Механические свойства материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Механические свойства материалов

Испытания материалов на растяжение. Абсолютное и относительное удлинение. Диаграмма растяжения и диаграмма напряжений. Понятие о наклепе. Диаграмма напряжений для различных материалов

Следует отметить следующие основные методы проверки механических свойств:

1. Статическое растяжение;

2. Статическое сжатие;

3. Кручение;

4. Изгиб;

5. Ударная вязкость;

6. Усталость;

7. Трещиностойкость (вязкость разрушения);

8. Ползучесть;

9. Твёрдость.

Важным фактором является влияние термической обработки на механические свойства. Механические свойства должны рассматриваться в комплексе, с учётом конструкции, технологии и условий нагружения.

Существуют ещё параметры материала, связанные с изменением механических свойств при изменении температуры:

1. Термостойкость;

2. Хладноломкость.

Перед использованием, любой новый материал должен пройти ряд испытаний, в том числе и механическое испытание на растяжение.

При испытании материалов на растяжение строят график зависимости приложенной силы и изменения длины образца. На полученном графике можно отметить: Нагрузку, соответствующую пределу пропорциональности (P1). После этого предела график перестаёт изменяться по прямой пропорциональной зависимости. Нагрузку, соответствующую пределу упругости (P2) - наибольшая сила, при которой выполняется закон Гука. Нагрузку, соответствующую пределу текучести (Р3). После этого предела упругая деформация тела прекращается и начинается пластичная (необратимая) деформация. Нагрузку, соответствующую пределу прочности (P4). При такой нагрузке испытуемый материал разрушается.

Для испытания на растяжение применяют разрывные машины. Наиболее распространенными машинами являются: универсально-рычажные маятниковые машины Р-5, прессы Гагарина, машины ИМ-4Р (конструкция ЦНИИТМАШ), гидравлические прессы.

Рисунок 1 - схема машины: 1 и 2 -- зажимы машины; 3 -- винт нагружающего механизма; 4 -- рычаг; 5 -- маятник; 6 -- электродвигатель; 7 -- стрелка; 8 -- шкала; 9 -- перо для записи диаграммы растяжения; 10 -- диаграммный бараки; 11 -- зубчатая пара.

Все разрывные машины имеют механизмы для нагружения испытуемого образца, механизмы для измерения нагрузок, приложенных к образцам, и самозаписывающие приборы, вычерчивающие диаграммы растяжения.

Рисунок 2 - Стандартный образец для испытания на растяжение металлов

Абсолютное и относительное удлинение.

Пусть первоначальная длина нерастянутой проволоки составляла L₀. После приложения силы F проволока растянулась и ее длина стала равной L. Величину:

?L=L-L₀

называют абсолютным удлинением проволоки. Величину:

e= ?L /L₀

называют относительным удлинением тела. Для деформации растяжения e>0, для деформации сжатия e<0.

Обычно диаграмма растяжения является зависимостью приложенной нагрузки P от абсолютного удлинения ?L. Современные машины для механических испытаний позволяют записывать диаграмму в величинах напряжения ? (? = P/A₀, где A₀ -- исходная площадь поперечного сечения) и линейной деформации ? (? = ?L/L₀ ). Такая диаграмма носит название диаграммы условных напряжений, так как при этом не учитывается изменение площади поперечного сечения образца в процессе испытания.

Начальный участок является линейным (т. н. участок упругой деформации). На нём действует закон Гука:

Затем начинается область пластической деформации. Эта деформация остаётся и после снятия приложенной нагрузки. Переход в пластическую область обнаруживается не только по проявлению остаточных деформаций, но и по уменьшению наклона кривой с увеличением степени деформации. Данный участок диаграммы обычно называют площадкой (зоной) общей текучести, так как пластические деформации образуются по всей рабочей длине образца. С целью изучения и точного анализа диаграммы деформации, современные испытательные машины оснащены компьютеризированной записью результатов.

По наклону начального участка диаграммы рассчитывается модуль Юнга. Для малоуглеродистой стали наблюдается т. н. «зуб текучести» и затем площадка предела текучести. Явление «зуба» текучести связано с дислокационным механизмом деформации. На начальном участке плотность дислокаций является недостаточной для обеспечения более высокой степени деформации. После достижения точки верхнего предела текучести начинается интенсивное образование новых дислокаций, что приводит к падению напряжения. Дальнейшая деформация при пределе текучести происходит без роста напряжения . Зависимость предела текучести, от размера зерна, d, выражена соотношением Петча-Холла:

После достижения конца площадки текучести (деформация порядка 2 -2,5 %) начинается деформационное упрочнение (участок упрочнения), видимое на диаграмме, как рост напряжения с ростом деформации. В этой области до достижения максимальной нагрузки (напряжения (?_В) макродеформация остаётся равномерной по длине испытуемого образца. После достижения точки предела прочности начинает образовываться т. н. «шейка» -- область сосредоточенной деформации. Расположение «шейки» зависит от однородности геометрических размеров образца и качества его поверхности. Как правило, «шейка» и, в конечном счёте, место разрушения расположено в наиболее слабом сечении. Кроме того, важное значение имеет одноосность напряжённого состояния (отсутствие перекосов образца в испытательной машине). Для пластичных материалов при испытании на статическое растяжение одноосное напряжённое состояние сохраняется лишь до образования т. н. «шейки» (до достижения максимальной нагрузки и начала сосредоточенной деформации).

Вид диаграммы деформации, приведённый на рис. 3 является типичным для О.Ц.К. материалов с низкой исходной плотностью дислокаций. Для многих материалов, например, с Г. Ц. К. кристаллической решёткой, а также для материалов с высокой исходной плотностью дефектов, диаграмма имеет вид, показанный на рис. 4. Основное отличие - отсутствие явно выраженного предела текучести. В качестве предела текучести выбирается значение напряжения при остаточной деформации 0,2 % (?_0.2).

Рисунок 3 - Типичная диаграмма ? - ? для малоуглеродистой стали. 1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению). 2. Предел текучести (верхний) 3. Точка разрушения 4. Область деформационного упрочнения 5. Образование шейки на образце.

Рисунок 4 - Типичная диаграмма ? - ? для алюминиевых сплавов. 1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению) 2. Условный предел текучести (?_0.2) 3. Предел пропорциональности 4. Точка разрушения 5. Деформация при условном пределе текучести (обычно, 0,2 %)

После достижения максимума нагрузки происходит падение нагрузки (и, соответственно, напряжения за счёт локального уменьшения площади поперечного сечения образца. Соответствующий (последний) участок диаграммы называют зоной местной текучести, так как пластические деформации продолжают интенсивно развиваться только в области шейки.

Иногда используется диаграмма истинных напряжений, S -- e (истинное напряжение S = P/A, где A -- текущая площадь поперечного сечения образца; истинная деформация e = ?L/L, где L -- текущая длина образца). В этом случае, после достижения максимальной нагрузки не происходит падения напряжения, истинное напряжение растёт за счёт локального уменьшения сечения в «шейке» образца. Поэтому различие между диаграммами истинных и условных напряжений наблюдается только после предела прочности -- до точки 1 они практически совпадают друг с другом.

Образцы из пластичного материала разрушаются по поперечному сечению с уменьшением диаметра в месте разрыва из-за образования «шейки».

Диаграмма напряжений. Вид диаграммы растяжения в координатах зависит не только от свойств материала, но и от размеров испытуемого образца.

Чтобы получить диаграмму, характеризующую только механические свойства материала, первичную диаграмму растяжения перестраивают в координатах . Ординаты такой диаграммы получают делением значений растягивающей силы на первоначальную площадь поперечного сечения образца , а абсциссы -- делением абсолютных удлинений расчетной части образца на первоначальную ее длину.

Диаграмма в координатах , соответствующая первичной диаграмме (рис.4.2), изображена на рис.4.6,а. Точкам О, А, В, С, D, Е, L первичной диаграммы соответствуют точки О, а, b, с, d, e, l диаграммы .

Рисунок 5 - Диаграмма растяжения в осях

Из диаграммы следует, что

т. е. модуль упругости при растяжении равен тангенсу угла наклона прямолинейного участка диаграммы к оси абсцисс.

Площадь диаграммы напряжений в соответствующем масштабе равна удельной работе деформации.

Нисходящий участок диаграммы носит условный характер, поскольку действительная площадь поперечного сечения образца после образования шейки и первоначальная площадь, по которой определяют ординаты диаграммы, значительно отличаются друг от друга. Деля величину силы на действительную площадь поперечного сечения образца, можно получить значения истинных напряжений и построить соответствующую диаграмму.

Наклёп - упрочнение поверхности металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации, при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклёп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решётки, увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака (эффект Баушингера).

Различают два вида наклёпа: фазовый и деформационный. Деформационный наклёп является результатом действия внешних деформационных сил. При фазовом наклёпе источником деформаций служат фазовые превращения, в результате которых образуются новые фазы с отличным от исходной(ых) удельными объёмами.

Деформационный наклёп

1. Дробеструйный наклёп -- упрочнение, которое достигается за счёт кинетической энергии потока круглой чугунной или стальной дроби, а также других круглых дробей, например керамической, направляемым скоростным потоком воздуха, или роторным дробомётом.

2. Центробежно-шариковый наклёп (нагартовка) -- создаётся за счёт кинетической энергии шариков (роликов), расположенных на переферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются вглубь гнезда.

Перенаклёп. При значительных деформациях вследствие перенаклепа в материале возникают поры, субмикротрещины и другие дефекты. Такое состояние металла (сплава) называется перенаклёпом. Перенаклёп - одна из причин хрупкости, а также снижения конструкционной прочности сплавов.

Разупрочнение. При нагреве, например во время отжига, подвергнутого наклёпу металла, происходит его разупрочнение, вследствие развития процессов отдыха, полигонизации, рекристализации.

Упрочнение деталей наклёпом. В машиностроении наклёп используется для поверхностного упрочнения деталей. Наклёп приводит к возникновению в поверхностном слое детали благоприятной системы остаточных напряжений, влияние которых главным образом и определяет высокий упрочняющий эффект поверхностной пластической деформации (ППД), выражающийся в повышении усталостной прочности, а иногда и износостойкости. Для получения упрочненного наклёпом поверхностного слоя заготовку подвергают обработке различными видами ППД, например, обкатка роликами, дробеструйная обработка, поверхностное дорнование и др.

Диаграмма напряжений для различных материалов.

Площадка текучести есть у сравнительно немногих металлов - малоуглеродистой стали, латуни и некоторых отожженных марганцовистых и алюминиевых бронз. Большинству металлов свойственен постепенный переход в пластическую область. На рис.6,а изображены диаграммы растяжения нескольких металлов: кривая 1 - бронзы ( ); 2 - углеродистой стали ( ); 3 -никелевой стали ( ) и 4 - марганцовистой стали ( ).

растяжение удлинение напряжение материал

Рисунок 6 - Диаграммы растяжения некоторых металлов и серого чугуна

Разрыв образцов из хрупких материалов происходит при весьма незначительном удлинении и без образования шейки. На рис.6,б приведена диаграмма растяжения серого чугуна, типичная для таких материалов. Диаграмма не имеет выраженного начального прямолинейного участка. Однако, определяя деформации в чугунных деталях, все же пользуются формулой, выражающей закон Гука. Значение модуля упругости Е находят как тангенс угла наклона прямой, проведенной через начальную точку диаграммы О и точку В, соответствующую напряжению, при котором определяют деформацию. Такой модуль называется секущим.

Размещено на allbest.ru