Методы испытания механических свойств металла.

 

Металлы и сплавы, используемые в качестве конструкционных материалов, должны обладать определенными механическими свойствами – прочностью, упругостью, пластичностью, твердостью.

Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе пластических деформаций – необратимые перемещения атомов от исходных положений на расстояния, большие межатомных, изменение формы отдельных зерен металла, их расположения в пространстве.

Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентратов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик металла определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).

При испытании на растяжение обычно используют образец круглого сечения (рис.1)

При растяжении образцов с площадью поперечного сечения F_о и рабочей (расчетной) длиной l_о строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – удлинение Dl образца (рис. 2).

     Рис. 1 - Испытание на растяжение:

а – исходный образец; б – пластическая деформация; в – после разрушения

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации – до нагрузки Р_упр; равномерной пластической деформации от Р_упр до Р_max и сосредоточенной пластической деформации от Р_max до Р_к . Если образец нагрузить в пределах Р_упр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим. При нагружении образца более Р_упр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования.   Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки Р_max в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Р_max до Р_к и при нагрузке Р_к происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (Dl_упр) исчезает, а пластическая (Dl_ост) остается

При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением. Размерность напряжения кгс/мм², или МПа
(1 кгс/мм² =10 МПа).
Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Р_упр , Р_т, Р_max, Р_к) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению. В технических расчетах вместо предела прочности обычно используется условный предел текучести, которому соответствует нагрузка Р_0,2 (рис. 3).

Рис. 3 - Участок диаграммы растяжения металла

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Но поскольку площадь поперечного сечения образца в каждый данный момент определить сложно, то при расчете предела упругости, предела текучести и временного сопротивления пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным. Истинное напряжение рассчитывается только при определении сопротивления разрушению.
Условный предел текучести (s_0,2) – это напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины:

где Р_0,2 – нагрузка, вызывающая остаточное (пластическое) удлинение; равное 0,2 %, кгс (Н);
F_о – начальная площадь поперечного сечения образца, мм².
Временное сопротивление (предел прочности) s_b – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

;

где Р_max – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, кгс (H).
Временное сопротивление (предел прочности) характеризует несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению.
Истинное сопротивление разрушению (S_k) – истинное напряжение, предшествующее моменту разрушения образца

,

где Р_к – нагрузка, непосредственно предшествующая моменту разрушения, кгс (Н).
F_к – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения, мм².

Несмотря на то, что Р_mах больше Р_к , истинное сопротивление разрушению S_к > s_b, поскольку площадь поперечного сечения образца в месте разрушения F_к значительно меньше начальной площади поперечного сечения F_о.

Для оценки пластичности металла служат относительное остаточное удлинение образца при растяжении (d_р, %) и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца (y_р, %).
Относительное остаточное удлинение (d_р, %) определяется по формуле:

где l_к – рабочая длина образца после испытания, мм;
l_о – рабочая длина до испытания, мм.

Относительное остаточное сужение (y_р, %) определяется из выражения:

,

где F_о – начальная площадь поперечного сечения образца, мм²;
F_к – площадь сечения образца вместе разрушения, мм².

Лекция 6

Испытание на твердость.

 

Под твердостью материала понимают его способность сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).

Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов.

Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис. 1).

а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в)по Виккерсу

Рис. 1 - Схема определения твердости

 

При динамическом испытании контролируется величина отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят следующие: твердость по Шору, по Польди.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Сущность метода заключается в том, что шарик (стальной или из твердого сплава) определенного диаметра под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рис. 1а). Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка после снятия усилия.

При измерении твердости по Бринеллю применяются шарики (стальные или из твердого сплава) диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм.

При твердости металлов менее 450 единиц для измерения твердости применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. При твердости металлов более 450 единиц - шарики из твердого сплава.

Величину твердости по Бринеллю рассчитывают как отношение усилия F, действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка А:

(1)

где НВ – твердость по Бринеллю при применении стального шарика;
(HBW твердость но Бринеллю при применении шарика из твердого сплава), МПа (кгс);
F – усилие, действующее на шарик, Н (кгс);
А – площадь поверхности сферического отпечатка, мм²;
D – диаметр шарика, мм;
d – диаметр отпечатка, мм.

Одинаковые результаты измерения твердости при различных размерах шариков получаются только в том случае, если отношения усилия к квадратам диаметров шариков остаются постоянными. Исходя из этого, усилие на шарик необходимо подбирать по следующей формуле:

(2)

Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

(3)

Если отпечаток на образце получается меньше или больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова.
Коэффициент К имеет различное значение для металлов разных групп по твердости. Численное, же значение его должно быть таким, чтобы обеспечивалось выполнение требования, предъявляемого к размеру отпечатка (3).
Толщина образца должна не менее, чем в 8 раз превышать глубину отпечатка.

 

Лекция 7