Механические свойства металлов и методы их определения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие понятия о нагрузках

Напряжение -- это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле, под влиянием различных факторов.

,

где Q -- механическое напряжение, F -- сила, возникшая в теле при деформации, S -- площадь.

Деформация -- изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга.

Разрушение - это процесс зарождения и развития микротрещин в макротрещины.

Механические свойства металлов

Упругость - способность металлов изменять форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать измененную форму после того, как нагрузка перестает действовать.

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

Твердость - это его способность сопротивляться пластической деформации. нагрузка механический металл испытание

Вязкость -- способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам.

Усталость - разрушение конструкции под действием циклических нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению.

Трещиностойкость -- способность материала сопротивляться развитию трещин (разрушения) при однократном, циклическом и замедленном разрушении.

Холодостойкость -свойство сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже 0°С. Жаропрочность - свойство сплава сохранять прочность при высоких температурах.

Методы испытания металлов

1.Испытания на растяжение

Этими испытаниями определяют такие характеристики, как пределы пропорциональности, упругости, прочности и пластичность металлов. При испытании на растяжение образец растягивается под действием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.

Диаграмма растяжения в координатах «нагрузка Р - удлинение ?l» отражает характерные участки и точки. На участке 0 - Р_пц удлинение образца увеличивается прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше Р_пц, на участке Р_пц - P_упр прямая пропорциональность нарушается, но деформация остается обратимой. На участке выше точки P_vпр возникают заметные остаточные деформации, и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке Р_т появляется горизонтальный участок диаграммы -- площадка текучести Т-Т¹.На кривых растяжения хрупких металлов площадка текучести отсутствует. Выше точки Р_т нагрузка возрастает до точки А, соответствующей максимальной нагрузке Р_в, после которой начинается ее падение, связанное с образованием местного утонения образца. Затем нагрузка падает до точки В, где и происходит разрушение образца.

Диаграмма растяжения образца из пластичного материала

Предел упругости у_упр - напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допуском:

,

где P_упр - напряжение, соответствующее пределу упругости, Н.

Предел прочности у_в -- напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:

, .5)

где P_в - напряжение, соответствующее пределу прочности, Н.

Относительное удлинение д находится как отношение увеличения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:

, .6)

где l_k - длина образца после разрыва, мм;

l₀ - расчетная (начальная) длина образца, мм.

2. Методы определения твердости

Наиболее распространенным методом определения твердости металлических материалов является метод вдавливания, при котором в испытуемую поверхность под действием постоянной статической нагрузки вдавливается другое, более твердое тело. На поверхности материала остается отпечаток, по величине которого судят о твердости материала. Показатель твердости характеризует сопротивление материала пластической деформации, как правило, большой, при местном контактном приложении нагрузки.

Измерение твердости по Бринеллю. Сущность этого способа заключается в том, что в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм в зависимости от толщины образца под действием нагрузки, которая выбирается в зависимости от предполагаемой твердости испытуемого материала и диаметра наконечника по формулам: Р = 30D²; Р = 10D²; Р = 2,5D² .

На поверхности образца остается отпечаток, по диаметру которого определяют твердость. Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой с делениями.

Твердость рассчитывают по формуле

,

где НВ - твердость по Бринеллю, кгс/мм²;

Р - нагрузка при испытании, кгс или Н;

F - площадь полученного отпечатка, мм²;

D - диаметр наконечника, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

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

Измерение твердости по Роквеллу. Измерение осуществляют путем вдавливания в испытуемый металл стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120°. Твердость по Роквеллу определяют по глубине вдавливания наконечника.

Вдавливание производится под действием двух последовательно приложенных нагрузок -- предварительной, равной ? 100 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной 1400, 500 и 900 Н. Твердость определяют по разности глубин вдавливания отпечатков.

Измерение твердости по Виккерсу

В этом случае в испытуемый образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136^о. При таких испытаниях применяются нагрузки от 50 до 1200 Н. Измерение отпечатка производят по длине его диагонали, рассматривая отпечаток под микроскопом, входящим в твердомер. Число твердости по Виккерсу, обозначаемое НV, находят по формуле

,

где Р - нагрузка, Н;

d - длина диагонали отпечатка, мм.

Механические свойства, определяемые при динамическом нагружении

Динамические нагрузки - нагрузки, возрастающие с очень высокой скоростью, например, ударам.

Для определения механических свойств технических сплавов производят динамические испытания при ударном изгибе.

В результате этих испытаний определяют удельную энергию, затраченную на разрушение образца - ударную вязкость: KCU = К/S₀ [МДж/м²], где К - энергия, затраченная на разрушение образца, а S₀ - поперечное сечение образца, по которому он разрушен.

Проводя испытания при пониженных температурах, определяют склонность материалов к охрупчиванию в условиях холода.

Строя по результатам испытаний сериальные кривые зависимости КСU-t°, находят порог хладноломкости (критическую температуру хрупкости) t_хр температуру, при которой ударная вязкость резко снижается, вследствие перехода материала в хрупкое состояние.

Механические свойства при цилиндрических нагружениях

Наиболее неблагоприятным фактором, значительно уменьшающим выносливость, является концентрация больших местных напряжений, возникающих при резких изменениях сечений, неровностях и повреждениях поверхности, внутренние пороки.

Наиболее просто осуществляются переменные напряжения симметричного цикла при изгибе вращающегося образца.

Схема нагружения образца при испытании на выносливость

Для каждого последующего образца наибольшие напряжения уменьшают на 20 ... 40 МПа, при этом число циклов, необходимое для разрушения, увеличивается. В итоге находят так называемый предел выносливости - наибольшее напряжение, которое образец выдерживает без разрушения в течение заданного числа циклов, называемого базой испытаний.

Диаграмма, представленная в координатах у_max-N_ц, называется кривой усталости и позволяет определить предел выносливости материала при симметричном цикле нагружения у_-

Кривая усталости

Размещено на Allbest.ru