Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Механические свойства конструкционных материалов




 

При проведении инженерных расчетов на прочность, жесткость и устойчивость конструкций необходимо учитывать целый комплекс механических свойств конструкционных материалов. Эти свойства могут быть определены путем статических, динамических испытаний и при переменных нагрузках.

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. К таким испытаниям относят испытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и определение твердости.

Испытание на растяжение широкое распространены для конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов. Это вид испытания по результатам одного опыта позволяет установить сразу несколько важных механических характеристик металла или сплава, определяющих его качество и необходимых для конструкторских расчетов.

В процессе испытания на растяжение специальное устройство испытательной машины автоматически вычерчивает диаграмму, выражающую зависимость между растягивающей силой и абсолютным удлинением, т. е. в координатах (F, Dl). Для изучения механических свойств материала независимо от размеров образца применяется диаграмма в координатах «напряжение–относительное удлинение» (s, e). Эти диаграммы отличаются друг от друга лишь масштабами. Испытание конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов на растяжение по результатам одного опыта позволяет установить сразу несколько важных механических характеристик металла или сплава, определяющих его качество и необходимых для конструкторских расчетов.

На рис. 24 приведена диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали. Ее характерные точки:

А – предел пропорциональности, то есть наибольшее напряжение, до которого деформации растут пропорционально нагрузке, т. е. справедлив закон Гука. Точка А практически соответствует и другому пределу, который называется пределом упругости sуп (то наибольшее напряжение, до которого деформации практически остаются упругими).

С – предел текучести sт, то есть такое напряжение, при котором в образце появляется заметное удлинение без увеличения нагрузки. Предел текучести является основной механической характеристикой при оценке прочности пластичных материалов;

В – временное сопротивление sв – условное напряжение, равное отношению максимальной силы, которую выдерживает образец, к первоначальной площади его поперечного сечения. При достижении временного сопротивления на растягиваемом образце образуется местное сужение – шейка, т. е. начинается разрушение образца. В сечениях шейки фактические напряжения будут больше, поэтому временное сопротивление называют условным напряжением.

Пределом прочности sпч называется временное сопротивление образца, разрушающегося без образования шейки.

 

Рис. 24

 

Предел прочности является основной механической характеристикой при оценке прочности хрупких материалов;

D – напряжение, возникающее в образце в момент разрыва во всех поперечных сечениях, кроме сечений шейки;

М – напряжение, возникающее в наименьшем поперечном сечении шейки в момент разрыва. Это напряжение можно назвать напряжением разрыва.

Для большинства сталей предел пропорциональности можно приблизительно считать равным половине временного сопротивления.

Степень пластичности материала может быть охарактеризована (в процентах) остаточным относительным удлинением d и остаточным относительным сужением y шейки образца после разрыва:

d=[(lpl0)/l0]·100%;

y=[(A0Aш)/A0]·100%;

 

где l0 – первоначальная длина образца; lp – длина образца после разрыва; A0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца; Aш – площадь наименьшего поперечного сечения шейки образца после разрыва.

Чем больше d и y, тем пластичнее материал. Материалы, обладающие очень малой пластичностью, называют хрупкими. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести, у них при разрушении не образуется шейка.

Диаграмма сжатия стали до предела текучести совпадает с диаграммой растяжения, причем результаты испытаний сталей на растяжение и сжатие равноценны.

Результаты испытаний на растяжение и сжатие чугуна значительно отличаются друг от друга; предел прочности при растяжении в 3...5 раз ниже, чем при сжатии. Иными словами, чугун значительно хуже работает на растяжение, чем на сжатие.

Для пластичных материалов, диаграммы растяжения которых не имеют ярко выраженной площадки текучести (средне и высокоуглеродистые, легированные стали) или совсем ее не имеют (медь, дюралюминий), вводится понятие условного предела текучести – напряжения, при котором относительное остаточное удлинение образца равно 0,2%. Условный предел текучести также обозначим sт (иногда его обозначают s0,2).

Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие условно, так как в зависимости от характера действующей нагрузки хрупкий материал может получить пластические свойства и, наоборот, пластичный материал приобретает свойства хрупкого. Так, например, деталь из пластичного материала при низкой температуре или при ударной нагрузке разрушается без образования шейки, как хрупкая.

Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое.

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (способ вдавливания), царапанием поверхности (способ царапания), ударом или же по отскоку наконечника – шарика. Твердость, определенная царапанием, характеризует сопротивление разрушению (для большинства металлов путем среза); твердость, определенная по отскоку, характеризует упругие свойства; твердость, определенная вдавливанием, – сопротивление пластической деформации.

Преимущества измерения твердости следующие:

1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности) существует количественная зависимость.

2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки. Измерения твердости выполняются быстро, например, при вдавливании конуса за 30–60 с, а при вдавливании шарика – за 1–3 мин.

3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.

4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра, или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости. Поэтому многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах.

Для полной характеристики свойств металла необходимо наряду с измерением твердости проводить остальные механические испытания. Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев детали не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определение

 

характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного контроля.

Измерение микротвердости имеет целью определить твердость отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (а не «усредненную» твердость, как при измерении макротвердости). В данном случае объем, деформируемый вдавливанием, должен быть меньше объема (площади) измеряемого зерна. Поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой. Кроме того, микротвердость измеряют для характеристики свойств очень малых по размерам деталей.

У полимерных материалов измерение твердости дает меньше информации об их свойствах, так как между твердостью и прочностью этих материалов нет определенной зависимости. Результаты измерений являются лишь дополнительной характеристикой свойств полимерных материалов.

Метод измерения твердости вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю) используется для определения твердости как металлов, так и полимерных материалов.

В материал вдавливается стальной шарик, и значения твердости определяют по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком. Шарик вдавливают с помощью пресса. В образце остается отпечаток со сферической поверхностью (рис. 25). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB, представляет собой отношение нагрузки P к площади сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм2 или МПа: Рис. 25

 

,

где P – нагрузка на шарик, кгс; F – площадь сферического отпечатка, мм2; D – диаметр вдавливаемого шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.

Получаемое число твердости при прочих равных условиях определяется диаметром отпечатка d. Последний тем меньше, чем выше твердость испытуемого металла.

При измерении твердости шариком определенного диаметра и с установленными нагрузками нет необходимости проводить расчет по указанной выше формуле. На практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число НВ в зависимости от диаметра отпечатка и соотношения между нагрузкой Р и поверхностью отпечатка F. При указании твердости НВ иногда отмечают принятые нагрузку и диаметр шарика.

Измерение твердости вдавливанием стального шарика не является универсальным способом. Этот способ не позволяет: а) испытывать материалы с твердостью более НВ 450; б) измерять твердость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1–2 мм), так как стальной шарик продавливает этот слой и проникает на большую глубину. Толщина измеряемого слоя (или образца) должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка.

Метод измерения твердости вдавливанием конуса или шарика (твердость по Роквеллу) принципиально отличается от рассмотренного выше измерения по Бринеллю и состоит в том, что твердость определяют по глубине отпечатка, получаемого при вдавливании алмазного конуса, имеющего угол в вершине 120°, или стального шарика диаметром 1,59 мм, а не по площади отпечатка.

По сравнению с измерением по Бринеллю, этот метод имеет то преимущество, что позволяет изменять нагрузку в широких пределах, без изменения значений твердости, так как при вдавливании конуса сохраняется закон подобия, а условия деформации под вершиной конуса с увеличением давления не изменяются (рис. 26).

 

Рис. 26

Твердомер измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной нагрузки и от вдавливания под предварительной нагрузкой. Каждое деление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания в 2 мкм. Однако стрелка индикатора отмечает не указанную величину глубины вдавливания h, а величину 100–h по черной шкале при измерении алмазом и величину 130–h по красной шкале при измерении шариком. Числа твердости по Роквеллу не имеют той размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю. Однако числа твердости по Роквеллу можно пересчитать на числа твердости по Бринеллю с помощью диаграмм и таблицы, построенных на основании многочисленных экспериментальных работ.

Твердость на приборе Роквелла можно измерять:

1) алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс; в этом случае значения твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой на черной шкале С циферблата, и обозначаются НRС. Например, НRС 65 означает, что твердость материала составляет 65 единиц по Роквеллу по шкале С с нагрузкой 150 кгс. Такие измерения производятся для закаленной или низкоотпущенной стали, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм (например, цементованного слоя);

2) алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. В этом случае значения твердости также характеризуются цифрой, указываемой стрелкой на черной шкале С циферблата, но обозначаются НRА. Числа НRА можно перевести на числа НRС по следующей формуле: НRС=2НRА–104. Такие измерения производятся для очень твердых металлов (более НRС 70), например твердых сплавов, когда вдавливание алмазного конуса с большой нагрузкой может вызвать выкрашивание алмаза, а также для измерения твердых поверхностных слоев (0,3–0,5 мм) или тонких образцов (пластинок);

3) стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс, в этом случае значения твердости характеризуются цифрой, указываемой стрелкой на красной шкале В циферблата, и обозначаются НRB. В этом случае определяется твердость мягкой (отожженной) стали или отожженных цветных сплавов в деталях или образцах толщиной 0,8–2 мм, т. е. в условиях, когда измерение по Бринеллю, выполняемое шариком большого диаметра, может вызвать смятие образца.

Метод измерения твердости вдавливанием алмазной пирамиды (твердость по Виккерсу) основан на вдавливании в металл четырехгранной алмазной пирамиды с углом в вершине 136°. Твердость характеризует площадь получаемого отпечатка (рис. 27). Соотношение между диагоналями получающегося отпечатка при изменении нагрузки остается постоянным, что позволяет в широких пределах в зависимости от целей исследования увеличивать или уменьшать нагрузку.

Твердость по Виккерсу так же, как и по Бринеллю, определяется как усилие, приходящееся на единицу поверхности отпечатка:

 

кгс/мм2,

 

где Р – нагрузка на пирамиду, кгс;

a – угол между противоположными гранями пирамиды, равный 136°;

d – среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

    Рис. 27 Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов твердостью до НВ 450 практически совпадают. Вместе с тем измерения пирамидой дают более точные значения для металлов с высокой твердостью, чем измерения шариком или конусом. Диагональ отпечатка алмазной пирамиды примерно в семь раз больше глубины отпечатка, что повышает

точность измерения отпечатка даже при проникновении пирамиды на небольшую глубину и делает этот способ особенно пригодным для определения твердости тонких изделий или твердых сплавов.

Определение микротвердости необходимо для изделий мелких размеров и отдельных структурных составляющих сплавов. Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытуемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 5–500 гс. Твердость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу. При символе H нередко ставят индекс, показывающий величину нагрузки в граммах, например H5 220.

Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с концентратором посредине одним ударом маятникового копра (рис. 28). Ударная вязкость KCU, KCV или KCT, измеряемая в Дж/м2 или кгс.м/см2, определяется работой Ан, необходимой для излома образца, отнесенной к рабочей площади поперечного сечения F:

.

 

Первые две буквы KC обозначают символ ударной вязкости, третья буква U, V или T – вид концентратора (U – радиус концентратора 1±0,07 мм, V – радиус концентратора 0,25±0,025 мм и T – трещина).

Образец устанавливают на двух опорах, затем наносят удар по его середине (рис. 28, б) со стороны, противоположной надрезу. Работа, затраченная на разрушение образца (рис. 28, а),

 

А=Ph1(cosb–cosa),

 

где Р – масса маятника, Н; h1 – расстояние от оси маятника до его центра тяжести, м; b – угол подъема маятника после разрушения образца; a – угол подъема маятника перед ударом.

Формула дает возможность подсчитать Aн по измеренным углам a и b (Р и h1 – постоянные для данного копра).

В пластичном состоянии у металлов KC>5–7 кгс.м/см2, в хрупком состоянии KC<1–2 кгс.м/см2.

Длительное действие на металлические изделия повторно-переменных (циклических) напряжений может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже s0,2.

Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящее к образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство металлов сопротивляться усталости называют выносливостью.

 

а

б

 

Рис. 28

а б

Рис. 29

 

При усталостном разрушении излом состоит из двух зон. Первая зона (рис. 29, поз. 2) – зона усталости имеет гладкую притертую поверхность. Образование этой зоны происходит постепенно. На начальной стадии приложения циклической нагрузки на поверхности образуется большое количество трещин, однако растет только та, которая имеет достаточно большую длину и острую вершину. Продвигаясь в глубь образца, усталостная трещина образует глубокий и острый надрез. В зоне усталости нередко можно видеть полосы («бороздки»), отражающие последовательное положение растущей трещины (рис. 29, поз. 1). Трещина развивается как вязкая. В период каждого циклона нагружения у ее вершины протекает большая пластическая деформация. Скорость роста трещины невелика. Рост трещины продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда происходит быстрое разрушение. Это приводит к образованию второй зоны в усталостном изломе – зоны долома (рис. 29, поз. 3). Зона долома имеет структуру, характерную для хрупкого или вязкого разрушения при однократных нагрузках (статических или ударных).

Испытание на усталость (ГОСТ 12860-67) проводят для определения предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения. Цикл нагружения – это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. За максимальное smax и минимальное smin напряжения цикла принимают наибольшее (наименьшее) по алгебраической величине напряжение. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии Rs=smin/smax. Если
Rs=–1, цикл называют симметричным (см. рис. 30, б). Если smax и smin не равны по величине – цикл асимметричный.

Предел выносливости обозначается sR (R – коэффициент асимметрии цикла), а при симметричном цикле s–1. Предел выносливости чаще определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу (см. рис. 30, а).

Для определения sR (s–1) используют не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений до разрушения или до базового числа циклов. По результатам испытаний отдельных образцов строят кривые усталости в полулогарифмических или логарифмических координатах (рис. 31). Иногда кривые усталости строят в координатах smax – 1/N.

С уменьшением smax долговечность возрастает. Горизонтальный участок на кривой усталости, т. е. smax, не вызывающее разрушения при бесконечно большом числе циклов N, соответствует пределу выносливости sR (рис. 31, кривая 1).

 

а б

Рис. 30

Рис. 31

 

Многие цветные металлы не имеют горизонтального участка на кривой усталости. В этом случае определяют ограниченный предел выносливости – наибольшее напряжение, которое выдерживает металл (сплав) в течение заданного числа циклов нагружения.

База испытания N должна быть не ниже 10·106 для стали и 100·106 циклов для легких сплавов и других цветных металлов, не имеющих горизонтального участка на кривой усталости (рис. 31, кривая 2).

Наклонная часть кривой усталости характеризует так называемую ограниченную выносливость.

При напряжениях, соответствующих ограниченной выносливости, заранее известно, что через какое-то время деталь разрушится от усталости, поэтому до разрушения ее нужно заменить.

Предел выносливости снижается при наличии концентраторов напряжения.







Дата добавления: 2014-10-29; просмотров: 1655. Нарушение авторских прав

codlug.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.016 сек.) русская версия | украинская версия