Определение механических свойств металлов: Глава 3.2. Механические свойства материалов и методы их определения

Содержание

Основные механические свойства металлов и сплавов, особенности их определения

В наше время для изготовления машин и приборов применяют преимущественно материалы, к которым относятся металлы, сплавы металлов с другими металлами и неметаллами.

Поэтому очень важное значение приобретает определение механических свойств металлов.

Не менее важно знание таких общих закономерностей, как периодичность изменения возможностей их элементов и их соединений, зависимость свойств от типов и особенностей химической связи в сплавах на их основе.

Основные механические свойства металлов

Металлы — это вещества, которые характеризуются теплопроводимостью, электропроводностью, пластичностью. Все они, за исключением ртути, при комнатной температуре — твердые вещества. Температура плавления находится в пределах от -38,78 до +3380оС. Механические и технологические свойства металлов обладают высокой способностью поглощать свет, и поэтому даже в очень тонких слоях они непрозрачные. Однако гладкий и чистый слой поверхности хорошо отражает свет и придает характерный блеск. Большинство поверхностей имеет белый и серый цвет. Только медь и золото имеют желтый оттенок. Некоторые металлы имеют серый цвет со слабым синеватым, желтоватым или красноватым отливом. В твердом состоянии все они имеют кристаллическую форму. В парообразном состоянии металлы одноатомные. По удельному весу их делят на легкие и тяжелые. Существует еще одно деление — на черные металлы и цветные.

Металлы в природе и способы их добычи

В природе металлы находятся как в свободном состоянии (Си, Au, Ag, Hg, Pt), так и в виде различных соединений — оксидов, сульфидов, карбонатов, сульфатов, фосфатов, хлоридов, нитратов и других соединений. При извлечении их из руд и минералов используют различные пути восстановления. На практике те соединения и минералы имеют ценность, из которых промышленность просто и без больших затрат может получить чистый металл. Для получения железа из железной руды используется углерод. Восстановителями могут быть водород, алюминий, кальций, натрий, которые имеют большую способность присоединять кислород. Из сульфидов получение железа проходит в два этапа: сначала получают сульфат, а потом выжигают и переводят в оксиды, затем полученный оксид восстанавливают по технологии получения из оксидов. Из карбонатов сначала раскладывают карбонат при нагревании. Аналогичными действиями могут быть получены различные виды железа из разных природных соединений. Методом электролиза добываются активные металлы, щелочные, щелочноземельные, алюминий, магний и др. Последние производят при электролизе расплавов (расплавленных солей). При пропускании постоянного электрического тока ионы выделяются на катоде. Трудноплавкие технологические свойства металлов используют для получения их в виде порошка или губчатом состоянии с последующим прессованием при высокой температуре.

Строение металлов и их физические свойства

На механические свойства металлов влияют особенности их внутренней структуры в твердом состоянии. Металлическая решетка имеет такую особенность, что в ее узлах имеются молекулярные частицы, то есть существует равновесие. Валентные электроны находятся в относительно свободном состоянии и не закреплены строго к каждому атому, образуя так называемый электронный газ.

То есть, кристаллическая решетка состоит из положительных ионов, а промежутки между ионами заполняются электронами. При наличии разницы температур или под воздействием внешней разности потенциалов эти электроны легко перемещаются и проводят теплоту и электрический ток без смещения материальных частиц.

В парообразном состоянии механические свойства металлов способствуют проведению электрического тока только в ионизированном виде. Характерно то, что при повышении температуры электропроводность снижается благодаря тому, что растет их объемное сопротивление.

При нагревании или (даже при воздействии фотонов) энергия электронов возрастает, вследствие чего они могут даже легко излучаться (появление катодных лучей и фотоэлектронной эмиссии, используется в радиотехнике, в электронных трубках и измерении интенсивности света с помощью фотоэлементов).

Таким образом, металлическая решетка — это фактически ионная решетка, в вершинах которой находятся одноименные положительные ионы, взаимное отталкивание которых компенсируется не противоположными заряженными анионами, а совместным усилиям свободных электронов.

Испытания механических свойств металлов

Растворение может осуществляться только при их преобразовании в водорастворимых соединениях, то есть химическим путем. Некоторые могут разжижаться в жидкой ртути (серебро, золото), образуя так называемые амальгамы. Железо способно образовывать между собой как смеси, так и интерметаллические соединения (интерметаллические фазы), которые имеют определенный состав. Для получения картины изменения свойств с температурой используют кривые охлаждения, получаемые при изучении скорости охлаждения. Предварительно нагретому веществу дают остывать и каждый час замеряют температуру. Результаты наносятся на диаграмму, на которой на оси абсцисс откладывают время, по оси ординат — температуру. Если в системе при охлаждении не изменяются технологические свойства металлов, сопровождающиеся выделением теплоты, то снижение температуры происходит постепенно. Если же в системе проходят какие-то изменения, то наблюдается временная задержка в остывании системы, вызванная фазовыми переходами. С помощью термического анализа по кривым охлаждения возможно исследовать состав соединений, которые могут образовываться между составными частями сплавов.

Изменение характеристик сплавов в зависимости от состава

Вообще при переходе вещества из жидкого состояния в твердое происходит выделение вещества в виде более или менее крупных частиц — кристаллов, или бесформенной аморфной массы (клеи, каучук и другие). Наименьший возможный объем кристаллической решетки, которая воспроизводит особенности ее структуры, характеризуется элементарной ячейкой. Форма твердого вещества зависит от природы вещества и от условий, в которых проходит переход в твердое состояние. Если в вершинах находятся одинаковые атомы, то расстояние между ними в кристалле равна сумме их радиусов, то есть радиус атома равен половине этого расстояния. Заполнение кристаллических решеток молекулами и ионами происходит при максимально плотной упаковке, то есть ионы и молекулы заполняют пространство с минимальным объемом. Элементами симметрии кристаллов твердого вещества является его центр, плоскости и оси. Наиболее характерной их особенностью является анизотропия, то есть неодинаковость их характеристик (прочности, теплопроводности, скорости растворения и др.) в различных направлениях. Отсутствие строго направленных связей между атомами, механические свойства металлов дают возможность размещения в металлической решетке двух или более элементов, которые располагаются в определенном порядке, образуя интерметаллические структуры.

Сплавы

При смешивании различных металлов в расплавленном состоянии частицы основного компонента могут быть замещены частицами другого или нескольких элементов без изменения кристаллической решетки, образуя твердые растворы. Материалы, содержащие два или более видов атомов и имеют характерные свойства (блеск, теплопроводность, электропроводность), называют сплавами. В расплавленном состоянии металлы хорошо растворяются друг в друге и, как правило, без ограничений. Часто в этих растворах может образовываться целый ряд гетерогенных зон, свидетельствующий об их ограниченной растворимости. Механические свойства металлов, на основе которого образуется сплав, отличаются от физических и механических свойств сплавов. При растворении в ртути образуются так называемые амальгамы. На практике различают три вида сплавов: твердые растворы, те, которые имеют характер химических соединений металлов, и смесь кристаллов.

Формирование элементарной кристаллической решетки сплавов

Разнообразие способов получения сплавов дает возможность их производства с заданными свойствами. На практике широко используются соединения на основе железа, меди, никеля и др.

Физические и механические свойства металлов, на основе которых получают сплав, существенно отличаются от свойств сплавов. Добавленные атомы могут образовывать более «жесткие» локализованные связи, и скольжение слоев атомов уменьшается.

Это приводит к уменьшению ковкости и увеличению жесткости сплавов. Так, прочность железа увеличивается в 10 раз при добавлении 1% углерода, никеля или марганца.

В латуни, которая содержит 65-70% хрома и 30- 5% цинка, прочность в 2 раза больше, чем в чистой меди, и в 4 раза больше, чем у чистого цинка. Промышленность производит очень много разновидностей сплавов различных металлов с заданными свойствами.

Строение металлов

Изучая строение атомов, можно наблюдать, что все они имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое количество электронов, и для них характерна способность только отдавать электроны при образовании соединений. В соединениях металлы всегда имеют положительную степень окисления. При образовании соединений частицы отдают электроны, проявляя свойства восстановителя. Способность отдавать электроны различна и зависит от строения атома. Чем легче он отдает электроны, тем он активнее. Количественная характеристика механических свойств металлов отдавать электрон есть потенциал ионизации. Под ним понимают то минимальное напряжение электрического поля (в вольтах), при котором электрон получает такое ускорение, что он способен вызвать ионизацию атома. Активность в водных растворах характеризуется стандартным электродным потенциалом и может быть определена количественно с использованием стандартного водородного электрода, потенциал которого принят за ± 0. Благородные металлы имеют положительный стандартный потенциал. По химическим свойствам они способны взаимодействовать с водой, кислотами, щелочами, солями, оксидами, органическими веществами.

Взаимодействие с неметаллами

Во всех случаях образования соединений с неметаллами происходит переход электронов от атомов металлов к атомам неметаллов. Гидриды — это соединения с водородом. Щелочные и щелочноземельные образуются при непосредственном взаимодействии с водородом.

Галогениды — это соли галогеноводородных кислот, полярные молекулы, которые для металлов 1, 2 группы хорошо растворимы в воде. Они образуются при непосредственном взаимодействии железа с галогенами, галогеноводородных кислот с железом. В их среде металлы взаимодействуют с ним очень активно.

Оксиды преимущественно имеют основополагающий характер, к ним относятся оксиды алюминия, цинка, свинца (II), хрома (III). Они могут быть получены из элементов при разложении солей гидроксидом, обжиге сульфидов. Основные механические свойства металлов на воздухе способствуют их покрытию пленкой оксида.

Если она неплотно покрывает поверхность, то не защищает от разрушения, идет процесс химической коррозии. Некоторые металлы образуют очень плотную пленку оксида, которая не дает кислороду из воздуха и другим окислителям проникать через нее и защищает металл от коррозии.

Источник: https://www.syl.ru/article/198796/new_osnovnyie-mehanicheskie-svoystva-metallov-tehnologicheskie-svoystva-metallov

Какими свойствами обладают металлы и сплавы

Металлические изделия и детали используются в разных сферах промышленности. Существует множество видов металлов и каждый из них обладает сильными и слабыми сторонами. При изготовлении деталей для машин, самолётов или промышленного оборудования мастера обращают внимание на характеристики материала. Поэтому требуется знать свойства металлов и сплавов.

Свойства металлов и сплавов

Признаки металлов

У металлов есть признаки, которые их характеризуют:

Высокие показатели теплопроводности. Металлические материалы хорошо проводят электричество.
Блеск на изломе.
Ковкость.
Кристаллическая структура.

Не все материалы прочные и обладают высокими показателя износоустойчивости. Это же касается плавления при высоких температурах.

Классификация металлов

Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.

Черные

Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:

Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.

Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.

Цветные

Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:

Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.

Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.

Классификация веществ. Металлы | Химия 11 класс #20 | Инфоурок

Основные виды сплавов

Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.

Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.

Цинковые сплавы

Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.

Алюминиевые сплавы

Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:

Устойчивость к низким температурам.
Электропроводность.
Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
Износоустойчивость.

Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.

Алюминий применяется при изготовлении комплектующих к машинам, производстве деталей для самолётов, составляющих промышленного оборудования, посуды, инструментов. Не многие знают, что алюминий популярен в сфере производства оружия. Связано это с тем, что детали из алюминия не искрят при сильном трении.

Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.

Алюминий. Сплавы алюминия. Алюминиевые рамы для велосипеда.

Медные сплавы

Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.

Свойства сплавов

Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.

Двигатель внутреннего сгорания

Физические свойства

Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:

Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.

Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.

Химические свойства

Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:

Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.

Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.

Механические свойства

Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:

прочность;
твердость;
пластичность;
вязкость;
хрупкость;
устойчивость к механическим нагрузкам.

Технологические свойства

Технологические свойства определяют способность металла или сплава изменяться при обработке:

Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
Обработка режущим инструментом.
Ликвация (затвердевание жидкого металла при понижении температуры).

Основной способ обработки металлических деталей — нагревание.

Свойства металлов и сплавов отвечают за то, как себя будет вести готовое изделие при эксплуатации. При обработке материалов также важно знать его характеристики.

Химия 48. Свойства металлов и сплавов. Катализаторы горения — Академия занимательных наук Какими свойствами обладают металлы и сплавы Ссылка на основную публикацию

Источник: https://metalloy.ru/splavy/i-metally-svojstva

Характеристики основных механических свойств металлов и сплавов и способы их определения

Любое вещество, будь то газ, жидкость или твердое тело, обладает рядом специфических, только ему присущих свойств. Однако эти свойства позволяют не только индивидуализировать элементы, но и объединять их в группы по принципу схожести.

чтобы объединить металлы в одну группу? Конечно же нет, металлы и их производные (сплавы) гораздо сложнее и обладают целым набором химических, физических, механических и технологических свойств.

Сегодня мы поговорим лишь об одной группе: механических свойствах металлов.

Основные механические свойства металлов

Что это за свойства? Под механическими понимают такие свойства субстанции, которые отражают ее умение противостоять действиям извне. Известно девять основных механических свойств металлов:

— Прочность — означает, что приложение статической, динамической или знакопеременной нагрузки не приводит к нарушению внешней и внутренней целостности материала, изменению его строения, формы и размеров.

— Твердость (часто путают с прочностью) — характеризует возможность одного материала противостоять прониканию другого, более твердого предмета.

— Упругость — означает способность к деформированию без нарушения целостности под действием определенных сил и возвращению первоначальной формы после освобождения от нагрузки.

— Пластичность (часто путают с упругостью и наоборот) — также способность к деформации без нарушения целостности, однако в отличие от упругости, пластичность означает, что объект способен сохранить полученную форму.

— Стойкость к трещинам — под воздействием внешних сил (ударов, натяжений и пр.) материал не образует трещин и сохраняет наружную целостность.

— Вязкость или ударная вязкость — антоним ломкости, то есть возможность сохранять целостность материала при возрастающих физических воздействиях.

— Износостойкость — способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.

— Жаростойкость — длительная возможность противостоять изменению формы, размера и разрушению при воздействии больших температур.

— Усталость — время и количество циклических воздействий, которые материал может выдержать без нарушения целостности.

Часто, говоряо тех или иных свойствах, мы путаем их названия: технологические свойства относим к физическим, физические к механическим и наоборот. И это неудивительно, ведь несмотря на глубинные отличия, лежащие в основе той или иной группы свойств, механические свойства не только крайне тесно связаны с другими характеристиками металлов, но и напрямую зависят от них.

Физические свойства металлов

Наиболее взаимозависимы между собой механические и химические свойства металлов, ведь именно химический состав металла или сплава, его внутреннее строение (особенности кристаллической решетки) диктуют все остальные его параметры. Если говорить о механических и физических свойствах металлов, то их чаще других путают между собой, что обусловлено близостью данных определений.

Не хуже других связаны механические и технологические свойства металлов. Например, механическое свойство металла «прочность» может быть результатом его грамотной технологической обработки (с этой целью нередко используют «закалку» и «старение»).

Обратная взаимосвязь не менее важна, к примеру, ковкость проявление хорошей ударной вязкости.

Делая вывод, можно сказать, что зная некоторые химические, физические или технологические свойства можно предугадать, как будет вести себя металл под воздействием нагрузки (т.е. механически), и наоборот.

В чем отличия механических свойств металлов и сплавов?

Некоторые сочетания легирующих элементов и основного металла в сплаве способны мгновенно преобразить легируемый элемент. Так алюминий ( не самый прочный и твердый металл в мире) в сочетании с цинком и магнием образует сплав по прочности сравнимый со сталью.

Все это дает практически неограниченные возможности в получении веществ наиболее близких к требуемым.

Этот металл словно нитки соединяет разорванные части. От того, как будет вести себя «шов» под нагрузкой, будет зависеть безопасность и надежность всей конструкции.

Исходя из этого, крайне важно, чтобы свойства наплавленного металла были не хуже, чем у главного металла.

Как определить механические свойства?

Экспериментальным путем. Среди основных методов определения механических свойств металлов можно выделить:
— испытания на растяжение;
— метод вдавливания по Бринеллю;

— определение твердости металла по Роквеллу;
— оценка твердости по Виккерсу;
— определение вязкости с помощью маятникового копра;

Механические свойства имеют весьма серьезное значение. Их знание позволяет использовать металлы и их сплавы с наибольшей эффективностью и отдачей.

Источник: https://promplace.ru/vidy-metallov-i-klassifikaciya-staty/mehanicheskie-svoistva-metallov-1542.htm

Механические свойства металлов и сплавов

К основным механическим
свойствам металлов относятся прочность, вязкость, пластичность, твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они являются главными характеристиками металла или сплава.

Рассмотрим некоторые термины, применяемые при характеристике механических свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,— деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не исчезающие после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.

Напряжением называется величина внутренних сил, возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

К статическим испытаниям на прочность относятся растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость.

Эластичностью называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью — способность пластически деформироваться без разрушения.

Вязкость — это свойство материала, которое определяет его способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть одновременно прочными и пластичными.

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него других тел.
Выносливость — это способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.
Износостойкость — это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
Ползучесть — это способность материала медленно и непрерывно пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при высоких температурах).

Поведение некоторых металлов (например, отожженной стали) при испытании на растяжение показано на рис. 3. При увеличении нагрузки в металле сначала развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом незначительно.

Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой).

Наибольшее напряжение, предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при растяжении.

Рис. 3. Диаграмма деформации при испытании металлов на растяжение.

Напряженное состояние — это состояние тела, находящегося под действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела происходит неравномерно.

Внутренние напряжения образуются при быстром охлаждении или нагревании в температурных зонах перехода от пластического к упругому состоянию металла. Эти температуры для стали соответствую 400—600°. Если образующиеся внутренние напряжения превышают предел прочности, то в деталях образуются трещины, если они превышают предел упругости, то происходит коробление детали.

Предел прочности при растяжении в кг/мм2 определяется на разрывной машине как отношение нагрузки Р в кГ, необходимой для разрушения стандартного образца (рис. 4, а), к площади поперечного сечения образца в мм2.

Рис. 4. Методы испытания прочности материалов: а — на растяжение; б — на изгиб; в — на ударную вязкость; г — на твёрдость

Предел прочности при изгибе в кГ/мм2 определяется разрушением образца, который устанавливаете» на двух опорах (рис. 4, б), нагруженного по середине сосредоточенной нагрузкой Р.

Для установления пластичности материала определяют относительное удлинение δ при растяжении или прогиб ƒ при изгибе.

Относительное удлиненней δ в % определяется на образцах, испытуемых на растяжение. На образец наносят деления (рис. 4, а) и измеряют между ними расстояние до испытания (l0) и после разрушения (l) и определяют удлинение

δ = l-lo / lo · 100%

Прогиб при изгибе в мм определяется при помощи прогибомера машины, указывающего прогиб ƒ, образующийся на образце в момент его разрушения (рис. 4, б).

Ударная вязкость в кГм/см2 определяется на образцах (рис. 4, в), подвергаемых на копре разрушению ударом отведенного в сторону маятника. Для этого работу деформации в кГм делят на площадь поперечного сечения образца в см 2.

Твердость по Бринелю (НВ) определяют на зачищенной поверхности образца, в которую вдавливают стальной шарик (рис. 4, г) диаметром 5 или 10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кГ и замеряют диаметр d образовавшейся лунки. Отношение нагрузки в кГ к площади лунки πd2 / 4 в мм2 дает число твердости.

Показатели для механических свойств для основных сплавов приведены в табл. 1.

Источник: https://xn--80awbhbdcfeu.su/mehansv/

Назовите механические свойства металлов и сплавов

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность , вязкость , пластичность , твердость , выносливость, ползучесть, износостойкость. Они являются главными характеристиками металла или сплава .

Напряжением называется величина внутренних сил, возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

К статическим испытаниям на прочность относятся растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость.

Вязкость — это свойство материала, которое определяет его способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть одновременно прочными и пластичными.

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него других тел.
Выносливость — это способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.
Износостойкость — это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
Ползучесть — это способность материала медленно и непрерывно пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при высоких температурах).

Наибольшее напряжение, предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при растяжении.

Рис. 3. Диаграмма деформации при испытании металлов на растяжение.

Напряженное состояние — это состояние тела, находящегося под действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела происходит неравномерно.

Предел прочности при растяжении в кг/мм2 определяется на разрывной машине как отношение нагрузки Р в кГ, необходимой для разрушения стандартного образца ( рис. 4, а ), к площади поперечного сечения образца в мм 2 .

Предел прочности при изгибе в кГ/мм2 определяется разрушением образца, который устанавливаете» на двух опорах ( рис. 4, б ), нагруженного по середине сосредоточенной нагрузкой Р.

Относительное удлиненней δ в % определяется на образцах, испытуемых на растяжение. На образец наносят деления (рис. 4, а) и измеряют между ними расстояние до испытания (l0) и после разрушения (l) и определяют удлинение

δ = l-l o / l o · 100%

Читать также: Режимы автоматической сварки под флюсом

Ударная вязкость в кГм/см 2 определяется на образцах ( рис. 4, в ), подвергаемых на копре разрушению ударом отведенного в сторону маятника. Для этого работу деформации в кГм делят на площадь поперечного сечения образца в см 2 .

Твердость по Бринелю (НВ) определяют на зачищенной поверхности образца, в которую вдавливают стальной шарик ( рис. 4, г ) диаметром 5 или 10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кГ и замеряют диаметр d образовавшейся лунки. Отношение нагрузки в кГ к площади лунки πd2 / 4 в мм 2 дает число твердости.

Показатели для механических свойств для основных сплавов приведены в табл. 1 .

Прочность – это способность материала сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь. Прочность оценивается величиной предела прочности при растяжении: (сигма)=P/f, где P – сила в ньютонах (Н), при которой образец материала разрушается;

F – площадь поперечного сечения испытуемого стандартного образца (м 2 ). Значение предела прочности определяется в Па или МПа.

Твердость – это способность материала сопротивляться царапанию или вдавливанию в него какого-либо тела.

Существуют обоснованные методы определения твердости для металлов: метод Бринелля (вдавливанием стального шарика) и метод Роквелла (вдавливанием конусообразной алмазной пирамиды). Число твердости определяют по специальным таблицам и обозначают соответственно HB и HRC.

Твердость по Бринеллю определяется как частное от деления нагрузки (Р) при вдавливании на площадь сферического отпечатка (f), диаметр которого измеряется после снятия нагрузки:

Чем меньше диаметр отпечатка, тем тверже металл.

Упругость – это способность материала изменять свою форму под действием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил.

Отношение нагрузки, при которой у образца появляются остаточные удлинения, к площади его поперечного сечения называется пределом упругости. Предел упругости измеряется в МПа.

Сталь имеет предел упругости около 30 МПа, а свинец, почти не обладающий упругостью, всего 0,25 МПа.

Ударная вязкость– это способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (МДж) к площади его поперечного сечения F (м 2 ) в месте надреза.

Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с разрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу.

При этом фиксируется работа, затрачиваемая на излом.

Пластичность– это способность материала, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму и сохранять измененную форму после прекращения действия сил. Свинец, например, является одним из наиболее пластичных металлов. Мерой пластичности может служить относительное удлинение. Эта величина измеряется в процентах от первоначальной длины образца при испытании на растяжение.

Хрупкость – это способность материала под действием внешних сил не изменять или почти не изменять своей формы, но быстро разрушаться.

Химические свойства металлов определяются способностью их атомов легко отдавать валентные электроны и переходить в состояние положительно заряженных ионов.

Указанное свойство определяет особенности химического взаимодействия металлов и сплавов с агрессивными средами. Химические свойства металлов и сплавов определяются их химическим составом.

Так, например, определенный процент содержания хрома в стали делает ее нержавеющей.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относится их способность к формоизменению (ковкость, свариваемость и т. д.). Важное значение имеет жидкотекучесть — свойство расплавленного металла заполнять и точно воспроизводить литейную форму.

Функциональные или эксплуатационные свойства включают в себя хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и другие характеристики материалов, определяемые условиями их работы.

Металлы периодической системы химических элементов делят на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные, или точнее, нежелезные (все остальные металлы)

Читать также: Пайка многожильных медных проводов паяльником

Черные металлы имеют: темно-серый цвет; большую плотность (кроме щелочно-земельных металлов;) высокую температуру плавления; относительно высокую твердость; обладают полиморфизмом (способностью существовать в различном кристаллическом состоянии).

К черным металлам относят железо и сплавы на его основе – чугуны и стали. На их долю приходится 95 % производимой в мире металлопродукции, а на цветные – только 5 %.

Цветные металлыимеют: характерную окраску (красную, желтую, белую; обладают пластичностью; малой плотностью; относительно низкой температурой плавления; характерно отсутствие полиморфизма.
Основные типы сплавов.
Для описания свойств сплавов в металловедении используют понятия: система, фаза, компонент.
Системойназывают совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении).

Фазойназывают однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от других ее частей поверхностью раздела. Однофазной системой является, например, однородная жидкость, твердый чистый металл; двухфазной — механическая смесь двух видов кристаллических веществ.

Компонентаминазывают вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы), а также химические соединения. По числу компонентов различают двойные, тройные и многокомпонентные сплавы.

Сплавы, находящиеся в твердом состоянии, делят по составу на три группы: твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь компонентов.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Механические свойства металлов и сплавов. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся: прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, ползучесть и усталость.

Прочность — это способность металла или сплава противостоять деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок — растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих и срезающих (рис. 76). Нагрузки бывают внешними (вес, давление и др.) и внутренними (изменение размеров тела от нагревания и охлаждения, изменение структуры металла и т. д.

), а также статическими, т. е. постоянными по величине и направлению действия, или динамическими, т. е. переменными по величине, направлению и продолжительности действия. Методы определения прочности рассмотрены отдельно. Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела.

Применяют следующие способы испытания твердости металлов и сплавов вдавливанием в поверхность образца: стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм — определение твердости по Бринеллю; стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом 120° — определение твердости по Роквеллу; правильной четырехгранной алмазной пирамиды – определение твердости по Виккерсу.

Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки (рис. 77).

Источник: https://morflot.su/nazovite-mehanicheskie-svojstva-metallov-i-splavov/

Механические свойства металлов

К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.

Пластичность — способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела.

Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла).

Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю) , а после закалки — 500 . . . 600 НВ.

Ударная вязкость — способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см2 или кгс • м/см ), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.

Упругость — способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм2), который равен отношению напряжения а к вызванной им упругой деформации. Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Оценка свойств

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Конструкторская прочность металлов

Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).

Критерии оценки

Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений, дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости

В книге наряду с твердостью по Бринелю приведены новые характеристики твердости, например твердость на пределе пропорциональности и текучести, и рассмотрена теоретическая и экспериментальная связь их с другими механическими характеристиками. Описаны различные приборы для определения новых характеристик твердости. Показано, что испытания на твердость вдавливанием и царапанием могут дать почти такую же информацию о свойствах металлов, что и растяжение.
Книга предназначена для инженерно-технических работников заводов, НИИ и КБ, а также может быть полезна преподавателям и студентам вузов. М.: Машиностроение, 1979. — 191 с.

ПРИМЕЧАНИЕ:
Отсутствуют страницы с 150 по 166! А именно: Глава 7 пп. с 28 по 33.
Глава
7. Приборы для получения диаграмм твердости по способу статического вдавливания шара в испытуемый металл 150
28. Основные требования, предъявляемые к приборам для получения диаграмм твердости по способу статического вдавливания
шара в испытуемый металл 150
29. Приборы МЭИ-Т1, МЭИ-ТЗ и МЭИ-Т7 для определения H0,2, НВ и построения диаграмм твердости от H0,2, до Hmax по результатам измерения диаметра лунки 151
30. Приборы МЭИТ-6 и МЭИТ-6А для определения Hнц и Е и построения диаграммы твердости в упругой области и в области малых пластических деформации по результатам измерения диаметра или глубины лупки 154
31. Прибор МЭИ-19 с прозрачным индентором для определения Е и sпц и построения диаграммы твердости в упругой области и в области малых пластических деформаций по результатам измерения диаметра лунки 159
32. Прибор МЭИ-Т10 для определения Е и построения диаграмм твердости в упругой и пластической области по результатам измерения глубины лунки 161
33. Прибор МЭИ-Т10А для автоматической записи диаграммы твердости в упругой и пластической области но результатам измерения глубины лунки 162

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.

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. Ресурсосберегающая стратегия по разработке новых материалов для различных отраслей промышленности, а также изготовление из них конструкций является важнейшим направлением в механике разрушения. Необходимо сегодня констатировать, что в мировой практике обоснование прочности и эксплуатационной надежности металлов при различных нагрузках основываются на использовании линейной, упругой механики разрушения.

Известно [1-2], что для металлов наиболее близка, с точки зрения физики твердого тела, модель вязкопластической среды, где свойства материала-металла характеризуются следующими параметрами (σ₀₂, δ₅, µ, έ), где µ — коэффициент динамической вязкости материала. Эта величина отражает количественную характеристику внутреннего трения материала при заданной скорости деформации έ и температуре испытаний. Соответственно σ₀₂, δ₅ — предел текучести и относительное удлинение при растяжении плоского или круглого стандартного образца до разрушения, согласно ГОСТ 10006-80.

Добавляя к рассматриваемой модели вязкопластической среды энергетический критерий разрушения [3], получим замкнутую систему уравнений [4], которая позволяет описать динамику деформирования плоского или круглого металлического образца при растяжении вплоть до разрушения. Здесь появляется еще один параметр характеристики материала А_* — эффективная энергия динамического разрушения, размерность которого совпадает с размерностью параметра ударной вязкости А_к (ГОСТ 9454-78), но имеет принципиально другой физический смысл и не связан, например, с конфигурацией «надреза» в образце Шарпи или Менаже ([5], с. 165-166).

Известный способ определения ударной вязкости металлов (ГОСТ 9454-78) основан на фундаменте упругой механики твердого тела, где относительное удлинение δ₅≤1%, что для пластичных металлов не приемлемо. Во-вторых, параметр А_к выражает скорее методологическую характеристику системы «образец-надрез-копер», чем характеристику материала. Это подтверждается, в частности, большим разбросом экспериментальных данных.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения механических свойств материала при растяжении плоских или круглых образцов при фиксированной скорости деформации и температуры испытаний (ГОСТ 10006-80, ГОСТ 1497-77).

Недостатком данного способа является малая информативность по эксплуатационной надежности металлов и прогнозированию сопротивления их к разрушению.

Целью изобретения является прогнозирование эксплуатационной надежности металлов и сопротивления их к разрушению за счет определения в схеме вязкопластической среды математических зависимостей [6-7]: коэффициента динамической вязкости материала µ и энергии разрушения А_* от основных параметров σ₀₂, δ₅, µ, έ, полученных при испытаниях на растяжение плоских и круглых стандартных образцов согласно ГОСТ 10006-80, ГОСТ 1497-77.

Поставленная цель достигается тем, что коэффициент динамической вязкости металлов µ и эффективную энергию разрушения А_* определяют по формулам: для плоского образца µ=(σ_b-σ₀₂)/2έ, A_*=3cµδ₅σ₀₂/4Е и для круглого образца µ=(σ_b-σ₀₂)3έ, А_*=3сµδ₅σ₀₂/Е.

Здесь σ_b, σ₀₂, δ₅ — соответственно предел прочности, предел текучести и относительное удлинение металлов при растяжении стандартных образцов. А также έ — скорость деформации, при которой растягивается образец, Е — модуль Юнга, с — скорость звука продольных волн в металле.

Таким образом, в дальнейшем предлагается 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_*).

Принимая во внимание уже полученные решения математических моделей в схеме вязкопластической среды для основных конструктивных элементов: для плоского образца [6], круглого [7], цилиндра [8], шара [9], можно перейти к конкретным практическим расчетам для прогнозирования, например, оптимального материала для конкретной конструкции или изделия.

Первый пример. Рассмотрим данные ГОСТ 21945-76, где регламентируются механические свойства (σ_b, σ₀₂, δ₅, А_к) бесшовных горячекатанных труб из сплавов на основе титана при температуре +20°C плоских образцов (ГОСТ 10006-80), при скорости деформаций έ=0,25·10^-21/с. Усредняя данные мехсвойств (табл. 3, ГОСТ 21945-76), в табл.1 представлены механические свойства основных титановых сплавов ПТ1М, ПТ7М, ПТ3В, ОТ4, 14, которые имеют широкое применение в судостроении и авиации. В табл. 1, на основании формул (1), представлены расчетные значения µ, А_* для рассматриваемых титановых сплавов. В расчетах приняты следующие значения постоянных: модуль нормальной упругости Е-103 ГПа, скорость звука в титане с=3260 м/с, скорость деформации έ=0,25·10^-21/с. Принимая во внимание, что коэффициент динамической вязкости µ является характеристикой внутреннего трения материала, а А_* — есть работа, затрачиваемая при разрыве единицы сечения материала, который находится под нагрузкой вплоть до разрушения, отсюда следует, что при максимальных значениях µ, А_*, рассматриваемые титановые сплавы имеют максимальное сопротивление к разрушению Как следует из данных табл. 1, из названных сплавов ПТ1М, ПТ7М, ПТ3В, ОТ4, 14 наибольшим сопротивлением к разрушению будет обладать конструкция, изготовленная из сплава ПТ7М. Из анализа данных табл. 1 относительно ударной вязкости А_к (образец Менаже) самая высокая величина А_к=0,88 МДж/м² для сплава ПТ1М. На практике наиболее ответственные детали конструкции не из сплава ПТ1М (корпус подлодки из сплава ПТ3В, трубы для теплообменников, работающие на морских турбинах из сплавов ПТ7М и т.д.).

Второй пример. В качестве примера оценки броневой надежности конкретных сталей в табл. 2 представлены механические свойства отечественной броневой стали 30Х2Н2М1Ф-Ш при различных режимах отжига ([10], с. 252). Здесь указаны значения ударной вязкости A_к (KCU) при температуре испытаний +20°C и -40°C (ГОСТ9454-78), а механические свойства указаны при растяжении плоских образцов при έ=0,25·10^-21/с, согласно ГОСТ 1497-77. Расчеты значений µ, А_* по формуле (1) определяются для сталей: модуль Юнга Е=200 ГПа, скорость звука с=5050 м/с. Из данных табл. 2 следует перспективность броневой стали 30Х2Н2М1Ф-Ш при режиме отжига п.3, табл. 2.

Третий пример. Рассмотрим экспериментальные данные для броневых плит фирмы CLJ (Франция). В табл. 3 представлены основные марки и механические свойства ([10], с. 289), включая значения ударной вязкости А_к (KCV) при температуре испытания -40°C плоских образцов. Значения µ, А_* в табл. 3 рассчитаны по формуле (1) при έ=0,25·10^-21/с, Е=200 ГПа, с=5050 м/с. Из данных табл. 3 относительно µ, А_* следует, что броневая сталь MAPS240 наиболее надежная к динамическим нагрузкам по сравнению с другими представленными сталями. Наиболее «проблемная» — MAPS300, у которой прочность при этом наиболее высокая. По одному значению А_к (KCV, KCU) невозможно спрогнозировать перспективность рассматриваемых материалов (см. табл. 1, 2, 3).

Таким образом, формулы позволяют оценить эксплуатационную надежность металлов при их испытании на растяжение стандартных образцов без надреза, что позволяет отказаться от испытаний образцов Шарпи, Менаже на ударную вязкость с помощью маятниковых копров. Принимая во внимание достаточную точность и трудоемкость при изготовлении образца 10×10×55 мм с (U, V)-образным надрезом глубиной 2 мм и радиусом надреза 1 мм с жесткими геометрическими допусками (см. ГОСТ 9454-78), цена при их изготовлении колеблется от 250 руб/шт. до 1300 руб/шт. в зависимости от материала образца (низкоуглеродистая сталь или высоколегированная сталь, сплав титана). На каждую плавку, чаще всего и на партию готовой продукции, регламентируются испытания на ударную вязкость. При этом отбираются по два-три образца, а для труб — с обеих сторон (см. ГОСТ 21945-76). Например, на одном только Челябинском трубопрокатном заводе (ОАО «ЧТПЗ») в испытательном центре и цеховых лабораториях изготавливают более 50000 образцов в год для определения ударной вязкости и примерно 85000 в год для определения механических свойств. В итоге тратится ~38,75 млн руб только на изготовление образцов с надрезом, а еще затраты на содержание оборудования и сами испытания, обработка результатов. И это только для одного предприятия, изготавливающего трубы и отводы для нефтегазовой промышленности и ВПК.

Таблица 1
Механические характеристики титановых сплавов (усредненные, согласно ГОСТ 21945-76 при +20°C) и расчетные данные коэффициента динамической вязкости µ и эффективной энергии динамического разрушения A_*
№	Сплав титана	σ_в (МПа)	σ₀₂(МПа)	δ₅(%)	Ударная вязкость A_к (МДж/м²)	µ ГПа·с	A_* ГДж/м²
1	ПТ1М	441	245	24	0,88	39,2	108
2	ПТ7М	578	372	18	0,78	41,2	129,7
3	ПТЗВ	710	519	10	0,64	38,3	114,7
4	ОТ4	784	637	10	0,34	29,4	88,0
5	14	980	784	8	0,40	39,0	115,0

Таблица 2
Механические свойства броневых сталей при различных режимах отжига
№	Сталь	Режим отжига	σ_в (МПа)	σ₀₂ (МПа)	δ₅ (%)	A (KCU) при +20°C (МДж/м²)	A (KCU) при -40°C (МДж/м²)	µ (ГПа·с)	А_* (ГДж/м²)
аустенизация	Изотермическая выдержка
1	3ОХ2Н2М1Ф-Ш	900°C, 3 ч	630°C, 100 ч	1380	1270	15,3	1,18	0,94	22	81,3
2	3ОХ2Н2М1Ф-Ш	900°C, 3 ч	650°C, 48 ч	1400	1300	13,8	1,03	0,95	20	68,2
3	3ОХ2Н2М1Ф-Ш	900°C, 3 ч	630°C, 100 ч	1300	1180	15,5	1,56	1,36	24	83,4
4	3ОХ2Н2М1Ф-Ш	850°C, 3 ч	650°C, 48 ч	1343	1227	15,3	1,36	1,14	23	82,0

Таблица 3
Основные марки и механические свойства броневых сталей фирмы GLJ (Франция)
№	Сталь	σ_в (МПа)	σ₀₂ (МПа)	δ₅ (%)	A (KCV) при -40°C(МДж/м²)	µ (ГПа·с)	A_* (ГДж/м²)
1	MARS 190	1250	1150	14,0	0,60	20	61,2
2	MARS 240	1750	1350	13,0	0,40	80	267
3	MARS 270	1900	1500	10,5	0,30	80	228
4	MARS 300	2250	1700	7,0	0,15	11	24,9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильюшин А.А. Деформация вязкопластического тела. — Учен. зап. МГУ. Механика, Москва, 1940, вып.39, с.1-81.

2. Ишлинский А. Ю. Прикладные задачи механики. Кн.1. Механика вязкопластических и не вполне упругих тел. Москва, «Наука», 1986, 405 с.

3. Иванов А.Г. О природе катастрофических разрушений трубопроводов. — Докл. АН СССР, Москва, 1985, т.285, №2, с.257-259.

4. Сериков С. В. Исследование деформации и разрушения титановых сплавов методом моделирования. — Журнал Титан, Москва, 2006, №1, с.53-59.

5. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Изд. 3-е перераб. В двух частях. Часть вторая. Механические испытания. Москва, «Машиностроение», 1974, 308 с.

6. Сериков С.В. Двуосная неустановившаяся деформация прямолинейной полосы в схеме сжимаемой вязкопластической среды. — Журнал прикладной механики и технической физики. — Новосибирск, 1982, №6, с.123-133.

7. Сериков С.В. Неустановившаяся деформация круглого прутка в схеме сжимаемой вязкопластической среды. — Динамика сплошной среды, Новосибирск, Ин-т гидродинамики СО АН СССР, 1982, вып.55, с.79-89.

8. Сериков С.В. Оценка предельной деформации при разрушении металлических труб под действием интенсивных нагрузок. — Журнал прикладной механики и технической физики. — Новосибирск, 1987, №1, с.155-161.

9. Сериков С.В. Оценка осколкообразования при разрушении шаровой оболочки. — Журнал прикладной механики и технической физики. — Новосибирск, 1987, №3, с.125-132.

10. Гладышев С.А., Григорян В.А. Броневые стали. — Москва, Интермет Инжиниринг, 2010, 336 с.

11. ГОСТ 1497-77, ГОСТ 9454-78, ГОСТ 10006-80, ГОСТ 21945-76, Москва, Издательство стандартов.

Способ определения механических свойств металлов, включающий осевое растяжение плоских и круглых образцов с фиксированной скоростью деформации, и температуры испытания, отличающийся тем, что, коэффициент динамической вязкости металлов µ и эффективную энергию разрушения А определяют по формулам: для плоского образца µ=(σ-σ)/2έ, А=3сµδσ/4E и для круглого образца µ=(σ-σ)/3έ, А=3µδσ/E,здесь σ, σ, δ — соответственно предел прочности, предел текучести и относительное удлинение металлов при растяжении стандартных образцов, а также έ — скорость деформации, при которой растягивается образец, Е — модуль Юнга, с — скорость звука продольных волн в металле.

Какие свойства металлов относятся к механическим?

Механические свойства металлов и сплавов

Напряжением называется величина внутренних сил, возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

Под прочностью материала понимают его способность сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при механических испытаниях. К статическим испытаниям на прочность относятся растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость. Эластичностью называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью — способность пластически деформироваться без разрушения.

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него других тел.

Выносливость — это способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Ползучесть — это способность материала медленно и непрерывно пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при высоких температурах).

Поведение некоторых металлов (например, отожженной стали) при испытании на растяжение показано на рис. 3 . При увеличении нагрузки в металле сначала развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом незначительно. Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой). Наибольшее напряжение, предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при растяжении.

Рис. 3. Диаграмма деформации при испытании металлов на растяжение.

Напряженное состояние — это состояние тела, находящегося под действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела происходит неравномерно.

δ = l-l o / l o · 100%

Показатели для механических свойств для основных сплавов приведены в табл. 1 .

Механические свойства металлов и сплавов: общий взгляд

Посмотрите на металлы: с обывательской точки зрения это блестящие элементы, с высокой электро- и теплопроводностью, не восприимчивые к внешним физическим воздействиям, ковкие и легко свариваемые при высоких температурах. Достаточен ли этот перечень. чтобы объединить металлы в одну группу? Конечно же нет, металлы и их производные (сплавы) гораздо сложнее и обладают целым набором химических, физических, механических и технологических свойств. Сегодня мы поговорим лишь об одной группе: механических свойствах металлов.

Основные механические свойства

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ () , а после закалки — 500 . . . 600 НВ.

Упругость — способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм2), который равен отношению напряжения а к вызванной им . Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.

Таблица.1. Механические свойства основных промышленных сплавов

Сталь малоуглеродистая (мягкая)

Котельное железо трубы, котлы

Сталь среднеуглеродистая (средней твердости)

Оси, шатуны, валы, рельсы

Сталь твердая после закалки и отпуска

Инструмент ударный и режущий

Детали, работающие на истирание и подверженные коррозии

Детали, изготовленные горячей штамповкой

Детали в авиастроении и автостроении

Основные механические свойства металлов

— Износостойкость — способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.

Механические свойства металлов

Оценка свойств

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Физические свойства металлов

Физические свойства часто неотделимы от механических. К примеру, тугоплавкие металлы еще и самые прочные. Главное же отличие лежит в природе свойств. Физические свойства — те что проявляется в покое, механические — только под воздействием извне. Не хуже других связаны механические и технологические свойства металлов. Например, механическое свойство металла «прочность» может быть результатом его грамотной технологической обработки (с этой целью нередко используют «закалку» и «старение»). Обратная взаимосвязь не менее важна, к примеру, ковкость проявление хорошей ударной вязкости.

В чем отличия механических свойств металлов и сплавов?

Различаются ли механические свойства металлов и сплавов? Безусловно. Ведь любой металлический сплав изначально создается с целью получения каких-либо конкретных свойств. Некоторые сочетания легирующих элементов и основного металла в сплаве способны мгновенно преобразить легируемый элемент. Так алюминий ( не самый прочный и твердый металл в мире) в сочетании с цинком и магнием образует сплав по прочности сравнимый со сталью. Все это дает практически неограниченные возможности в получении веществ наиболее близких к требуемым.

Отдельное внимание следует уделить механическим свойствам наплавленных металлов. Наплавленным считается металл, с помощью которого производилась сварка двух или более частей какого-то металлического элемента или конструкции. Этот металл словно нитки соединяет разорванные части. От того, как будет вести себя «шов» под нагрузкой, будет зависеть безопасность и надежность всей конструкции. Исходя из этого, крайне важно, чтобы свойства наплавленного металла были не хуже, чем у главного металла.

Конструкторская прочность металлов

Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).

Критерии оценки

Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.

Как определить механические свойства?

Экспериментальным путем. Среди основных методов определения механических свойств металлов можно выделить:

— испытания на растяжение;

— метод вдавливания по Бринеллю;

— определение твердости металла по Роквеллу;

— оценка твердости по Виккерсу;

— определение вязкости с помощью маятникового копра;

Механические свойства металлов

Основные механические свойства

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю) , а после закалки — 500 . . . 600 НВ.

Ударная вязкость — способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см 2 или кгс • м/см ), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.

Упругость — способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм 2 ), который равен отношению напряжения а к вызванной им упругой деформации. Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.

Механические свойства металлов

Оценка свойств

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Конструкторская прочность металлов

Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).

Критерии оценки

Механические свойства металлов

Значения прочности, временного сопротивления, относительного удлинения, твердости и ударной вязкости — это всё механические свойства металлов, которые устанавливают с помощью механических испытаний. Окончательным результатом которых является нахождение связи между приложенными механическими напряжениями к материалу и его деформацией.

Такие свойства металлических материалов необходимы при выполнении технологического процесса в производстве и, в частности, при выборе метода получения неподвижных или подвижных связей деталей в строительных машинах и конструкциях.

Для чего нужны знания механических свойств металлов

Физические свойства — это те свойства, при изменении которых параметры металлического элемента не изменяются, он не разрушается и не изгибается. А когда они меняются, то это уже механические свойства — сбор особых характеристик по прочности, упругости и пластичности изделий, с помощью которых определяют интенсивность степени влияния всех внешних факторов на поведение материала при эксплуатации. Физические способы такого воздействия бывают разного характера: по длительности, статические, циклические или ударнодинамические. Детали и конструкции при этом работают на выносливость или как ещё говорят другими словами — на усталость.

Однако только лишь этих параметров не достаточно, чтобы оценить пригодность материала для конкретной поставленной задачи.

В каких отраслях применяют металлические материалы?

В машиностроении;
Легкой промышленности;
Строительстве;
Мебельной промышленности;
Авиастроении;
Судостроении.

Механические свойства металлов имеют большое значение для предварительного определения характеристик качества изделия при производстве, процесса обработки элементов и для получения развернутого ответа — каким именно образом свойства металлических материалов повлияют на длительность и качество эксплуатации.

Значения механических свойств металлов и их описание

Прочность

Способность металлов оказывать сопротивление деформации. Очень прочным металлическим сплавом является сталь, которая практически не деформируется при воздействии. В производстве машинного оборудования и различных деталей сталь должна обладать высокой прочностью и упругостью, но также она должна обладать пластичностью. Исходя из многочисленных испытаний выявлено, что характеристики прочности менее всего у ртути.

Пластичность

Пластическая деформация в машинах и сооружениях недопустима, но это свойство используют для легкой прокатки, штамповки и куйки. Способность металла деформироваться без разрушения и будет показатель его пластичности. Примером пластичного металла служит свинец.

Твердость

Местное сопротивление к проникновению индентора внутрь материала и есть свойство твердости металла. При изготовлении инструментов из металла это свойство рассматривается первоначально.

Ударная вязкость

При влиянии ударных нагрузок металл способен разрушатся. Материалы с такими свойствами применяются при ударной нагрузке изделий, например для несущей системы, подвески или колес автотранспорта. Стоит обратить внимание, что малоуглеродистая сталь при неверном применении проявляет качество вязкости.

Ползучесть

Таким свойством обладают практически все конструкционные материалы. Чем выше поднимается температура, тем выше показатели, что зависит от температуры плавления самого металла. · Усталость Многократное воздействие одинаковых по силе и продолжительности нагрузок может вызывать усталость материала. Выносливость сопротивлению нагрузок считают показателем усталости.

Износостойкость

Способность при влиянии силы трения противостоять истиранию имеет большое значение при изготовлении деталей, которые по своей специфике работают на износ.

Хрупкость

Отсутствие пластического изменения состояния при высокой температуре. При выраженной хрупкости остаются разрушения и большие объемы остаточных деформаций. Например, если труба склонна к хрупкости, то характерным признаком станет значительное утонение стенки в месте разрыва. Наиболее хрупким в этом отношении считают чугун.

Упругость

Возвращение материала в первоначальное состояние после воздействия на него определенной силы или нагревания. Большой упругостью должны обладать подвески и пружины, именно поэтому их изготавливают из определенных сплавов.

Критерии и методы оценки качества металлов

Для установления предела прочности и разрушающего усилия при воздействиях на металлические материалы, их подвергают соответствующим испытаниям механического типа. Оценку свойств металлов проводят по нескольким критериям:

1. Показатели определяются с помощью лабораторных испытаний образца — растягивая, сжимая, изгибая, испытывая на твердость и изгиб с ударной силой. Они входят в обязательный порядок проверки изделий, однако полноценный ответ о реальной прочности в условиях эксплуатации они не дают.

Эти данные подходят для слабонагруженных деталей с простой формой, которые работают с нагрузкой, возрастающей медленно от нуля до некоторого определенного максимального значения и далее, которая остается постоянной или меняется очень незначительно и при нормальной температуре.

Следует заметить, что именно испытания на растяжение являются основным видом механических испытаний, позволяющих определить показатели прочности.

Чтобы определить твердость по Бринеллю в испытуемый образец вдавливают шарик из закаленной стали под определенной нагрузкой. Подобные исследования проводят также по методу

Результат оценивают по сферическому отпечатку. Глубине вдавливания.

Металлы испытывают на сжатие с применением пресса и гидравлического давления.

Хрупкие металлы довольно быстро разрушаются.

Способность к растяжению проверяют в разрывной машине. Зажав образец вызывают его удлинение и растягивают на максимально возможное расстояние.

Образец разрывается, если напряжение превышает его прочность. Если степень усилия не разрушает брусок и он возвращает первоначальные размеры, то это значение считают пределом модульной упругости.

При испытании на изгиб металлический образец кладут на 2 фиксированных опоры с нагрузкой посередине.

Величина прогиба образца говорит о его сопротивлении изгибу.

2. Исследование структуры образца.

Проводится с помощью травки образца кислотой и шлифования .

Оценка полученного результата с использованием лупы или на глаз.

Выявления микродефектов с помощью увеличительных приборов.

Качество поверхностного слоя.

3. Наиболее приближенные критерии оценки способности материала выполнять свои первоначальные функции в условиях эксплуатации дает оценка его конструктивной прочности.

С её помощью становится известно распределение и место концентрации остаточных напряжений, каких-либо недочетов производства или конструирования металлоизделий.

Они подразделяются на 2 основные группы:

Статическую и динамическую проверку методом испытаний проходят образцы с наличием трещин по поверхности, которые могут возникать при постоянной работе деталей и конструкций при их эксплуатации.

Например, пустоты и сквозные отверстия. Такие дефекты могут значительно отразиться на поведении металлического образца, поскольку именно в этих местах концентрируется внутреннее напряжение.

Испытания проводятся на усталость материала, износостойкость и сопротивление коррозии.

Выявление сохранения свойств при внешнем влиянии, долговечность материала.

4. Ударная вязкость

Ударная вязкость определяется на маятнике Копра, где на исходник падает грузик до тех пор, пока полностью не разрушит его. В середине металлического образца могут проделывать специальную трещину — надрез.

Деформации при ударном действии нагрузки.

Подводя итог, можно твердо заявить, что механические свойства имеют довольно серьезное значение. А четкие данные их характеристик позволяет использовать металлы с наибольшей эффективностью в различных сферах. Важны абсолютно все этапы проверки металла по основным критериям, а также металл должен отвечать всем заявленным требованиям по прочности.

Механические свойства

Механические свойства характеризуют поведение материалов под действием нагрузки. В рамках данной статьи рассмотрим 5 основных механических свойств материалов: прочность, упругость, пластичность, хрупкость и твердость.

Что такое Прочность?

Прочностью называется способность разнообразных материалов без разрушения воспринимать напряжение под внешним воздействием различных сил. Прочность зависит не только от того, какой материал, но и имеет зависимость от типа состояния напряжения — например, это может быть сжатие, растяжение или изгиб. Также непосредственное влияние на прочность оказывают условия, при которых материал эксплуатируется — воздействия извне, температура окружающей среды.

Испытания на прочность

Существует понятие предела прочности, который является основной количественной характеристикой прочности и численно равен разрушающему напряжению для конкретного материала. Предел прочности для каждого материала определяется средним результатом серии испытаний, так как основные материалы, используемые в строительстве, характеризуются неоднородностью.

Если происходит статическая нагрузка для выявления прочности проводится испытание образцов определенного стандарта (как правило речь идет об образцах, имеющих сечение круглой формы, реже прямоугольной), диаграмма таким образом отражает зависимость относительного удлинения от величины действующего на образец напряжения.
Прочность материала различных конструкций обосновывается при сравнении тех напряжений, которые возникают в конструкции при внешнем воздействии, также с учетом таких показателей как пределы прочности и текучести.
О так называемой усталости материала (в частности, металла) говорят если при большом числе циклически повторяющихся внешних напряжений разрушение происходит даже при напряжениях меньших чем предел прочности. В этом случае рассчитывается циклическая прочность, т.е. обоснование прочности материала, проводящееся с учетом нагрузки, которая меняется с определенным циклом.

Упругость

Если материал самопроизвольно восстанавливает форму, после того как внешняя сила прекращает действовать, то такое механическое свойство называется упругостью материала. Если после снятия внешней нагрузки, деформация полностью исчезает, то следует говорить об обратимой упругой деформации.

От чего зависит упругость?

Упругость материала непосредственно связана с силами взаимодействия, происходящими между отдельными атомами. В твёрдых телах при температуре равной абсолютному нулю и при отсутствии какого-либо внешнего воздействия атомы занимают положения, называемые равновесными. Потенциальная энергия тела увеличивается при воздействии внешнего напряжения, и атомы смещаются из равновесного положения. Соответственно, когда прекращается внешнее напряжение, конфигурация неравновесных атомов деформированного материала постепенно становится неустойчивой и возвращается в равновесное состояние. Помимо силы притяжения и отталкивания, которые действуют на каждый атом материала со стороны остальных, существуют и угловые силы, они непосредственно связаны с валентными углами, наблюдающимися между прямыми, которые соединяют атомы между собой. Естественно, это характерно исключительно для макроскопических тел и молекул, содержащих много атомов. Угловые силы уравновешиваются при равновесных значениях валентных углов. Когда говорят о количественной характеристике упругости материала, то используется модуль упругости, зависящий от напряжения воздействующего на материал и определяется производной зависимости напряжения от деформации, что применимо для области упругой деформации.

Пластичность

Пластичностью называется механическое свойство материалов под влиянием внешней нагрузки изменять форму и размер, а после того как нагрузка перестает действовать — сохранять ее в измененном виде.
Пластичность является важным свойством, учитывающееся когда происходит выбор материала несущей конструкции, либо же определения технологии (методики) изготовления разнообразных изделий. Для конструкций важно сочетание высокой пластичности материала и большого показателя упругости. Эта комбинация свойств предотвращает внезапное разрушение материала. В целом пластичность в физике материалов противопоставляется как упругости, так и хрупкости — пластичный материал сохраняет форму, которую придают ему внешние воздействия.

Пластичность — важное механическое свойство

Изучение пластичности важно при прогнозировании долговечности и прочности какой-либо конструкции, так как пластичность зачастую предшествует разрушению и важно рассмотреть деформационные процессы, возникающие в материале. Измерение пластичности, являющейся важным свойством металлов, очень важно при обработке под давлением — ковке и прокатке. Это свойство металлов непосредственно зависит от тех условий, в которых происходит деформирование — температуры, давления и т.д. Пластичность металлов влияет на такие характеристики как удлинение (абсолютное и относительное) и сужение материала. При удлинении происходит увеличение длины образца под воздействием происходящего растяжения, а при сужении, соответственно, от растяжения образца происходит уменьшение площади поперечного сечения.

Хрупкость

Хрупкость относится к механическим свойствам материалов противоположным пластичности. Те процессы, которые повышают пластичность, соответственно, снижают хрупкость, и наоборот. Материалы, отличающиеся хрупкостью при статическом испытании разрушаются без пластической деформации. Это характерно, например, для стекла. Если при статическом испытании материал характеризуется пластичностью, но при динамическом испытании разрушается, то речь идет о так называемой ударной хрупкости. Причиной ударной хрупкости могут быть пределы текучести (то есть зависимость скорости деформации и сопротивления) и пределы прочности (изменение сопротивления разрушению). Хрупкое разрушение материала происходит если сопротивление деформации равно или больше сопротивления отрыву. Соответственно, пластичность материала уменьшается, если рост сопротивления деформации происходит быстрее роста сопротивления разрушению.

Фактором, от которого непосредственно зависит хрупкое состояние материала является однородность напряженного состояния. Материал переходит от пластичности к хрупкости при неоднородном напряженном состоянии. Расчет сопротивления хрупкому разрушению является важным обоснованием прочности конструкции.

Твёрдость

Механическое свойство материала при внешнем воздействии не испытывать пластической деформации называется твёрдостью. В первую очередь оно зависит от механических характеристик материала, в частности структуры, модуля упругости, предела прочности и т.д. Количественную связь твердости от данных характеристик устанавливает общая физическая теория упругости.

Методы, с помощью которых экспериментально устанавливают твердость бывают как статическими (например, в поверхность вдавливается твердый предмет или же она царапается), так и динамическими. К статическим методам также относятся измерения твёрдости по Бринеллю (вдавление шарика в поверхность), Виккерсу (вдавление алмазного наконечника) и Роквеллу (для материалов с высокой твердостью используется алмазный конус, с низкой — шарик из стали). Также к статическим методам относится склерометрия — царапание алмазной структурой в виде конуса, пирамиды, или же карандашом различной твердости — оценивается нагрузка, которую необходимо приложить, чтобы создать царапину, а также размеры созданной царапины.

При динамических методах установления твердости материала благодаря ударной нагрузке наносится отпечаток шариком (по принципу маятника) и величина твердости характеризуется тем, как материал сопротивляется деформации от удара или же параметрами отскока шарика от поверхности, в том числе затуханию маятниковых колебаний.

Какие свойства металлов относятся к механическим?

Чтобы машина работала долго и надежно в различных условиях, необходимо ее детали изготовлять из материалов, имеющих определенные физические, механические, технологические и химические свойства.

Физические свойства. К этим свойствам относятся: цвет, удельный вес, теплопроводность, электропроводность, температура плавления, расширение при нагревании.

Цвет металла или сплава является одним из признаков, позволяющих судить о его свойствах. При нагреве по цвету поверхности металла можно примерно определить, до какой температуры он нагрет, что особо важно для сварщиков. Однако некоторые металлы (алюминий) при нагреве не меняют цвета.

Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем не окисленного.

Удельный вес — вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах. Например, углеродистая сталь имеет удельный вес, равный 7,8 г/см. В авто- и авиастроении вес деталей является одной из важнейших характеристик, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими. Чем больше удельный вес металла, тем более тяжелым (при равном объеме) получается изделие.

Теплопроводность — способность металла проводить тепло — измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 см2 за 1 мин. Чем больше теплопроводность, тем труднее нагреть кромки свариваемой детали до нужной температуры.

Температура плавления — температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чистые металлы плавятся при одной постоянной температуре, а сплавы — в интервале температур.

Расширение металлов при нагревании является важной характеристикой. Поскольку при сварке происходит местный нагрев (нагрев лишь небольшого участка изделия), то изделие в различных частях нагревается до разных температур, что приводит к деформированию (короблению) изделия. Две детали, изготовленные из разных металлов и нагретые до одинаковой температуры, будут расширяться по-разному. Поэтому, если эти детали будут скреплены между собой, то при нагревании могут изогнуться и даже разрушиться.

Усадка — уменьшение объема расплавленного металла при его охлаждении. В процессе усадки металла сварного шва наблюдается коробление детали, появляются трещины или образуются усадочные раковины. Каждый металл имеет свою величину усадки. Чем она больше, тем труднее получить качественное соединение.

Механические свойства. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость.

Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела.

Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Высокой упругостью должна обладать, например, рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов.

Пластичность — способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).

Механические свойства выявляются при воздействии на металл растягивающих, изгибающих или других сил. Механические свойства металлов характеризуются: 1) пределом прочности в кг/мм2; 2) относительным удлинением в %;3) ударной вязкостью в кгм/см2; 4) твердостью; 5) углом загиба. Перечисленные основные свойства металлов определяются следующими испытаниями: 1) на растяжение; 2) на загиб; 3) на твердость; 4) на удар. Все эти испытания производятся на образцах металла при помощи специальных машин.

Испытание на растяжение. Испытанием на растяжение определяют предел прочности и относительное удлинение металла. Пределом прочности называется усилие, которое надо приложить на единицу площади поперечного сечения образца металла, чтобы разорвать его.

Для испытания на растяжение изготовляют образцы, форма и размеры которых установлены ГОСТ 1497-42. На рисунке представлены размеры и форма цилиндрических образцов для испытания на растяжение на специальных разрывных машинах» Головки образца закрепляют в захваты машины, после чего дают нагрузку, растягивающую образец до разрушения. Если величину разрушающего усилия выраженного в килограммах, разделить на число квадратных миллиметров поперечного сечения образца Fo9 то получим величину предела прочности в килограммах на квадратный миллиметр (предел прочности обозначается ов):

Для испытания листового металла изготовляют плоские образцы. На рисунке, в показаны размеры и форма плоских образцов для испытания сварных соединений. Малоуглеродистые стали имеют предел прочности около 40 кг/мм2 стали повышенной прочности и специальные — 150 кг/мм2. Для вычисления относительного удлинения, обозначаемого Ъ, определяют сначала абсолютное удлинение образца. Для этого разорванные части образца плотно прикладывают друг к другу и замеряют расстояние между метками границ расчетной длины (получают размер /). Затем из полученной длины вычитают первоначальную расчетную длину образца /о, остаток делят на первоначальную расчетную длину и умножают на 100.

Относительное удлинение металла есть выраженное в процентах отношение остающегося после разрыва увеличения длины образца К его первоначальной длине.

Относительное удлинение малоуглеродистой стали примерно равно 20%. Относительное удлинение характеризует пластичность металла, оно снижается с повышением предела прочности.

Испытание на твердость. В нашей промышленности для определения твердости металла чаще всего применяется прибор Бринеля или Роквелла. Твердость по Бринелю определяют следующим образом. Твердый стальной шарик диаметром 10,5 или 2,5 мм вдавливается под прессом в испытуемый металл. Затем при помощи бинокулярной трубки измеряют диаметр отпечатка, который получился под шариком на испытуемом металле. По диаметру отпечатка и по соответствующей таблице определяют твердость по Бринелю.

Твердость некоторых сталей в единицах по Бринелю:

Малоуглеродистая сталь. ИВ 120—130

Сталь повышенной прочности . ИВ 200—300 Твердые закаленные стали. ИВ 500—600

С увеличением твердости пластичность металла снижается. Испытание на удар. Этим испытанием определяют способность металла противостоять ударным нагрузкам. Испытанием на удар определяют ударную вязкость металла.

Ударная вязкость определяется путем испытания образцов на специальных маятниковых копрах. Для испытания применяются специальные квадратные образцы с надрезом (фиг. 11,е). Чем меньше ударная вязкость, тем более хрупок и тем менее надежен в работе такой металл. Чем выше ударная вязкость, тем металл лучше. Хорошая малоуглеродистая сталь имеет ударную вязкость, равную 10—15 кгм/см2.

Во многих случаях для проверки пластичности металлов или сварных соединений применяют технологические испытания образцов, к которым относятся испытания на угол загиба, на сплющивание, продавливание и др.

Испытания на загиб. Для проведения испытания на загиб образец из металла укладывается на шарнирных опорах и нагрузкой, приложенной посредине, изгибается до появления трещин на выпуклой стороне образца. После этого испытание прекращают и измеряют величину внешнего угла а. Чем больше угол загиба, тем пластичнее металл. Качественная малоуглеродистая сталь дает угол загиба 180°.

Для определения пластичности сварного соединения вырезают такой же плоский образец со сварным швом, расположенным посредине, и со снятым усилением.

Испытанием на сплющивание определяют способность металла деформироваться при сплющивании. Этой пробе обычно подвергают отрезки сварных труб диаметром 22—52 мм со стенками толщиной от 2,5 до 10 мм. Проба заключается в сплющивании образца под прессом до получения просвета между внутренними стенками трубы, равного учетверенной толщине стенки трубы. При этом испытании образец не должен давать трещин.

Технологические свойства. В эту группу свойств входят свариваемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и другие. Технологические свойства имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций и определяют пригодность металла к обработке тем или иным способом.

Свариваемость — свойство металлов давать доброкачественные соединения при сварке, характеризующиеся отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах, причем иногда металл хорошо сваривается одним методом и неудовлетворительно— другим. Например, дюралюминий удовлетворительно сваривается точечной сваркой и плохо — газовой, чугун хорошо сваривается газовой сваркой с подогревом и плохо — дуговой и т. д.

Жидкотекучесть — способность расплавленных металлов и сплавов заполнять литерную форму.

Ковкость — способность металлов и сплавов изменять свою форму при обработке давлением.

Обрабатываемость резанием — способность металла более или менее легко обрабатываться острым режущим инструментом (резцом, фрезой, ножовкой и т. д.) при различных операциях механической обработки (резание, фрезерование и т. д.).

Химические свойства. Под химическими свойствами металлов подразумевается их способность вступать в соединение с различными веществами и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с вредными для него элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов под действием окружающей их среды (воздуха, влаги, растворов солей, кислот, щелочей) называется коррозией. Для достижения высокой коррозионной стойкости изготавливаются специальные стали (нержавеющие, кислотостойкие и т. п.).

Похожие материалы: Загрузка…

II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

Механика II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

просмотров — 842

I. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Основные сведения по теме работы

Порядок выполнения лабораторной работы

Оборудование и материалы для выполнения работы

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Цель работы

1. Ознакомиться с приборами и методами исследования металлов.

2. Изучить методы исследования строения металлов.

3. Изучить работу металлографических микроскопов.

4. Научиться готовить образцы, анализировать и фиксировать макро- и микроструктуру.

Оборудование: прессы Бринелля, Роквелла, Виккерса, маятниковый копер, разрывная машина, шлифовально-полировальные станки “Нерис”, оптические микроскопы МИМ-7, ММУ-3, растровый электронный микроскоп РЭМ-200, рентгеновский дифрактометр ДРОН-2,0.

Материалы: образцы металлов и сплавов, абразивная бумага, растворы кислот.

1. Прочитать теоретическую часть данного пособия.

2. Ознакомиться с приборами и их работой.

3. В соответствии с заданием приготовить макро- или микрошлиф, выявить структуру образцов, зарисовать ее или сфотографировать.

4. Написать отчет.

Основной целью любого метода исследования является получение достоверной информации о строении и свойствах изучаемого материала. Чем больше и разнообразнее информация, тем точнее можно предвидеть поведение материала в реальных конструкциях и целенаправленнее изменять его свойства различными видами обработки.

По характеру получаемой информации методы исследования металлов и сплавов можно разделить на три группы.

1. Исследование механических свойств.

2. Исследование макро- и микроструктуры (металлографический анализ).

3. Физические методы исследования.

Как правило, процесс исследования металлов ведут методами первой группы затем второй и далее третьей. В данной лабораторной работе крайне важно лишь познакомиться с приборами и методами первой и третьей групп и изучить методы исследования структуры металлов.

Учитывая зависимость отхарактера действия нагрузки испытания бывают 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 динамическим испытаниям относятся испытания на ударный изгиб, которые проводятся на маятниковых копрах.

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.

Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и их сплавов путем приложения растягивающих нагрузок к стандартным плоским или круглым образцам исследуемых металлов. Ресурсосберегающая стратегия по разработке новых материалов для различных отраслей промышленности, а также изготовление из них конструкций является важнейшим направлением в механике разрушения. Необходимо сегодня констатировать, что в мировой практике обоснование прочности и эксплуатационной надежности металлов при различных нагрузках основываются на использовании линейной, упругой механики разрушения.

Таблица 1
Механические характеристики титановых сплавов (усредненные, согласно ГОСТ 21945-76 при +20°C) и расчетные данные коэффициента динамической вязкости µ и эффективной энергии динамического разрушения A_*
№	Сплав титана	σ_в (МПа)	σ₀₂(МПа)	δ₅(%)	Ударная вязкость A_к (МДж/м²)	µ ГПа·с	A_* ГДж/м²
1	ПТ1М	441	245	24	0,88	39,2	108
2	ПТ7М	578	372	18	0,78	41,2	129,7
3	ПТЗВ	710	519	10	0,64	38,3	114,7
4	ОТ4	784	637	10	0,34	29,4	88,0
5	14	980	784	8	0,40	39,0	115,0

Таблица 2
Механические свойства броневых сталей при различных режимах отжига
№	Сталь	Режим отжига	σ_в (МПа)	σ₀₂ (МПа)	δ₅ (%)	A (KCU) при +20°C (МДж/м²)	A (KCU) при -40°C (МДж/м²)	µ (ГПа·с)	А_* (ГДж/м²)
аустенизация	Изотермическая выдержка
1	3ОХ2Н2М1Ф-Ш	900°C, 3 ч	630°C, 100 ч	1380	1270	15,3	1,18	0,94	22	81,3
2	3ОХ2Н2М1Ф-Ш	900°C, 3 ч	650°C, 48 ч	1400	1300	13,8	1,03	0,95	20	68,2
3	3ОХ2Н2М1Ф-Ш	900°C, 3 ч	630°C, 100 ч	1300	1180	15,5	1,56	1,36	24	83,4
4	3ОХ2Н2М1Ф-Ш	850°C, 3 ч	650°C, 48 ч	1343	1227	15,3	1,36	1,14	23	82,0

Таблица 3
Основные марки и механические свойства броневых сталей фирмы GLJ (Франция)
№	Сталь	σ_в (МПа)	σ₀₂ (МПа)	δ₅ (%)	A (KCV) при -40°C(МДж/м²)	µ (ГПа·с)	A_* (ГДж/м²)
1	MARS 190	1250	1150	14,0	0,60	20	61,2
2	MARS 240	1750	1350	13,0	0,40	80	267
3	MARS 270	1900	1500	10,5	0,30	80	228
4	MARS 300	2250	1700	7,0	0,15	11	24,9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильюшин А.А. Деформация вязкопластического тела. — Учен. зап. МГУ. Механика, Москва, 1940, вып.39, с.1-81.

3. Иванов А.Г. О природе катастрофических разрушений трубопроводов. — Докл. АН СССР, Москва, 1985, т.285, №2, с.257-259.

10. Гладышев С.А., Григорян В.А. Броневые стали. — Москва, Интермет Инжиниринг, 2010, 336 с.

11. ГОСТ 1497-77, ГОСТ 9454-78, ГОСТ 10006-80, ГОСТ 21945-76, Москва, Издательство стандартов.

Способ определения механических свойств металлов, включающий осевое растяжение плоских и круглых образцов с фиксированной скоростью деформации, и температуры испытания, отличающийся тем, что, коэффициент динамической вязкости металлов µ и эффективную энергию разрушения А_* определяют по формулам: для плоского образца µ=(σ_b-σ₀₂)/2έ, А_*=3сµδ₅σ₀₂/4E и для круглого образца µ=(σ_b-σ₀₂)/3έ, А_*=3µδ₅σ₀₂/E,
здесь σ_b, σ₀₂, δ₅ — соответственно предел прочности, предел текучести и относительное удлинение металлов при растяжении стандартных образцов, а также έ — скорость деформации, при которой растягивается образец, Е — модуль Юнга, с — скорость звука продольных волн в металле.

Обновление основ машиностроения: прочность, жесткость и твердость

Время чтения: 5 мин.

Понимание механических свойств прочности, жесткости и твердости является основополагающим в машиностроении, однако эти свойства часто можно спутать. Эти свойства связаны между собой, но между ними есть очень важные различия:

Жесткость является показателем тенденции элемента возвращаться в свою первоначальную форму после воздействия силы.
Прочность измеряет, какое усилие может быть приложено к элементу до того, как он необратимо деформируется или сломается.
Твердость измеряет сопротивление материала деформации поверхности. Для некоторых металлов, таких как сталь, твердость и предел прочности при растяжении примерно пропорциональны (см. ASTM A 370-68 Steel Tables).

В этой статье мы делаем обновление основ, рассматривая некоторые распространенные ошибки при определении между механической прочностью и прочностью.жесткость и твердость, технические различия между ними и их значение при выборе материалов для разработки продукта.

Распространенные ошибки: прочность, жесткость и твердость

Очень легко спутать разницу между прочностью и жесткостью. Если материал жесткий, то он должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать большую нагрузку, верно? Следовательно, разве сила и жесткость не одно и то же? Ответ – решительное нет! Материал может быть прочным и эластичным или прочным и жестким (см. раздел «Осевая нагрузка на прямой элемент»), но прочность и жесткость — это два разных качества.

Давайте разберемся.

Поскольку и жесткость, и прочность связаны с модулем упругости материала (модулем Юнга), легко найти значение в справочном справочнике по свойствам материала и определить прочность и/или жесткость данного материала. Модуль упругости измеряет жесткость материала, но прочность зависит от модуля. И прочность на растяжение, и твердость являются показателями сопротивления металла пластической деформации.

Кривая напряжение-деформация (рис. 1) выше является хорошим способом наглядно продемонстрировать это.Отношение напряжения к деформации есть модуль упругости — жесткость, но напряжение, и только напряжение, определяет прочность материала. Помните, что прочность измеряет, какое напряжение материал может выдержать до того, как произойдет остаточная деформация или разрушение, тогда как жесткость измеряет сопротивление упругой деформации.

Понимание концепций напряжения и деформации

Напряжение — это внутренняя сила, возникающая в результате приложенной нагрузки; он действует на поперечное сечение механического или структурного компонента.Деформация – это изменение формы или размера тела, происходящее при приложении силы.

Важные определения прочности, жесткости и твердости

Вот несколько важных определений, о которых следует помнить:

Предел текучести. Это максимальное растягивающее напряжение, которое может выдержать материал, прежде чем произойдет остаточная деформация.
Предел прочности относится к максимальному напряжению перед разрушением.
Прочность на излом — это значение, соответствующее напряжению, при котором происходит полное разрушение.
Жесткость показывает, насколько компонент сопротивляется упругой деформации при приложении нагрузки.
Твердость — это сопротивление локальной деформации поверхности.

Прочность материала может относиться к пределу текучести, пределу прочности или прочности на излом. Прочность на растяжение можно рассчитать по твердости, и это удобно, потому что испытания на твердость, такие как Роквелл, обычно просты в проведении, недороги и неразрушающие.На образце выполняется только небольшое проникновение. Для многих металлов предел прочности при растяжении увеличивается по мере увеличения твердости.*

Получение данных о механических свойствах
Данные о механических, термических или электрических свойствах можно получить для конкретных типов материалов в Американском обществе по испытанию материалов (ASTM) или проконсультироваться веб-сайт производителя, на котором вы планируете приобретать материалы.
*Это относится НЕ ко всем материалам, но для многих металлических материалов твердость очень хорошо коррелирует с пределом прочности при растяжении.Подробности см. в таблицах ASTM A 370-68.
Надежным онлайн-источником является www.MatWeb.com, где можно быстро получить точные данные.
Примеры: зависимость прочности от жесткости
Прогиб балки
На изображении ниже представлен анализ методом конечных элементов (МКЭ) балки, подвергнутой нагрузке. Реакцией балки на нагрузку является отклонение в результате внутреннего напряжения изгиба и сдвига. Если внутренние напряжения превышают предел текучести материала балки, вам понадобится материал с более высоким значением модуля Юнга, другими словами, более жесткий материал, чтобы противостоять деформации, а также более высокий предел текучести, чтобы предотвратить остаточные деформации и возможное разрушение. .
Осевая нагрузка на прямой элемент
Представьте себе растянутый металлический стержень, на который действует осевая нагрузка некоторой величины. Внутренние напряжения вызывают деформацию на 1% первоначальной длины металла, когда он ломается под нагрузкой 100 фунтов силы. Далее рассмотрим некоторый резиноподобный полимер в форме стержня, который подвергается воздействию той же силы, но деформируется на 5% от своей первоначальной длины и ломается при нагрузке 100 фунтов силы. Ключевой момент: оба материала одинаково прочны, но металл жестче полимера.
Термическое напряжение
Термическое напряжение также влияет на деформационную реакцию компонента, который уже подвергается воздействию некоторой силы.В этом случае из-за температурного градиента внутри элемента термическое напряжение вызывает дополнительную деформацию к деформации, уже вызванной действующими на него силами. Термическое напряжение влияет на прочность материалов. Вычисление термического напряжения дает представление о том, какие значения жесткости и прочности подходят для вашей конструкции, при условии, что разница температур не настолько велика, чтобы изменить микроскопические свойства материала!
4 Рекомендации по проектированию на прочность и жесткость
Вот 3 рекомендации, которые следует учитывать в процессе проектирования:
1.Определите важные компоненты на ранних этапах проектирования
На ранних этапах проектирования, например, при построении модели САПР, определите, какие компоненты будут иметь решающее значение для проекта. Определите, какие из них будут подвергаться ударным нагрузкам, равномерным нагрузкам, сосредоточенным нагрузкам, постоянным нагрузкам и т. д., чтобы получить представление о жесткости или прочности, необходимой для ваших компонентов. При необходимости разработайте графическое представление сложных динамических систем, используя граф связей или моделирование блок-схем, и используйте программное обеспечение для моделирования сложных систем.
2. Определите силы, приложенные к каждому компоненту
Рассчитайте ожидаемые нагрузки на механические компоненты, чтобы выяснить, где могут возникнуть проблемы или где силы могут показаться большими. Измеряйте, как дизайн реагирует на различные входные данные, используя методы инструментирования, и выполняйте анализ данных, чтобы предсказать поведение вашей модели. Учитывайте переменные ползучести и усталости в подсистемах и связанные с окружающей средой, которой будет подвергаться ваша система.
3.Передовые методы выбора материалов
Металлы, керамика, полимеры и композиты — это типы материалов с особыми механическими свойствами. Керамика обычно хрупкая, а это означает, что перед разрушением практически не происходит деформации; трещины могут распространяться очень быстро с очень незначительной пластической деформацией. Металлы проявляют два режима: пластичный или хрупкий. Пластичному материалу перед разрушением сопутствует пластическая деформация, а хрупкому — нет.
Процесс разрушения пластичных металлов обычно происходит в несколько стадий — пластичность или хрупкость полимеров зависит от температуры.Для сырья определите, какие производственные процессы обеспечат вам желаемые свойства материала. Испытания материалов должны соответствовать стандартам ASTM; обратитесь к инженерным справочникам, чтобы получить надежные данные о материалах.
4. Проверьте свои проекты перед прототипированием
Выполните проектные исследования с использованием программного обеспечения САПР для оценки и оптимизации геометрии вашего проекта. Используйте анализ FEA, численный анализ; и, когда это возможно, выполняйте расчеты вручную, чтобы убедиться, что результаты согласованы, прежде чем приступить к созданию прототипа, чтобы сэкономить время и деньги.Проконсультируйтесь с другими инженерами для обзора.
Основные выводы
Правильное использование и реализация жесткости, прочности и других механических свойств в процессе проектирования будет способствовать созданию более качественных продуктов, поскольку эти свойства характеризуют реакцию материала на приложенные нагрузки. Четкое понимание предполагаемого использования продукта является ключом к выбору соответствующих свойств материала, которые будут способствовать рентабельной конструкции при соблюдении стандартов безопасности, структурной целостности и достижении желаемых характеристик.
Статистический анализ механических свойств магниевых сплавов
Реферат
Знание статистических характеристик механических свойств очень важно для практического применения конструкционных материалов. К сожалению, характеристики разброса магниевых сплавов по механическим характеристикам до сих пор остаются малоизученными. В этом исследовании механическая надежность магниевых сплавов систематически оценивается с использованием статистического анализа Вейбулла.Интересно, что модуль прочности Вейбулла m для магниевых сплавов такой же высокий, как для алюминия и сталей, что подтверждает очень высокую надежность магниевых сплавов. Высокая предсказуемость предела прочности на растяжение магниевых сплавов представляет собой возможность предотвращения катастрофических преждевременных отказов во время эксплуатации, что имеет важное значение для оценки безопасности и надежности.
Ключевые слова: магниевые сплавы , механические свойства, статистика Вейбулла ].Таким образом, использование магниевых сплавов значительно увеличилось во всем мире за последние годы. К сожалению, макроскопическое хрупкое разрушение большинства магниевых сплавов в результате скалывания и квазискола [5] может вызывать опасения в отношении стабильности характеристической прочности, что было широко выявлено в стеклообразных сплавах на основе Mg [6]. Такое отрицательное поведение чувствительности магниевых сплавов потенциально представляет собой серьезную проблему для их применения, которой, к сожалению, до сих пор не уделялось внимания.
Существует множество подходов к количественной оценке влияния статистически распределенных изъянов или дефектов на механические свойства хрупкого материала. Среди этих подходов для описания воспроизводимости прочности на разрыв широко используется статистический анализ Вейбулла [7]. Например, многочисленные модели Вейбулла исторически применялись для объяснения разброса прочности во многих керамиках и хрупких металлах [8,9]. Тем не менее имеются крайне редкие данные о статистическом распределении прочности Вейбулла для магниевых сплавов.В этой работе мы используем статистический анализ Вейбулла для оценки надежности прочности магниевых сплавов; обнаружено, что статистическое распределение прочности сильно коррелирует с конкретным микроструктурным состоянием или характеристикой материала. Наше открытие дает представление о понимании и стабилизации магниевых сплавов путем адаптации протоколов обработки.
2. Экспериментальный участок
Mg-6Zn-1Mn (ZM61) был приготовлен вакуумной индукционной плавкой в атмосфере аргона с использованием коммерческого магния высокой чистоты (99.9%), Zn (99,9%) и лигатуры Mg-4%Mn (ZG-0,01, Цзиньчжоу, Китай). Стержни из сплава (диаметром 80 мм и высотой 250 мм) подвергали механической обработке и гомогенизировали при 330 °С в течение 24 часов. Затем их сразу же помещали в экструзионную камеру (350°C) и экструдировали в бруски диаметром 16 мм при коэффициенте экструзии 25. Затем экструдированные бруски подвергали обработке на твердый раствор при 420°C в течение 2 ч, а затем в воде. закалка и затем искусственное старение при 180 °С в течение 16 часов. Детальную обработку прессованных и состаренных магниевых сплавов ЗМ61 можно увидеть в другом месте [10].Микроструктуру экструдированных и состаренных сплавов исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, TESCAN VEGA 3 LMH, Брно, Чехия) и просвечивающего электронного микроскопа (TEM, ZEISS LIBRA 200FE, Heidenheim, Германия) соответственно. Характеристики одноосного растяжения образцов в форме собачьей кости (примерной длины 50 мм и расчетного диаметра 5 мм) определяли на универсальной испытательной машине со скоростью деформации 2 мм/мин. Морфологию переломов также исследовали с помощью РЭМ (JEOL JSM-7800F, Токио, Япония).
3. Результаты и обсуждение
Двадцать образцов были испытаны для каждого сплава, и все кривые напряжение-деформация показаны на a, b для экструдированного и состаренного магниевого сплава ZM61 соответственно. Кажущаяся прочность для каждого эксперимента была удивительно однородной, особенно для экструдированных сплавов. Предел текучести при смещении 0,2% ( σ _y ) для экструдированного сплава варьировался от 206 до 212 МПа с отклонением всего ±0,7% от среднего значения. Предел прочности при растяжении ( σ _u ) и предел прочности на излом ( σ _f ) варьировался от примерно 300 до 307 МПа и от 280 до 291 МПа с изменением ±0.5% и ±1,3% вокруг соответствующих средних значений соответственно. Статистический результат для прессованных сплавов продемонстрировал очень узкий диапазон распределения для σ _y , σ _u и σ _f . Для состаренных сплавов σ _y варьировалось от 307 до 320 МПа с отклонением ±1,3% от среднего значения. σ _u и σ _f находились в диапазоне примерно от 345 до 355 МПа и от 302 до 333 МПа с вариацией ±0.9% и ±3% вокруг соответствующих средних значений соответственно. Интересно, что прочность всех магниевых сплавов соответствовала статистической тенденции и имела узкое распределение, которое, по-видимому, сильно отличалось от обычных хрупких материалов, предел прочности которых обычно сильно разбросан [8].
Кривые растяжения магниевых сплавов ZM61: ( a ) прессованные и ( b ) состаренные.
Статистика Вейбулла является хорошо зарекомендовавшим себя инструментом характеристики в области сопротивления разрушению хрупких материалов.Вейбулл связал кумулятивную вероятность разрушения P _f объема V материала под одноосным растягивающим напряжением σ следующим соотношением [8]:
Pf=1−exp[−V(σ −σuσ0)m]
(1)
где σ ₀ — масштабный параметр, m — модуль Вейбулла, V — нормированный объем исследуемого образца. σ _u — параметр местоположения, обозначающий напряжение, при котором вероятность отказа равна нулю; обычно он принимается равным нулю для наиболее безопасного предположения [11].Для N номинально идентичных образцов, ранжированных от самых слабых ( i = 1) до самых прочных ( i = N ), вероятность отказа P _f из i рассчитывается по следующей формуле [12]:
где n _i – i -й образец ( n _i = 1, …, N N – общее количество испытанных образцов), N опытов.Затем эти результаты были нанесены на график в обычной форме двойного логарифма выражения Вейбулла. Следовательно, параметры распределения Вейбулла могут быть получены путем линеаризации уравнения (1).
ln[ln(11−Pf)]=lnV+mlnσ−mlnσ0
(3)
Подгонкой прямой линии к ln[ln(1/1 − P _f )] в виде функция ln σ , модуль Вейбулла m был просто наклоном, а параметр масштабирования σ ₀ можно было определить по точке пересечения.Коэффициент детерминации R2 обычно используется как мера качества подгонки. Чем выше значение R2, тем больше вероятность того, что данные будут следовать тестируемому распределению. Недавно Tiryakioglu et al. [13] провели моделирование методом Монте-Карло для определения критических точек R2 и предложили использовать следующую формулу для оценки критериев согласия для размеров выборки от 5 до 100:
R0,052=1,0637−0,4174n0 .3
(4)
Если расчетное R2 больше, чем R0.052, то можно сделать вывод, что данные действительно получены из распределения Вейбулла. Подгонка Вейбулла была приемлемой. Напротив, двухпараметрический анализ Вейбулла недействителен, если R2 < R0,052.
показывает графики Вейбулла в форме, предложенной уравнением (3) для прессованных (а) и состаренных (б) сплавов магния. Из a наблюдалась очень хорошая линейная зависимость σ _y , σ _u и σ _f . Коэффициенты детерминации R ² для σ _y , σ _u и σ _f равны 0.925, 0,951 и 0,901, соответственно, которые превышали значение R0,052 (0,894), что позволяет предположить, что экспериментальные данные могут быть разумно описаны уравнением распределения Вейбулла. Линейные наименьшие квадраты для уравнения уравнения (3) проводили для этих данных, учитывая модуль Weibull м σ _y , Σ _U и Σ _F Как 166,3, 261,4 и 92,6 для прессованных сплавов соответственно. Удивительно, но модуль разрушения Вейбулла м , который колебался от 90 до 100, оказался таким же высоким, как у пластичных алюминия и стали [8].Поскольку значение м отражало степень вариации прочности испытанных образцов, более высокое значение м подразумевало более узкое распределение напряжений разрушения и более высокую надежность. Типичные значения модуля Вейбулла м для некоторых материалов, включая объемные металлические стекла на основе Mg [14], были суммированы и перечислены в . Хотя магниевые сплавы часто рассматривают как макроскопически хрупкие материалы, было интересно наблюдать очень высокую надежность из-за довольно однородных данных прочности и большого модуля Вейбулла.Кроме того, как показано на b, графики Вейбулла для σ _y , σ _u и σ _f для состаренных сплавов показали относительно плохую линейную зависимость, особенно для 907 f 917 8 . Коэффициенты детерминации, R ² , по линейному методу наименьших квадратов составили 0,838, 0,883, 0,677 для σ _y , σ _u и σ _{9, σ _{соответственно.Значение R2 было намного ниже, чем значение R0,052 (0,894), что означает неприемлемость экспериментальных данных для состаренных сплавов, основанных на двухпараметрическом распределении Вейбулла [15]. Мы также заметили значительное отклонение некоторых точек от линии подбора при высоких значениях ln( σ _f ). Это сильно отличалось от предыдущего отчета, в котором допущение о пороговом значении было равно нулю, что больше не соответствовало двухпараметрическому распределению. Это все еще открытый вопрос и подразумевает, что анализ Вейбулла может быть обновлен до версии с тремя параметрами для подгонки.При рассмотрении параметра местоположения σ _u трехпараметрическая модель Вейбулла также была предложена как более интерпретируемая и точная оценка надежности [16].}}
График Вейбулла предела прочности на растяжение магниевых сплавов ZM61: ( a ) экструдированный и ( b ) состаренный.
Таблица 1
Типичные значения модуля Вейбулла м для некоторых материалов.
Эта работа
Материал м Арт.
Традиционная керамика :
Кирпич, керамика, мел <3 [8] [8]

SIC, AL ₂ O ₃, SI ₃ N ₄ 5–10 [8]
Металлы:
Алюминий, сталь 90–100 [8]
Прессованный магниевый сплав 92.6
Mg на основе стеклообразного сплава 5-41 [6,14]
Прочность на растяжение недостаточность σ _F был очень чувствителен к внутренним дефектов и трещин. Для экструдированных магниевых сплавов такие дефекты, как усадочная пористость, окислительные шлаки и трещины в литой стадии в основном устранялись в процессе горячего прессования [17]. а показывает изображение обратно рассеянных электронов в SEM экструдированного сплава; после полной термической обработки твердого раствора только несколько фаз α -Mn были выделены для экструдированного сплава, что может быть дополнительно подтверждено режимом светлого поля ПЭМ, как показано на вставке.Из-за малого количества осадков с разреженным распределением они мало влияют на изменение механических свойств. После процесса горячей экструзии микроструктура сплава становится относительно однородной и тонкой. Таким образом, были достигнуты равномерная прочность на разрушение и большие модули Вейбулла м . Однако для состаренного сплава, как показано на b, большое количество выделений различной морфологии, включая стержневую фазу Лавеса MgZn ₂ ( β’ ₁ ) и пластинчатую фазу Лавеса MgZn ₂ ( β’ ₂ ), наблюдалось.Показано, что основной упрочняющей фазой в современном сплаве Mg является фаза β’ ₁ [18]. Однако сильно различающийся диаметр стержня от ~12 нм до ~75 нм фазы β’ ₁ может быть одним из негативных влияний на изменение механической прочности. Кроме того, после старения наблюдалось укрупнение выделенных фаз, что может усиливать тенденцию к концентрации напряжений на границах зерен и фаз.Это может увеличить вероятность возникновения и распространения трещин и дефектов [19, 20] и привести к относительно изменчивой прочности на разрушение.
СЭМ-изображения и светлопольные ПЭМ-изображения микроструктуры магниевых сплавов ZM61: ( a ) экструдированные и ( b ) состаренные.
Эти дефекты могут быть дополнительно интерпретированы морфологией излома экструдированных (а) и состаренных (б) магниевых сплавов, как показано на , которые демонстрируют характеристики вязкого разрушения при отрыве и типичные признаки разрушения при отрыве соответственно.На поверхности излома появились частицы с высоким содержанием марганца в углублениях, как показано на вставке, что означает, что экструдированный сплав не имел макровключений. Напротив, EDS-анализ разрушения, инициированного включениями, в состаренном сплаве с самым низким значением σ _f выявил некоторые примеси, такие как Fe и Si. Было отмечено, что такие дефекты обычно располагались на поверхности образца или вблизи нее, что, вероятно, приводило к высокой концентрации напряжений. Эти макровключения также были ответственны за относительно большую вариацию σ _f для состаренных магниевых сплавов.Эти результаты согласуются с представлением о том, что магниевые сплавы способны к большой пластичности, что снижает их чувствительность к дефектам, о чем свидетельствует показатель деформации до разрушения ε (%), который уменьшился с ~ 20% до ~ 10% для экструдированного и состаренного магния. сплавов соответственно.
Морфология излома магниевых сплавов ZM61: ( a ) экструдированный и ( b ) состаренный.
Кроме того, различные механические свойства магниевых сплавов могут быть связаны с обработкой раствором и искусственным старением.Эти дефекты в магниевых сплавах обычно имели микронный размер. Следовательно, микротвердость в дальнейшем можно объяснить степенью дефектности магниевых сплавов при различных условиях обработки. Чтобы обеспечить надежность статистических результатов, мы измерили двадцать отпечатков на каждом образце в четко определенных регулярных массивах, что дало в общей сложности четыреста точек исходных данных для каждого сплава и полностью отражало распределение дефектов в экструдированных и состаренных магниевых сплавах. . Экспериментальные данные также могут быть разумно описаны уравнением распределения Вейбулла, как показано на рис.Видно, что модуль Вейбулла м микротвердости для прессованных магниевых сплавов составил 33,7, что значительно выше, чем у состаренных. Это означало, что микродефекты в экструдированных сплавах имели довольно одинаковые размеры. Независимо от размера дефекта узкое распределение измеренной микротвердости было результатом узкого распределения размера дефекта, большого или малого, что дополнительно объясняет, почему экструдированные сплавы имели такую высокую однородность, на что указывает однородность кажущегося предела текучести. значения прочности, предела прочности при растяжении и прочности на излом, измеренные для большого количества прессованных магниевых сплавов.
График Вейбулла микротвердости прессованных и состаренных магниевых сплавов ZM61.
Извлечение механических свойств материалов посредством глубокого обучения на основе инструментального вдавливания
Подход 1: Интеграция данных, полученных из подгоночных функций (низкая точность) и данных моделирования методом конечных элементов (высокая точность).
В этом примере мы тестируем мультиверный подход для данных конического одиночного вдавливания, используя только материалы с n≤0,3 (что по-прежнему охватывает пространство параметров материала для широкого спектра технических металлов и сплавов), как показано на рис.3 А и В . Данные низкой точности используют 10 000 (для E *) или 100 000 (для σ _y ) точек данных из формул в ссылке. 5, а данные с высокой точностью получены из моделирования методом конечных элементов. Все данные на рис. 3 A и B относятся к коническому (двухмерному осесимметричному) индентору с углом при вершине 70,3°. Используя многоточечный подход, 1) достигается более высокая точность по сравнению с использованием только данных высокой точности, и 2) количество точек данных высокой точности, необходимых для достижения высокой точности, также значительно уменьшается.Требуется всего 10 точек данных высокой точности для достижения средней ошибки 5% для E *, и всего 40 точек данных высокой точности, необходимых для достижения большей точности для σ _y, чем традиционные функции подбора (5) .
Рис. 3.
Средняя процентная ошибка в зависимости от размера обучающего набора данных для MFNN, обученных с помощью 2D- и 3D-моделирования обратного вдавливания методом конечных элементов. ( A и B ) Результаты обучения MFNN путем интеграции недорогих данных с низкой точностью с использованием подгоночных функций (5) вместе с ограниченным количеством данных FEM высокой точности для ( A ) E * и ( Б ) σ _у .В A и B данные низкой точности используют 10 000 (для E *) или 100 000 (для σ _y) точек данных из формул в ссылке. 5. Все данные 2D осесимметричного МКЭ предполагают конический индентор с углом при вершине 70,3°. ( C и D ) Результаты обучения MFNN путем интеграции результатов 2D осесимметричного МКЭ (низкая точность) вместе с данными 3D моделирования МКЭ (высокая точность) для ( C ) E * и ( D ) σ _y .Данные 2D FEM низкой точности в C и D включают 97 осесимметричных моделей FEM с различными упругопластическими параметрами. Все данные 3D FEM используют 3D индентор Берковича, который имеет трехгранную пирамидальную острую вершину, которая может сохранять свою самоподобную геометрию до очень малой глубины вдавливания. Индентор Берковича имеет полуугол 65,3°, измеренный от оси кончика до одной из поверхностей пирамиды.
Здесь мы сравниваем наш метод MFNN с использованием метода остаточной связи, представленного в этой статье (рис.1 С ; см. более подробную информацию в Methods ) с MFNN, используемым в исх. 34 без остаточного соединения (рис. 1 B ). Мы проверяем эффективность этих двух методов на прогнозах свойств на основе множественных наборов данных, как описано в Методах . Обратите внимание, что в этом случае низкая точность относится к данным, полученным с помощью функций подбора, а высокая точность относится к данным 2D FEM. SI Приложение , рис. S2 A (синяя линия) показывает, что обучение исходной MFNN довольно нестабильно с большим стандартным отклонением.Сравнивая среднюю ошибку E * в SI Приложение , рис. S2 A (синяя и красная линии), обратите внимание, что ошибка становится более стабильной, т. е. обучение НС становится более стабильным с добавлением остаточное соединение. Для хорошо обученных сетей ошибка E * аналогична. Кроме того, как показано в SI Приложение , рис. S2 B , предлагаемая нами МФНС с остаточным соединением также обеспечивает более высокую точность, чем подгоночные функции для случая σ _y, в дополнение к тому, что стабильный.
Подход 2: Интеграция двухмерных осесимметричных данных FEM (низкая точность) и трехмерных данных FEM (высокая точность).
Рис. 3 C и D показывают результаты MFNN, обученных путем интеграции результатов двухмерного осесимметричного моделирования методом конечных элементов (низкая точность) вместе с данными трехмерного моделирования методом конечных элементов для индентора Берковича (высокая точность) для оценки E * и σ _у . Здесь MAPE рассчитывается относительно данных 3D FEM, которые имеют более высокую точность, чем данные 2D осесимметричного FEM.Хотя результаты конического вдавливания МКЭ с включенным половинным углом 70,3° считаются хорошими приближениями к фактическим результатам вдавливания с помощью наконечника трехмерного индентора Берковича или Виккерса (5, 6, 9, 18⇓–20), все же могут возникать значительные ошибки из-за присущая обратной задаче высокая чувствительность, особенно для извлечения пластических свойств, как показано на рис. 3 C и D . Приведенные выше результаты показывают, что подход с множественной точностью приводит к гораздо более точным оценкам механических свойств на основе инструментированных данных резкого вдавливания с меньшим количеством точек данных с высокой точностью, чем подход с одной точностью и подгоночные функции.
Подход 3: Интеграция высокоточных экспериментальных данных и синтетических данных для исправления ошибок.
Здесь мы сначала тестируем обученные нейронные сети, полученные выше (подход 2) для наконечника индентора Берковича, для двух наборов экспериментальных данных по вдавливанию из традиционных (деформируемых) алюминиевых сплавов Al6061-T6511 (шесть экспериментов) и Al7075-T651 (шесть экспериментов) с характеристики вдавливания приведены в Приложении SI , Таблица S3. Используемые исходные наборы данных отступов такие же, как и в исх.5, а dPdh|hm оценивается наилучшей линейной аппроксимацией в пределах 5% от каждой кривой разгрузки. Упругопластические свойства Al6061-T6511: модуль Юнга E = 66,8 ГПа ( E * = 70,2 ГПа), предел текучести σ _y = 10,07 8094 МПа, показатель деформационного упрочнения. ; а свойства Al7075-T651: E = 70,1 ГПа ( E * = 73,4 ГПа), σ _y = 500 МПа, n = 0.122. Кроме того, чтобы уменьшить возникающие систематические экспериментальные ошибки, мы используем нейронные сети для обучения на основе трех случайно выбранных экспериментальных точек данных, добавленных в качестве данных высокой точности в процессе обучения нейронной сети в многоверном подходе 3. В частности, недорогая двумерная осесимметричная конечная -элементные наборы данных по-прежнему используются в качестве данных низкой точности, а ограниченное количество трехмерных данных конечно-элементного вдавливания Берковича используется вместе с тремя дополнительными экспериментальными точками данных в качестве данных высокой точности для случая сплава Al6061-T6511 или Al7075-T651. .Существует до 20 уникальных комбинаций для случайного выбора трех экспериментов из шести в каждом случае. Здесь результаты получены путем исчерпания всех 20 возможностей.
Рис. 4 A суммирует результаты обратного анализа с использованием различных подходов. NN, обученные по результатам 2D осесимметричного МКЭ (низкая точность) вместе с данными 3D моделирования МКЭ (высокая точность), работают лучше, чем ранее установленные уравнения в ссылке. 5. NN, обученные путем добавления экспериментальных результатов в качестве высокоточных данных обучения к данным 2D и 3D FEM, очень хорошо работают как для E *, так и для σ _y с MAPE менее 4% для обоих Al6061- T6511 и Al7075-T651, что привело к значительному повышению точности для σ _y с этим «гибридным» многоточным подходом.Предполагая, что деформационное упрочнение имеет степенной закон, предлагаемый нами метод также можно использовать для извлечения характеристик деформационного упрочнения из инструментального вдавливания. Чтобы достичь этого, мы сначала обучаем НС прогнозировать напряжения при различных пластических деформациях, а затем вычисляем показатель упрочнения при деформации методом наименьших квадратов аппроксимации функции упрочнения по степенному закону.
Рис. 4.
Результаты обратного анализа средней процентной ошибки (MAPE) ( A ) E* и σy и ( B ) σ3,3%, σ6.6% и σ10% для двух алюминиевых сплавов Ал6061-Т6511 и Ал7075-Т651 (здесь индексы 3,3%, 6,6% и 10% у σ обозначают пластические деформации). Результаты, помеченные как «функции подгонки», получены непосредственно с использованием ранее установленных уравнений в ссылке. 5. Результаты, помеченные как «NN (2D + 3D FEM)», получены с использованием NN, обученных путем интеграции данных 2D осесимметричного FEM (низкая точность) с данными 3D Berkovich FEM (высокая точность), а результаты, помеченные как «NN (2D + 3D FEM + EXP)» получены с использованием нейронных сетей, обученных путем добавления экспериментальных результатов в качестве высокоточных данных обучения в дополнение к данным обучения 2D и 3D FEM.
На рис. 4 B показаны результаты обратного анализа с использованием MFNN для извлечения дополнительных точек данных из кривой напряжение-деформация (т. е. для определения характеристик деформационного упрочнения), где выбраны значения напряжения 3,3 %, 6,6 % и Получают 10% пластических деформаций. NN, обученные путем добавления экспериментальных результатов как части высокоточных данных обучения, также очень хорошо работают для σ3,3%, σ6,6% и σ10% с MAPE менее 4% как для Al6061-T6511, так и для Al7075-T651. значительное повышение точности оценки напряжений при различных пластических деформациях с использованием гибридного мультиверного подхода.На рис. 5 показаны соответствующие кривые напряжение-деформация, полученные методом наименьших квадратов степенного закона упрочнения, демонстрирующие хорошее совпадение с экспериментальными данными (с экспериментально извлеченным показателем упрочнения n = 0,08 и 0,122), тогда как n = 0,073 и 0,127 для Al6061-T6511 и Al7075-T651 соответственно, оцененные с использованием гибридного мультиверного подхода. Обратите внимание, что при низком уровне упрочнения (т. е. n → 0) прямые расчетные ошибки n могут вводить в заблуждение, поскольку очень небольшие изменения реакции на упрочнение могут привести к большим относительным ошибкам для эластично-идеально пластичных металлических сплавов.Сравнение погрешностей напряжений при различных пластических пятнах является более объективным способом оценки точности в отношении поведения напряжения-деформации или поведения упрочнения.
Рис. 5.
Результаты обратного анализа показателя упрочнения двух алюминиевых сплавов Al6061-T6511 и Al7075-T651. Показатель упрочнения получается методом наименьших квадратов для σy, σ3,3%, σ6,6% и σ10%, предсказанных нейронными сетями, обученными по данным ( A ) 2D и 3D FEM и ( B ) 2D, Данные 3D FEM и три точки экспериментальных данных.Здесь индексы 3,3 %, 6,6 % и 10 % для σ представляют собой пластические деформации.
Затем мы тестируем алгоритмы нейронной сети в обширном наборе экспериментов, проведенных на шести различных сплавах Ti-6Al-4V, напечатанных на 3D-принтере. Полная информация об условиях 3D-печати, получаемых микроструктурах шести сплавов Ti и характеристиках напряжения-деформации при растяжении доступна в исх. 42. Шесть 3D-печатных титановых сплавов с различной микроструктурой обозначены как B3067, B3090, B6067, B6090, S3067 и S6067 (42).Мы провели эксперименты по наноиндентированию этих 3D-печатных титановых сплавов с помощью измерения глубины с помощью инструмента, описанного в Методах . Для каждого титанового сплава, напечатанного на 3D-принтере, проводится 144 повторных вдавливания. Мы проводим обратный анализ этих шести сплавов и оцениваем их упругопластические свойства, используя различные подходы машинного обучения, представленные в этой статье. Затем мы сравниваем эти прогнозы с прямыми и независимыми экспериментальными оценками упругопластических свойств шести сплавов по откликам на растягивающее напряжение-деформацию, полученным в ref.42. SI Приложение , таблица S4 A обобщает характеристики вдавливания шести напечатанных на 3D-принтере сплавов Ti-6Al-4V, извлеченных непосредственно из необработанных кривых вдавливания. SI, Приложение , Таблица S4 B , перечислены характеристики вдавливания двух напечатанных на 3D-принтере титановых сплавов из кривых вдавливания, скорректированных с расчетным радиусом вершины индентора 0,6 мкм (подробности оценки радиуса вершины и метода коррекции эффекта радиуса вершины см. в SI Приложение , на основе метода, предложенного в исх.43), все с использованием одной и той же экспериментальной установки с максимальной нагрузкой на вдавливание 9 мН для каждого эксперимента с вдавливанием. Значения предела текучести σ _y для B3067, B3090, B6067, B6090, S3067 и S6067 составляют 1,121, 1,168, 1,102, номинал 1,151, 1,121 и модуль Юнга 1,063 МПа соответственно. эти сплавы титана, напечатанные на 3D-принтере, составляют E = 110 ГПа ( E * = 109,6 ГПа).
Для отпечатков, сделанных на Ti-6Al-4V (B3067), на рис. 6 обобщены результаты обратного анализа с использованием различных подходов, представленных в этой статье, как для E *, так и для σ _y .Результаты, помеченные как «NN (необработанные)» и «NN (наконечник)», получены путем применения нейронных сетей, обученных путем интеграции двухмерных осесимметричных данных МКЭ (низкая точность) с трехмерными данными МКЭ Берковича (высокая точность), либо путем непосредственного применения исходного отпечатка. данных или с использованием данных об отступе после корректировки необработанных данных для эффектов радиуса кончика индентора, соответственно. NN, обученные с использованием только данных FEM, при работе непосредственно с необработанными данными вдавливания демонстрируют среднюю точность 24,2 ± 4,6% MAPE при оценке модуля упругости, но неприемлемо высокий MAPE 105.5 ± 16,7% при оценке σ _y . Однако, когда в анализе используются данные вдавливания с поправкой на радиус вершины, мы наблюдаем значительно уменьшенные ошибки обратного анализа как для E * (MAPE = 5,4 ± 3,1%), так и для σ _y (MAPE = 40,3). ± 8,3%). С поправкой на эффект радиуса вершины мы обнаружили, что извлеченные значения E * и σ _y намного ближе к результатам одноосных испытаний, показанным на рисунке S1 в ссылке.42. При использовании результатов NN (необработанных) становится очевидным, что при извлечении как E *, так и σ _y происходит систематическая погрешность; по результатам NN (наконечника) наблюдается систематическая погрешность для σ _y даже после значительного улучшения прогностической способности за счет применения коррекции на эффект радиуса кончика.
Рис. 6.
Результаты обратного анализа ( A ) E * и ( B ) σ _y для двух 3D-печатных сплавов Ti-6Al-4V и B3097 B3097.Результаты, помеченные как «NN (необработанные)» и «NN (наконечник)», получены путем применения нейронных сетей, обученных путем интеграции двухмерных осесимметричных данных FEM (низкая точность) с трехмерными данными Berkovich FEM (высокая точность), с использованием непосредственно необработанного отпечатка P – h данные и с использованием данных отступа с поправкой на радиус вершины соответственно. Результаты, помеченные как «Самостоятельная нейронная сеть (необработанные, 5)» и «Самостоятельная нейронная сеть (наконечник, 5)», получены путем применения нейронных сетей, обученных путем добавления пяти случайно выбранных экспериментальных кривых вдавливания в качестве высокоточных данных обучения в дополнение к 2D и 3D FEM. данные обучения, используя непосредственно необработанные данные отступа и используя данные отступа с поправкой на радиус кончика, соответственно.Полную информацию об экспериментальных данных по инструментальному вдавливанию и реакции на напряжение-деформацию для B3067 и B3090, а также условия для 3D-печати и вдавливания с измерением глубины, а также эволюцию микроструктуры можно найти в ссылке. 42; краткое изложение этих литературных данных представлено в SI Приложение .
Теперь мы применяем наш мультиверный подход 3, описанный в Methods , в попытке еще больше уменьшить систематические ошибки в обратном анализе. Для этой цели мы случайным образом выбираем пять точек экспериментальных данных из 144 в качестве дополнительных входных данных для высокоточных данных в процессе обучения НС.В частности, недорогие двухмерные осесимметричные наборы данных конечных элементов по-прежнему используются в качестве данных низкой точности, в то время как ограниченное количество трехмерных данных конечно-элементного вдавливания Берковича используется вместе с тремя дополнительными экспериментальными точками данных в качестве данных высокой точности. Результаты объединяются путем изучения всего спектра, включающего 10 уникальных способов случайного выбора таких данных. На рис. 6 результаты, помеченные как «самостоятельная НС (исходная, 5)» и «самая НС (наконечник, 5)», получены путем применения НС (обученных путем добавления пяти случайно выбранных экспериментальных кривых вдавливания B3067 в качестве высокоточных данных обучения). в дополнение к обучающим данным 2D и 3D FEM) к необработанным данным отпечатка и к данным отступа с поправкой на радиус вершины соответственно.NN, обученные с использованием гибридного мультиверного подхода, который включал добавленные экспериментальные обучающие данные, теперь значительно уменьшают ошибки при работе непосредственно с необработанными данными отступа и при работе с данными отступа с поправкой на радиус вершины. В частности, для E * MAPE падает до 3,0 ± 3,3 % и 2,3 ± 2,4 % для необработанных данных вдавливания и данных с поправкой на радиус кончика соответственно, а для σ _y MAPE падает до 5,1 ± 7,0 % и 3,9 ± 4,8% соответственно.Хотя нейронные сети, работающие с данными, скорректированными на эффект радиуса вершины, по-прежнему работают лучше, представленный здесь гибридный многоверный подход оказался значительно более эффективным в обучении на данных и в исправлении ошибок из-за эффектов радиуса вершины и других систематических ошибок, возникающих из-за нескорректированных необработанных данных. Аналогичные результаты показаны для отпечатков, сделанных на другом сплаве Ti-6Al-4V (B3090), напечатанном на 3D-принтере, на рис. 6 как для E *, так и для σ _y .
Наконец, мы тестируем более практически полезный вариант гибридного мультиверного подхода.Здесь мы стремимся уменьшить систематические ошибки путем случайного выбора точек экспериментальных данных вдавливания из другого калибровочного материала (при использовании той же экспериментальной/постобработки) в качестве добавленных данных высокой точности в процессе обучения нейронной сети в многоточном подходе 3. В частности, низкая 2D-осесимметричные наборы данных конечных элементов по-прежнему используются в качестве данных с низкой точностью, в то время как ограниченное количество 3D-данных конечно-элементного отпечатка Берковича используется вместе с некоторыми дополнительными экспериментальными точками данных из другого калибровочного материала B3067 (с 1 до 20 точек данных). случайно выбранных из 144 точек данных) в качестве высокоточных обучающих данных; обученные NN используются для анализа данных об отступах B3090.
На рис. 7 представлены результаты обратного анализа индентирования для B3090 с использованием этого подхода (обозначенного как «равный») по сравнению с результатами, в которых добавлены высокоточные обучающие данные из того же материала (B3090) с теми же экспериментальными условиями (обозначенными как «Я»). Здесь MAPE (логарифмическая шкала) построена в зависимости от количества случайно выбранных экспериментальных данных обучения, n _exp (линейная шкала) либо из того же материала (Self), либо из другого сплава Ti (Peer).За исключением случаев, когда экспериментальные данные не добавляются для обучения (0), каждая точка данных на рис. 7 представляет результаты, объединенные вместе из 10 уникальных способов случайного выбора. Понятия «(исходные)» и «(наконечник)» в этикетках указывают, что все используемые экспериментальные данные являются либо нескорректированными необработанными данными об отступах, либо данными с поправкой на влияние радиуса кончика соответственно. Из рис. 7 видно, что добавление экспериментальных обучающих данных из того же материала (Self) или из другого калибровочного материала (Peer) в одинаковых экспериментальных условиях может значительно снизить систематические ошибки как для E * (MAPE < 4%), и σ _y (MAPE < 5%).Тем не менее, мы отмечаем, что преимущества добавления экспериментальных обучающих данных начинают насыщаться, когда n _exp ≥ 5. При достаточном количестве обучающих данных гибридный мультиверный подход демонстрирует замечательную способность изучать и исправлять на необработанных данных любые систематические ошибки, возникающие из эффекты радиуса и другие факторы напрямую. Как и ожидалось, добавление экспериментальных обучающих данных из одного и того же материала (самостоятельные случаи) обычно работает лучше, чем добавление другого калибровочного материала (равные случаи) в тех же экспериментальных условиях; в частности, мы наблюдаем снижение ошибки при n _exp = 20 на целых один и два порядка для оценок E * и σ _y соответственно из обратного анализа.
Рис. 7.
Инверсный анализ 3D-печатного сплава Ti-6Al-4V B3090. ( A ) E * и ( B ) σ _y по сравнению с количеством случайно выбранных экспериментальных обучающих данных либо из B3090 (обозначается как Self), либо из экспериментов по вдавливанию B3067 (Peer). Понятия «(исходные)» и «(наконечник)» в этикетках указывают, что все используемые экспериментальные данные взяты из нескорректированных необработанных данных отпечатка и данных отступа с поправкой на радиус кончика соответственно.
Рис.8 и SI, Приложение , рис. S4 обобщает результаты обратного анализа MAPE для E * и σ _y для 3D-печатных сплавов Ti-6Al-4V (B3067, B3790, B6067, B30690 , и S6067) в зависимости от n _exp для случайно выбранных экспериментальных обучающих данных из экспериментов по вдавливанию B3067. За исключением случаев, когда экспериментальные данные не добавляются для обучения (0), каждая точка данных представляет результаты, объединенные вместе из 10 уникальных различных способов такого случайного выбора.Все используемые экспериментальные данные по отступам взяты из нескорректированных необработанных данных по отступам. Черная пунктирная линия — это случай самообучения для B3067, а кривые, представляющие другие цвета, — это случаи однорангового обучения с использованием данных отступов B3067 для обучения. Опять же, все тенденции, отмеченные на рис. 7, также наблюдаются здесь, на рис. 8 и Приложение СИ, рис. S4, демонстрируя общую применимость этого гибридного многоверного подхода путем добавления одноранговых экспериментальных данных в качестве высокоточных обучающих данных для улучшенная точность обратного анализа.
Рис. 8.
Инверсный анализ трех напечатанных на 3D-принтере сплавов Ti-6Al-4V. ( A ) E * и ( B ) σ _y для 3D-печатных сплавов Ti-6Al-4V (B3067, B6067 и S6067) в сравнении со случайно выбранными экспериментальными данными для обучения из экспериментов по вдавливанию B3067. Все используемые экспериментальные данные взяты из нескорректированных необработанных данных отпечатков. См. также Приложение SI , рис. S4 для дополнительных сравнений.
Снова предполагая, что упрочнение происходит по степенному закону, мы можем оценить напряжения при различных значениях пластической деформации, а затем вычислить показатель упрочнения методом наименьших квадратов для степенной функции упрочнения для титановых сплавов, напечатанных на 3D-принтере. .На рис. 9 показаны результаты инверсного анализа выбранных напряжений при пластической деформации 0 % (т. е. σy), 0,8 %, 1,5 % и 3,3 %, а также аппроксимированные кривые напряжения–деформации для двух 3D-печатных сплавов Ti-6Al-4V с использованием гибридный многоцелевой подход. По аналогии с оценкой предела текучести (напряжение при нулевой пластической деформации), наши предсказанные кривые напряжение-деформация близки к экспериментальным кривым, когда несколько экспериментальных точек данных добавляются как часть высокоточных данных для обучения НС.
Рис. 9.
Результаты обратного анализа показателя упрочнения для двух 3D-печатных сплавов Ti-6Al-4V B3067 и B3090.( A ) Средняя процентная ошибка σy, σ0,8%, σ1,5% и σ3,3% для B3090, предсказанная нейронными сетями, обученными по данным 2D осесимметричного МКЭ (низкая точность) с данными 3D Berkovich FEM и пятью случайными выбраны экспериментальные кривые индентирования Self и Peer (высокая точность). ( B и C ) Показатель упрочнения получен методом наименьших квадратов σy, σ0,8%, σ1,5% и σ3,3% для ( B ) Self и ( C ) Сравнительные экспериментальные кривые индентирования. Экспериментально извлеченный показатель наилучшего упрочнения равен n = 0.068 для одноосных экспериментов B3090 и B3067, т. е. близкое к нулю низкое упрочнение. С дополнительными экспериментальными данными, добавленными для обучения, нейронные сети точно предсказывают предел текучести и низкое упрочнение. Здесь индексы 0,8 %, 1,5 % и 3,3 % для σ представляют собой пластические деформации.
Объяснение механических свойств металлов
В мире производства, независимо от того, находитесь ли вы на пороге создания своего цеха или уже являетесь признанным производителем, крайне важно полностью понять и полностью понять механические свойства металлов для лучшего прогнозирования результат изготовления.
экспериментировать со свойствами стали
На протяжении многих лет сварные машины, инструменты и конструкции обычно подвергаются серьезным нагрузкам. Вот тут-то и пригодится понимание механических свойств металлов.
Очень важно, чтобы при проектировании компонентов машин учитывались механические свойства металлов, чтобы обеспечить широкий диапазон полезности, гарантировать высокую производительность и обеспечить ожидаемое обслуживание.
Для получения самых прочных и прочных сварных швов необходима точность! Сварной шов должен обеспечивать такие же механические свойства, равные или превосходящие свойства соединяемых основных металлов.
А теперь давайте копнем глубже и полностью поймем, что вы должны знать в мире сварки!
Каковы механические свойства металлов?
Прочность
Способность металла выдерживать деформацию от внешней силы, также известную как механическая нагрузка, называется прочностью этого материала.
Прочность материала зависит от направления, в котором он нагружен, что количественно выражается четырьмя:
Прочность на растяжение : это способность металла противодействовать противодействующим силам, пытающимся разорвать его на части, или максимальной нагрузке при растяжении, которую материал может выдержать до разрыва. Испытание на растяжение (которое обеспечивает предел упругости, удлинение, предел текучести, предел текучести, предел прочности при растяжении и уменьшение площади) используется для определения поведения металла при фактической растягивающей нагрузке, которая развивает максимальную прочность металла.Прочность на растяжение является наиболее часто используемым значением прочности материала и выражается в фунтах на квадратный дюйм (psi) (килоПаскалях (кПа)).
Прочность на сжатие : Способность металла выдерживать сдавливание. Говоря по-другому, максимально достижимая нагрузка при сжатии, которую материал выдержит до заданной величины деформации, или способность материала выдерживать разрушение, действующее в заданной плоскости. Когда материал подвергается сжатию, на него действуют внешние нагрузки в направлении его центральной точки.
Прочность на сдвиг : Способность металла выдерживать силы разрушения, пытающиеся разрезать или разрезать его на части, действующие по прямой линии, но не в одной плоскости. Силы сдвига действуют параллельно друг другу в противоположных направлениях.
Прочность на кручение : Способность металла выдерживать внешние силы, пытающиеся скрутить его, или максимальную нагрузку, которую материал может выдержать без разрушения при большом количестве изменений направления нагрузки.
Максимальное напряжение, которое может выдержать любой материал до деформации, называется пределом прочности.Следовательно, чем выше предел прочности материала, тем большую нагрузку он может выдержать.
Эластичность
Способность металла возвращаться, возобновлять или восстанавливать свою нормальную форму или первоначальный размер, форму и размеры после деформации, сжатия, растяжения или вытягивания из формы называется упругостью.
Когда к материалу приложена внешняя сила, внешняя сила вызывает деформацию материала. Эластичность материала — это его способность возвращаться к своей первоначальной форме после деформации при снятии напряжения или нагрузки.
Точка, в которой происходит определенное повреждение при небольшом увеличении нагрузки или без нее, называется пределом текучести.
Предел текучести — это количество фунтов на квадратный дюйм (килоПаскалей), необходимое для разрушения или деформации до предела текучести.
В момент, когда начинается необратимое повреждение, достигается предел упругости.
Пластичность
Качество легкости формовки или формовки называется пластичностью, которая тесно связана с пластичностью, но обратна эластичности.
Пластичность материала – это его способность подвергаться некоторой остаточной деформации без разрушения (хрупкости). Это свойство металла позволяет ему деформироваться неупруго; без разрушения они не восстанавливают свою первоначальную форму и размер при снятии приложенной нагрузки.
В этом случае металл подвергается определенной степени деформации без разрушения.
После того, как будет превышен диапазон упругости, только тогда произойдет пластическая деформация.
Пластичность используется в нескольких процессах, таких как формование, формование, экструдирование и многие другие виды горячей и холодной обработки металлов, постоянно увеличиваясь с повышением температуры, что является благоприятным свойством металла для процессов вторичной формовки.
Благодаря этому свойству различные металлы теперь можно трансформировать и превращать в разные изделия нужной формы и размера. На это преобразование в желаемую форму и размер влияет либо приложение давления, тепла, либо и то, и другое.
Твердость
Способность материала выдерживать постоянное изменение формы под действием внешней силы называется твердостью.
Определяется также как способность металла сопротивляться локальному проникновению индентора специальной формы и материала при заданной нагрузке, царапанью, истиранию или любому другому механическому разрушению более твердым веществом.
Определение твердости металла жизненно важно для определения его прочности и качества термической обработки.
Твердость металла прямо пропорциональна прочности на растяжение и может быть измерена с помощью следующих испытательных машин:
Brinell : один из самых популярных типов машин для определения твердости материала, при котором закаленный стальной шарик вдавливается в поверхность образца. Он обеспечивает число твердости по Бринеллю (BHN) как значение твердости металла.
Твердомер по Роквеллу : Этот тест рассчитывается на основе разницы между глубиной, на которую контрольная точка погружается в металл под действием легкой нагрузки, и глубиной, на которую она погружается под действием тяжелой нагрузки.
Прибор для определения твердости по Виккерсу : непосредственно считывает, когда алмаз вдавливается в металл.
Шор-склероскоп : в этом тесте используется небольшой молоток с алмазным наконечником, который падает под действием собственного веса, который отскакивает от поверхности образца, обеспечивая измерение твердости.
Прочность
Вязкость металла – это состояние, при котором он достаточно прочен, чтобы не сломаться при приложении значительной внешней силы.
Это также способность поглощать энергию вплоть до разрушения и сопротивляться ударам, ударам или любым силам деформации, таким как изгиб, скручивание, кручение и т. д.
Свойство ударной вязкости считается сочетанием высокой прочности и средней пластичности, но противоположностью хрупкости. Измеряется испытанием на удар.
Все пластичные материалы, такие как сталь и стальные сплавы (марганцевая сталь, кованое железо, низкоуглеродистая сталь и т. д.), являются прочными материалами, которые могут выдерживать значительные нагрузки, медленно или внезапно приложенные, и которые будут деформироваться перед разрушением.
Так сказать, самые прочные металлы труднее всего сломать.
Хрупкость
Способность металла противодействовать механической нагрузке без пластической деформации называется Хрупкостью. Это также вероятность того, что материал выйдет из строя или сломается при довольно небольшом ударе, силе или ударе.
Твердость и хрупкость напрямую связаны друг с другом, так как твердость металла увеличивается, а вместе с ним и его хрупкость. С другой стороны, это противоположность пластичности и пластичности.
Хрупкий материал трескается таким образом, что его можно собрать без какой-либо деформации, не может быть постоянно деформирован видимым образом или не обладает пластичностью.
В основном хрупкие металлы имеют высокую прочность на сжатие, но низкую прочность на растяжение.
Жесткость
Жесткость, также известная как жесткость, представляет собой механическое свойство металлов, которое позволяет материалу сопротивляться упругой деформации или отклонению в пределах предела упругости.
Металл, который подвергается незначительной деформации или вообще не деформируется под действием внешней силы, имеет высокую степень жесткости.
Сталь более жесткая или жесткая, чем алюминий.
Жесткость конструкции важна во многих производственных процессах. Уровень жесткости часто является одним из основных свойств при выборе материала.
Для определения уровня жесткости для соответствующего металла будет рассчитан модуль упругости или модуль Юнга, который является мерой жесткости при нагрузках на растяжение и сжатие.
Чем выше значение модуля Юнга, тем жестче материал.
Пластичность
Вы пробовали согнуть кусок алюминиевой фольги? Одна вещь, которую вы можете легко заметить, это его способность оставаться таким.Это потому, что он пластичен.
Пластичность — это свойство металла, которое позволяет ему вытягиваться в тонкую проволоку и постоянно изгибаться, скручиваться, прокатываться или выдавливаться или подвергаться иным манипуляциям под действием растягивающего напряжения, чтобы изменять свою форму без разрушения или растрескивания и сохранять измененную форму. после сброса нагрузки.
Пластичность металла можно определить по испытанию на растяжение, где определяется процент удлинения.
Мягкая сталь, медь, алюминий и цинк считаются хорошими примерами пластичных металлов.
Пластичность
Компаниям-производителям необходимо вывести металлы за пределы своих возможностей, чтобы сформировать новые формы и стать новым полезным продуктом. Вот где пластичность имеет хорошее применение.
Это свойство металла показывает, насколько легко можно перемещать материал, не ломая его. Это также относится к сжимающим напряжениям, как при правке, ковке и прокатке металлов в тонкие пластины и листы любых других размеров и форм.
Пластичность — это еще одна форма пластичности, которая позволяет материалу постоянно деформироваться при сжатии без разрушения.
Благодаря высокой пластичности алюминия
он так широко используется для изготовления тонкой фольги.
Поскольку поведение металла изменяется в зависимости от температуры, металл может иметь хорошую пластичность или ковкость при высоких температурах, но плохую пластичность или ковкость при комнатной температуре.
Вот почему кузнецы нагревают изделия на основе железа до свечения, прежде чем придать им форму.
Различные металлы, такие как золото, серебро, олово, кованое железо, стальные сплавы, мягкая сталь и свинец, являются хорошими примерами металлов, обладающих высокой ковкостью.Золото обладает превосходной ковкостью, что позволяет его скатывать в листы, достаточно тонкие для пропускания света.
Сплоченность
Это механическое свойство металла, благодаря которому металл сопротивляется разрушению на фрагменты.
Когезионная прочность материала — это сила связи между частицами или поверхностями, из которых состоит этот материал (Кеари, 1996). Когезионная прочность — это, более конкретно, собственная прочность на сдвиг плоскости, в которой нет нормального напряжения.
Ударная вязкость
Ударная вязкость – это способность металла сопротивляться внезапно приложенным внешним силам. Ударная вязкость металла оценивает способность металла сопротивляться ударам.
Некоторые металлы могут обладать адекватным уровнем пластичности при статических нагрузках, но могут разрушаться при динамических нагрузках или ударах.
Ударная вязкость может быть определена путем измерения энергии, поглощаемой при разрушении, с помощью следующих тестов:
Испытание по Шарпи : используется образец, представляющий собой балку, поддерживаемую с обоих концов и имеющую надрез в центре.Образец помещают на подставки и ударяют маятником по стороне, противоположной надрезу. Точность и расположение выемки имеет огромное значение. Есть несколько типов образцов Шарпи; тип V-образного выреза является наиболее популярным.
Тест по Изоде . В этом испытании используется маятниковая испытательная машина, рассчитанная как произведение веса маятника на высоту, на которой маятник отпускается, и на высоту, на которую маятник качается после удара об образец.
Усталость
Усталость представляет собой склонность к разрушению при циклической нагрузке или отсутствие достаточной мощности, чтобы выдерживать многократное и/или непрерывное приложение и снятие напряжения.
Компоненты станков должны выдерживать такое значительное усталостное напряжение, и это необходимо учитывать при проектировании компонентов станков, высокоскоростных авиационных двигателей и турбин, где ожидается, что они будут работать в течение длительного времени при циклических нагрузках.
Ползучесть
Ползучесть определяется как медленная и прогрессивная деформация во времени при постоянном напряжении или разрушение или разрушение материала при постоянном напряжении при высокой температуре в течение определенного периода времени.
Сила для заданной скорости деформации при постоянной температуре представляет собой сопротивление ползучести материала. Наиболее простым видом деформации ползучести является вязкое течение.
Некоторые металлы обычно демонстрируют ползучесть при высокой температуре, в то время как пластик, резина и подобные аморфные материалы очень чувствительны к температуре ползучести.
Заключение
Знание механических свойств металлов действительно очень важно для создания высококачественного проекта, в котором вы можете полностью гарантировать безопасность и стабильность.
Это позволит вам, как сварщику, определить диапазон полезности металла и качество обслуживания, которое можно ожидать от него. Это, безусловно, поможет вам построить безопасную и прочную конструкцию, отвечающую техническим требованиям.
Когда вы планируете выполнять проект, обязательным является тщательный анализ окружающей среды, в которой будет работать продукт, включая температуру, влажность, требования к нагрузке и поиск баланса между каждым механическим свойством.
Другим фактором, который следует учитывать, является предполагаемое использование продукта.
Заручитесь тем, что вы хотите ожидать от проекта, который вы планируете сделать. Перед выбором сплава убедитесь, что учтены все соответствующие факторы.
Мы очень надеемся, что смогли помочь вам разобраться в ваших сомнениях и вопросах относительно механических свойств металлов.
Ресурсы :
Механические свойства технической керамики
Обзор
Наиболее популярными «сверхспособностями» технической керамики CoorsTek являются ее механические свойства.Усовершенствованные керамические материалы разработаны так, чтобы превосходить металлы и полимеры. Высокоэффективные механические прочности включают в себя твердость, износостойкость, жесткость, плотность, вязкость разрушения и другие механические требования, характерные для конкретного применения, которые часто превышают требования к стали, сплавам и пластмассам.
Механические свойства технической керамики
Твердость
ГПа (кг/мм ² )
Техническая керамика CoorsTek известна своей исключительной твердостью.Наши материалы тверже всех известных металлов и природных материалов, за исключением алмаза. Срок службы керамических компонентов нередко увеличивается в 10–100 раз по сравнению с обычными металлами. Чем тверже материал, тем более он устойчив к локализованной остаточной деформации от вдавливания или истирания. Мы наблюдаем «макро» твердость на видимых поверхностях, но обычно она связана с сильными межмолекулярными связями на «микро» уровне.
Жесткость
МПа
Усовершенствованная керамика очень жесткая и не поддается легкому изгибу.Это означает, что они обеспечивают исключительно жесткие и стабильные размерные характеристики. Фактически, керамика CoorsTek обеспечивает одно из самых высоких соотношений жесткости к весу для требовательных и легких приложений. Металлы часто деформируются, ползут или деформируются во время механической обработки или термоциклирования. Полимеры имеют тенденцию терять свою форму под давлением или даже при старении. Прочность на изгиб — это эффективная прочность материала при нагрузке на изгиб — комбинация прочности на сжатие (при сжатии) и прочности на растяжение (при разрыве).
Плотность (удельный вес)
г/см2
Техническая керамика значительно легче высокопрочных металлов, как правило, в два раза легче сопоставимых металлических деталей. Многие транспортные, аэрокосмические, машиностроительные и бронетехника выигрывают от меньшей массы. Облегчение транспортных средств повышает производительность, повышает эффективность использования топлива и снижает затраты на энергию в течение всего срока службы транспортного средства. Уменьшение инерции во вращающемся оборудовании и станках может значительно уменьшить центробежные силы, обеспечивая более высокие скорости и более длительный срок службы.
Прочность на излом
K(l c)
Некоторые передовые керамические материалы разработаны для повышения ударной вязкости, способности материала сопротивляться разрушению. Вязкость разрушения измеряет количество энергии, которое материал может поглотить до разрушения. Прочность, как правило, выше для пластичных материалов, таких как полимеры и большинство металлов, потому что как упругая (обратимая), так и пластическая (необратимая) деформации позволяют этим материалам поглощать большое количество энергии. CoorsTek разрабатывает керамику для тяжелых условий эксплуатации с повышенной стойкостью к излому.
Определение анизотропных механических свойств материалов, обработанных методом лазерной сварки в порошковом слое
Повышение эффективности аддитивного производства и проектирование высокооптимизированных структур требуют правильного понимания поведения материала. В этом исследовании предлагается новый экспериментальный метод, с помощью которого можно оценить анизотропные механические свойства аддитивно изготовленных материалов. Процедура основана на испытании на растяжение плоских образцов, изготовленных методом лазерной сварки в порошковом слое (LPBF) при различных ориентациях относительно рабочей пластины.В этом исследовании процедура была применена к сплаву Inconel 718. Были построены три идентичных набора образцов, каждый из которых прошел дополнительную обработку после обработки. Испытания на растяжение проводились на образцах с исходной поверхностью. Корреляция цифровых изображений использовалась для регистрации эволюции поля деформации на двух перпендикулярных поверхностях растянутых образцов под нагрузкой. Также предлагается алгоритм оптимизации для определения констант анизотропной упругости с использованием лишь нескольких результатов испытаний на растяжение.Было замечено, что как ориентация сборки, так и постобработка оказывают сильное влияние на анизотропные механические свойства материала. Влияние микроструктуры также было исследовано и охарактеризовано. Следовательно, были построены три трансверсально-изотропные матрицы податливости, отражающие влияние различных условий обработки.
1. Введение
Большинство коммерческих технологий аддитивного производства (АП) позволяют производить материалы с относительно высокой плотностью и хорошими механическими свойствами, близкими к классическим методам обработки.Возможность изготовления изделий сложной геометрии с помощью аддитивного производства открыла новые возможности, такие как «оптимизация топологии» и «проектирование для аддитивного производства (DfAM)», а также открыла новую главу в ориентированном на производительность проектировании компонентов. Несколько проблем, таких как анизотропное поведение [1–6] и эффекты этапов постобработки [7–10], необходимо решить на этапе проектирования, чтобы раскрыть весь потенциал AM. Несмотря на эти факты, большинство современных алгоритмов генеративного проектирования используют изотропные модели материалов или глобально однородные и бездефектные свойства [11–13].Таким образом, мы предлагаем методологию калибровки моделей анизотропных составных материалов, основанную на систематических механических испытаниях и фактических состояниях поверхности. Inconel 718 (IN718), обработанный методом лазерной плавки в порошковом слое (LPBF), является материалом и процессом выбора в этом исследовании.
1.1. Определение констант упругости — трансверсально-изотропные упругие материалы
Анизотропную упругость можно смоделировать с помощью обобщенного закона Гука. Если предположить, что материал является трансверсально-изотропным, то есть изотропным в плоскости XY , закон Гука можно выразить как [14]
Модули и можно найти с помощью стандартных испытаний на растяжение.Модуль сдвига в плоскости изотропии можно выразить как [14]
можно рассчитать с помощью испытания на внеосевое растяжение для определения на образце, построенном в плоскости XZ с поворотом ϕ = 45° о оси Y . Это , предполагая пренебрежимо малую деформацию сдвига, затем можно использовать для расчета , используя следующее уравнение [15]: где главные направления 1 и 2 соответствуют Y и Z соответственно, и представляет собой измеренный модуль упругости в выключенном состоянии. испытание на растяжение оси.Обратите внимание, что их можно определить только с помощью теста на внеосевое растяжение, если выполняется следующее неравенство [15]:
Другой подход к определению упругих констант заключается в реализации задачи как задачи оптимизации путем минимизации функции нескольких переменных и ограничений. . Предлагаемое решение для этого представлено в Разделе 2.4.
1.2. Инконель 718
IN718 был разработан с целью улучшить свариваемость и сопротивление растрескиванию под действием деформации. Это закаливаемый сплав Ni-Fe-Cr, в котором используются выделения Ni ₃ [Al,Ti] (фаза γ ′, ГЦК) и Ni ₃ Nb (фаза γ ″, ОЦК). повысить устойчивость к растрескиванию из-за медленной кинетики образования этих составляющих.Известно, что этот сплав обладает превосходными коррозионными и усталостными свойствами при температуре эксплуатации до 760°С [16]. Типичные композиции в IN718 для изготовленных изготовленных и порошковых материалов приведены в таблице 1.
94–253 Бал5
CR FE AL MO NB (+ TA) Ti
мас.%, промышленная ковка 53 19 18.5 0,5 3,0 5,1 0,9
мас.%, технический порошок 50–55 0.2-0.8 0.2-0.8 2.8-3.3 4,75-5.5 41257 0.6-1.1 0.6-1.1
Осадки в основном согласованы с матрицей Austenite, которая увеличивает механическую прочность материала путем совместное деформирование с матрицей при различных условиях нагружения.Однако некоторые выделения могут отрицательно сказаться на характеристиках этих сплавов, особенно когда они подвергаются воздействию высоких температур в течение относительно длительного периода времени [18]. На рис. 1 показаны рассчитанные и экспериментально полученные диаграммы ТТТ для IN718, которые будут использованы для определения цикла термообработки далее в этой работе. Кинетика и термодинамика образования выделений γ ′ и γ ″ на этих диаграммах аналогичны; γ ′ образуется в несколько более высоком диапазоне температур, что свидетельствует о важности точного контроля температуры в процессе старения.Несмотря на то, что как расчетные, так и экспериментально определенные кривые ТТТ относятся к номинальному материалу IN718, небольшое изменение химического состава может привести к расхождению между двумя подходами при исследовании точной кинетики образования γ ′ и γ ″. Помимо твердорастворного упрочнения, прочность может быть получена за счет образования в этом сплаве фазы γ ″. Фаза γ ′ является хрупкой, и ее образование менее предпочтительно для повышения высоко- и низкотемпературной пластичности.Другие хрупкие фазы, такие как δ , также могут образовываться при длительном воздействии повышенных температур. Поэтому температура эксплуатации этого сплава ограничена образованием фаз δ и σ .
1.3. Аддитивное производство инконеля 718
При лазерной плавке в порошковом слое (LPBF) отправной точкой является уплотненный слой порошкового материала, обычно предварительно сплавленного, который плавится локально с использованием регулируемого лазерного источника тепла. Современные передовые машины наносят порошок слоями толщиной от 30 до 200 мкм мкм [21, 22].Выбор толщины слоя является компромиссом между скоростью сборки и качеством детали, а выбранная толщина слоя является точкой безубыточности для достижения наилучшей скорости сборки с удовлетворительным качеством [23, 24].
Существует несколько особенностей, которые могут вызывать анизотропию в аддитивных материалах. Пористость и форма пор [25], микроструктура и текстура [26–29] и качество поверхности [30, 31] материала AM являются одними из наиболее часто упоминаемых причин анизотропного поведения. Предыдущие исследования зафиксировали анизотропные свойства различных термообработок лазерного сплавления Inconel 718 в порошковом слое [11, 32–34].Упомянутые исследования не были ориентированы на определение анизотропных упругих свойств и, таким образом, исключали требуемые ориентации и механические свойства (т.е. коэффициент Пуассона).
Поскольку поверхность слоя порошка всегда устанавливается горизонтально и параллельно рабочей пластине, размещение компонентов под разными углами приведет к различным ориентациям роста зерен относительно локальной системы координат компонента. Следовательно, применение одних и тех же параметров процесса, включая стратегию лазерного сканирования, вызовет эволюцию несопоставимых кристаллографических текстур в зависимости от ориентации построения [35].Если не принимать во внимание поверхностные эффекты, это явление является основным источником анизотропии в одном и том же материале, который обрабатывается с различной ориентацией сборки. На рис. 2 сравниваются два возможных направления роста зерен, вызванные различными параметрами строения. Предполагается, что эти зерна подвергаются двухосной нагрузке в указанном направлении, обозначенном F . Также предполагалось, что зерна находятся на одной стороне ванны расплава, и существует симметрия в росте, показанная аннотацией по центральной линии C _L .Кроме того, локальная система координат в каждом произвольном месте вдоль зерна указывается на поперечной плоскости с ориентацией <100> в качестве вектора нормали. На рис. 2(а) схематично показана медленная скорость охлаждения, а на рис. 2(б) — более высокая скорость охлаждения. Последний является доминирующим случаем в LPBF. После затвердевания два разноориентированных зерна будут нагружены вдоль определенной ориентации кристалла. Следовательно, механическая реакция материала, по-видимому, будет различаться, если идентичные детали изготавливаются с разной относительной ориентацией по отношению к рабочей пластине.
Чой и др. [36], Ван и соавт. [37] и Keshavarzkermani et al. [38] входят в число исследователей, изучавших микроструктуру и текстуру IN718, обработанного LPBF. Во всех этих исследованиях матрица в основном состоит из γ зерен. Зерна были ориентированы почти в одном направлении, почти как монокристалл. Согласно опубликованному ими анализу дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD), зерна матрицы γ были ориентированы <100> параллельно направлению сборки.Азар и др. В работе [39] показано, что рост кубических кристаллов вдоль <100> соответствует направлению максимального теплового потока при сварке, которое в случае НДТ перпендикулярно слоям порошка. По данным Азара и др. [39], в зависимости от динамики источника тепла и кинетики затвердевания кристаллы могут двигаться по криволинейной траектории, при которой <100> вращается (рис. 2).
Мурр и др. В работах [40, 41] сообщается, что ГИП-обработка сплава IN718 значительно повышает пластичность материала, что связано со снижением остаточных напряжений и твердости выделений.Ван и др. [42] суммировали циклы термообработки, которые применялись предыдущими исследователями для IN718, обработанного АМ. Основной движущей силой оптимизации процедуры термообработки является максимизация образования полезных фаз при одновременном подавлении образования вредных.
2. Материалы и методы
Для исследования анизотропии материала IN718, полученного аддитивным способом, образцы для растяжения были изготовлены в различных ориентациях по отношению к горизонтальной рабочей пластине.В этом разделе будет обобщена вся цепочка от порошка до постобработки и тестирования.
2.1. Порошок IN718
Перед обработкой LPBF были исследованы морфология и химический состав порошка. Используемый порошок был из переработанной партии, которая была просеяна и обезвожена в соответствии со стандартными методами. Морфологию частиц порошка определяли на приборе Malvern G3 Morphology в режиме сухого диспергирования. Порошок был диспергирован на предметном стекле микроскопа, и частицы были захвачены для анализа одна за другой.При анализе было отсканировано около 33 000 частиц. Химический состав порошка определяли методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) с картированием в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ).
2.2. Параметры лазера и подготовка образцов
Образцы для испытаний на растяжение были изготовлены на машине LPBF (SLM 280 HL от SLM Solutions, установлена в 2014 г.) с технологическими параметрами для порошка IN718, предоставленными SLM Solutions [43]. Основные параметры процесса приведены в таблице 2.

Лазерная мощность, (w) толщина слоя, ( μ м) Шкава между люком, ( μ м) скорость сканирования, (мм / с)
50 120 805 805
5
Плотность образца связана с энергии в процессе LPBF [44], при этом энергия на площадь (Дж·м ⁻² ), определяемая как , где – мощность лазера (Вт), – скорость сканирования (м·с ⁻¹ ), а расстояние между люками (м).В этом исследовании формула плотности энергии будет использоваться для сравнения условий сборки с ранее опубликованными данными. Относительную плотность материала рассчитывали на полированных поперечных срезах материала с использованием оптической микроскопии и метода обработки изображений (программное обеспечение ImageJ).
Плоские образцы для растяжения были изготовлены в трех комплектах, каждый из которых состоял из 11 образцов, изготовленных с разной ориентацией. Ориентация образца относительно рабочей пластины начинается с горизонтальной (0°) и увеличивается до вертикальной (90°) с шагом 15°.На рис. 3 показана геометрия образца при растяжении, а на рис. 4 — ориентация 11 образцов для каждого набора. Геометрия и размеры образца изначально были разработаны для испытаний на растяжение на месте в СЭМ, что является последующим исследованием этой работы. Цвета соответствуют ориентации в Таблице 3. Образцы для растяжения не подвергались механической обработке после LPBF, так как целью исследования является оценка и классификация поведения компонентов LPBF с исходными поверхностями. В дополнение к образцам LPBF, некоторые эталонные образцы были изготовлены из прокатанного и состаренного IN718.

ZX З.Ы.
XZ YZ
XZ — 45B XY + 4 YZ + 45О
XY + 1 XY + 3 XY + 60B XY + 75B
Были разработаны три различных маршрута постобработки (обозначенных как «наборы»).Каждый маршрут применялся к полному набору ориентировок образцов. Таблицы 4-6 суммируют примененные параметры постобработки на основе инструкций, найденных в ссылке [45]. Аббревиатуры (S), (A) и (H) использовались для обозначения этапов постобработки при обработке раствором, старении и HIP соответственно. Обработку раствором проводили перед снятием образцов с рабочей пластины. HIP был выполнен Bodycote AB.
HT # Описание Условия Холдинг температура Время выдержки Охлаждение
1 Гомогенизация и раствор для обработки Аргон атмосфера.Быстрый отопление до целевой температуры 980 ° C 1 HR
205,5. Определение констант упругости с использованием цифровой корреляции изображений
Использование цифровой корреляции изображений (DIC) в сочетании с испытанием на растяжение [46] устраняет необходимость в тензодатчиках. Достаточно провести испытание в трех ориентациях, чтобы определить трансверсально-изотропную матрицу податливости. Однако, как показано в этом исследовании, необходимо увеличить количество ориентаций, чтобы зафиксировать механическую реакцию материала.Существуют и другие методы определения анизотропии, такие как магнитно-резонансная эластография [47] и наноиндентирование [48]. Однако эти методы зависят от местных свойств материалов и будут характеризовать только поверхностные поверхностные слои.
Коммерческая система DIC (Vic3D) использовалась для определения полей смещения во время испытаний на растяжение. Испытания на растяжение проводились с использованием разрывной машины Zwick, оснащенной тензодатчиком 50 кН. Скорость траверсы была установлена на 1 мм/мин.Площадь поперечного сечения каждого образца была измерена штангенциркулем с цифровым управлением и перепроверена с помощью DIC для учета любых отклонений от номинальных размеров. Кроме того, шероховатость поверхности была измерена с помощью интерферометрии белого света (WLI) для количественной оценки неопределенности измеренной площади поперечного сечения. Использовались две камеры (2452 × 2052 пикселя) с объективами Pentax 75 mm f/2.8. Камеры были установлены на треноге таким образом, чтобы две стороны растягиваемого образца были открыты для обеих камер.Эта установка позволяет фиксировать смещения вне плоскости и смещения в плоскости на поверхности образца. Корреляция выполнялась с подмножеством из 29 пикселей и размером шага 5 пикселей. Подробное описание установки DIC можно найти в ссылке [46].
Деформация Лагранжа была рассчитана с использованием программного обеспечения Vic3D, а средняя основная деформация и деформация сдвига были экспортированы для дальнейшей обработки в Matlab. При одноосном нагружении образца с расчетной длиной деформация Лагранжа может быть записана как
С учетом того, что площадь поперечного сечения изменяется при приложении нагрузки, и вводя как текущую ширину, так и начальную ширину, и аналогично для толщина , напряжение может быть выражено как или через деформацию, где нижний индекс обозначает осевое направление: Деформации Лагранжа [46] в поперечных направлениях для всех точек текущего сечения двух АОИ соответственно.После этого напряжение Коши использовалось для определения модулей Юнга образца в направлении нагрузки в соответствии с ASTM E111. Коэффициенты Пуассона определяли в соответствии с ASTM E132. С учетом всех рассчитанных членов матрица податливости может быть построена для трансверсально-изотропного материала на основе уравнения (1) с цветовыми кодами, соответствующими образцам на рисунке 4.
2.4. Определение констант упругости с помощью алгоритма оптимизации
Для определения данных об анизотропном материале с помощью прямых измерений требуется большой набор данных для устранения случайных ошибок в измерениях.Для повышения достоверности измерений и сокращения количества испытуемых образцов реализован алгоритм оптимизации. Этот алгоритм определяет константы упругости как дополнительное решение для прямого измерения с использованием ДИК. Как будет показано в этой статье, преимущество определения констант упругости с помощью такой оптимизации заключается в том, что данные будут менее уязвимы к шуму при измерении деформации, поскольку алгоритм одинаково взвешивает все пары напряжение-деформация.
В этом исследовании набор измеренных напряжений и соответствующих деформаций известен для образцов при растяжении по отношению к основному направлению материала.Был реализован алгоритм оптимизации для оптимизации матрицы соответствия.
Рассмотрим трансверсально-изотропный случай, для которого закон Гука можно выразить как уравнение (1). Каждая пара деформации и напряжения связана матрицей податливости и матрицей преобразования, полученной, например, на стр. 54–55 в Ting [14]. Закон Гука преобразуется в , где , и , что приводит к . и представляют собой преобразованную и исходную матрицы соответствия.
В текущем исследовании тензор деформации Лагранжа измеряется непосредственно с помощью ДИК.Было обнаружено, что сдвиговое напряжение и деформация незначительны, что позволяет использовать процедуру, описанную в уравнении (3), для расчета модулей сдвига. Когда связь между напряжением и деформацией установлена, тензор деформации может быть выражен как где тензор напряжения Коши из уравнения (7). Цель задачи оптимизации состоит в том, чтобы минимизировать функцию стоимости. Обычной функцией стоимости для подобных задач является функция суммы квадратов, показанная в следующем уравнении:где измеренная деформация в упругой области.Такая задача оптимизации может быть реализована, например, с помощью функции fmincon в Matlab. Предполагается, что материал увеличивается в объеме и сжимается в поперечных направлениях при воздействии растягивающего напряжения. Это, в свою очередь, ограничивает коэффициент Пуассона в любой ориентации 0 < ν _ij < 0,5. Поскольку модули упругости в ориентациях 0°, 45° и 90° известны, задача сводится к определению коэффициентов Пуассона. Модули упругости в матрице податливости (уравнение (1)) известны и используются вместе с ограничениями на коэффициенты Пуассона для определения _зх .Модули сдвига определяются на основе уравнений (2) и (3).
2.5. Электронная микроскопия и анализ дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD)
Для исследования влияния условий постобработки на зернистую структуру с помощью РЭМ образцы были подготовлены с помощью механической шлифовки и полировки с последующим травлением. Для травления образцов использовали раствор глицерина. В интересах изучения кристаллографической текстуры и предпочтительных кристаллографических ориентаций был использован анализ EBSD.Для этого были отобраны образцы ZY с углом наклона 90° из комплекта 1 и комплекта 3. Эти образцы также были подготовлены с помощью механической шлифовки и полировки, однако вместо окончательного травления применялась Oxide Polishing Suspension (OP-S, 0,04 мкм мкм) от Struers. Образец EBSD был извлечен из боковой стенки этого образца. Картины обратного рассеяния были собраны в автономном режиме с использованием сверхнизковакуумного сканирующего электронного микроскопа FEI NOVA NANOSEM 650 с полевой эмиссией. Детектор EBSD (Oxford Instruments NordlysMax3) использовался для записи примерно 1000 автономных паттернов в секунду.Рабочее расстояние было установлено на 11 мм с углом наклона 70° под сильноточным электронным пучком. Ускоряющее напряжение пушки составляло 20 кВ. Площадь 800 мкм м × 800 мкм м сканировали с шагом 400 нм, накапливая кристаллографические данные по 4 миллионам точек для выбранной области.
3. Результаты
3.1. Характеристика порошка
На рис. 5 показаны статистические значения для анализа частиц. Рисунок содержит информацию об эквивалентном диаметре круга (CE), округлости с высокой чувствительностью (HS), соотношении сторон и удлинении для анализируемого порошка.Описание этих объектов дано в ссылке [49]. Кроме того, на рисунке показаны отдельные отдельные частицы вблизи пика распределения. Вертикальная ось на рисунке диаметра CE представлена в условных единицах (а.е.). Вертикальная и горизонтальная оси на рисунке гистограммы отражены в верхнем и левом рисунках на рисунке 5.

На рисунке 6 показано картирование химического состава частиц. Некоторые частицы богаты содержанием Al-Co-Ni и обеднены другими элементами.Несмотря на наличие локальных неоднородностей в химическом составе частиц, массовый состав порошка находится в пределах спецификаций паспорта IN718.
3.2. Микроструктура
На рис. 7 показаны СЭМ-изображения растянутого образца XY + 45B из набора 1 в трех местах. Наблюдаемые ступени являются результатом эффекта «ступенчатости», а расстояние между каждой ступенькой, перпендикулярной странице, является высотой слоя. Ступени краев измерялись непосредственно на фигуре, а высота слоя рассчитывалась исходя из известного номинального наклона (45°).Высота слоя также проверялась и сравнивалась как путем фокусировки сканирующего электронного луча микроскопа на каждые две соседние ступеньки, так и путем измерения по поперечному сечению. Результаты таблицы в таблице 7.

HT # Описание Условия Температура выдержки Время выдержки Охлаждение
1 Гомогенизация и обработка раствора Атмосфера аргона.Быстрый нагрев до заданной температуры 980°C 1 час Охлаждение на воздухе
2 Старение Вакуум/атмосфера аргона. Быстрый нагрев до заданной температуры 720°C 8 часов Охлаждение в печи до 620°C в течение 2 часов
3 Старение в атмосфере Вакуум/аргон. Быстрый нагрев до целевой температуры 620 ° C 8 HR 80433
HT # Описание Условия Температура выдержки Время выдержки Охлаждение
1 Гомогенизация и обработка раствора Атмосфера аргона.Быстрый нагрев до целевой температуры 980 ° C 1 HR Air Cool 2 2 100 MPA 1160 ° C 4 HR Air Cool
3 Старение Атмосфера вакуума/аргона. Быстрый нагрев до заданной температуры 720°C 8 часов Охлаждение в печи до 620°C в течение 2 часов
4 Старение в атмосфере Вакуум/аргон.Быстрый нагрев до заданной температуры 620°C 8 ч Воздушное охлаждение

сайт слои Общая ширина ( μ м) Ширина одного слоя ( μ м) Высота слоя ( µ м)
a 13 2379 3 3 9.25330 49,0
б 10 1816 181,6 48,7
с 8 1436 179,5 48,1
На рис. 8 показаны микрофотографии СЭМ с большим увеличением образца из набора 1. На рис. 8(а) показаны линии сплавления вдоль направления сборки, а на рис. 8(б) показаны пластины γ + γ ″ структуры при большем увеличении.Белые и синие стрелки показывают некоторые типичные дефекты матрикса, возникающие в результате отсутствия слияния и микросегрегации в междендритных областях соответственно.

СЭМ-микрофотографии состаренных образцов (НАБОР 2) на рисунке 9 показывают дендритные ламели и границы зерен δ / η -фазовая эволюция после старения.

Рисунок 10(a) иллюстрирует условия сбора данных для исследования EBSD. Направление построения вдоль Y 0 на рисунке, оставляя слои LPBF перпендикулярными Y 0.На рис. 10(b) представлена обратная полюсная фигура Y 0 (IPF- Y 0) области сканирования. В этом кадре к северу от рисунка — X 0, а к востоку от кадра — Y 0. Набор данных был повернут на 90° против часовой стрелки, чтобы правильно передать текстуру материала.
На рисунках 11(a) и 11(b) показаны обратные полюсные фигуры области сканирования для образцов из набора 1 и набора 3. Можно видеть, что предпочтительная ориентация {100}<100>|| Y 0 доминирует в наборе 1 в результате условий сборки.Другими словами, семейство плоскостей {100} предпочтительно ориентировано в направлении сборки, если образец установлен под углом 90° по отношению к платформе сборки. Следы текстурных составляющих в образцах из набора 3 все еще видны. Однако из-за обширной рекристаллизации и старения после постобработки (HIPing + старение) текстура ослабляется. Это можно наблюдать, сравнивая плотности кластеризации ориентаций в легенде обоих рисунков.
На рис. 12 показано пространство функции распределения ориентаций (ФРО) области сканирования для образца из набора 1.Идеальный компонент текстуры <100>|| Y 0 также нанесен в каждом сечении. Видно, что горячие точки на разных участках угла Эйлера ϕ 2 хорошо совпадают с представленной идеальной ориентацией, что свидетельствует о преобладании в образце текстурной составляющей.

3.3. Механические свойства
Измеренная относительная плотность составила 99,97% (набор 1) и 99,98% (набор 3). На рис. 13 показаны зависимость напряжения Коши от деформации Лагранжа для набора 1 (а), набора 2 (б) и набора 3 (в) с последующей обработкой, как описано в таблицах 4–6 соответственно.
На рис. 14 показан модуль упругости для комплекта 1 (а), комплекта 2 (б) и комплекта 3 (в) для всех ориентаций сборки. Столбики погрешностей указывают стандартное отклонение поля деформации, зафиксированное DIC, в каждом образце. Из-за поверхностных эффектов и пористости поле деформации на каждом образце не является однородным. Модули упругости определяются для средней деформации (прямоугольник) и для средней деформации плюс/минус стандартное отклонение (планки погрешностей).
На рис. 15 показаны предел текучести (a), предел прочности при растяжении (b) и удлинение при разрыве (c) для всех ориентаций сборки и условий термообработки.При определении соответствующих свойств учитывают среднюю деформацию каждого образца. Среднее значение эталонных образцов указано зеленой линией.
Свойства растяжения образцов IN718, изготовленных компанией LPBF, усредненные по всем ориентациям сборки, показаны в Таблице 8. Для сравнения в скобках приведены значения эталонных образцов (обработанных из прокатанного и состаренного IN718).
7 E 7 E (GPA) UTS (MPA) UTS (MPA) Урожайность нагрузки (MPA) Удлинение на разрыв (%)
Набор 1 149 ± 40 970 ± 74 970 ± 74 970 ± 74 504 ± 30 26 ± 6 26 ± 6
Набор 2 181 ± 24 (193 ± 9) 1286 ± 52 (1364 ± 21) 1085 ± 106 (1116 ± 27) 5 ± 2 (26 ± 5)
набор 3 184 ± 30 1201 ± 63 933 ± 67 9 ± 4 9 ± 4
3.4. Эластичные константы
Упругие константы, предполагая поперечную изотропию, приобретенные из полей DIC напряжения, приведены в таблице 9.
E
Упругие константы Набор 1 (S) 2 (S + A) набор 3 (S + H + A)
4 XX (GPA) 194 206 217
E E ZZ (GPA) 182 201 201 201 9 ν 9124 XY XY 0.4339 +0,4748 0,4718
ν _XZ (-) 0,4029 0,3650 0,4019
ν _гх (-) 0,3909 +0,2045 0,2172
G _XZ (ГПа) 47 48 55
G _х (ГПа) 68 65 75
В табл. 10 приведены константы упругости, полученные с использованием алгоритма оптимизации, описанного в разделе 2.4 в предположении поперечной изотропии.

Эластичные константы Набор 1 (S) Набор 2 (S + A) Набор 3 (S + H + A)
Х _хх (ГП) 194 206 217
Е _ZZ (ГП) 182 201 201
ν _ху (–) 0.3612 0,4994 0,3888
ν _XZ (-) 0,3158 0,4999 0,4563
ν _гх (-) 0,3745 0,4877 0,4927
G _XZ (ГПа) 31 56 49
G _х (ГПа) 71 69 78
Важно отметить, что существуют неопределенности, связанные с вычисленными константами упругости.Постоянные упругости определяются из расчетного напряжения (уравнение (7)), которое является функцией начальной площади поперечного сечения, текущей поперечной деформации и приложенной силы. Измеренная шероховатость поверхности составляет менее Ra = 1 мкм м для образцов с углом наклона 0°, при этом максимальное значение наблюдается у образца, ориентированного под углом 15°, с Ra = 16 мкм мкм. Затем шероховатость уменьшается до Ra = 5 мкм м по мере подъема образцов на 90°. HIP снижает шероховатость самых шероховатых поверхностей примерно на 60%.Максимальная погрешность измерения площади начального поперечного сечения из-за шероховатости поверхности составляет порядка 80 µ м ² , или 0,002% от номинального сечения, что вносит незначительную погрешность. Стандартное отклонение поперечной деформации вносит гораздо больший вклад в неопределенность. Предполагается, что измеренное усилие является точным, за которым следует сертификат калибровки тензодатчика. Ошибка вычисленного напряжения может быть определена количественно путем введения неопределенности начальной площади поперечного сечения и стандартного отклонения поперечной деформации в уравнение (7).Средняя ошибка расчетного напряжения составляет 0,57 %, 0,19 % и 0,19 % для комплекта 1, комплекта 2 и комплекта 3 соответственно. Из-за малой погрешности для определения констант упругости использовались только средние значения.
4. Обсуждение
Представленные данные об анизотропных материалах и общая методология их получения обеспечивают основу для улучшенного численного моделирования (анализ методом конечных элементов) механического отклика компонентов, изготовленных методом LPBF без постпроизводственной обработки. Даже если требуется механическая обработка для обеспечения допусков и чистоты поверхности, сложные геометрические формы с большими недоступными площадями поверхности останутся самым слабым звеном, и это оправдывает метод получения механических свойств необработанных образцов, предложенный в данном исследовании.
4.1. Характеристики порошка, лазера и плотности
Несмотря на локальные неоднородности в масштабе частиц (рис. 6), общий химический состав порошка однороден. Дефекты, представленные на рис. 8(а), возникающие в результате металлургических явлений, таких как сегрегация или образование эвтектических фаз, возможно, могут быть связаны с локальным обогащением примесями, происходящими из частиц порошка, отличного от IN718. Например, наличие в порошке частиц, богатых алюминием (рис. 6), может привести к аномалиям, и, следовательно, правильная очистка оболочки сборки и узлов обработки порошка играет важную роль в обработке LPBF.Несмотря на переработку, морфология и химический состав порошка сохранились в хорошем состоянии (рис. 5), а измерения морфологии не выявили серьезных отклонений от спецификаций исходного порошка. Высота слоя после обработки материала уменьшилась на 2–4 % при сравнении измеренных значений в таблице 7 с номинальными значениями в таблице 2. Источник таких различий может зависеть от нескольких параметров, таких как плавление и уплотнение порошка или усадка и разбавление. между каждыми двумя соседними слоями [50].С одной стороны, небольшая разница между измеренными и номинальными значениями свидетельствует об относительно высокой степени упаковки частиц порошка перед плавлением. С другой стороны, это также может означать ограниченное разбавление между двумя соседними слоями. Последний случай может быть пагубным, если низкое разбавление приводит к несплавлению между слоями и вызывает образование трещин. Отсутствие слияния редко обнаруживалось на исследованных больших площадях, хотя рис. 8(а) доказывает наличие таких аномалий. В этих случаях потребуется последующая HIP.Полное закрытие трещины будет зависеть от местного химического состава, местоположения и морфологии аномалии, типа газа, захваченного внутри полостей (пор), и параметров ГИП для данного конкретного материала. Следует отметить, что пористость в частицах порошка также может играть центральную роль в эволюции пористости после плавления, поскольку дефекты порошка могут сохраняться на протяжении всего процесса [51].
В этом исследовании энергия на площадь () составляла 2,85 МДж/мм ² (см. Таблицу 2). Цзя и Гу [52] достигли относительной плотности 98.4% с энергией на площадь 4,64 МДж/мм ² . Хлебус и др. [11] достигли относительной плотности свыше 99,7% с энергией на единицу площади 6,48 МДж/мм ² . Согласно представленным результатам в этой работе, высокая плотность может быть достигнута даже при низкой энергии на единицу площади по сравнению с применяемыми параметрами предшественника. Регулировка процесса для создания высокой энергии на единицу площади увеличивает базовую температуру и может привести к тому, что тепловой цикл затронет несколько слоев ниже последней поверхности сплавления.В зависимости от пиковой температуры и склонности материала к образованию новых фазовых составляющих или аномалий проведение процесса при высокой температуре может быть вредным. Более низкая энергия на площадь будет ограничивать протяженность зоны термического влияния (ЗТВ) в ранее сплавленных слоях.
4.2. Макро- и микроструктура
Помимо влияния топографии порошка и поверхности детали, микроструктура также играет важную роль в определении механических свойств. На рис. 8 и 9 показано, как может измениться микроструктура одного сплава при термообработке.Зерна эпитаксиально растут на протяжении нескольких слоев, прежде чем зарастут другими более крупными зернами. В микроструктуре видны дендритная картина затвердевания и структура ламелей γ + γ ″. Несколько ранних исследователей сообщали о наблюдениях выделений η и δ на границе зерен [42, 53, 54]. Их результаты единогласно предполагают, что небольшое количество этих двух фаз может улучшить чувствительность к надрезу и сопротивление распространению межкристаллитной трещины.Старение обработанного раствором IN718 уже показывает эти фазы в текущем исследовании, и его косвенное влияние на механические свойства показано на рисунке 9(a). Преимущество HIP в устранении аномалий обсуждалось ранее в разделе 4.1. Помимо уплотнения, во время ГИП при высокой температуре происходит рекристаллизация микроструктуры, что в значительной степени влияет на архитектуру зерен и их границ [53–55]. Согласно рис. 9(б), рекристаллизованные границы зерен выходят за первичные зерна γ , а последующее старение приводит к образованию выделений не только на рекристаллизованных зернах γ , но и на первичных зернах γ [26] .Наличие равномерно распределенных выделений, даже внутри зерен, по-видимому, в совокупности препятствует движению дислокаций и вызывает более равномерную реакцию материала, что видно при сравнении набора 1 с набором 2 и набором 3 на рисунке 14(а).
На рис. 10(b) также показано, что LPBF представляет собой направленный маршрут обработки, влияющий на структуру зерен, морфологию зерен и кристаллографическую текстуру материала. Предпочтительное выравнивание <100> вдоль направления сборки может ослабить материал, если он построен под углом.Показано, что аргумент криволинейного вектора теплового потока является доминирующим механизмом роста для высокой и низкой кинетики охлаждения [39]. Эволюция <100> вдоль направления сборки в первую очередь связана с малой толщиной слоя, заключающей в себе меньше зерен в каждом слое, и высокой скоростью обработки (т. е. скоростью лазерного сканирования), которая определяет диапазон кинетики роста зерен. В таких условиях, в отличие, например, от сварки, зернам не дается достаточно времени, чтобы загнуться за источником тепла (см.г., рис. 2(а)).
4.3. Механические свойства
Рассмотрим кривые напряжения-деформации, представленные на рис. 13. Старение (рис. 13(b) и 13(c)) увеличивает предел текучести и предел прочности при растяжении за счет удлинения по сравнению с нестареющими образцами на рис. 13. (а). ГИП перед старением несколько снизит предел текучести и предел прочности при растяжении и увеличит относительное удлинение (рис. 13(b) и 13(c)).
На рис. 14 показаны модули упругости для всех трех комплектов в зависимости от угла наклона образцов относительно рабочей платформы.Для набора 1 модуль упругости является самым высоким для образца, построенного под углом 0° по отношению к рабочей пластине. Затем она падает, когда образцы поднимают до 45°. Затем модуль упругости увеличивается по мере дальнейшего увеличения угла до 90°. Три измеренных значения для образцов под углом 45° составляют 167 ± 20,8 ГПа, 103 ± 19,5 ГПа и 176 ± 30,1 ГПа для ориентаций XZ -45B, XY + 45B и YZ + 45A соответственно. Возможное объяснение большой вариации данных 45° дано в разделе 4.4. Как видно на рисунке 14, старение значительно увеличивает модуль материала. Средний модуль составляет 149 ± 40 ГПа, 181 ± 24 ГПа и 184 ± 30 ГПа для набора 1, набора 2 и набора 3 соответственно.
Напомним, что микроструктура в наборе 1 в основном состоит из FCC γ -фазы с системой скольжения, и что материал имеет прочную волокнистую текстуру {100} (рис. 11 и 12). Рассмотрим, для аргументации, материал как монокристалл FCC. Затем модуль упругости в любом конкретном кристаллографическом направлении можно рассчитать с помощью следующего уравнения [56]: где и – модули в направлениях <100> и <111> соответственно, и , , и описывают единичный вектор в кристаллографической плоскости где , , и – направляющие косинусы относительно [100], [010] и [001].В данном исследовании нас интересует модуль в плоскости {100} при различных углах нагрузки. Вставка на рисунке 16 показывает плоскость {100} в кубической системе с единичным вектором , а синяя линия (уравнение (10)) показывает модули при различных углах нагрузки со значениями для E _<100>, превышающими чем E _<111> при измерении с помощью DIC для набора 1. Рассчитанный модуль на рисунке 16 хорошо согласуется с наблюдаемым поведением материала, как показано на рисунке 14(a).

Рисунок 15(а) показывает предел текучести для всех образцов в зависимости от угла сборки. Для комплекта 1 предел текучести максимален под углом 60° к рабочей пластине. Хотя размер выборки для набора 1 невелик и, следовательно, не является статистически значимым, кристаллографическая теория поддерживает наблюдаемые максимумы, близкие к теоретическим максимумам при 54°, как будет показано в следующем абзаце. В условиях старения и ГИП+старения разброс данных велик, и не наблюдается четких анизотропных трендов.Однако ясно, что средний предел текучести увеличивается по мере старения материала, а ГИП перед старением несколько снижает средний предел текучести.
Снова рассмотрим материал как монокристаллический FCC. Затем можно использовать фактор Шмида для описания анизотропного поведения по отношению к углу построения, как это ранее было сделано Ni et al. [32], для того же материала и процесса, что и в настоящем исследовании. Предел текучести можно выразить следующим образом: где — критическое разрешенное напряжение сдвига в системах скольжения, — угол между осевой нагрузкой и нормальным направлением плоскости скольжения, а — угол между осевой нагрузкой и направлением скольжения.Этот термин известен как фактор Шмида. С текущей системой скольжения и суммой до 90° и коэффициентом Шмида можно выразить как . Для набора 1 предел текучести и обратный коэффициент Шмида нанесены как функция угла сборки на рисунке 17. Столбики погрешностей представляют собой стандартное отклонение поля деформации для каждого образца. Общая тенденция для обратного фактора Шмида и предела текучести одинакова. Если материал не проявлял сильной текстуры, наблюдаемой в этом исследовании, для оценки деформации можно использовать фактор Тейлора вместо фактора Шмида.Однако с текстурой, представленной в настоящем материале, фактор Тейлора и фактор Шмида будут сопоставимы.

Тенденция предела текучести комплекта 1 соответствует коэффициенту Шмида, как показано на рисунке 17, с минимальным пределом текучести при угле 15° от рабочей пластины и максимальным пределом текучести при угле 60° из монтажной плиты. Для комплекта 2 и комплекта 3 такой тенденции не наблюдается.
После старения, а также после ГИП и старения средний предел текучести увеличивается до 1085 ± 106 МПа и 933 ± 67 МПа соответственно.Дисперсионное твердение, происходящее при старении, увеличивает предел текучести из-за закрепления границ зерен и прекращения движения дислокаций. Стандартное отклонение предела текучести уменьшается, когда HIP выполняется до старения, что указывает на эффект гомогенизации. Величина предела текучести также немного снижается, когда HIP выполняется до старения, скорее всего, из-за рекристаллизации и эволюции границ двойных зерен.
На рисунках 15 и 14(b) показана предельная прочность на растяжение для трех различных комплектов термообработки в зависимости от угла наклона.Опять же, очевидно, что старение увеличивает прочность материалов. Предел прочности при растяжении в наборе 1 значительно ниже по сравнению со старыми вариантами. Замечено, что предел прочности при растяжении ниже, когда материал подвергается обработке HIP, как это было в случае с пределом текучести. Дальнейший анализ предела прочности при растяжении для этого материала считается ненужным, поскольку его основное применение находится в аэрокосмической отрасли, где пластическая деформация будет рассматриваться как разрушение.
На рис. 15(с) показано удлинение при разрыве для трех различных комплектов термообработки в зависимости от угла сборки.Среднее удлинение при разрыве для комплекта 1 составляет 26 ± 5% с увеличением удлинения при разрыве по мере увеличения угла сборки. Такая же тенденция наблюдается и для термообработанных образцов, но величина удлинения при разрыве значительно снижается. Удлинение при разрыве для набора 3 (S + H + A) выше по сравнению с удлинением при разрыве для набора 2 (S + A). Это связано со снижением остаточных напряжений и твердости выделений после ГИП.
Угол между осевой нагрузкой и текстурой материала определяет характер разрушения.Для образцов на растяжение с основной осью нагрузки в плоскости рабочей пластины (0 °) столбчатые зерна перпендикулярны направлению нагрузки (см. механизмы роста в разделе 1.3), способствуя отказу типа I. Для образцов с главной осью вдоль перпендикуляра к рабочей пластине (угол построения 90°) столбчатые зерна обычно параллельны направлению нагрузки. Это ограничит возможность отказа режима I. Наименьшее удлинение при разрыве должно наблюдаться для образцов с углом 0° и постепенно увеличиваться до максимального значения для образцов с углом 90°.Эта гипотеза подтверждается данными, представленными на рис. 15(с).
Рассмотрим средние механические свойства для всех ориентаций в Таблице 8. Результаты для состаренных образцов (набор 2) хорошо сравнимы с результатами эталонных образцов (обработанных из прокатанного и состаренного IN718). Образцы комплекта 2 имеют средний модуль, предел текучести и UTS, которые составляют 94%, 94% и 97% от эталонных значений соответственно. Однако относительное удлинение при разрыве у эталонных образцов значительно выше, чем у образцов из набора 2.
4.4. Упругие константы
Упругие константы, приведенные в таблицах 9 и 10, могут использоваться непосредственно в анализе КЭ (например, Abaqus) для прогнозирования анизотропного упругого поведения общей трехмерной детали с определенной ориентацией построения. Затем модель обсуждается и проверяется путем моделирования с условиями нагрузки, имитирующими физические эксперименты. Первый подход к определению упругих констант, основанный на прямых измерениях ДИК, называется «методом ДИК», а подход, использующий алгоритм оптимизации, называется «оптимизированным методом».”
На рис. 18 показан модуль упругости, численно определенный методом DIC и оптимизированным методом, в сравнении с экспериментальными результатами для каждого режима термообработки (наборы 1, 2 и 3). При использовании метода DIC модуль упругости подчиняется полиному 4^{-го порядка}, как обсуждалось в предыдущем разделе (уравнение (10) с E (0°) > E (90°) > E (45 °)). Та же тенденция наблюдается и с оптимизированным методом, который более точно следует экспериментально определенным данным.Это результат того, что алгоритм оптимизации одинаково обрабатывает каждую отдельную пару напряжения/деформации, и, таким образом, высоким значениям при 45° придается меньший вес.
Экспериментально определенные модули упругости отклоняются от рассчитанных модулей с более высоким модулем для угла 45°, особенно для двух образцов с ориентацией XZ -45B и YZ + 45A, которые не просто поворачиваются из «плоской ”, например, XY + 45B (рис. 4 и табл. 3).Для ориентаций XZ -45B и YZ + 45A проекция поперечного сечения образца на ось Z (камеры построения) равна , где — ширина образца (2,5 мм в калибровочном сечении ). С другой стороны, для ориентации XY + 45B проекция поперечного сечения образца на ось Z равна , где – толщина образца (1,5 мм). При нагружении образцов с углом сборки 45° границы зерен либо выровняются с линией скольжения и вызовут разъединение, либо сформируются двойные субзерна, что приведет к пластичности, вызванной двойникованием [57].Экспериментальные результаты, показанные на рис. 18(а), могут указывать на то, что для ориентаций XZ -45B и YZ + 45A образуются субзерна, в то время как для XY + 45B зерна выровнены по линии скольжения и пластичности. выше. Хлебус и др. [11] сообщают значения модулей в условиях, обработанных только раствором (набор 1) с тенденцией E (45)° > E (0°) > E (90°), что соответствует активации линий скольжения под нагрузкой.Учитывая величину модулей для образцов, ориентированных под углами 15 °, 30 °, 60 ° и 75 ° в настоящем исследовании, данные предполагают наихудший сценарий, когда зерна выровнены по линии скольжения. Это, в свою очередь, даст более консервативную модель. Существуют также значительные различия между исследованием Chlebus et al. и настоящее исследование, когда речь идет о параметрах лазера, составе сплава и процедурах термообработки. Разброс данных E (45°) намного больше, чем разброс данных для E (0°) и E (90°) для всех трех наборов, что указывает на некоторый конкурирующий эффект, например тот, который описан в этом абзаце, может быть источником представленного несоответствия.
Используя метод DIC, расчетный модуль оказывается выше экспериментальных значений для углов 15°, 30°, 60° и 75°, что дает возможность переоценить жесткость компонентов со стенками и т. д., ориентированных в этом направлении. диапазон углов.
И метод DIC, и оптимизированный метод предсказывают модули выше наблюдаемых значений для 15°, 30°, 60° и 75°, за исключением набора 2 при 30° и набора 3 при 30° и 60°. Однако на оптимизированный метод не так сильно влияют очевидные выбросы при 15°, 60° и 75° по сравнению с методом ДИК.Это, в свою очередь, говорит о том, что оптимизированный метод менее чувствителен к шуму в данных. Для всех режимов термообработки оптимизированный метод дает более консервативную оценку модулей.
5. Выводы
(i)Продемонстрирован метод получения анизотропных (поперечно-изотропных) упругих постоянных для материала, обработанного методом лазерной плавки в порошковом слое (LPBF). Метод основан на построении набора образцов для растяжения, систематически ориентированных на рабочей пластине, и использовании цифровой корреляции изображений (DIC) во время испытаний на растяжение.Текущее исследование сосредоточено на реакции необработанных образцов, вдохновленных тем фактом, что в сложной геометрии AM последующая обработка может быть затруднена или даже невозможна. индуцирует механическую анизотропию. Поэтому следует соблюдать осторожность при ориентации компонентов в сборочной камере, чтобы максимизировать механические свойства. (iii) В этом исследовании представлены два подхода к определению анизотропных упругих констант.В будущем будут включены дополнительные экспериментальные данные, чтобы закрепить надежность и устойчивость определенных упругих констант. удлинение при разрыве показывает наибольшую зависимость от угла сборки. (v) Старение оказывает большое влияние на механические свойства; он улучшает модуль упругости, предел текучести и предел прочности при растяжении, но снижает удлинение при разрыве.Горячее изостатическое прессование (ГИП) перед старением увеличивает удлинение при разрыве за счет снижения модуля упругости, предела текучести и предела прочности при растяжении. Кроме того, HIP не уменьшает разброс механических свойств среди протестированных образцов, и свидетельства исходной структуры и текстуры все еще очевидны. (vi) Это исследование подтверждает, что обработка LPBF IN718 вводит текстуру, и изменение механических свойств может быть объясняется кристаллографическими теориями, такими как теория Шмида.
Доступность данных
Необработанные данные, необходимые для воспроизведения этих результатов, не могут быть переданы в настоящее время, поскольку данные также являются частью текущего исследования. Обработанные данные, необходимые для воспроизведения этих результатов, в настоящее время не могут быть переданы, поскольку данные также являются частью текущего исследования.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в связи с публикацией данной статьи.
Вклад авторов
Авторы Even W.Ховиг и Амин С. Азар внесли одинаковый вклад в эту работу.
Благодарности
Авторы выражают признательность Исследовательскому совету Норвегии (грант № 248243/проект MKRAM), GKN Aerospace Norway, Kongsberg Automotive Raufoss, Nammo Raufoss, OM BE Plast и Sandvik Teeness. Аддитивно изготовленные образцы для этого исследования были предоставлены PROMET AS. Термическая обработка HIP и старение были выполнены компанией Bodycote AB в Швеции. Иоахим Зеланд Графф, Мартин Фляйсснер Сундинг и Алаа Мурад из SINTEF получили огромную благодарность за их техническую поддержку.
Значения модуля Юнга, предела прочности при растяжении и предела текучести для некоторых материалов
Модуль упругости или модуль Юнга альт. Модуль упругости — это мера жесткости упругого материала. Он используется для описания упругих свойств таких объектов, как провода, стержни или колонны, когда они растягиваются или сжимаются.
Модуль упругости определяется как
«отношение напряжения (силы на единицу площади) вдоль оси к деформации (отношение деформации к начальной длине) вдоль этой оси»
Его можно использовать для прогнозирования удлинения или сжатие объекта до тех пор, пока напряжение меньше, чем предел текучести материала.Подробнее об определениях ниже таблицы.
9252 4 7
(сжатие)
4
9257 26 — 85 9252 926 9257 9257 85 9 1 257 502 Цинк 83
ABS PLASTICS 1.4 — 3.1 40
A53 Бесшовные и сварные стандартные стальные трубы — класс 331 207
A53 Бесшовные и сварные стандартные стальные Труба — сорт B 414 241 241 241 9100 400 248 248
A106 Бесшовные углеродистой стали трубы — сорт B 483
A106 бесшовные углеродистой стали трубы — класс C 483 286
3 345 207
A252 Piling стальной труб — класс 2 414 241
Стальная труба A252 для забивки свай — класс 3 455 310 310 310
A501 Hot сформированные углеродистой стали структурные трубки — класс 9253 400 248 400
A501 Hot сформированные из углеродистой стали конструкционные трубки — сорт B 483
A523 кабельная цепь стальной трубопроводы — сорт 331 201
9223 кабельная цепь стальные трубопроводы — сорт B 414 414 241 241
А618 Трубки — класс IA & IB 482524 483 345 345
A618 Hot-Fored высокопрочные низкосплавные конструкционные трубки — класс II 414 414 345
A618 Hot — Низколегированные конструкционные трубы — класс III 448 345
Линейная труба API 5L 310 — 1145 175 — 1048
Ацетали 2.8 65
Акриловые 3,2 70
Алюминий Бронза 120
Алюминиевый 69 110 95
Алюминиевые сплавы 70
Сурьма 78
Арамидные 70 — 112
Бериллий (Be) 287
Бериллий Медь 124
Висмут 32
Кость, компактный 18 170 +
(сжатие)
кость, губчатая 76
бора 9252 4 3100
Латунь 102 — 125 250
Латунь, морской 100
Бронзовый 96 — 120
САВ 0.8
Кадмий 32
углеродного волокна армированных пластиков 150
Углеродные нанотрубки, однослойные 1000
Чугун 4.5 % C, ASTM A-48 172524 170
целлюлоза, хлопок, дерева целлюлозы и регенерированные 80 — 240
ацетат целлюлозы, формованные 9257 12 — 58
Ацетат целлюлозы, листовой 30 — 52
Нитрат целлюлозы, целлулоид 50
Хлорированный полиэфир1 39
хлорированный ПВХ (ХПВХ) 2,9
Хром 248
Кобальт 207
Бетон 17
Бетон, высокая прочность (сжатие) 30
(сжатие)
медь 117 220 70
Riamond (C) 1220
Douglas Fir Wood 13
50
(сжатие)
Эпоксидная смола 3-2
Fiberboard, средняя плотность
Льняное волокно 58
Стекло 50 — 90 50
(сжатие)
армированный стекловолокном полиэфирной матрицы 17
Золото 74
Гранит 52
Графен +1000
Серый чугун 130
конопляное волокно 35
Инконель 214
Iridium 517
Iron 210 210
End 13.8
Металлический магний (Mg) 45
Марганец 159
мрамор 15
MDF — средней плотности фибролита 4
Ртуть
Молибден (Мо) 329
монель металла 179
Никель 170
Никель Серебро 128
Никель Сталь 200
Ниобий (ниобий) 103
нейлон-6 2 — 4 — 4 40433 45 — 90 45
Nylon-66 60 — 80
60 — 80425
11
Osmium (ОС) 550
Фенольные литой смолы 33 — 59
фенолформальдегидных компаунды 45 — 52
фосфористая бронза 116
сосновая древесина (вдоль зерна) 9 40
Платинового 147
плутоний 97
полиакрилонитрил, волокна 200
Полибензоксазол 3.5
Поликарбонаты 2,6 52 — 62
полиэтилена HDPE (высокой плотности) 0,8 15
Полиэтилентерефталат, ПЭТ 2 — 2,7 55
Полиамид 25 85 85
полиизопрен, Жесткий резина 39
Polymethylmethacrylate (PMMA) 2.4 — 3.4
полиимида ароматика 3,1 68
Полипропилен, ПП 1,5 — 2 28 — 36
Полистирол, ПС 3 — 3,5 30 — 100
полиэтилена, полиэтилена низкой плотности (низкой плотности) 0,11 — 0,45
политетрафторэтилена (ПТФЭ) 0,4
полиуретановые литые жидкости 10 — 20
Полиуретановый эластомер 29 — 55
Поливинилхлорид (ПВХ) 2.4 — 4.1
Калий
родий 290
Резина, малый штамм 0,01 — 0,1
Сапфир 435
Селен 58
кремния 130 — 185
карбида кремния 450 3440
Серебро 72
натрия
сталь, высокопрочный сплав ASTM A-514 760 690
сталь, нержавеющая AISI 302 180 860
сталь, структурный ASTM-А36 200 400 250
Тантал 186
Торий 59
Олово 47
титана
титанового сплава 105 — 120 900 730
Зубная эмаль 83
вольфрама ( Вт) 400 — 410
из карбида вольфрама (WC) 450 — 650
Уран 170
Ванадий 131
Кованое железо п 190 — 210
Вуд
1 Па (Н / м 2 ) = 1×10 ^-6 Н/мм ² = 1.4504×10 ^-4 PSI
1 MPA = 10 ⁶ PA (N / M ² ) = 0.145X10 ³ PSI (LB _F / в ²) = 0,145 ksi

1 GPA = 10 ⁹ N / M ² = 10 ⁶ N / CM ² = 10 ³ N / мм ² = 0.145×10 ⁶ PSI (LB _F / в ²)
1 MPSi = 10 ⁶ PSI = 10 ³ KSI

1 PSI (LB / в ² ) = 0.001 ksi = 144 psf (lb _f / ft ²) = 6,894,8 pa (n / m ²) = 6,895×10 ^-3 N / мм ²

загрузки и print Таблица конвертеров единиц натяжения
Примечание! — этот онлайн-конвертер давления может использоваться для преобразования единиц модуля упругости при растяжении.
Деформация —
ε
Деформация — это «деформация твердого тела из-за напряжения» — изменение размера, деленное на исходное значение размера — и может быть выражена как
ε = / L (1)
где

= штамм = штамм (м / м, в / in)
dl = удлинение или сжатие (смещение) объекта (м , дюйм)
L = длина объекта (м, дюйм)
Напряжение —
σ
Напряжение представляет собой силу на единицу площади и может быть выражено как
(2)
где
σ = напряжение (Н/м ² , фунт/дюйм) ^{2 900}
F = Применяемая сила (N, LB)

7 A
7 A
A
= напряжение площадь объекта (м ², в ²)
Раскрытие напряжения — стресс, который имеет тенденцию к растягивать или удлинять материал — действует нормально к напряженной области
сжимающее напряжение — напряжение, которое имеет тенденцию сжимать или укорачивать материал — действует нормально к напряженной области
напряжение сдвига — напряжение, которое имеет тенденцию к сдвигу материала — действует в плоскости напряженной области под прямым углом к сжимаемому или растягивающему напряжению
Модуль Юнга — модуль упругости при растяжении, модуль упругости —
E
Модуль Юнга может быть выражен как
E = напряжение / деформация
= Σ / ε ε

= (f / a) / (dl / l) (3)
, где
E = E = молодой модуль упругости (PA, N / M ², LB / в ², PSI)
Именован после 18-го века Английский врач и физик Томас Янг
Эластичность
Эластичность — это свойство объекта или материала, показывающее, как он будет восстанавливать свою первоначальную форму после деформации.
Примером упругого объекта является пружина: при растяжении она создает восстанавливающую силу, которая стремится вернуть ее к исходной длине. Эта возвращающая сила в целом пропорциональна растяжению, описываемому законом Гука.
Закон Гука
Чтобы растянуть пружину вдвое больше, требуется примерно вдвое больше силы. Эта линейная зависимость смещения на растяжку называется законом о растяжении и может быть выражена как
F _S = -K DL (4)
, где
F _S = усилие пружины (Н)
k = жесткость пружины (Н/м)
dL = удлинение пружины (м) к материалам, подвергающимся трехмерному напряжению (трехосное нагружение).
Предел текучести —
σ _y
Предел текучести определяется в технике как величина напряжения (предел текучести), которому может подвергаться материал перед переходом от упругой деформации к пластической деформации.
Разное
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *

Search for:
Рубрики
Отопительные котлы
Производственная промышленность
Рабочие станки
Технические данные
Характеристики
Экология леса
Разное
2019 © Все права защищены. Карта сайта

Основные механические свойства металлов и сплавов, особенности их определения

Основные механические свойства металлов

Металлы в природе и способы их добычи

Строение металлов и их физические свойства

Испытания механических свойств металлов

Изменение характеристик сплавов в зависимости от состава

Сплавы

Формирование элементарной кристаллической решетки сплавов

Строение металлов

Взаимодействие с неметаллами

Какими свойствами обладают металлы и сплавы

Признаки металлов

Классификация металлов

Черные

Цветные

Основные виды сплавов

Цинковые сплавы

Алюминиевые сплавы

Медные сплавы

Свойства сплавов

Физические свойства

Химические свойства

Механические свойства

Технологические свойства

Характеристики основных механических свойств металлов и сплавов и способы их определения

Основные механические свойства металлов

Физические свойства металлов

Как определить механические свойства?

Механические свойства металлов и сплавов

Назовите механические свойства металлов и сплавов

Механические свойства металлов

Оценка свойств

Конструкторская прочность металлов

Критерии оценки

Похожие материалы

Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости

II. Определение механических свойств металлов

III. Физические методы исследования

Способ определения механических свойств металлов

Какие свойства металлов относятся к механическим?

Механические свойства металлов и сплавов

Механические свойства металлов и сплавов: общий взгляд

Основные механические свойства

Таблица.1. Механические свойства основных промышленных сплавов

Основные механические свойства металлов

Механические свойства металлов

Оценка свойств

Физические свойства металлов

Конструкторская прочность металлов

Критерии оценки

Как определить механические свойства?

Механические свойства металлов

Основные механические свойства

Механические свойства металлов

Оценка свойств

Конструкторская прочность металлов

Критерии оценки

Механические свойства металлов

Для чего нужны знания механических свойств металлов

Значения механических свойств металлов и их описание

Критерии и методы оценки качества металлов

Механические свойства

Что такое Прочность?

Испытания на прочность

Упругость

От чего зависит упругость?

Пластичность

Пластичность — важное механическое свойство

Хрупкость

Твёрдость

Какие свойства металлов относятся к механическим?

II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

Механика II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

Читайте также

Способ определения механических свойств металлов

Обновление основ машиностроения: прочность, жесткость и твердость

Статистический анализ механических свойств магниевых сплавов

Реферат

2. Экспериментальный участок

3. Результаты и обсуждение