Придобиване на апартаменти 

Механични свойства на металите и методи за тяхното определяне. Изпитване на материали и заварени съединения Изпитване на якост на стомана

Закон на Хук

Както е известно, различните метали и сплави имат различни механични и технологични свойства, които предопределят качеството на машинните детайли, както и обработваемостта на метала. Тези свойства на метала се разкриват чрез подходящи тестове за опън, натиск, огъване, твърдост и др.

Изпитване на опън.За да се определи якостта на метала на опън, се прави проба 1 и се монтира в скобите (или ръкохватките) 2 на машината за изпитване на опън. За тези цели най-често се използват машини с хидравлична система за предаване на мощност или с винтова система.

Силата на опън F (фиг. 51) създава напрежение в изпитвания образец и го кара да се удължава. Когато напрежението надвиши силата на пробата, тя ще се счупи.

Ориз. 51

Резултатите от теста обикновено се представят под формата на диаграма. По абсцисната ос е нанесено натоварването F, по ординатната ос – абсолютното удължение?l.

От диаграмата се вижда, че в началото образецът се удължава пропорционално на натоварването. Правото сечение OA съответства на обратими, еластични деформации. При разтоварване пробата приема първоначалните си размери (този процес се описва от същия прав участък от кривата). Извитото сечение AC съответства на необратими пластични деформации. По време на разтоварване (пунктирана права линия CB) пробата не се връща към първоначалните си размери и запазва известна остатъчна деформация.

От точка C образецът се удължава, без да се увеличава натоварването. Хоризонталната секция на CM диаграмата се нарича плато на добива. Напрежението, при което деформацията нараства, без да се увеличава натоварването, се нарича граница на провлачване.

Изследванията показват, че течливостта е придружена от значителни взаимни измествания на кристалите, в резултат на което върху повърхността на пробата се появяват линии, които са наклонени спрямо оста на пробата под ъгъл от 45 °. След като е преминал през състояние на течливост, материалът отново придобива способността да устои на разтягане (укрепва) и диаграмата зад точката М се издига нагоре, макар и много по-леко от преди. В точка D напрежението на пробата достига максималната си стойност и върху пробата се появява рязко локално стесняване, така наречената шийка. Площта на напречното сечение на шията бързо намалява и в резултат на това пробата се счупва, което съответства на позицията на точка К на диаграмата.

F D - натоварване, при което след определен период от време настъпва разрушаването на опъната проба, N (kgf); S е площта на напречното сечение на пробата в първоначалното положение, m 2 (mm 2).

Обикновено при изпитване на различни метали и сплави за опън се определя относителното удължение e - съотношението на увеличението на дължината на пробата до разкъсване към първоначалната дължина на пробата. По формулата ли се определя? \u003d?l / l 0 -100,

където: ? - относително разширение;

L \u003d l 1 - I 0 - абсолютно удължение; l 0 - първоначалната дължина на пробата; l 1 - дължина на пробата след изпитване. Експериментално е установено, че напрежението в материала по време на еластична деформация нараства пропорционално на относителното удължение на образеца. Тази зависимост се нарича закон на Гук.

За едностранно (надлъжно) разтягане законът на Хук има формата o \u003d E-?,

където: o \u003d F / s - нормален стрес; F - сила на опън; s - площ на напречното сечение;

Относително разширение;

E е постоянна стойност в зависимост от материала на пръта.

Забележка. В системата SI единицата за напрежение е паскал - напрежението, причинено от сила от 1 нютон (N), равномерно разпределена върху нормална към нея повърхност с площ от ​​1 m 2.

1 Pa \u003d 0,102 10 -4 kgf / cm 2;

1 Pa \u003d 0,102 10 -6 kgf / mm 2;

1 kgf / cm 2 \u003d 9,81 10 4 Pa;

1 kgf / mm 2 \u003d 9,81 10 6 Pa.

Поради факта, че единицата за напрежение Pascal е много малка, е необходимо да се използва по-голяма единица - мегапаскал 1 MPa = 10 6 Pa.

Държавният стандарт позволява използването на единицата нютон на квадратен милиметър (N / mm 2). Числените стойности на напреженията, изразени в N / mm 2 и в MPa, са еднакви. Единицата N / mm 2 също е удобна, защото размерите на чертежите са в милиметри.

Коефициентът на пропорционалност E се нарича модул на еластичност на опън или модул на Юнг. Какво е физическото значение на модула на еластичност? Нека се обърнем към диаграмата на опън на пробата (виж фиг. 51, II). Модулът на еластичност върху него е пропорционален на тангенса на ъгъла на наклон a спрямо абсцисната ос. Това означава, че колкото по-стръмна е правата OA, толкова по-твърд е материалът и толкова по-голямо съпротивление оказва на еластична деформация.

За да се характеризира метал, е важно да се знае не само относителното удължение, но и относителното стесняване на площта на напречното сечение, което също прави възможно да се характеризира пластичността на материала.

Естествено, когато пробата се разтяга, площта на напречното сечение намалява. В точката на прекъсване тя ще бъде най-малката. Относителното стесняване се определя по формулата? = (S 0 - S 1) / S 0 100%,

където: ? - относително стеснение;

S 0 - площ на напречното сечение на пробата преди изпитване; S 1 - площ на напречното сечение на пробата в точката на разкъсване (в шията).

Колкото по-голямо е относителното удължение и относителното стесняване на напречното сечение на пробата, толкова по-пластичен е материалът.

В допълнение към трите разглеждани характеристики на механичните свойства на металите: якост на опън (o pch), относително удължение (e) и относително стесняване (?), Възможно е да се определи, като се използва диаграмата, записана на машината, еластичната граница (o y) и границата на провлачване (o m),

Тест за компресия.За изпитване на метали за натиск (фиг. 53) най-често се използват преси, при които силата на натиск се формира чрез увеличаване на хидравличното налягане. Когато образец от пластичен материал, например мека стомана (фиг. 53, I), се компресира, неговите напречни размери се увеличават, докато дължината намалява значително. В този случай няма нарушение на целостта на пробата (фиг. 54). От диаграмата на компресия (фиг. 53, II) се вижда, че в началния етап на натоварване деформацията се увеличава пропорционално на натоварването, след това деформацията се увеличава рязко с леко увеличаване на натоварването, след това нарастването на деформацията постепенно се забавя поради увеличаване на напречното сечение на пробата.


Ориз. 52


Ориз. 53

Пробите, изработени от крехки материали, се разрушават при компресия (фиг. 54, III). Например, чугунен прът, когато се достигне натоварването на счупване, се разпада на части, които се движат една спрямо друга по наклонени платформи (фиг. 53, III).

Ориз. 54

За компресията е напълно приложим законът на Хук, според който материалите се съпротивляват на компресия пропорционално на приложената сила до границата на еластичност. Модулът на натиск за повечето материали е равен на модула на опън. Изключение правят само някои крехки материали - бетон, тухли и др. Аналогията в природата на напрежението на натиск с напрежението на опън позволява тези процеси да се опишат с едни и същи математически уравнения.

Тест за огъване. При изпитване на огъване образецът (гредата) се полага с краищата си върху две опори и се натоварва в средата (фиг. 55). Устойчивостта на материала на огъване се оценява по големината на деформацията на пробата.


Ориз. 55

Нека сега си представим въображаеми надлъжни влакна в греда. Когато огъването се деформира, влакната на една зона се компресират, а другата се разтяга (фиг. 55, II).

Между зоните на компресия и напрежение има неутрален слой, чиито влакна не са подложени на деформация, тоест дължината им не се променя. От фиг. 55 показва, че колкото повече влакна са разположени от неутралния слой, толкова по-голяма е деформацията, която изпитват. По този начин можем да заключим, че при огъване в напречните сечения на гредата под действието на вътрешни сили възникват нормални напрежения на натиск и опън, чиято величина зависи от положението на разглежданите точки в сечението. Обичайно е да се означават най-високите напрежения: в зоната на компресия -? max , в зоната на разтягане - ? m ah. В точки, разположени на неутралната ос, напреженията са нула. Нормалните напрежения, възникващи в точки от напречното сечение с различна височина, нарастват пропорционално на разстоянието от неутралния слой и могат да бъдат изчислени по формулата? = (E z) / p,

където: ? - нормални напрежения;

z е разстоянието от влакното, което ни интересува, до неутралния слой; E - модул на еластичност; p е радиусът на кривината на неутралния слой.

Тест на срязване.При тестване за разрез (фиг. 56) в отвора на устройството, което представлява вилица 1 и диск 2, се вкарва метална проба 3 с цилиндрична форма. Машината издърпва диска от вилицата, като в резултат на което средната част на пробата се движи спрямо крайните си части. Работната площ S (площ на рязане) е равна на удвоената площ на напречното сечение на пробата, тъй като разрезът се извършва едновременно в две равнини.

Ориз. 56

При срязване всички точки на деформируемите сечения, ограничени от равнините на действащите сили, се изместват на равни разстояния, т.е. материалът в тези точки изпитва същата деформация. Това означава, че във всички точки на сечението ще има еднакви ефективни напрежения.

Стойността на напрежението се определя чрез разделяне на резултантната F на вътрешните (напречни) сили на площта на напречното сечение на пръта S. Тъй като векторът на напрежението е разположен в равнината на сечението, в него възниква напрежение на срязване, определено по формулата r cf = F / 2S, където: r cf - стойността на напрежението отрязана;

F - резултатна сила;

S е площта на напречното сечение на пробата. Срязването е счупване в резултат на срязване на една част от материала спрямо друга, което възниква под действието на срязващи напрежения. За деформацията на срязване е валиден законът на Хук: в еластичната зона напреженията са правопропорционални на относителните деформации. Коефициентът на пропорционалност е стойността на модула на еластичност при срязване G. Относителното срязване (ъгъл на срязване) се обозначава с y. Така законът на Хук за деформация на срязване има вида t = Gg, където: r = F/S - напрежение на срязване; F - тангенциална сила; S е площта на срязващите слоеве; y - ъгъл на преместване;

G е модулът на срязване в зависимост от материала на тялото.

Тест за усукване.При изпитване на проби за усукване единият край на тръбата 2 е фиксиран 1, другият се завърта с помощта на лоста 3 (фиг. 57). Усукването се характеризира с взаимно въртене на напречните сечения на пръта, вала, тръбата под въздействието на моменти (двойки сили), действащи в тези сечения. Ако върху повърхността на пръта се прилагат праволинейни генератори преди прилагането на усукващи сили (фиг. 57, I), тогава след усукване тези генератори приемат формата на спирални линии и всяко напречно сечение се върти под определен ъгъл по отношение на съседен (виж Фиг. 57, II) . Това означава, че деформацията на срязване възниква във всяко сечение и възникват напрежения на срязване. Степента на изместване на материала по време на усукване определя ли се от ъглите на усукване? и преместете u. Абсолютната стойност на усукване се определя от ъгъла на усукване на разглеждания участък спрямо фиксирания участък. Най-големият ъгъл на усукване се получава при най-голямото разстояние от неподвижния край на пръта.


Ориз. 57

Съотношение на ъгъла на усукване? спрямо дължината на сечението I, подложено на усукване, се нарича относителен ъгъл на усукване Q = ? /Z,

където: Q - относителен ъгъл на усукване;

ъгъл на усукване;

Тест за твърдост.При определяне на твърдостта на материалите във фабричната и лабораторна практика се използват два метода: методът на Бринел и методът на Рокуел.

Метод на Бринел.Този метод се основава на факта, че при измерване на твърдостта на металите стоманена топка 1 с диаметър 2,5; 5 или 10 mm се притиска в повърхността на образеца за изпитване 2 при дадено натоварване 3 от 625 N до 30 kN (62,5 до 3000 kgf). След отстраняване на товара се измерва диаметърът d на отпечатъка, останал върху повърхността на образеца (фиг. 58), който е толкова по-малък, колкото по-твърд е металът.

Ориз. 58

Забележка. Стоманената топка трябва да бъде изработена от термично обработена стомана с твърдост най-малко HB850. Грапавостта на повърхността R z не е по-ниска от параметъра 0,100 съгласно GOST 2789-73. Повърхността на топката трябва да е без дефекти, видими с лупа при 5x увеличение.

Твърдостта по Бринел се изчислява по формулата

D - диаметър на топката, mm;

d - диаметър на отпечатъка, mm.

Специална таблица (GOST 9012-59) дава възможност да се определи твърдостта на най-често срещаните метали.

Трябва да се отбележи, че има връзка между твърдостта по Бринел на стомана HB и нейната якост на опън o p за конвенционалните въглеродни стилове, изразена с формулата o p = 0,36 HB.

Следователно, знаейки твърдостта на стоманата според Бринел, е възможно да се изчисли якостта на опън.

Тази формула има голямо практическо значение. Методът на Бринел обикновено определя твърдостта на незакалени стомани, чугун и цветни метали. Твърдостта на закалените стомани се измерва с тестер Rockwell.

Метод на Рокуел.При измерване на твърдостта на металите по този метод стандартен тип накрайник (диамантен конус за твърди метали или стоманена топка за по-меки) се притиска в пробата за изпитване под действието на две последователно приложени натоварвания: предварително (F 0) 100 N (10 kgf) и крайно (F 1) 1000 N (100 kgf) - за топката и 1500 N (150 kgf) - за диамантения конус.

Под действието на предварително натоварване конусът прониква в метала до дълбочина h 0 (фиг. 59, I); при добавяне към предварителното основно натоварване, дълбочината на отпечатъка се увеличава до h (фиг. 59, II) и след отстраняване на основното натоварване остава равна на h 1 (фиг. 59, III).


Ориз. 59

Дълбочината на отпечатъка h = h 1 - h 0, получена поради основното натоварване F 1, характеризира твърдостта на Рокуел. Тестовете по Rockwell се извършват със специални инструменти, оборудвани с индикатор, който показва числото на твърдостта веднага след приключване на теста.

Индикаторът има две скали: черна (C) за тестване с диамантен конус и червена (B) за тестване с топка.

Твърдостта по Рокуел се измерва в произволни единици.

Пример за обозначение на твърдостта на Рокуел: HRC50 (твърдост 50 по скалата C).

Определяне на твърдост с калибрирани пили. Твърдостта на HRC може да се определи с помощта на серия от файлове, термично обработени до различна твърдост на рязане. Обикновено интервалът на прорязване варира от 3 до 5 HRC единици. Калибрирането на пили се извършва по еталонни плочки, чиято твърдост е точно определена предварително на уреда.

Твърдостта на тестваната част се определя от два файла с минимален интервал на твърдост, единият от които може само да се плъзга върху детайла, а вторият леко да го надраска. Ако пила с HRC62 драска метала, а с HRC59 се плъзга само по повърхността на детайла, тогава твърдостта е HRC60-61.

На практика този метод се използва за определяне на твърдостта на инструменти (раймери, фрези и др.), чиято твърдост е трудно да се измери по друг начин.

Има и други методи за определяне на твърдостта (метод на Викерс, електромагнитни методи и др.), които не са разгледани в тази книга.


МЕХАНИЧНИ СВОЙСТВА НА МЕТАЛИ И МЕТОДИ ЗА ТЯХНОТО ОПРЕДЕЛЯНЕ

Въведение

Механичните свойства определят способността на металите да устояват на въздействието на външни сили (натоварвания). Те зависят от химичния състав на металите, тяхната структура, характера на технологичната обработка и други фактори. Познавайки механичните свойства на металите, можете да прецените поведението на метала по време на обработка и по време на работа на машини и механизми.

Основните механични свойства на металите включват якост, пластичност, твърдост и ударна якост.

Якост - способността на метала да не се срутва под действието на външни сили, приложени към него.

Пластичност - способността на метала да получи остатъчна промяна във формата и размера без разрушаване.

Твърдост - способността на метала да устои на притискане в него от друго, по-твърдо тяло.

Ударна якост - степента на устойчивост на метала на разрушаване при ударно натоварване.

Механичните свойства се определят чрез извършване механично изпитване.

1. Изпитване на опън

Тези тестове определят такива характеристики като границите на пропорционалност, еластичност, якост и пластичност на металите. За изпитване на опън се използват кръгли и плоски проби (Фигура 2.1, а, б), чиято форма и размери са определени от стандарта. Цилиндрични проби с диаметър d 0 = 10 mm, имащи изчислена дължина l 0 = 10d 0, се наричат ​​нормални, а проби с дължина l 0 = 5d 0 са къси. При изпитване на опън пробата се разтяга под действието на постепенно нарастващо натоварване и се разрушава.

Машините за опън са оборудвани със специално самозаписващо устройство, което автоматично чертае крива на деформация, наречена диаграма на разтягане. Диаграмата на опън в координатите "натоварване P - удължение? l" отразява характерни области и точки, които ви позволяват да определите редица свойства на металите и сплавите (Фигура 2.1). В зоната 0 - Rpc удължението на пробата се увеличава правопропорционално на увеличаването на натоварването. При увеличаване на натоварването над R pts, в участъка R pts - P контрол, пряката пропорционалност се нарушава, но деформацията остава еластична (обратима). В областта над точката P vpr възникват забележими остатъчни деформации и кривата на разтягане се отклонява значително от правата линия. При натоварване P t се появява хоризонтален участък от диаграмата - платформата на провлачване T-T 1, която се наблюдава главно в части от нисковъглеродна стомана. Няма плато на провлачване върху кривите на опън на крехките метали. Над точката P t натоварването се увеличава до точка А, съответстваща на максималното натоварване P in, след което започва да пада, свързано с образуването на локално изтъняване на пробата (врата). След това натоварването пада до точка В, където настъпва разрушаването на пробата. С образуването на шийка се разрушават само пластичните метали.

a, b - стандартни образци за изпитване на опън;

c - диаграма на опън на проба от пластичен материал

Фигура 2.1 - Изпитване на опън

Силите, съответстващи на основните точки на диаграмата на опън, позволяват да се определят якостните характеристики, изразени в мегапаскали, MPa, съгласно формулата

където y i - напрежение, MPa;

P i - съответната точка на диаграмата на опън, N;

F 0 - площ на напречното сечение на пробата преди изпитване, mm 2.

Границата на пропорционалност при pc е максималното напрежение, до което се поддържа пряка пропорционалност между напрежението и деформацията:

където P c - напрежение, съответстващо на границата на пропорционалност, N.

Границата на еластичност y upr е напрежението, при което пластичните деформации за първи път достигат определена малка стойност, характеризираща се с определен толеранс (обикновено 0,05%):

където P контрол е напрежението, съответстващо на еластичната граница, N.

Физическата граница на провлачване y t е напрежението, започвайки от което деформацията на пробата се извършва почти без допълнително увеличаване на натоварването:

където P t е напрежението, съответстващо на границата на провлачване, N.

Ако в диаграмата на опън на даден материал няма граница на провлачване, тогава се определя условната граница на провлачване y 0,2 - напрежението, което предизвиква пластична деформация, равно на 0,2%.

Якост на опън (якост на опън) y in - напрежение, равно на съотношението на максималното натоварване, предшестващо разрушаването на пробата, към нейната първоначална площ на напречното сечение:

където P in е напрежението, съответстващо на якостта на опън, N.

Според резултатите от изпитването на опън се определят характеристиките на пластичност на металите.

Показателите за пластичност на металите - относително удължение и относително стесняване - се изчисляват от резултатите от измерванията на пробите преди и след изпитването.

Относителното удължение d се намира като съотношението на увеличението на дължината на пробата след разкъсване към нейната първоначална изчислена дължина, изразено като процент:

където l k е дължината на пробата след разкъсване, mm;

l 0 - очакваната (първоначална) дължина на пробата, mm.

Относителното стесняване w се определя от съотношението на намаляването на площта на напречното сечение на пробата след разкъсване към първоначалната площ на нейното напречно сечение, изразено като процент:

където F 0 е началната площ на напречното сечение на пробата;

F до - площ на напречното сечение на пробата на мястото на унищожаване.

2. Методи за определяне на твърдостта

Най-често срещаният метод за определяне на твърдостта на металните материали е методът на вдлъбнатина, при който друго, по-твърдо тяло (върх) се притиска в изпитваната повърхност под действието на постоянно статично натоварване. Върху повърхността на материала остава отпечатък, по чийто размер се преценява твърдостта на материала. Индексът на твърдост характеризира устойчивостта на материала към пластична деформация, като правило, голяма, с локално контактно приложение на товара.

Твърдостта се определя на специални уреди - твърдомери, които се различават помежду си по формата, размера и материала на вдлъбнатината, големината на приложеното натоварване и метода за определяне на числото на твърдостта. Тъй като повърхностните слоеве на метала се тестват за измерване на твърдостта, за да се получи правилен резултат, металната повърхност не трябва да има външни дефекти (пукнатини, големи драскотини и др.).

Измерване на твърдостта по Бринел. Същността на този метод се състои в това, че закалена стоманена топка с диаметър 10, 5 или 2,5 mm се притиска в повърхността на изпитвания метал в зависимост от дебелината на пробата под действието на натоварване, което е избрани в зависимост от очакваната твърдост на изпитвания материал и диаметъра на върха по формулите: P = 30D 2 ; P \u003d 10D 2; P \u003d 2.5D 2 (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Избор на диаметър на топката D и натоварване P

Примерен материал

Твърдост, kgf/mm2

Дебелина на пробата, mm

Диаметър на топката D, мм

P/D2, kgf/mm2

Издръжливост при натоварване, s

Черни метали (стомана, чугун)

Черни метали

Твърди цветни метали (месинг, бронз, мед)

Меки цветни метали (калай, алуминий и др.)

На повърхността на пробата остава отпечатък (Фигура 2.2, а), чийто диаметър определя твърдостта. Диаметърът на отпечатъка се измерва със специална лупа с деления.

Твърдостта се изчислява по формулата

където HB - твърдост по Бринел, kgf / mm 2;

F е площта на получения отпечатък, mm 2;

D - диаметър на върха, mm;

d - диаметър на отпечатъка, mm.

Фигура 2.2 - Измерване на твърдостта по методите на Бринел (a), Rockwell (b), Vickers (c)

На практика те използват специални таблици, които дават превод на диаметъра на вдлъбнатината в число на твърдост, обозначено с HB. Например: 120 HB, 350 HB и т.н. (H - твърдост, B - според Brinell, 120, 350 - число на твърдост в kgf / mm 2, което съответства на 1200 и 3500 MPa).

Този метод се използва главно за измерване на твърдостта на незакалени метали и сплави: валцувани продукти, изковки, отливки и др.

Тестерът за твърдост по Бринел може да се използва, ако твърдостта на материала не надвишава 450 kgf / mm 2. В противен случай топката ще се деформира, което ще доведе до грешки в измерването. В допълнение, уредът за измерване на твърдост по Бринел не е подходящ за изпитване на тънки повърхностни слоеве и тънки сечени образци.

Измерване на твърдостта по Рокуел. Измерването се извършва чрез натискане на стоманена топка с диаметър 1,588 mm или диамантен конус с ъгъл на върха 120 ° в изпитвания метал (виж Фигура 2.2, b). За разлика от метода на Бринел, твърдостта по Рокуел се определя не от диаметъра на вдлъбнатината, а от дълбочината на вдлъбнатината на върха.

Вдлъбнатината се извършва под действието на две последователно приложени натоварвания - предварително, равно? 100 N, а крайното (общо) натоварване равно на 1400, 500 и 900 N. Твърдостта се определя от разликата в дълбочините на вдлъбнатините на отпечатъците. Твърдите материали (напр. закалена стомана) изискват натоварване от 1500 N, а вдлъбнатина със стоманена топка с натоварване от 1000 N се използва за определяне на твърдостта на незакалена стомана, бронз, месинг и други меки материали. Дълбочината на вдлъбнатината се измерва автоматично, а твърдостта след измерване се изчислява по три скали: A, B, C (таблица 2.2).

Таблица 2.2 - Накрайници и натоварвания за везни A, B, C

Твърдостта (номер на твърдост) според Рокуел се обозначава, както следва: 90 HRA, 80 HRB, 55 HRC (H - твърдост, P - Рокуел, A, B, C - скала на твърдост, 90, 80, 55 - число на твърдост в конвенционални единици ).

Определянето на твърдостта по Рокуел е широко използвано, тъй като дава възможност за тестване на меки и твърди метали без допълнителни измервания; размерът на отпечатъците е много малък, така че можете да тествате готовите части, без да ги повредите.

Измерване на твърдостта по Викерс. Този метод ви позволява да измервате твърдостта както на меки, така и на много твърди метали и сплави. Подходящ е за тестване на твърдост на много тънки повърхностни слоеве (с дебелина до 0,3 mm). В този случай тетраедрична диамантена пирамида с ъгъл на върха 136 o се пресова в тестовата проба (виж Фигура 2.2, c). При такива тестове се прилагат натоварвания от 50 до 1200 N. Измерването на вдлъбнатината се извършва по дължината на нейния диагонал, като се изследва вдлъбнатината под микроскоп, включен в твърдомера. Числото на твърдост по Викерс, обозначено като HV, се намира по формулата

d е дължината на диагонала на отпечатъка, mm.

На практика числото на твърдостта HV се намира по специални таблици.

3. Определяне на якостта на удар

Определянето на якостта на удар се извършва на специален тестер за удар с махало (Фигура 2.3). За изпитване се използва стандартен назъбен образец, който се монтира върху носачите на копрата. Махалото с определена маса се повдига на зададена височина H и се фиксира, след което махалото, освободено от резето, пада, разрушава образеца и се издига отново до определена височина h. Ударът се прилага от страната на пробата, противоположна на прореза. За изпитване се използват призматични образци с разрези от различни видове: U-образна, V-образна, Т-образна (прорез с пукнатина от умора).

а - тестова схема; б - проби за изпитване.

Фигура 2.3 - Тест за удар

Ударната якост на CS (J / cm 2) се оценява от работата, изразходвана от махалото за разрушаване на стандартна назъбена проба, свързана с напречното сечение на пробата в прореза:

където A е работата, изразходвана за унищожаването на пробата (определена от разликата в енергиите на махалото преди и след удара: A 0 - A 1), J;

F - площ на напречното сечение на пробата при прореза, cm 2.

В зависимост от вида на прореза в пробата, якостта на удар се обозначава с KCU, KCV, KCT (третата буква е видът на прореза).

механично изпитване на свойствата на метала

Литература

1. Тушински, Л.И. Методи за изследване на материалите / L.I. Тушински, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. - М.: Мир, 2004. - 380 с.

2. Лахтин, Ю.М. Материалознание / Ю.М. Лахтин. - М.: Металургия, 1993. - 448 с.

3. Фетисов, Г.П. Материалознание и технология на металите / G.P. Фетисов, М.Г. Карпман и др. - М .: Висше училище, 2001. - 622 с.

4. Евстратова, И.И. Материалознание / I.I. Евстратова и др. - Ростов на Дон: Феникс, 2006. - 268 с.

5. Маркова, Н.Н. Желязо-въглеродни сплави / N.N. Марков. - Орел: ОрелГТУ, 2006. - 96 с.

6. Илиина, Л.В. Материали, използвани в машиностроенето: справочно ръководство / L.V. Илина, Л.Н. Кърдюмов. - Орел: ОрелГТУ, 2007.

Подобни документи

    Определяне на механичните свойства на конструкционните материали чрез изпитването им на опън. Методи за изследване на качеството, структурата и свойствата на металите и сплавите, определяне на тяхната твърдост. Термична обработка на ковани алуминиеви сплави.

    урок, добавен на 29.01.2011 г

    Същността на статичното изпитване на материалите. Начини за осъществяването им. Провеждане на изпитвания на опън, усукване и огъване и тяхното значение в инженерната практика. Измерване на твърдостта на материалите по Викерс, по метода на Бринел, по метода на Рокуел.

    резюме, добавено на 13.12.2013 г

    Метод за определяне на твърдостта по Бренел, Рокуел, Викерс. Схема за изпитване на твърдост по различни начини. Продължителността на излагане на пробата под товар. Основните методи за въвеждане на стандартни накрайници в повърхността на изпитвания метал.

    лабораторна работа, добавена на 12.01.2010 г

    Методи за определяне на твърдостта и измерване на вдлъбнатината, схеми за изпитване по различни начини. Устойчивостта на материала на проникване от по-твърдо тяло. Изчисления за определяне на твърдостта; преобразуване на твърдостта по Бринел в Ракуел, твърдост по Викерс.

    лабораторна работа, добавена на 12.01.2010 г

    Анализ на поведението на материала по време на изпитването на опън на материала и преди разрушаване. Основните механични характеристики на пропорционалност, течливост, удължение, якост, еластичност и пластичност на материалите за металургичната промишленост.

    лабораторна работа, добавена на 12.01.2010 г

    Концепцията за твърдост. Метод на вдлъбнатина с твърд връх. Измерване на твърдостта по Бринел, Викерс и Рокуел. Измерване на микротвърдост. Процедура за избор на оборудване. Провеждане на изпитвания за механична твърдост за определяне на свойствата на тръбите.

    курсова работа, добавена на 15.06.2013 г

    Преглед на теоретичната информация за изследването на естеството на втвърдяването на метала според индикаторната диаграма на опън. Схема за определяне на твърдостта по Бринел и Рокуел. Изчисляване на основните параметри на индикатора дигама, анализ на графични зависимости.

    курсова работа, добавена на 04.04.2014 г

    Концепцията и видовете сегрегация, причините за възникването им и начините за премахването им. Същността и методът за измерване на ударната якост на механичните свойства на метала. Карбуризиране на стомана: същност на процеса, структура, свойства и приложения. Титан и неговите сплави.

    тест, добавен на 26.06.2013 г

    Механични свойства на металите, основни методи за тяхното определяне. Технологични особености на азотирането на стомана. Примери за машинни части и механизми, подложени на азотиране. Физични и химични свойства на автомобилните бензини. Марки грес.

    тест, добавен на 25.09.2013 г

    Свойства на металите и сплавите. Устойчивост на корозия, устойчивост на студ, устойчивост на топлина, антифрикционна устойчивост. Механични свойства на металите. Примерна диаграма на опън. Тест за удар. Физическото значение на еластичността. Видове износване и структурна якост.

Използвайте метали в Ежедневиетозапочва в началото на човешкото развитие. Медта е първият им представител. Наличен е в природата и е перфектно обработен. По време на археологически разкопки често се откриват битови предмети и различни продукти, направени от него.

В процеса на развитие човекът се научи да комбинира различни метали, произвеждайки сплави с по-голяма якост. От тях са се изработвали сечива, а по-късно и оръжия. Експериментите продължават и в наше време, създават се сплави със специфичната якост на металите, подходящи за изграждането на съвременни конструкции.

Видове товари

Механичните свойства на металите и сплавите включват тези, които са в състояние да устоят на действието на външни сили или натоварвания върху тях. Те могат да бъдат много разнообразни и се отличават с въздействието си:

  • статични, които бавно нарастват от нула до максимум и след това остават постоянни или се променят леко;
  • динамични - възникват в резултат на въздействие и действат за кратък период от време.

Видове деформация

Деформацията е промяна на конфигурацията на твърдо тяло под въздействието на приложени върху него натоварвания (външни сили). Деформациите, след които материалът се връща в предишната си форма и запазва първоначалните си размери, се считат за еластични, в противен случай (формата се е променила, материалът се е удължил) - пластични или остатъчни. Има няколко вида деформации:

  • Компресия. Обемът на тялото намалява в резултат на действието на силите на натиск върху него. Такава деформация изпитват основите на котли и машини.
  • Разтягане. Дължината на тялото се увеличава, когато към краищата му се прилагат сили, чиято посока съвпада с неговата ос. Опънати са кабели, задвижващи ремъци.
  • Преместване или изрязване. В този случай силите са насочени една към друга и при определени условия се получава разрез. Примери за това са нитове и закрепващи болтове.
  • Усукване. Двойка противоположно насочени сили действа върху тяло, фиксирано в единия край (валове на двигатели и металорежещи машини).
  • извивам. Промяна в кривината на тялото под въздействието на външни сили. Такова действие е характерно за греди, стрели на кранове, железопътни релси.

Определяне на якостта на метала

Едно от основните изисквания, които се налагат на метала, използван за производството на метални конструкции и части, е здравината. За да се определи, се взема метална проба и се разтяга на машина за изпитване. Стандартът става по-тънък, площта на напречното сечение намалява с едновременно увеличаване на дължината му. В определен момент пробата започва да се разтяга само на едно място, образувайки "врат". И след известно време има празнина в района на най-тънкото място. Ето как се държат изключително пластичните метали, крехки: твърдата стомана и чугунът са леко разтегнати и не образуват шия.

Натоварването върху пробата се определя от специално устройство, което се нарича силомер, то е вградено в машината за изпитване. За да се изчисли основната характеристика на метала, наречена якост на опън на материала, е необходимо да се раздели максималното натоварване, понесено от пробата преди разкъсване, на стойността на площта на напречното сечение преди разтягане. Тази стойност е необходима на дизайнера, за да определи размерите на изработения детайл, а технологът да зададе режими на обработка.

Най-здравите метали в света

Металите с висока якост включват следното:

  • Титан. Има следните свойства:

    • висока специфична якост;
    • устойчивост на високи температури;
    • ниска плътност;
    • устойчивост на корозия;
    • механична и химическа устойчивост.

Титанът се използва в медицината, военната индустрия, корабостроенето и авиацията.

  • Уран. Най-известният и издръжлив метал в света е слаб радиоактивен материал. В природата се среща в чист вид и в съединения. Той принадлежи към тежките метали, гъвкав, ковък и относително пластичен. Широко използван в производствените зони.
  • Волфрам. Изчисляването на якостта на метала показва, че това е най-издръжливият и огнеупорен метал, който не е податлив на химическа атака. Той е добре изкован, може да се изтегли на тънка нишка. Използва се за нажежаема жичка.
  • Рений. Огнеупорен, има висока плътност и твърдост. Много издръжлив, не подлежи на температурни промени. Намира приложение в електрониката и техниката.
  • Осмий. Твърд метал, огнеупорен, устойчив на механични повреди и агресивни среди. Използва се в медицината, използва се за ракетна техника, електронно оборудване.
  • Иридий. В природата рядко се среща в свободна форма, по-често в съединения с осмий. Той е слабо обработен, има висока устойчивост на химикали и здравина. За направата на бижута се използват сплави с метал: титан, хром, волфрам.
  • Берилий. Силно токсичен метал с относителна плътност, имащ светлосив цвят. Намира приложение в черната металургия, ядрената енергетика, лазерната и космическата техника. Има висока твърдост и се използва за легиране на сплави.
  • хром. Много твърд метал с висока якост, бяло-син цвят, устойчив на основи и киселини. Силата на метала и сплавите им позволява да се използват за производството на медицинско и химическо оборудване, както и за металорежещи инструменти.

  • Тантал. Металът е сребрист на цвят, има висока твърдост, здравина, има огнеупорност и устойчивост на корозия, е пластичен и лесно се обработва. Намира приложение при създаването на ядрени реактори, в металургията и химическата промишленост.
  • Рутений. Принадлежи към Притежава висока якост, твърдост, огнеупорност, химическа устойчивост. От него се правят контакти, електроди, остри върхове.

Как се определят свойствата на металите?

За изпитване на якост на металите се използват химични, физични и технологични методи. Твърдостта определя как материалите издържат на деформация. Устойчивият метал има по-голяма здравина и изработените от него части се износват по-малко. За да се определи твърдостта, в метала се притиска топка, диамантен конус или пирамида. Стойността на твърдостта се определя от диаметъра на отпечатъка или от дълбочината на вдлъбнатина на обекта. По-здравият метал е по-малко деформиран и дълбочината на отпечатъка ще бъде по-малка.

Но пробите за опън се изпитват на машини за опън с натоварване, което постепенно се увеличава по време на опън. Стандартът може да има кръг или квадрат в напречно сечение. За да се тества металът да издържа на ударни натоварвания, се провеждат тестове за удар. В средата на специално изработена проба се прави разрез и се поставя срещу перкуторния апарат. Унищожението трябва да се случи там, където е слабото място. При тестване на метали за якост структурата на материала се изследва чрез рентгенови лъчи, ултразвук и с помощта на мощни микроскопи, а също така се използва химическо ецване.

Технологичният включва най-много прости възгледиизпитвания за разрушаване, пластичност, коване, заваряване. Тестът за екструдиране дава възможност да се определи дали листовият материал може да бъде студено формован. С помощта на топка се изстисква дупка в метала, докато се появи първата пукнатина. Дълбочината на вдлъбнатината преди появата на счупване ще характеризира пластичността на материала. Тестът за огъване дава възможност да се определи способността на листовия материал да поеме желаната форма. Този тест се използва за оценка на качеството на заваръчните шевове при заваряване. За да се оцени качеството на жицата, се използва тест за прегъване. Тръбите се тестват за сплескване и огъване.

Механични свойства на метали и сплави

Металът включва следното:

  1. Сила. Тя се състои в способността на материала да устои на разрушаване под въздействието на външни сили. Типът сила зависи от това как действат външните сили. Дели се на: компресия, опън, усукване, огъване, пълзене, умора.
  2. Пластмаса. Това е способността на металите и техните сплави да променят формата си под въздействието на натоварване, без да се разрушават, и да я запазят след края на удара. Пластичността на метален материал се определя при разтягане. Колкото по-голямо е удължаването, като същевременно се намалява напречното сечение, толкова по-пластичен е металът. Материалите с добра пластичност се обработват перфектно чрез натиск: коване, пресоване. Пластичността се характеризира с две стойности: относително свиване и удължение.
  3. твърдост. Това качество на метала се състои в способността да устои на проникването на чуждо тяло в него, което има по-голяма твърдост и да не получава остатъчни деформации. Износоустойчивостта и здравината са основните характеристики на металите и сплавите, които са тясно свързани с твърдостта. Материали с такива свойства се използват за производството на инструменти, използвани за обработка на метали: фрези, пили, свредла, метчици. Често твърдостта на материала определя неговата устойчивост на износване. Така че твърдите стомани се износват по-малко по време на работа от по-меките.
  4. сила на удар. Особеността на сплавите и металите да устояват на въздействието на натоварвания, придружени от удар. Това е един от важни характеристикиматериалът, от който са направени частите, които изпитват ударно натоварване по време на работа на машината: оси на колела, колянови валове.
  5. Умора. Това е състоянието на метала, който е под постоянно напрежение. Умората на металния материал става постепенно и може да доведе до разрушаване на продукта. Способността на металите да устояват на счупване от умора се нарича издръжливост. Това свойство зависи от естеството на сплавта или метала, състоянието на повърхността, естеството на обработката и условията на работа.

Класове на якост и техните обозначения

Нормативните документи относно механичните свойства на крепежните елементи въвеждат концепцията за клас на якост на метала и създават система за обозначаване. Всеки клас на якост се обозначава с две цифри, между които се поставя точка. Първото число означава якостта на опън, намалена 100 пъти. Например клас на якост 5.6 означава, че якостта на опън ще бъде 500. Второто число се увеличава с 10 пъти - това е съотношението към якостта на опън, изразено в проценти (500x0.6 \u003d 300), т.е. 30% е минималната граница на провлачване на якостта на опън при разтягане. Всички продукти, използвани за крепежни елементи, се класифицират според предназначението, формата, използвания материал, клас на якост и покритие. Според предназначението те биват:

  • Споделено. Използват се за селскостопански машини.
  • Мебели. Използват се в строителството и производството на мебели.
  • път. Те са закрепени към метални конструкции.
  • Инженерство. Използват се в машиностроенето и уредостроенето.

Механичните свойства на крепежните елементи зависят от стоманата, от която са направени, и качеството на обработка.

Специфична сила

Специфичната якост на материала (формулата по-долу) се характеризира със съотношението на якостта на опън към плътността на метала. Тази стойност показва здравината на конструкцията за дадено тегло. Той е от най-голямо значение за индустрии като самолети, ракети и космически кораби.

По отношение на специфичната якост титановите сплави са най-здравите от всички използвани технически материали. два пъти специфичната якост на металите, свързани с легираните стомани. Те не корозират във въздуха, в кисела и алкална среда, не се страхуват от морска вода и имат добра устойчивост на топлина. При високи температури тяхната якост е по-висока от тази на сплавите с магнезий и алуминий. Благодарение на тези свойства тяхното използване като конструктивен материал непрекъснато се увеличава и намира широко приложение в машиностроенето. недостатък титанови сплависе крие в тяхната ниска обработваемост. Това е свързано с физически и химични свойстваматериал и структура на специална сплав.

По-горе има таблица на специфичната якост на металите.

Използване на пластичност и якост на металите

Силно важни свойстваметал са пластичност и здравина. Тези свойства са в пряка зависимост едно от друго. Те не позволяват на метала да променя формата си и предотвратяват макроскопично разрушаване при излагане на външни и вътрешни сили.

Металите с висока пластичност под въздействието на натоварването се разрушават постепенно. Отначало те имат завой и едва след това започват постепенно да се срутват. Ковките метали лесно променят формата си, така че се използват широко за производството на каросерии на автомобили. Силата и пластичността на металите зависи от това как са насочени силите, приложени към него и в каква посока е извършено валцуването по време на производството на материала. Установено е, че по време на валцуването металните кристали се удължават повече в посоката си, отколкото в напречната посока. За листовата стомана якостта и пластичността са много по-големи в посоката на валцуване. В напречна посока якостта намалява с 30%, а пластичността с 50%, тези цифри са дори по-ниски в дебелината на листа. Например, появата на счупване на стоманен лист по време на заваряване може да се обясни с успоредността на оста на заваръчния шев и посоката на валцуване. Според пластичността и здравината на материала се определя възможността за използването му за производството на различни части на машини, конструкции, инструменти и устройства.

Нормативна и проектна устойчивост на метал

Един от основните параметри, характеризиращи устойчивостта на металите към въздействието на сила, е нормативната устойчивост. Настроен е според стандартите за проектиране. Проектното съпротивление се получава чрез разделяне на норматива на съответния коефициент на безопасност за този материал. В някои случаи се взема предвид и коефициентът на експлоатационни условия на конструкциите. При изчисления с практическо значение се използва главно изчисленото съпротивление на метала.

Начини за увеличаване на якостта на метала

Има няколко начина за увеличаване на якостта на метали и сплави:

  • Създаване на сплави и метали с бездефектна структура. Има разработки за производство на мустаци (мустаци), няколко десетки пъти по-високи от здравината на обикновените метали.
  • Получаване на обемно и повърхностно втвърдяване по изкуствен път. При обработката на метала чрез натиск (коване, изтегляне, валцуване, пресоване) се образува обемно закаляване, а набраздяването и ударното уплътняване дават повърхностно закаляване.
  • Създаване с помощта на елементи от периодичната таблица.
  • Пречистване на метал от примеси, присъстващи в него. В резултат на това се подобряват неговите механични свойства, разпространението на пукнатини е значително намалено.
  • Премахване на грапавостта от повърхността на частите.
  • Титановите сплави, чието специфично тегло надвишава алуминия с около 70%, са 4 пъти по-здрави, следователно, по отношение на специфичната якост, сплавите, съдържащи титан, са по-изгодни за използване в самолетостроенето.
  • много алуминиеви сплавинадвишава специфичната якост на стоманите, съдържащи въглерод. Алуминиевите сплави имат висока пластичност, устойчивост на корозия, отлично се обработват чрез натиск и рязане.
  • Пластмасите имат по-висока специфична якост от металите. Но поради недостатъчна твърдост, механична якост, стареене, повишена крехкост и ниска устойчивост на топлина, текстолитите и гетинаксите са ограничени в употребата си, особено в големи конструкции.
  • Установено е, че по устойчивост на корозия и специфична якост черните, цветните метали и много от техните сплави отстъпват на стъклопластмасите.

Механичните свойства на металите са най-важният фактор за тяхното използване в практическите нужди. Когато проектирате някакъв вид структура, част или машина и избирате материал, не забравяйте да вземете предвид всички механични свойства, които има.

Механично изпитване на метали. Якост, определяне на якостта на метала.

Изборът на метал за производство на машинни части и конструкции се определя от конструктивните, експлоатационните, технологичните и икономическите изисквания.

Металът трябва да има необходимата якост, способността да се деформира, да отговаря на условията на работа (устойчивост на корозия, топло- и електропроводимост и др.) И да има минимална цена.

Якостта е основното изискване за всеки метал, използван за производството на машинни части и метални конструкции.

Якостта е способността на материала да издържа, без да се срутва, външни натоварвания. Мярката за якост е натоварването, което всеки квадратен милиметър (или сантиметър) от сечението на частта може да издържи.

Якостта на метала се определя чрез разтягане на проби с определена форма и размер върху машина за изпитване. При разтягане площта на напречното сечение на пробата намалява, пробата става по-тънка и дължината й се увеличава. В един момент разтягането на образеца по цялата му дължина спира и се случва само на едно място, образува се така наречената шия. След известно време пробата се счупва на мястото на образуването на "шията".

Процесът на опън протича по този начин само при вискозни материали, при крехки (твърда стомана, чугун) образецът се счупва с леко удължение и без образуване на "шийка".

При разделяне на максималното натоварване, което образецът е издържал преди разкъсване (натоварването се измерва със специален уред - силомер, включен в конструкцията на изпитвателната машина), на площта на напречното му сечение преди разтягане, основната характеристика на метала е получена, наречена якост на опън (σ in).

Дизайнерът трябва да знае якостта на опън на всеки метал, за да определи размерите на детайла, технологът - да зададе режими на обработка.

При повишени температури се извършват краткотрайни изпитвания на опън на конвенционални машини за изпитване, като в машината е вградена само пещ (обикновено електрическа муфела) за нагряване на пробата. Пещта е монтирана върху рамата на машината така, че оста на муфела да съвпада с оста на машината. Пробата за тестване се поставя във фурната. За равномерно нагряване пещта трябва да е 2-4 пъти по-дълга от пробата и следователно фиксирането й директно в ръкохватките на машината е невъзможно. Пробата е фиксирана в специални топлоустойчиви стоманени удължители, които от своя страна са прикрепени към ръкохватките на машината.

За да се получат стабилни резултати, пробата трябва да се държи при температурата на теста за 30 минути. Стойността на якостта на опън на нагрятия метал се влияе значително от скоростта на опън: колкото по-висока е скоростта, толкова по-голяма е стойността на якостта на опън. Следователно, за правилна оценка на топлоустойчивостта на стоманата, продължителността на изпитването на опън трябва да бъде 15-20 минути.

Силата е способността на метала да устои на разрушаване под въздействието на външни натоварвания. Стойността на метала като инженерен материал, заедно с други свойства, се определя от здравината.

Стойността на силата показва колко сила е необходима за преодоляване на вътрешната връзка между молекулите.

Изпитването на метали за якост на опън се извършва на специални машини с различен капацитет. Тези машини се състоят от механизъм за натоварване, който генерира сила, разтяга образеца за изпитване и показва силата, приложена към образеца. Механизмите са с механично и хидравлично действие.

Мощността на машините е различна и достига до 50 тона. 7, а показва устройството на машината, състоящо се от рамка 2 и скоби 4, с които се закрепват пробните образци 3.

Горната скоба е фиксирана в рамката неподвижно, а долната скоба бавно се спуска по време на тестване с помощта на специален механизъм, разтягащ пробата.




Ориз. 7. Изпитване на опън на метали:

а - устройство за изпитване на метали за напрежение; b - проби за изпитване на опън: I - кръгли, II - плоски

Натоварването, предавано по време на изпитването върху пробата, може да се определи от позицията на стрелката на устройството върху измервателната скала 1.

Пробите винаги трябва да се тестват при едни и същи условия, така че резултатите да могат да се сравняват. Следователно съответните стандарти установяват определени размери на пробните образци.

Стандартните образци за изпитване на опън са образци с кръгло и плоско сечение, показани на фиг. 7б.

Плоските проби се използват при изпитване на листове, лентови материали и др., И ако металният профил позволява, тогава се правят кръгли проби.

Крайната якост (σ b) е най-голямото напрежение, което материалът може да изпита преди разрушаването му; якостта на опън на метала е равна на съотношението на максималното натоварване при изпитване на образеца за разрушаване към първоначалната площ на напречното сечение на образеца, т.е.

σ b = P b / F 0 ,

където R b - най-високото натоварване, предшестващо разкъсването на пробата, kgf;

F 0 - началната площ на напречното сечение на пробата, mm 2.

За безопасната работа на машините и конструкциите е необходимо по време на работа напреженията в материала да не надвишават установената граница на пропорционалност, т.е. най-високото напрежение, при което не се причиняват деформации.

Якост на опън на някои метали при изпитване на опън, kgf / mm 2:

Олово 1.8

Алуминий 8