраняет первоначальные размеры, считают упругими, в противном случае (форма изменилась, материал удлинился) - пластическими или остаточными. Существует несколько видов деформации:

  • Сжатие. Уменьшается объем тела в результате действия на него сдавливающих сил. Такую деформацию испытывают фундаменты котлов и машин.
  • Растяжение. Увеличивается длина тела, когда к его концам прилагаются силы, направление которых совпадает с его осью. Растяжению подвергаются тросы, приводные ремни.
  • Сдвиг или срез. В этом случае силы направлены навстречу друг другу и при определенных условиях наступает срез. Примером служат заклепки и болты стяжки.
  • Кручение. Пара сил, противоположно направленных, действует на закрепленное одним концом тело (валы двигателей и станков).
  • Изгиб. Изменение кривизны тела при воздействии внешних сил. Такое действие характерно для балок, стрел подъемных кранов, железнодорожных рельсов.

Определение прочности металла

Одно из основных требований, которое предъявляют к металлу, применяемому для производства металлических конструкций и деталей, является прочность. Для ее определения берется образец металла и растягивается на испытательной машине. Эталон становится тоньше, площадь поперечного сечения уменьшается с одновременным увеличением его длины. В определенный момент образец начинает растягиваться лишь в одном месте, образуя «шейку». А через некоторое время происходит разрыв в области самого тонкого места. Так ведут себя исключительно вязкие металлы, хрупкие: твердая сталь и чугун растягиваются незначительно и у них не образуется шейка.

Нагрузка на образец определяется специальным прибором, который носит название силоизмеритель, он вмонтирован в испытательную машину. Для вычисления основной характеристики металла, называемой пределом прочности материала, надо максимальную нагрузку, выдержанную образцом до разрыва, разделить на величину площади поперечного сечения до растяжения. Эта величина необходима конструктору для того, чтобы определиться с размерами изготовляемой детали, и технологу назначить режимы обработки.

Самые прочные металлы в мире

К высокопрочным металлам можно отнести следующие:

  • Титан. Он обладает такими свойствами:

    • высокой удельной прочностью;
    • стойкостью к повышенным температурам;
    • низкой плотностью;
    • стойкостью к коррозии;
    • механической и химической выносливостью.

Титан находит применение в медицине, военной промышленности, кораблестроении, авиации.

  • Уран. Самый известный и прочный металл в мире, является слабым радиоактивным материалом. Встречается в природе в чистом виде и в соединениях. Он относится к тяжелым металлам, гибкий, ковкий и относительно пластичный. Широко используется в производственных сферах.
  • Вольфрам. Расчет прочности металла показывает, что это самый прочный и тугоплавкий металл, не поддающийся химическому воздействию. Хорошо куется, его можно вытянуть в тонкую нить. Используется для нити накаливания.
  • Рений. Тугоплавкий, имеет высокую плотность и твердость. Очень прочный, не подвержен перепадам температуры. Находит применение в электронике и технике.
  • Осмий. Твердый металл, тугоплавкий, стойкий к механическим повреждениям и агрессивным средам. Применяют в медицине, используют для ракетной техники, электронной аппаратуры.
  • Иридий. В природе в свободном виде встречается редко, чаще - в соединениях с осмием. Механической обработке поддается плохо, имеет высокую стойкость к химическим веществам и прочность. Сплавы с металлом: титаном, хромом, вольфрамом, используют для изготовления ювелирных изделий.
  • Бериллий. Высокотоксичный металл с относительной плотностью, имеющий светло-серый цвет. Находит применение в черной металлургии, атомной энергетике, лазерной и аэрокосмической технике. Имеет высокую твердость и используется для легирования сплавов.
  • Хром. Очень твердый металл с высокой прочностью, бело-голубого цвета, обладает стойкостью к щелочам и кислотам. Прочность металла и сплавов позволяют их использовать для изготовления медицинского и химического оборудования, а также для металлорежущих инструментов.

  • Тантал. Металл серебристого цвета, имеет высокую твердость, прочность, обладает тугоплавкостью и стойкостью к коррозии, пластичен, легко обрабатывается. Находит применение при создании ядерных реакторов, в металлургии и химической промышленности.
  • Рутений. Принадлежит к Обладает высокой прочностью, твердостью, тугоплавкостью, химической стойкостью. Из него изготовляют контакты, электроды, острые наконечники.

Как определяют свойства металлов?

Для испытания металлов на прочность применяют химические, физические и технологические методы. Твердость определяет, как сопротивляются материалы деформациям. Стойкий металл имеет большую прочность и детали, изготовленные из него, меньше снашиваются. Для определения твердости вдавливают шарик, алмазный конус или пирамидку в металл. Значение твердости устанавливают по диаметру отпечатка или по глубине вдавливания предмета. Более крепкий металл меньше деформируется, и глубина отпечатка будет меньше.

А вот образцы на растяжение испытываются на разрывных машинах с плавно нарастающей при растягивании нагрузкой. Эталон может иметь в сечении круг или квадрат. Для проверки металла противостоять нагрузкам ударного характера проводят испытания на удар. В середине специально изготовленного образца делают надрез и устанавливают его напротив ударного устройства. Разрушение должно происходить там, где слабое место. При испытании металлов на прочность структуру материала исследуют рентгеновскими лучами, ультразвуком и при помощи мощных микроскопов, а также используют травление химическими веществами.

К технологическим относятся самые простые виды испытаний на разрушение, пластичность, ковку, сварку. Испытание на выдавливание дает возможность определить, способен ли листовой материал подвергаться холодной штамповке. С помощью шарика в металле выдавливают лунку, пока не появится первая трещина. Глубина ямки до появления разрушения и будет характеризовать пластичность материала. Испытание на изгиб дает возможность определить способность листового материала принимать нужную форму. Это испытание используют для оценки качества швов при сварке. Для оценки качества проволоки используется проба на перегиб. Трубы испытывают на расплющивание и изгиб.

Механические свойства металлов и сплавов

К из металла относятся следующие:

  1. Прочность. Она заключается в способности материала оказывать сопротивление разрушению под воздействием сил извне. Вид прочности зависит от того, как действуют внешние силы. Ее разделяют на: сжатие, растяжение, кручение, изгиб, ползучесть, усталость.
  2. Пластичность. Это способность металлов и их сплавов под воздействием нагрузки менять форму, не подвергаясь разрушению, и сохранять ее после окончания воздействия. Пластичность материала из металла определяют при его растяжении. Чем больше происходит удлинение, при одновременном уменьшении сечения, тем пластичнее металл. Материалы, обладающие хорошей пластичностью, прекрасно обрабатываются давлением: ковке, прессованию. Пластичность характеризуют двумя величинами: относительное сужение и удлинение.
  3. Твердость. Такое качество металла заключается в способности оказывать сопротивление проникновению в него инородного тела, имеющего более значительную твердость, и не получить при этом остаточных деформаций. Износоустойчивость и прочность - это основные характеристики металлов и сплавов, которые тесно связаны с твердостью. Материалы с такими свойствами находят применение для изготовления инструментов, применяемых для обработки металлов: резцы, напильники, сверла, метчики. Нередко по твердости материала определяют его износоустойчивость. Так твердые стали при эксплуатации изнашиваются меньше, чем более мягкие сорта.
  4. Ударная вязкость. Особенность сплавов и металлов сопротивляться влиянию нагрузок, сопровождающихся ударом. Это одна из важных характеристик материала, из которого изготовлены детали, испытывающие ударную нагрузку, во время работы машины: оси колес, коленчатые валы.
  5. Усталость. Это состояние металла, который находится под постоянным воздействием нагрузок. Усталость металлического материала происходит постепенно и может закончиться разрушением изделия. Способность металлов оказывать сопротивление разрушению от усталости называют выносливостью. Это свойство находится в зависимости от природы сплава или металла, состояния поверхности, характера обработки, условий работы.

Классы прочности и их обозначения

Нормативными документами по механическим свойствам крепежных изделий введено понятие класс прочности металла и установлена система обозначения. Каждый класс прочности обозначается двумя цифрами, между которыми ставится точка. Первое число означает предел прочности, уменьшенный в 100 раз. Например, класс прочности 5.6 означат, что предел прочности будет 500. Второе число увеличено в 10 раз - это отношение к временному сопротивлению, выраженному в процентах (500х0,6=300), т. е. 30 % составляет минимальный предел текучести от предела прочности на растяжение. Все изделия, используемые для крепежа, классифицируются по назначению применения, форме, используемому материалу, классу прочности и покрытию. По назначению использования они бывают:

  • Лемешные. Их используются для сельскохозяйственных машин.
  • Мебельные. Применяются в строительстве и мебельном производстве.
  • Дорожные. Ими крепят металлоконструкции.
  • Машиностроительные. Применяют в машиностроительной промышленности и приборостроении.

Механические свойства крепежных изделий зависят от стали, из которой они изготовлены и качества обработки.

Удельная прочность

Удельная прочность материала (формула ниже) характеризуется отношением предела прочности к плотности металла. Эта величина показывает прочность конструкции при данной его массе. Наибольшую важность она представляет для таких отраслей, как авиастроение, ракетостроение и производство космических аппаратов.

По величине удельной прочности сплавы из титана самые прочные из всех применяемых технических материалов. вдвое превышают удельную прочность металлов, относящихся к легированным сталям. Они не поддаются коррозии на воздухе, в кислотной и щелочной среде, не боятся морской воды и обладают хорошей теплоустойчивостью. При высоких температурах их прочность выше, чем у сплавов с магнием и алюминием. Благодаря этим свойствам их применение, как конструкционного материала, все время увеличивается и находит широкое использование в машиностроении. Недостаток титановых сплавов заключается в их низкой обрабатываемости резанием. Это связано с физическими и химическими свойствами материала и особой структурой сплавов.

Выше приведена таблица удельной прочности металлов.

Использование пластичности и прочности металлов

Очень важными свойствами металла являются пластичность и прочность. Эти свойства находятся в прямой зависимости друг от друга. Они не позволяют металлу изменять форму и препятствуют макроскопическому разрушению при воздействии на него внешних и внутренних сил.

Металлы, обладающие высокой пластичностью, под воздействием нагрузки разрушаются постепенно. Вначале у них появляется изгиб и только затем он начинает постепенно разрушаться. Пластичные металлы легко меняют форму, поэтому их широко используют для изготовления кузовов автомобилей. Прочность и пластичность металлов зависит от того, как направлены приложенные к нему силы и в каком направлении проводилась прокатка при изготовлении материала. Установлено, что при прокатке кристаллы металла удлиняются в ее направлении больше, чем в поперечной направленности. У листовой стали прочность и пластичность значительно больше в направлении прокатки. В поперечном же направлении прочность уменьшается на 30 %, а пластичность на 50 %, по толщине листа эти показатели еще ниже. Например, появление излома на стальном листе при сваривании можно объяснить параллельностью оси шва и направления прокатки. По пластичности и прочности материала устанавливают возможность его использования для изготовления различных деталей машин, сооружений, инструментов, приборов.

Нормативное и расчетное сопротивление металла

Одним из основных параметров, которые характеризуют сопротивление металлов воздействиям силы, является нормативное сопротивление. Оно устанавливается по нормам проектирования. Расчетное сопротивление получается в результате деления нормативного на соответствующий коэффициент надежности по данному материалу. В некоторых случаях учитывают еще и коэффициент условий работы конструкций. В вычислениях, имеющих практическое значение, в основном используют расчетное сопротивление металла.

Пути повышения прочности металла

Существует несколько способов повышения прочности металлов и сплавов:

  • Создание сплавов и металлов, имеющих бездефектную структуру. Имеются разработки по изготовлению нитевидных кристаллов (усов) в несколько десятков раз превышающих прочность обыкновенных металлов.
  • Получение объемного и поверхностного наклепа искусственным путем. При обработке металла давлением (ковка, волочение, прокатка, прессование) образуется объемный наклеп, а накатка и дробеструйная обработка дает поверхностный наклеп.
  • Создание используя элементы из таблицы Менделеева.
  • Очищение металла, от имеющихся в нем примесей. В результате этого улучшаются его механические свойства, распространение трещин значительно уменьшается.
  • Устранение с поверхности деталей шероховатости.
  • Сплавы из титана, удельный вес которых превышает алюминиевые примерно на 70 %, прочнее их в 4 раза, поэтому, по удельной прочности сплавы, содержащие титан, выгоднее использовать для самолетостроения.
  • Многие алюминиевые сплавы превышают удельную прочность сталей, содержащих углерод. Сплавы из алюминия имеют высокую пластичность, коррозийную стойкость, прекрасно обрабатываются давлением и резанием.
  • У пластмасс удельная прочность выше, чем у металлов. Но из-за недостаточной жесткости, механической прочности, старения, повышенной хрупкости и малой термостойкости ограничены в применении текстолиты и гетинаксы, особенно в крупногабаритных конструкциях.
  • Установлено, что по выносливости к коррозии и удельной прочности, металлы черные, цветные и многие их сплавы уступают стеклопластикам.

Механические свойства металлов являются важнейшим фактором использования их в практических нуждах. Проектируя какую-то конструкцию, деталь или машину и подбирая материал, обязательно рассматривают все механические свойства, которыми он обладает.

Механические испытания металлов. Прочность, определение прочности металла.

Выбор металла для изготовления деталей машин и конструкций определяется конструктивными, эксплуатационными, технологическими и экономическими требованиями.

Металл должен обладать необходимой прочностью, способностью деформироваться, соответствовать условиям эксплуатации (стойкость против коррозии, тепло- и электропроводность и др.) и иметь минимальную стоимость.

Прочность — основное требование, предъявляемое к любому металлу, идущему на изготовление деталей машин и металлоконструкций.

Прочностью называется способность материала выдерживать, не разрушаясь, внешние нагрузки. За меру прочности принята нагрузка, которую выдерживает каждый квадратный миллиметр (или сантиметр) сечения детали.

Определение прочности металла производится путем растяжения образцов определенной формы и размеров на испытательной машине. При растяжении площадь поперечного сечения образца уменьшается, образец становится тоньше, а длина его увеличивается. В какой-то момент растяжение образца по всей длине прекращается и происходит только в одном месте, образуется так называемая шейка. Спустя некоторое время образец разрывается в месте образования «шейки».

Процесс растяжения протекает так только у вязких материалов, у хрупких (твердая сталь, чугун) разрыв образца происходит с незначительным удлинением и без образования «шейки».

При делении максимальной нагрузки, которую выдержал образец до разрыва (нагрузка измеряется специальным прибором — силоизмерителем, входящим в конструкцию испытательной машины), на площадь его поперечного сечения до растяжения получают основную характеристику металла, называемую пределом прочности (σ в).

Предел прочности каждого металла конструктору необходимо знать для определения размеров детали, технологу — для назначения режимов обработки.

При повышенных температурах кратковременные испытания на растяжение выполняются на обычных испытательных машинах, только в машину встраивается печь (как правило, муфельная электрическая) для нагрева образца. Печь крепится на станине машины так, чтобы ось муфеля совпала с осью машины. Внутрь печи помещается испытуемый образец. Для равномерного нагрева печь должна быть в 2—4 раза длиннее образца, и поэтому закрепление его непосредственно в захватах машины невозможно. Образец закрепляется в специальных удлинителях из жаропрочной стали, а те в свою очередь крепятся в захватах машины.

Для получения стабильных результатов необходимо, чтобы образец выдерживался при температуре испытания в течение 30 минут. На величину предела прочности нагретого металла значительное влияние оказывает скорость растяжения: чем выше скорость, тем больше значение предела прочности. Поэтому для правильной оценки теплостойкости стали продолжительность испытания на растяжение должна составлять 15—20 минут.

Прочностью называется способность металла не поддаваться разрушению под действием внешних нагрузок. Ценность металла как машиностроительного материала наряду с другими свойствами определяется прочностью.

Величина прочности указывает, какая сила необходима, чтобы преодолеть внутреннюю связь между молекулами.

Испытание металлов на прочность при растяжении производится на специальных машинах различной мощности. Эти машины состоят из нагружающего механизма, который создает усилие, производит растяжение испытываемого образца и показывает величину усилия, приложенного к образцу. Механизмы бывают механического и гидравлического действия.

Мощность машин различна и достигает 50 т. На рис. 7, а показано устройство машины, состоящей из станины 2 и зажимов 4, при помощи которых закрепляются испытываемые образцы 3.

Верхний зажим закреплен в станине неподвижно, а нижний при помощи особого механизма при испытании медленно опускается, растягивая образец.




Рис. 7. Испытание металлов на растяжение :

а - прибор для испытания металлов на растяжение; б - образцы для испытания на растяжение: I - круглый, II - плоский

Нагрузка, передаваемая при испытании на образец, может быть определена по положению стрелки прибора на измерительной шкале 1.

Испытание образцов должно всегда проводиться в одинаковых условиях, чтобы полученные результаты можно было сравнивать. Поэтому соответствующими стандартами установлены определенные размеры образцов для испытания.

Стандартными образцами для испытания на растяжение являются образцы круглого и плоского сечений, показанные на рис. 7, б.

Плоские образцы применяют при испытании листов, полосового материала и т. д., а если профиль металла позволяет, то делают круглые образцы.

Пределом прочности (σ b) называется наибольшее напряжение, которое может испытывать материал до его разрушения; предел прочности металла равняется отношению наибольшей нагрузки при испытании образца на разрыв к первоначальной площади поперечного сечения образца, т. е.

σ b = P b /F 0 ,

где Р b - наибольшая нагрузка, предшествующая разрыву образца, кгс;

F 0 - начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 .

В целях безопасной работы машин и сооружений необходимо, чтобы при эксплуатации напряжения в материале не превышали установленного предела пропорциональности, т. е. наибольшего напряжения, при котором не вызываются деформации.

Предел прочности некоторых металлов при испытании на растяжение, кгс/мм 2:

Свинец 1,8

Алюминий 8