Методы определения механических свойств металлов – Способы определения основных свойств металлов. Характеристики основных механических свойств металлов и сплавов и способы их определения

Механические свойства металлов определяют способность сопротивляться прилагаемым усилиям. К таким свойствам относятся упругость, пластичность, прочность, твердость и т. д.

Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться различным видам механической обработки: ковке, штамповке, прокатке, обработке режущим инструментом и т. д.

Металлы и сплавы используются в качестве основного конструкционного материала для деталей автомобилей, различных машин, механизмов и сооружений, работающих в условиях больших нагрузок. Поэтому для металлов важнейшими являются их механические свойства. Определение этих свойств производится при испытаниях, которые в зависимости от способа приложения усилия делятся на статические и динамические. При статических испытаниях нагрузка на образец металла возрастает медленно и плавно. При динамических испытаниях нагрузка увеличивается с большой скоростью или изменяется многократно по величине и направлению Вид испытаний определяется назначением и условиями применения деталей машин.

Наиболее распространенными испытаниями для исследования механических свойств металлов являются статические испытания на растяжение и твердость, а также динамические испытания на Удар и усталость.

Испытание на растяжение производится для образцов металлов на специальных разрывных машинах типа ИМ-12А, РМ-500 и др. При этом используются образцы определенной формы и размеров, изготовленные по стандарту. Образец закрепляют в захвате машины и подвергают нагрузке, увеличивая силу, растягивающую образец. По силоизмерительному прибору разрывной машины определяют величину растягивающей силы. Как только растягивающая сила превысит силу сопротивления металла, происходит разрыв образца. Напряжения, возникающие в металле при испытании, автоматически записываются на ленте самописца машины в виде диаграмм растяжения.

На диаграмме растяжения по оси ординат отложено растягивающее усилие Р (в кгс), а по оси абсцисс — деформация или абсолютное удлинение образца (в мм). Удлинение образца при возрастании нагрузки от точки О до точки А пропорционально этому возрастанию, а от точки А до точки Б пропорциональность нарушается. В интервале нагрузок Б — В металл начинает течь, т.е. происходит удлинение образца при постоянной силе Р. В точке Г диаграммы сила достигает максимального значения, на образце образуется шейка и в точке Д он разрывается.

Указанные характерные точки на диаграмме позволяют определить показатели механических свойств — величины напряжений или пределы пропорциональности, упругости, текучести, прочности, истинное сопротивление разрыву, относительное удлинение и относительное сужение.

Следует отметить, что текучесть металлов на участке Б — В характерна только для низкоуглеродистых сталей. Высокоуглеродистые стали не обладают текучестью и не имеют на диаграмме участка текучести. Поэтому для них находят условный предел текучести при остаточном удлинении, равном 0,2%.

Рис. 1. Диаграмма растяжения мягкой стали

Найденное значение твердости по шкалам В, С, А обозначают соответственно HRB, HRC, HRA.

Определение твердости по Роквеллу имеет широкое применение, так как позволяет испытывать твердые и мягкие металла прямо на готовых деталях.

Испытание на удар проводится с целью оценки сопротивляемости образца металла ударной нагрузке. Для этого используют специальную машину, называемую маятниковым копром (копры типа МК-15, PS 30 и др.). Испытуемый образец металла устанавливают на опоры копра и подвергают ударному воздействию массивным маятником, падающим с определенной высоты.

Работа Ау подсчитывается перемножением массы маятника на разность высот его подъема до удара и после удара.

Испытания на усталость позволяют выявить срок службы многих ответственных металлических деталей (шатуны, коленчатые валы двигателей, полуоси и др.), которые подвергаются в процессе работы действию повторных и знакопеременных нагрузок. Свойство металлов выдерживать большое число циклов переменных нагрузок называется выносливостью.

Единицей измерения при испытании на усталость является предел выносливости, т. е. величина допустимого напряжения, которое выдерживает металл без разрушения при заданном числе циклов нагрузки.

Испытания на усталость проводят в зависимости от назначения детали на различных машинах (типа МУИ-6000, ИВМ и др.). Наиболее распространены испытательные машины, нагрузка на которых прикладывается изгибом при вращении, растяжением-сжатием, кручением. Результатом испытания является кривая усталости,представляющая зависимость напряжения от числа циклов, причем минимальная величина напряжения, выдерживаемая металлом в конце испытания, и будет характеризовать предел выносливости.

Реклама:

Категория: — Автомобильные эксплуатационные материалы

Главная → Справочник → Статьи → Форум

stroy-technics.ru

Стандартные методы определения механических свойств. сварных и паяных соединений

Существует много стандартных методов определения механи­ческих свойств металлов. Это испытания на растяжение, испытания гладких образцов на статический изгиб и надрезанных образцов на ударный изгиб, определение твердости металла, испытание на длительную прочность и многие другие. Основное назначение этих испытаний состоит в получении количественных характеристик металла, необходимых для выполнения инженерных расчетов. Часть методов предназначена для получения характеристик ме­талла, которые хотя и не участвуют как количественные в расчетах на прочность, но используются для качественной оценки работо­способности изготовляемых из него деталей или для установления соответствия металла техническим условиям на его поставку.

Большая часть этих методов испытаний может быть применена — также и для оценки механических свойств металла шва, около — шовных зон или даже сварных соединений. Тем не менее существу­ет отдельный стандарт (ГОСТ 6996—66 «Сварные соединения. Ме­тоды определения механических свойств»), который специально регламентирует процедуру испытаний только сварных соединений.

Назначение этих методов испытаний состоит в определении механических свойств, которые используются для количественной и качественной оценки работоспособности сварных соединений и конструкций, а также для сравнения механических свойств основ­ного металла и металла сварных соединений с целью оценки соот­ветствия принятой технологии сварки тем требованиям, которые предъявлены к сварной конструкции. Рассмотрим основные требо­вания к образцам и условиям проведения стандартных испытаний сварных соединений.

В испытаниях на статическое растяжение образцов (рис. 3.3) определяют условный или действительный предел текучести ат, временное сопротивление ав, относительное удлинение после раз­рыва б5 на образцах, рабочая длина /0 которых в пять раз больше диаметра d0, относительное сужение после разрыва ф. Образцы изготовляют из металла шва, участков околошовной зоны или
наплавленного металла. Отбор образцов ведут либо непосред­ственно из конструкции, либо из специально сваренных соедине­ний. Такие образцы используются для испытаний при нормальной и пониженной температурах. Образцы с резьбой на концах исполь­зуются при различных температурах, в том числе и при повышенных.

Для определения сопротивляемости металла разрушению при ударных нагрузках в присутствии концентратора испы­тания на ударный изгиб надрезанных образцов (рис. 3.4). Определяют так называемую удар­ную вязкость ан метал­ла шва, околошовной зо­ны в различных участ­ках и наплавленного металла. Надрез распо­лагают в том месте, где необходимо определить свойства. Используют надрезы с различной остротой. Чем острее надрез, тем меньше работа, затрачиваемая на изгиб образца до появ­ления трещины, и тем больше работа, идущая на распространение трещины по образцу аи = A IF, где А — работа, идущая на удар­ный излом образца; F— площадь поперечного сечения в зоне над­реза. Величину аа в СИ выражают в Дж/м2 или (чаще) в кратных единицах — МДж/м2. Ранее применялась единица 1 кгс-м/см2 « «0,1 МДж/м2.

Измерение твердости металла позволяет косвенно судить о его механических свойствах и структурном состоянии, а также позво­ляет определить размеры закаленных и отпущенных зон, степень упрочнения и разупрочнения металла в сварном соединении. Изме­рение твердости основного металла, металла околошовной зоны и шва производят на приборах Виккерса, Роквелла и Бринелля
на макрошлифах поперечного сечения образцов. Твердость опре­деляют вдавливанием в необходимые точки образца индентора — алмазной пирамиды (Виккерс), алмазного конуса (Роквелл) или стального шарика (Бринелль) — с последующим измерением раз­мера отпечатка и пересчетом в соответствующие единицы твер­дости (HV, HRC, НВ).

Испытание сварного соединения на статическое растяжение предназначено для определения прочности сварного соединения. Для определения прочности стыковых соединений используют плоские образцы, представленные на рис. 3.5. Утолщение шва

снимают механическим пу­тем. Разрушение происхо­дит обычно по наименее прочному участку соедине­ния. Уровень прочности, определяемый таким пу­тем, характеризует проч­ность сварного соединения в целом, а не прочность отдельной слабой зоны (см. § 3).

Для определения проч­ности металла шва в об­разцах делают выкружку, ослабляющую среднюю часть образца (рис. 3.6). Определяют временное со­противление по формуле

о’в = kP/F,

где k — поправочный ко­эффициент, для сталей k = 0,9; F — площадь на­именьшего поперечного сечения до испытания.

Для определения пла­стичности металла стыко­вых сварных соединений проводят испытания образцов на статический изгиб. Образцы прямоугольной формы (рис. 3.7, а, б), вырезанные вдоль или поперек стыкового шва и механически обработанные со всех сто­рон, помещают на две опоры специального приспособления и производят изгиб образцов посередине пуансоном, имеющим радиус закругления, соответствующий конкретной толщине образца. Изгиб производят до появления трещины или надрывов длиной более 5 мм на растянутой стороне образца. Угол а (рис. 3.7, в) характеризует пластичность металла сварного соединения.

Свойства паяных соединений определяют при ударном и стати­ческом нагружениях согласно ГОСТ 23046—78 и 23047—78. Стати-

а — шов расположен вдоль образца; б — шов расположен поперек образца; в — вид

образца после испытания

а)

а — на ударный изгиб; б — на ударный срез; в — на ударный изгиб для стыковых сое-
динений; г — на ударный изгиб для косых соединений

снимает наклеп, достигнутый при холодной прокатке металла. На рис. 3.11 показано распределение твердости в сварном соедине­нии из сплава АМгб. Твердость шва и околошовной зоны близки к твердости отожженного металла. Предел прочности и пргдел те­кучести оказываются заметно

ниже, чем у основного ме — WK — Основной нагартобонный металл талла, а пластичность повы — 120 шается. Представление о раз­мерах зоны и степени разуп­рочнения Дает также табл.3.1.

Зоны, где металл обладает пониженным пределом теку­чести по отношению к преде­лу текучести соседнего метал­ла, называют мягкими прослойками.

Паяные стыковые соедине­ния, припой в которых менее прочен, чем основной металл, также содержат мягкую про­слойку. Прочность таких соединений зависит не только от проч­ности металла мягкой зоны, но и от ее относительного размера % = his, где h — ширина прослойки; s— толщина металла.

Другим типичным примером образования механической неод­нородности и прослоек является сварка термически обработанных сталей. Будем для простоты рассматривать сварку без присадоч­ного металла. Тогда шов и околошовная зона, нагретые до темпе­ратуры выше ЛСз, в процессе охлаждения закаливаются и имеют более высокую твердость и прочность, чем основной металл.. Этот участок называют твердой прослойкой (рис. 3.12, а).

Рядом с ней по обе стороны находятся участки высокоотпущенного металла, который и по отношению к основному металлу, и по от­ношению к твердой прослойке имеет пониженный предел текучести. Эти зоны образуют две мягкие прослойки. В случае если термиче­ски обработанная сталь сваривается аустенитным швом (рис. 3.12, б), возникает еще более сложное сочетание мягкого аустенитного шва, двух твердых и двух мягких прослоек. Если отношение пределов текучести прослойки и соседнего участка больше единицы, то прослойка будет твердой; в обратном случае — мягкой.

Рис. 3.12. Твердые и мягкие прослойки в сварных соединениях

Необходимость изучения прослоек объясняется тем, что меха­нические свойства сварных соединений, такие, как прочность, де­формационная способность, энергоемкость при разрушении, а также

место и характер разрушения, зависят от степени и топографии механической неоднородности.

Механические свойства об­разца, вырезанного из мягкой прослойки и имеющего низкую прочность, еще не свидетельст­вуют о том, что сварное соеди­нение в целом обладает такими же свойствами. Взаимодействие отдельных зон протекает слож­ным образом, и агрегатная проч­ность сварного соединения, как правило, не совпадает с проч­ностью какой-либо прослойки.

Рассмотрим случай, когда растягивающая сила направлена вдоль шва и все прослойки испытывают одинаковые деформации. Деформационная способность соединения и, как показано ниже, его несущая способность ограничены пластичностью металла наи­менее пластичной прослойки. На рис. 3.13 показаны диаграммы зависимости напряжения от деформации в различных зонах свар­ного соединения. Точки Аъ А2 и А3 соответствуют разрушению образца. Разрушение наступит при е == ёа3; При этом напряжения од в основном металле, сг3 в шве и сг2 в твердой прослойке будут сильно различаться. Продольная растягивающая сила в основном воспринимается участком основного металла, так как его площадь
намного превосходит и площадь поперечного сечения шва, и пло­щадь твердой прослойки. И хотя уровень напряжений сг2 в твердой прослойке будет велик, средние напряжения будут близки к аъ что существенно ниже разрушающих напряжений в точке Ах. Это означает, что прочность сварного соединения с твердой про­слойкой, нагруженного вдоль шва, окажется ниже, чем прочность такого же элемента из основного металла, так как разрушение в последнем случае произойдет при напряжениях, близких к а1<о.4). Отрицательное влияние твердой прослойки сказывается сильнее, если по длине соединения встре­чаются резкие изменения сече­ния шва, вызывающие концен­трацию напряжений, или еще хуже — поперечные трещины или другие дефекты в твердой прослойке.

При действии силы вдоль шва наличие малопрочных мяг­ких прослоек практически не влияет на общую несущую спо­собность нагруженного элемен­та, так как площадь прослоек обычно невелика.

Рассмотрим работу мягкой прослойки при растяжении стыко­вого соединения поперек шва (рис. 3.14) достаточно большой протя­женности за плоскость чертежа. В упругой стадии нагружения мяг­кая прослойка и соседние участки деформируются однородно, и при достижении предела текучести материала мягкой прослойки сгТм в ней возникает пластическая деформация, в то время как соседние участки остаются в упругом состоянии. При дальнейшем повыше­нии нагрузки и деформации коэффициент поперечной деформации р у прослойки будет выше, чем у соседнего металла. По мере разви­тия пластической деформации в прослойке р 0,5, в то время как в упругих частях р — 0,3. Из-за неодинаковой поперечной деформации возникают касательные напряжения, максимальные на плоскостях. раздела. Они будут препятствовать поперечному сужению прослойки в направлении толщины листа. Чем уже про­слойка, т. е. чем меньше х = his, тем меньшее поперечное сужение получает прослойка к моменту возникновения в ней истинных разрушающих напряжений сгр. Так как среднее истинное разруша­ющее напряжение Op меняется мало, то в более узких мягких про­слойках площадь утоненного поперечного сечения прослойки Fy к моменту разрушения будет больше, а следовательно, будет больше и разрушающая сила Рр:

Рр—°Л* (злз)

В этом заключается причина повышения несущей способности (эффект контактного упрочнения). Повышение разрушающей силы

не может происходить беспредельно, так как соседние с мягкой прослойкой более прочные участки также при определенных уело — биях начнут пластически деформироваться. Чем более прочны соседние зоны, тем больше эффект контактного упрочнения. Твердые прослойки, находящиеся рядом с мягкими, усиливают этот эффект.

Можно рассматривать идеализированный случай работы мягкой прослойки, считая соседние с прослойкой участки металла абсо­лютно твердыми, недеформируемыми. Тогда будут выполняться условия плоской деформации, так как деформация в направлении за чертеж будет равна нулю (см. § 1). В этом случае временное сопротивление соединения с мягкой прослойкой ав можно опреде­лить по формуле

СГв = СГв/(х, (3.14)

м

где сгв/—временное сопротивление металла мягкой прослойки;

м

— коэффициент контактного упрочнения в случае плоской деформации:

Кх = (я + 1/*)/(2Уз)- (3.15)

Если прослойка не идеально прямоугольная, как это бывает в сварных соединениях, то х = F/s2,- где F—■ площадь попереч­ного сечения прослойки; s — толщина металла.

Прочность соединения достигнет прочности соседнего, более прочного металла, если временное сопротивление сгв в формуле (3.14) станет равным временному сопротивлению аВт более проч­ного металла. При этом Кхпрея = оВт/оВм. По формуле (3.15) опре­делим предельную относительную толщину прослойки Хцред, при которой достигается равнопрочность соединения:

ипРсд= 1/(2У^З Лх|фе1 — я)* (3.16)

Например, если <тв /сгв = 1,2, то по формуле (3.16) получаем хнрел = 1. При Ку. > 1,2 относительная толщина мягкой про­слойки «пред-Должна быть еще меньше. Следует, однако, иметь в виду, что повышение прочности соединения с мягкой прослойкой за счет уменьшения х ограничено уровнем истинного разрушающего напряжения металла мягкой прослойки.

Относительное поперечное сужение ф в мягкой прослойке и аб­солютное удлинение образца А зависят от относительной толщины прослойки х и свойств металлов в соединении. На рис. 3.14 видно, что в широких прослойках, когда эффекта контактного упрочне­ния еще не наблюдается, ф остается постоянным при уменьшении х, а А постепенно падает по мере уменьшения доли длины участка мягкой прослойки в общей длине образца. В области контактного упрочнения ф резко падает, так как возрастают поперечные каса­тельные напряжения, препятствующие сужению прослоек. Удли­нение образца А при уменьшении х также сначала уменьшается, но затем, когда реализуется повышение прочности, А возрастает,

поскольку в пластическую деформацию в большей мере вовлека­ется основной металл.

При испытании соединений с мягкой прослойкой на изгиб до разрушения разрушающий момент Мр, при котором появляются трещины в прослойке, не зависит от относительной ширины про­слойки к. Это можно объяснить тем, что разрушение при изгибе не связано с образованием шейки и изменением размеров попереч­ного сечения. Поэтому касательные напряжения, действующие вблизи границ мягкой прослойки, хотя и влияют на процесс пласти­ческой деформации во время нагружения, но не изменяют суще­ственно толщины образца и его момента сопротивления. Разруше­ние наступает, когда максимальное напряжение в крайнем волокне достигает истинного разрушающего напряжения металла мягкой

прослойки (гр. Если принять, что зависимость напряжения сг от де­формации е при а > сгг имеет линейный характер и к моменту разру­шения эпюра напряжений в сечении выглядит, как показано на рис.[1] 3.15, то разрушающий момент равен

Mp—W (<гр + 0,5<гт), (3.17)

где W — момент сопротивления сечения; ат —> предел текучести металла мягкой прослойки.

При работе соединений с мягкой прослойкой в элементах кон­струкций влияние мягкой прослойки на прочность может несколько изменяться. В сосудах с внутренним давлением р, где сокр = 2оос, мягкая прослойка с малой к в кольцевом шве работает аналогично сварному соединению, которое растягивается вдоль прослойки. Пониженной прочности металла прослойки при этой схеме не обна­руживается, так как разрушение происходит вдоль сосуда. Если % велика, то мягкая прослойка удлиняется в окружном направле­нии сильнее, чем остальная часть сосуда, в результате чего искрив­ляется прямолинейная образующая (рис. 3.16). Разрушение может наступить вдоль образующей сосуда в зоне прослойки вследствие Повышенной деформации в окружном направлении или даже по окружности из-за дополнительных деформаций изгиба и растяже­ния вдоль сосуда. Твердые прослойки в кольцевом сварном соеди­нении разрушаются раньше, чем остальная часть сосуда достигает

предельной пластической деформации в окружном направлений. Этот случай аналогичен растяжению сварного соединения вдоль шва при наличии в нем твердой прослойки. Момент разрушения зави­сит от пластичности твердой прослойки.

Мягкая прослойка в продольном шве ведет себя примерно так же, как при испытании образцов на одноосное растяжение с попереч­ной мягкой прослойкой. Твердые прослойки в продольных швах сосуда, если они не попадают в зону концентрации напряжений, обычно не снижают прочности сосуда.

Выше были рассмотрены идеализированные случаи работы со­единений с прямоугольной формой мягких прослоек. В сварных соединениях прослойки могут находиться под углом к направлению действия сил, иметь произвольную форму поперечного сечения

и иначе влиять на прочность. Однако общая тенденция их влияния оказы­вается такой же, как в случаях, рас­смотренных в настоящем параграфе.

Одним из видов неоднородности механических свойств металла явля­ется анизотропия, она выра­жается в различии свойств металла при нагружении его в разных на­правлениях. Различными могут быть пластичность, прочность, ударная вязкость, коэффициент поперечной деформации, модуль упругости и дру­гие свойства. Анизотропия металла возникает чаще всего во время про­катки. Прочность, пластичность, ударная вязкость, как правило, выше у образцов, вырезанных вдоль про­ката (рис. 3.17). Во время разрушения трещина, пересекая во­локна, встречает большее сопротивление, чем двигаясь вдоль волокон. Особенно низкими бывают прочность и пластичность металла по толщине листа. При наличии расслоений в металле пластичность отдельных образцов в этом направлении близка к нулю. Во время термической резки или сварки, если усадка металла происходит в направлении толщины листа, в зоне рас­слоений появляются трещины. Передача растягивающих усилий в направлении толщины может предусматриваться при проектиро­вании сварных конструкций лишь в тех случаях, когда есть полная уверенность, что используемый металл не склонен к обра­зованию расслоений, а механические свойства в направлении тол­щины соответствуют уровню, предусмотренному техническими условиями.

Анизотропия может выражаться в различном сопротивлении металла пластической деформации, различном упрочнении и, как следствие, в различных коэффициентах поперечной дефор­мации.

В этом случае анизотропию можно оценивать по отношению поперечных пластических деформаций Р = Є* /е^пл и R = £ffnJe’znjlt где є* и ej— поперечные пластические деформации соответ­ственно в направлении длины и толщины проката при растяжении 0*|разца № 1; ъу и e’zпл — поперечные пластические деформации при растяжении образца № 2 (рис. 3.17).

Если материал изотропен во всех трех направлениях, то Р — = R = 1. Если материал изотропен в плоскости и анизотропен в направлении толщины, то Р — R ф 1. У некоторых видов тонко­листового проката титановых сплавов анизотропия выражена сильно, сопротивление пластической деформации в направлении толщины значительно больше, чем в плоскости (Р = R = 4 — г- 7). При двух­осном растяжении, например в сферическом или цилиндрическом сосуде давления, металл имеет возможность пластически деформи­роваться в плоскости листа только при утонении его по толщине. Ввиду большого сопротивления пластической деформации по тол­щине прочность при таких схемах нагружения заметно возрастает. Так, максимальное окружное условное напряжение в цилиндри­ческом тонкостенном сосуде давления из титанового сплава с со­держанием 5 % А1 и 2,5 % Sn в 1,5 раза выше, чем максимальное условное напряжение при одноосном растяжении.

hssco.ru

Механические свойства металлов и методы их определения

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 l0 = 10d0, называют нормальными, а образцы, у которых длина l0 = 5d0, — 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 — Рпц удлинение образца увеличивается прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше Рпц, на участке Рпц — Pупр прямая пропорциональность нарушается, но деформация остается упругой (обратимой). На участке выше точки Pvпр возникают заметные остаточные деформации, и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке Рт 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 Рт нагрузка возрастает до точки А, соответствующей максимальной нагрузке Рв, 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}}

_{^{,  2.1)}}

_{^{где σi — напряжение, МПа;i — соответствующая точка диаграммы растяжения, Н;0 — площадь поперечного сечения образца до испытания, мм2.}}

_{^{Предел пропорциональности σпц — это наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией:}}

_{^{,   .2)}}

_{^{где Pпц — напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, Н.}}

_{^{Предел упругости σупр — напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допуском (обычно 0,05 %):}}

_{^{,   .3)}}

_{^{где Pупр — напряжение, соответствующее пределу упругости, Н.}}

_{^{Предел текучести физический σт — напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:}}

_{^{,   .4)}}

_{^{где Pт — напряжение, соответствующее пределу текучести, Н.}}

_{^{Если площадка текучести на диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести σ0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.}}

_{^{Предел прочности (временное сопротивление) σв — напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:}}

_{^{,   .5)}}

_{^{где Pв — 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 δ находится как отношение увеличения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:}}

_{^{,   .6)}}

_{^{где lk — длина образца после разрыва, мм;}}

_{^{l0 — расчетная (начальная) длина образца, мм.}}

_{^{Относительное сужение ψ определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженным в процентах:}}

_{^{,    7)}}

_{^{где F0 — начальная площадь поперечного сечения образца;к — площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.}}

_{^{. 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 = 30D2; Р = 10D2;  Р = 2,5D2 (таблица 2.1).}}

_{^{Таблица 2.1 — Выбор диаметра шарика D и нагрузки Р}}

_{^{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}}

_{^{, (2.8)}}

_{^{где НВ — твердость по Бринеллю, кгс/мм2;}}

_{^{Р — нагрузка при испытании, кгс или Н;- площадь полученного отпечатка, мм2;- диаметр наконечника, мм;- 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/мм2, 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/мм2. 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 136о (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}}

_^,  (2.9)

_{^{где Р — нагрузка, Н;- длина диагонали отпечатка, мм.}}

_{^{На практике число твердости НV находят по специальным таблицам.}}

_{^{. 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/см2) оценивается работой, затраченной маятником на разрушение стандартного надрезанного образца, отнесенной к сечению образца в месте надреза:}}

_{^{,     (2.10)}}

_{^{где А — работа, затраченная на разрушение образца (определяется по разности энергий маятника до и после удара: А0 — А1), Дж;- площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см2.}}

stud24.ru

II. Определение механических свойств металлов

Основными механическими свойствами металлов являются прочность, упругость, пластичность, твердость и вязкость. Механические свойства металлов определяют испытанием специальных образцов на соответствующих испытательных машинах.

В зависимости от характера действия нагрузки испытания могут быть статическими, динамическими, циклическими. При статических испытаниях нагружение проводится плавно, в отличие от резкого нагружения при динамических испытаниях. При циклических испытаниях изменяются направления действия нагрузки или ее величина, или оба фактора вместе.

К статическим испытаниям обычно относятся испытания на растяжение и сжатие, проводимые на разрывных машинах, и испытания твердости, проводимые на приборах Бринелля, Роквелла, Виккерса.

К динамическим испытаниям относятся испытания на ударный изгиб, которые проводятся на маятниковых копрах.

Циклические испытания проводятся на машинах с циклически изменяемой нагрузкой для определения сопротивляемости металлов усталостному разрушению.

III. Физические методы исследования

Для изучения структуры металлов и сплавов используются различные физические методы, позволяющие на основании регистрации известных физических величин анализировать структуру и состояние вещества, а также выявлять характер превращений, протекающих в твердом теле под воздействием внешних причин (нагрев, охлаждение, деформация и др.).

К этим методам относятся электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, резистометрический, дилатометрический, магнитный и другие методы.

В данной работе необходимо познакомиться с установками и их работой для проведения электронно-микроскопического и рентгеноструктурного анализов.

Электронно-микроскопический анализ относится к прямому методу наблюдения и изучения структуры вещества. Анализ проводится на просвечивающих и растровых электронных микроскопах. По темпам развития и количеству моделей РЭМ опережает просвечивающие электронные микроскопы, хотя последние разработаны и используются значительно раньше РЭМ.

В лабораторной работе необходимо ознакомиться с прибором РЭМ-200 и его работой.

В растровых электронных микроскопах поверхность исследуемого образца облучается стабильным во времени тонко сфокусированным (диаметр до 5–10 нм) электронным зондом, совершающим возвратно-поступательное движение по линии или развертывающимся в растр. Растром называется совокупность близко расположенных параллельных линий движения зонда, по которым зонд сканирует (обегает) выбранный участок на поверхности образца. При взаимодействии зонда с веществом образца в каждой точке поверхности происходит ряд эффектов, которые регистрируются датчиками. Эти эффекты служат основой для получения информации о строении исследуемых объектов. Изображение объекта формируется на экране электронно-лучевой трубки, с которого фиксируется на фотографическую пленку.

Рентгеноструктурный анализ основан на явлении интерференции рентгеновских лучей, отраженных от атомных плоскостей кристалла. Этот метод позволяет изучить фазовый состав сплава, определить степень совершенства кристаллов, их ориентировку, определить оптимальные режимы технологии изготовления и обработки разнообразных кристаллических материалов. В настоящее время наибольшее распространение в качестве рентгеновских аппаратов получили дифрактометры, которые позволяют регистрировать интенсивность отраженного рентгеновского излучения на диаграммную ленту самописца. ДРОН-2,0, ДРОН-3,0 ДРОН-3М – дифрактометры рентгеновские общего назначения, выпускаемые в нашей стране, широко используется в научных и заводских лабораториях.

studfiles.net

Способ определения механических свойств металлов

Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и их сплавов путем приложения растягивающих нагрузок к стандартным плоским или круглым образцам исследуемых металлов, геометрические размеры которых регламентируются ГОСТ 10006-80. Сущность: осуществляют осевое растяжение плоских и круглых образцов с фиксированной скоростью деформации, и определение температуры испытания. Коэффициент динамической вязкости металлов и эффективную энергию разрушения определяют по формулам: для плоского и круглого образца, используя значения предела прочности, предела текучести, относительного удлинения металлов при растяжении стандартных образцов, скорости деформации, при которой растягивается образец, модуля Юнга и скорости звука продольных волн в металле. Технический результат: возможность при исследовании конструкций из металла под действием реальных нагрузок и скоростей деформаций вплоть до разрушения основывать прогноз по эксплуатационной надежности выбранного материала на основании количественных оценок параметров (σ_b, σ₀₂, δ₅, έ, µ, А_*). 3 табл.