Испытание на растяжение при комнатной температуре.

Испытания проводятся на разрывных испытательных машинах, материал подвергают действию плавно возрастающей нагрузки.
Образцы определенного сечения постепенно нагружают в продольном направлении и таким образом растягивают в длину. Удлинение выражают в процентах от первоначальной длины образца. В результате такого испытания получают диаграмму растягивающая сила Р- абсолютное удлинение образца, характеризующую поведение металла под нагрузкой.

Для получения удельных механических характеристик данного материала, не зависящих от размеров образцов, диаграмма деформации при растяжении строится в координатах - растягивающее напряжение (σ) - относительное удлинение (ε).

σ=P/F₀; ε=l/l₀100%

где Р - растягивающая сила, Н;
F₀ - исходная площадь поперечного сечения образца, мм²;
l- абсолютное удлинение, мм;

l₀- расчетная длина образца до испытания, мм.

Диаграмма σ-ε отличается от диаграммы Р - Δl только масштабом.

При малых нагрузках остаточная деформация не возникает и образец после снятия нагрузки принимает исходную длину - он ведет себя упруго. В пределах этой области упругой деформации нагрузка пропорциональна деформации:

σ=Eε ,

где Е - коэффициент пропорциональности, модуль Юнга, МПа.

Крутизна подъема определяется как отношение напряжения к деформации. Коэффициент Е графически равен tgα и характеризует упругие свойства материала.

При заданной величине напряжения с увеличением модуля уменьшается величина упругой деформации, т.е. возрастает жесткость материала. Поэтому модуль Е также называют модулем жесткости. Величина зависит от природы и изменяется незначительно при изменения его состава, структуры и термической обработки.
Размерность модуля упругости - МПа.

Если напряжение продолжает расти и материал переходит через предел упругости то в образце будет накапливаться пластическая деформация. Теперь после снятия нагрузки образец не возвращается к исходной длине, а становится длиннее в соответствие с той долей, которую составляет пластическая деформация от общей. Сначала пластическая деформация распределяется равномерно по всей дни не образца, но при дальнейшем росте напряжения она сосредотачивается в какой-то одной зоне. В этом месте образец начинает сужаться (образуется «шейка») его поперечное сечение быстро уменьшается, и. наконец, наступает катастрофа - целостность материала нарушается, образец рвется.
Кривая растяжения позволяет установить многие важные характеристики материала:

• предел пропорциональности(σ_пц) - наибольшее напряжение при котором деформация прямо пропорциональна нагрузке;
• предел упругости(σ_0,05) - условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций заданной величины (0,05%);
• физический предел текучести (σ_т) - условное напряжение, соответствующее наименьшей нагрузке, когда деформация образца происходит без увеличения нагрузки («площадка текучести»);
• условный предел текучести (σ_0,2) -применяется в том случае, если нет «площадки текучести. «σ_0,2» - условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает величин 0,2%.

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца. В точке Р_B, нагрузка достигает максимального значения.

• временное сопротивление (предел прочности )(σ_B ) - условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом.

Пластичность металлов характеризуют следующие величины:
Относительное удлинение δ - отношение прироста длины образца после разрыва к первоначальной расчетной длине.

Относительное сужение ψ- отношение наибольшего уменьшения поперечного сечения (в месте разрыва) к первоначальной площади поперечного сечения.

1.2 Определение твердости.
Твердость - сопротивление материала пластическому деформированию при вдавливании наконечника.
По величине твердости можно судить о прочностных свойствах материалов не производя испытаний на растяжение.
Твердость материалов тесно связана с их обрабатываемостью и износоустойчивостью.
При определении твердости внешние нагрузки передаются на образец вдавливанием в его поверхность твердого наконечника в виде шарика, конуса, пирамиды.
Методы измерения твердости получили широкое применение благодаря быстроте и простоте, портативности оборудования, а также возможности проводить испытания на готовых деталях без их разрушения.

1.2.1. Метод Бринелля.

Основан на вдавливании в поверхность испытуемого материала стального закаленного шарика диаметром D под действием нагрузки Р. После снятия нагрузки на поверхности образца, заготовки или детали остается отпечаток, имеющий форму шарового сегмента. Чем тверже металл, тем меньше величина отпечатка

HB = P/F,

где Р - сила вдавливания, Н (кгс);
F - поверхность отпечатка (шарового сегмента), мм².

Диаметр шарика D = 10; 5; 2,5 (мм) выбирают в зависимости от толщины изделия. Определение НВ поданным измерения надежнее и проще. Диаметр отпечатка измеряется измерительной лупой. (HB - стальной шарик, HBW - шарик из твердого сплава, D=10 мм, P=3000 кгс, t=10 сек/

Для ускорения и упрощения испытания составлены таблицы зависимости твердости от диаметра отпечатка. На приборе Бринелля не рекомендуется испытывать металлы с твердостью выше НВ450 во избежание погрешности из-за деформации шарика.
Твердость по Бринеллю измеряется приборами тина ТШ - твердомер с шариковым наконечником.
Между пределом прочности _B и числом твердости НВ для различных металлов установлена следующая примерная зависимость:
для стали σ_B≈3,4 НВ
для алюм. сплавов σ_B≈З,5НВ
для медн сплавов σ_B≈4,5 НВ

1.2.2. Метод Роквелла.

Определение твердости при вдавливании шарика или конуса с предварительным нагружением. В зависимости от твердости материала применяют наконечники 2-х типов: стальные шарики 1,6 мм для испытания металлов малой и средней твердости при
суммарной нагрузке 100 кгс ( шкала В ) и алмазный конус с углом при вершине 120⁰ для испытания твердых материалов при суммарной нагрузке 150 кгс (шкала С) и при суммарной нагрузке 60 кгс (шкала А). Значение твердости по Роквеллу определяется по глубине проникновения в испытуемый образец под действием суммарной нагрузки. Эта глубина выражается в условных единицах и характеризует твердость по Роквеллу HR. Число твердости отсчитывается по круговой шкале индикатора (циферблату) . Он имеет 100 делений и 2 шкалы- черную и красную. Каждое деление шкалы соответствует единице твердости. При испытании алмазным конусом отсчеты ведутся по черной шкале, а стальным шариком - по красной.

Пример обозначения: HRA 20, HRB 56, HRC 40
Прибор для измерения - ТК (твердомер конусный).

Число твердости по Роквеллу можно приблизительно перевести в число твердости по Бринеллю при помощи специальных таблиц перевода твердости.

HRC≈НВ/10

1.2.3. Метод Виккерса.

Испытания твердости в этом случае производится путем вдавливания алмазной четырехгранной пирамиды с углом 136 градусов между противоположными гранями. В результате вдавливания алмазная пирамида оставляет на испытуемом образце отпечаток, имеющий форму квадрата. Измеряются обе диагонали отпечатка с помощью микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса.
Твердость по отпечатку пирамиды определяют делением нагрузки P (кгс) на площадь поверхности отпечатка F (мм²)

HV=P/F.

Нагрузка от 5до 120 кгс.

Благодаря большому углу в вершине пирамиды диагональ отпечатка достаточно велика даже при малой глубине вдавливания что определяет высокую точность и чувствительность этого метода.
Преимущество метода Виккерса - возможность измерения твердости мягких, особотвердых, очень тонких изделий, поверхностных слоев (например, после цементации, обезуглероживание и т.).
Прибор ТП - твердомер пирамидальный.
До НВ 350-400 величины HV и НВ равны, при большей твердости НВ ниже, чем HV

2 ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

Детали машин в процессе эксплуатации подвергаются не только статическому нагружению, но и динамическому, т.е. нагрузка возрастает резко.

Бывает быстрое (хрупкое) разрушение 0,5 - 8 скорости звука и медленное (вязкое) 0,18 скор. звука.

Метод определения ударной вязкости.

Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

По физическому смыслу вязкость - энергетическая характеристика и выражается в единицах работы. Принято различать два основных типа разрушения хрупкое и пластическое (вязкое). Для хрупкого разрушения характерным является кристаллический излом, а для вязкого - волокнистый излом.
Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.
Наряду с этим вязкость зависит от условий, в которых находится металл при работе в изделии. При определенных условиях-факторах один и тот же металл будет находиться в пластическом состоянии, при других - он перейдет в хрупкое состояние.

Хладноломкостью называют склонность металла к переходу в хрупкое состояние при понижении температуры.
Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающихся температурах.
На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости, наблюдаемое в интервалах температур (t_В - t_Х) ( граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения).
Порог хладноломкости обозначают интернатом температур (t_В - t_Х) либо одной температурой t₅₀ при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей и величина КСТ снижается.

t₅₀ зависит от структуры, температуры испытаний, концентраторов напряжений. Чем выше предел прочности, тем выше t₅₀. Способом оценки вязкости является определение ударной вязкости.
Ударная вязкость - это работа, затраченная на ударный излом образца . Определяется как отношение работы удара» затраченной на разрушение образца к площади поперечного сечения образца.
Это ударные испытания надрезанных образцов на маятниковых копрах. Для получения сопоставимых результатов испытания проводят на стандартных образцах нескольких типов с надрезами определенной формы. Образец устанавливается на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту. На разрушение образца затрачивается работа

К=P(H-h),

где Р- масса маятника, кг;
H, h - высоты подъема маятника.

КС= К/S,

где S - площадь поперечного сечения образца в месте концентратора напряжения.

Размерность - Дж/см²; КДж/м²
Ударная вязкость обозначают КCU, KCV, КСТ Буквы КС - символы ударной вязкости, буквы Т,V,U - вид надреза.

3 УСТАЛОСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Усталостные испытания проводят, чтобы определить поведение металлов в условиях повторнопеременного приложения нагрузки. При этом наблюдается более низкая прочность, чем при статических испытаниях. Усталостные разрушения происходят, например, у пружин автоматики, деталей кулачковых и других механизмов, работающих в режиме нагружение - разгружение, растяжение-сжатие, у валов, передающих крутящий момент, деталей, испытывающих вибрацию. За свою жизнь металл «устает». Это происходит вследствие того, то под действием большого числа циклов в наиболее нагруженном или ослабленном месте зарождается и развивается трещина, и образуется участок усталостного излома.
Усталостное разрушение имеет рад характерных признаков. Оно происходит как бы внезапно без заметных внешних признаков деформации.
Под усталостью металла понимают процесс постепенного накопления повреждений под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к уменьшению срока службы изделия, образованию трещин и разрушению.
Свойство металлов противостоять усталости называют выносливостью.
Наибольшее напряжение, которое выдерживает металл без разрушения при повторении заранее заданного числа циклов переменных нагрузок, называют пределом выносливости. Для испытания материалов на усталость применяют гладкие образцы круглого или квадратного сечений. Испытания проводят при помощи изгиба, растяжения-сжатия или кручения. Испытания ведутся на серии образцов (10-15). По полученным данным строят кривую, на которой определяют предел выносливости на базе заданного числа циклов (для стали N=10). Предел выносливости, определяемый в стандартных условиях (симметричный цикл, нормальная температура, отсутствие агрессивной среды и т.д.) обозначают _-1. Размерность предела выносливости - МПа. Предел выносливости существенно зависит от качества обработки поверхности . Между пределом выносливости и пределом прочности существует связь:σ_-1=0,6σ_B
Существует приблизительно 2 вида кривых усталости:

• кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах;
• кривые без горизонтального участка характерны для цветных сплавов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде.

 

18. Физические и химические св-ва металлов.

Физические свойства металлов

1. Цвет

2. Плотность

3. Плавкость (температура плавления)

4. Тепловое расширение

5. Теплопроводность

6. Теплоёмкость

7. Электропроводность

8. Способность намагничиваться

Физические свойства характеризируются определенными физическими величинами, которые позволяют судить, в какой степени металл обладает теми или иными свойствами.

1. Цвет.

2. Плотность – масса вещества на единицу объёма.

Самой большой плотностью обладают — вольфрам (19,3 г/см^3), свинец (11,4 г/см^3).

3. Плавкость — способность металлов расплавляться, то есть при нагревании переходить в жидкое состояние. Показателем является температура плавления.

Самый лёгкий металл — алюминий (2,7 г/см^3).

Одним из самых тугоплавкие — вольфрам (~2200 градусов), хром (1700 градусов), железо (1539 градусов).

Легкоплавкие — олово (232 градуса), свинец (327 градусов). Есть ещё сплавы, которые плавятся прямо в руках.

 

4. Теплопроводность — свойство металлов проводить тепло при нагревании.

Если металл обладает низкой теплопроводностью, то он требует долгого нагрева.

Лучшими проводниками тепла являются серебро, медь, алюминий. Сталь из-за сложного состава обладает меньшей теплопроводностью.

Единицами теплопроводности служат количество тепла, распространяющиеся по металлу от места нагрева через единицу площади его поперечного сечения в единицу времени при изменении температуры на единицу.

На практике для сравнения пользуются условными единицами. Если за теплопроводность серебра принимают за 1 единицу, то медь 0,9, алюминий 0,5, железо 0,15, ртуть 0,02.

5. Тепловое расширение — свойство металлов расширяться при нагревании. Изменение длины образца из данного металла и определяется, как какое удлинение приходится на один миллиметр длины при изменении температуры на один градус.

У алюминия коэффициент теплового расширения — , у цинка

При расчёте теплового расширения объёма изделия следует учитывать коэффициент объёмного расширения, который равен утроенному коэффициенту линейного расширения.

 

 

6. Теплоёмкость — способность металла поглощать тепло. Удельная теплоёмкость характеризуется количеством тепла, которое необходимо, чтобы повысить температуру 1 кг металла на один градус.

Все металлы имеют небольшую теплоёмкость, потому для их нагрева необходимо небольшое количество тепла.

 

7. Электропроводность — способность металла проводить электричество. Удельное электрическое сопротивление — сопротивление, которое оказывает току в проволоке из данного металла с сечением 1 мм^2.

В абсолютном нуле сопротивление равно нулю.

При повышении температуры электропроводность падает.

Если металлы обладают хорошей электропроводностью, то они обладают и хорошей теплопроводностью. И наоборот.

 

8. Магнитные свойства — свойства металла намагничиваться. Наиболее заметными свойствами обладают железо, кобальт, никель и их сплавы. Из них и производят электромагниты, трансформаторы.