Кривые истинных напряжений течения металлических материалов

3.1 Цель работы: ознакомиться с методикой построения кривых истинных напряжений течения материалов, сопоставить их с машинными диаграммами растяжения, оценить разницу между условными и истинными характеристиками свойств.

Общие положения

Известно, что пластическая деформация сопровождается постоянным изменением формы и размеров испытуемых образцов. Однако этот факт не учитывается при расчетах условных характеристик прочности: σ_пц, σ_упр, σ_т, σ_в из-за сложности определения действительного сечения образца в каждый момент времени. Это тем более оправдано, что в области равномерной деформации (до 10 -15%) разница в условных и истинных характеристиках свойств невелика, но она резко усиливается с момента образования на образце шейки. В этом случае, например, σ_в уже не определяет предельную прочность материала, т.к. к данному моменту времени действительная площадь сечения Ғ_в заметно меньше исходной Ғ_о, а следовательно.

S_в= (3.1)

гораздо больше σ_в.

Однако S_в также не является характеристикой предельной прочности вещества, поскольку усилие деформации Р концентрируется в минимальном сечении шейки образца, а площадь его уменьшается более интенсивно, чем нагрузка. Если с учетом этого фактора перестроить машинную диаграмму в координатах S -1, то напряжение будет непрерывно возрастать вплоть до разрыва образца. Полученная кривая называется диаграммой или кривой истинных напряжений течения и позволяет проводить более строгий анализ деформационного упрочнения и прочностных свойств металлов при растяжении и разрушении. Истинное сопротивление разрыву S_к равно отношению усилия в момент разрушения Р_к к площади минимального сечения образца Ғ_к:

S_к= . (3.2)

Несмотря на это, обе характеристики и S_в и S_к также весьма условны, поскольку при их расчете не учитывается сложность напряженного состояния в шейке образца, которое уже нельзя описать только однимнормальным напряжением. По этой причине истинное временное сопротивление S_в и сопротивление разрыву S_к характеризуют средние продольные напряжения в момент достижения максимума нагрузки и при разрушении.

 

Методика построения кривых течения.

Для построения кривой истинных напряжений течения необходимо знать величину минимального сечения образца в конкретный момент времени и соответствующую ему нагрузку. Наиболее оптимальным в этом отношении оказался метод кино- и фоторегистрации. Суть его заключается в том, что синхронно с фотографированием деформируемого образца с помощью специального реле делается отметка на машинной диаграмме растяжения в виде вертикальной линии (рисунок 3.1). Измерение параметров (диаметр и длина) образца на пленке осуществляется с помощью измерительных микроскопов типа МИР-12 (таблица 3.1). Далее, зная исходную длину и диаметр образца в натуральную величину и и на пленке и , можно рассчитать переводной коэффициент к, равный

; (3.3)

и позволяющий определить истинные размеры образца в момент фотографирования:

(3.4)

В качестве основного обычно используется коэффициент к₁, точность определения которого выше, т.е.

(3.5)

В соответствии с этим

δ (3.6)

(3.7)

 

Таблица 3.1.

№ кадра	I	∆I	δ, %	d	(d )^2	Fi, мм	Рi, кг	σi, МПа

 

 

рисунок

 

Рисунок 3.1 - Машинная диаграмма растяжения с регистрацией момента фотографирования образца

 

S S (3.8)

Где А= .

Зная δ и соответствующее данной степени деформации напряжение S , можно построить кривую течения данного образца S_i = S(δ_i).

 

Порядок выполнения работы

1) Воспользовавшись данными таблицы 3.1, рассчитать величины δ_i, и F для каждого момента фотографирования по формуле (3.4).

2) Опрделить переводной коэффициент К_i, зная исходную длину реального и сфотографированного образца по формуле (3.3).

3) Вычислить истинную площадь поперечного сечения по формуле (3.7).

4) По машинной диаграмме растяжения определить величину нагрузки Р_i момент фотографирования.

5) Рассчитать величину истинных напряжений течения по формуле (3.6).

6) Определить значения S_в, σ_в, S_к, σ_к, а также величину паразитной
деформации и относительной деформации до разрушения. Результаты расчетов занести в таблицу и построить кривую истинных напряжений течения , сопоставить её с машинной диаграммой растяжения.

 

Содержание отчета

1) Цель работы.

2) Общие сведения о истинных характеристиках механических свойств.

3) Методика расчета и построения кривых течения.

4) Таблица проведенных вычислений, фафическое оформление машинной диафаммы растяжения и кривой истинных напряжений течения.

5) Выводы по работе.

 

3.5 Контрольные вопросы

1) В каком случае наблюдается примерное равенство истинных и условных характеристик свойств?

2) Чем отличаются между собой машинная диаграмма растяжения и кривая истинных напряжений течения?

3) Почему ни истинные, ни условные характеристики свойств не описывают предельную прочность материалов?

4) Как рассчитывается истинная площадь поперечного сечения образца?

5)Какие существуют истинные характеристики механических свойств?

6) Чем они отличаются от условных характеристик свойств?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4

УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

4.1 Цель работы: ознакомиться с методикой проведения динамических испытаний. приобрести навыки определения механических свойств при ударном нагружении.

 

4.2 Приборы и материалы: маятниковый копер ИО-5003-0,3, шкала которого проградуирована в өдиницах работы, штангенциркуль, набор образцов.

 

Общие сведения

Испытания на ударную вязкость или ударный изгиб (КС) проводятся для оценки надежности и работоспособности материалов в условиях динамического нагружения и их склонности к хрупкому разрушению, которые, в свою очередь, зависят от скорости изменения нагрузки и "мягкости" напряженного состояния. Поскольку вязкость (в том числе ударная) является интегральной характеристикой, зависящей одновременно от прочности и пластичности, то она более резко реагирует на изменения структурного состояния металлов, чем другие свойства, что особенно ярко проявляется при пониженных температурах.

При динамических испытаниях не соблюдается принцип подобия, поэтому они жестко унифицированы как по параметрам образцов, так и по условиям проведения экспериментов (ГОСТ 9454-78). Их проводят на маятниковых копрах (рисунок 4.1) с использованием стандартных образцов с разной формой надрезов U,\/,Т (рисунок 4.2). Копер состоит из тяжелого маятника, свободно качающегося на его оси, и специального шаблона, обеспечивающего установку надреза строго в середине пролета ножа маятника между опорами. При этом удар маятника производится со стороны, противоположный надрезу.

Рисунок

 

 

Рисунок 4.1- Схема ударного Рисунок 4.2 - Стандартный образец

изгиба на маятниковом копре для ударных испытаний

 

Согласно ГОСТу 9454-78 в качестве основного используется образец с U -образным надрезом, но в отдельных случаях применяются также образцы и с другой формой надрезов. \/-образный выполняется с углом при вершине 45° и радиусом закругления 0.25 мм, а роль Т-образного надреза играет созданная на специальном приборе усталостная трещина. В соответствии с этим при записи ударной вязкости (КС) в её обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза - КС U, КС\/, КСТ.

Параметром КС U оценивается пригодность материалов для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности. Параметр КСТ характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Он учитывается при выборе металлов и сплавов для конструкций особо ответственного назначения (летательные аппараты, роторы турбин и т. п.).

 

4.4 Методика определения ударной вязкости

Разрушение образца осуществляется за счет потенциальной энергии падающего маятника при отклонении его из положения равновесия на угол, а или высоту Н. (рисунок 4.1) Общий залас энергии расходуется на изгиб и разрушение образца, а также последующий взлет маятника на высоту һ, соответствующую углу отклонения β. Величина работы, затраченная на излом образца К, определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара:

К = Р(Н-Һ), (4.1)

где Р - вес мятника, Н - первоначальная высота подъема маятника, һ -высота взлета маятника после удара. Вес маятника измеряется в ньютонах или килограммах, высота в метрах.

Если длина маятника L, то

һ = L (1 - соs β), Н = L - (1 - соs α). (4.2)

Отсюда К = Р L (соs β - соs α), (4.3)

где Р и L для данного копра - величины постоянные. Углы α и β определяются по шкале прибора, однако на практике для каждого угла β величина работы определяется по специальным таблицам или шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника α фиксирован. Обычно он равен 150°.

Зная полную работу излома и разрушения К, можно рассчитать основную характеристику динамических испытаний - ударную вязкость КС. Ударная вязкость -это работа, израсходованная на ударный излом образца, отнесенная к площади его поперечного сечения в месте надреза:

КС= . (4.4)

где Ғ - площадь сечения в месте надреза в см². Стандартная размерность ударной вязкости МДж/м² или МДж/см². Ударные испытания, как и статические, проводятся при отрицательных и повышенных температурах. Диаграмма деформации обычно не записывается т.к. это связано с большими зкспериментальными трудностями, поскольку время испытания исчисляются долями секунды.

 

Порядок выполнения работы

1) Ознакомиться с правилами техники безопасности при работе с
маятниковым копром.

2) Изучить устройство и принцип работы копра.

3) Измерить параметры образца - длину и площадь поперечного сечения в месте надреза.

4) Поднять маятник на угол 150° и закрепить өго защелкой.

5) Установить образец на опоры шаблона, надрезом в сторону,
противоположную удару.

6) Установить стрелку в нулевое положение шкалы и нажать кнопку "Пуск".

7) По шкале определить величину работы удара

8) Результаты испытаний занести в таблицу 4.1.

 

4.6 Контрольные вопросы

1) В каких случаях проводятся ислытания на ударную вязкость?

2) Какие существуют методы определения работы удара?

3) Что такое ударная вяэкость и в каких единицах она измеряется?

4) В чем состоит принцип работы маятникового копра?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

ИСПЫТАНИЯ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ

5.1 Цель работы: ознакомиться с устройством твердомера ПМТ-3 для измерения микротвердости материалов, изучить особенности методики испытания на микротвердость. научиться обрабатывать результаты измерений.

 

Общие положения

Метод измерения микротвердости начал разрабатываться в Советском Союзе с начала 1940г. Первый такой прибор был создан М.М. Хрущевым и Е.С.Берковичем, а одна из его разновидностей - твердомер ПМТ-3 широко применяется в научно-производственной практике и в настоящее время. Метод микротвердости предназначен для измерения твердости микроскопических обьемов металлов и сплавов (зерен, границ фаз, дендритной ликвации, диффузионных слоев и тд), а также твердости мелких деталей приборов, фольг, проволоки, гальванических покрытий, поверхностных слоев металлов после химико-термической обработки и др.

Особенность метода определения микротвердости состоит в том, что с его помощью можно решать исследовательские задачи, связанные с развитием структурных и фазовых превращений, протеканием диффузионных процессов, изменением пределов растворимости фаз в зависимости от различных факторов, а также судить о степени искаженности кристаллических решеток при термической и термомеханической обработке, анизотропии свойств и развитии текстуры при градиентном отжиге и деформации.

Метод измерения микротвердости стандартизирован (ГОСТ 9450-76) и принципиально не отличается от метода определения твердости по Виккерсу используется такой же индентор - алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136°, а также порядок операций, способ обработки результатов испытаний и способ нагружения - плавное вдавливание индентора в материал. Меняется лишь величина нагрузки - от 2 до 500 Гс (0,02 – 4,9 Н). Соответственно увеличивается локальность метода, она измеряется единицами микронов.

Число твердости обозначается буквой Н с указанием в нижнем правом углу величины нагрузки в Гс и определяется по формуле

Н=1854 [кГс/мм² или Мпа ], (5.1)

где Р - нагрузка; d - диагональ отпечатка, мкм; d² /1854- площадь боковой поверхности пирамидального отпечатка. Для определения числа микротвердости по длине диагонали (мкм) при разных нагрузках существуют специальные таблицы. При записи величины микротвердости размерность обычно не указывается.

 

Устройство прибора ПМТ-3

Общий вид микротвердомера ПМТ-3 показан на рисунке 5.1,а. На чугунном основании 1 установлены предметный столик 2 и стойка 3, на которой укреплен кронштейн с микроскопом 8 и нагружающим устройством 14. Микроскоп состоит из тубуса 8, окуляр-микрометра 7, сменного объектива 10 и осветителя 9 с набором светофильтров. Тубус 8 с помощью винтов макро- 6 и микроподачи 5 может перемещаться в вертикальном направлении для обеспечения.

 

 

Рисунок 5.1- Устройство микротвердомера ПМТ-3

 

Нагружающее устройство (рисунок 5.1,6) представляет из себя стержень, оканчивающийся штоком 2, к нижней части которого крепится оправка с алмазным индентором 1. Стержень подвешен к кронштейну на двух плоских пружинах 4 и 6 и связан с рукояткой 3, обеспечивающей ему движение вниз при нафужении и вверх при разгрузке. Грузами служат диски с прорезью весом от 2 до 500 Гс, которые перед испытанием надеваются на стержень 2. Процесс нагружения осуществляется рукояткой 3 при движении её вперед до касания индентором поверхности образца.

Предметный столик 2 состоит из двух частей: неподвижной нижней и подвижной верхней, которая с помощью микрометрических винтов 12, 13 может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а с помощью рукоятки 2 - вращаться вокруг оси на 180° для перемещения образца под индентор или объектив.

Для правильной оценки микротвердости прибор должен быть тщательно юстирован, центрирован, градуирован. Задача юстировки состоит

в точном совмещении оптической оси с осью нагружения при повороте предметного столика на 180°. Задача центровки заключается в том, чтобы

отпечаток индентора находился точно в месте пересечения нитей окуляр-микрометра (рисунок 5.2). Задача градуировки (или юстировки в вертикальном направлении) сводится к правильной установке по высоте механизма нагружения для получения заданного размера диагонали отпечатка у определенного материала при известной нагруэке. Обычно для этой цели используется отожженный алюминий при нагрузке 2 Гс, диагональ отпечатка при этом равна 32 делениям по измерительному микрометру.

 

Подготовка образцов

1) Фольги и ленты испытывают без предварительной подготовки.

2)Поверхность массивных образцов шлифуют и полируют до полного исчезновения царапин и рисок. Для определения твердости отдельных фаз образец подвергается металлографическому травлению.