Методи і засоби визначення фізико-механічних характеристик сталей і сплавів - студопедія
Здатність металу чинити опір впливу зовнішніх сил характеризується механічними властивостями. Тому при виборі мате-ріалу для виготовлення деталей необхідно, перш за все учи-ють його механічні властивості: міцність, пружність, пластичність, ударну в'язкість, твердість і витривалість. Ці властивості визначають за результатами механічних випробувань, при яких метали подвер-гают впливу зовнішніх сил (навантажень). Зовнішні сили можуть бути ста-тическими, динамічними або циклічними (повторно-змінні-ми). Навантаження викликає в твердому тілі напругу і деформацію.
Напруга-величина навантаження, віднесена до одиниці площі по-поперечного перерізу випробуваного зразка. Деформація - зміна форми і розмірів твердого тіла під впливом прикладених зовнішніх сил. Розрізняють деформації розтягування (стиснення), вигину, крутіння, зрізу (рис.8). Насправді матеріал може піддаватися одному або декільком видам деформації одночасно.
Для визначення міцності, пружності і пластичності метали у вигляді зразків круглої або плоскої форми відчувають на статичну вирощуючи-ються. Випробування проводять на розривних машинах. В результаті досл-таний отримують діаграму розтягування (рис. 9). По осі абсцис цієї діа-грами відкладають значення деформації, а по осі ординат - навантаженням-ки, прикладені до зразка.
Мал. 12. Види деформацій: а - стиснення, б - розтягнення, в - кручення, г - зріз, д вигин
Міцність-здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під дією навантажень оцінюється межею міцності і межею плинності. Важливим показником міцності матеріалу є також питома міцність - відношення границі міцності матеріалу до його плотнос-ти. Межа міцності Од (тимчасовий опір) - це умовне напругу в МПа, що відповідає най-більшого навантаження, що передує руйнуванню зразка: # 963; н = Рмах / f0), де Рmax - найбільше навантаження, H; F0 - початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка, м 2. Істин-ве опір розриву Sk - це напруга, що визначається ставлення-ня навантаження Рk в момент розриву до площі мінімального поперечного перерізу зразка після розриву Fk (Sk = Pk / Fk) .
Мал. 13. Діаграма розтягування: а - умовна діаграма в координатах Р - Л1, б - умовна діаграма напруг і діаграма істинних напружень
Межа плинності (фізичний) # 963; т - це найменша напруга (в МПа), при якому зразок деформується без помітного збільшення навантаження: # 963; т = Рт / F0, де Pт - навантаження, при якій в діаграмі розтягується-ня спостерігається майданчик плинності, Н.
Майданчик плинності мають в основному тільки малоуглеродистая сталь і латуні. Інші сплави площадки плинності не мають. Для таких матеріалів визначають межу текучості (умовний), при якому ос-таточно подовження досягає 0,2% від розрахункової довжини зразка: # 963; 0.2 = P0.2 / F0.
Упругость- здатність матеріалу відновлювати первинну форму і розміри після припинення дії навантаження РУП оцінюють межею пропорційності # 963; ПЦ і межею пружності # 963; уп.
межа пропорційності # 963; пц- напруга (МПа), вище якого порушується пропорційність між прикладеним напругою і деформацією зразка # 948; ПЦ = Pпц / F0.
Межа пружності (умовний) # 963; 0,05 - це умовне напруга в МПа, що відповідає навантаженню, при якій залишкова деформація впер-ші досягає 0,05% від розрахункової довжини зразка 10. # 963; 0,05 = Р0,05 / F0, де Р0,05 - навантаження межі пружності, Н.
Пластичність- це здатність матеріалу приймати нову форму і розміри під дією зовнішніх сил не руйнуючись. Характеризується відносним подовженням і відносним звуженням.
Відносне подовження (після розриву) # 948; - це відношення прир-щення (lk-l0) розрахункової довжини зразка після розриву до його першооснову-ної розрахункової довжині l0, виражене у відсотках: # 948; = [(Lk-l0 / l0) 100%.
Відносне звуження (після розриву) # 963; - це відношення різниці початкової і мінімальної площ (F0-Fk) поперечного перерізу об-зразків після розриву до початкової площі Fg поперечного перерізу, виражене у відсотках: # 963; = [(F0-Fk / F0] 100%.
Чим більше значення відносного подовження і звуження для мате-ріалу, тим він більш пластичний. У крихких матеріалів ці значення близькі до нуля. Крихкість конструкційний матеріал є отрицатель-ним властивістю.
Ударна вязкость- це здатність матеріалу чинити опір дина-мическим навантажень. Визначається як відношення витраченої на з-лом зразка роботи W (в МДж) до площі його поперечного перерізу F (в м 2) в місці надрезаKC = W / F.
Для випробування виготовляють спеціальні стандартні зразки, име-ющие форму квадратних брусків з надрізом. Відчувають зразок на маятникових копрах. Вільно падаюче маятник копра вдаряє по зразком з боку, протилежного надрізу. При цьому фіксується робота, витрачена на злам.
Визначення ударної в'язкості особливо важливо для деяких метал-лов, що працюють при мінусових температурах і виявляють схил-ність до хладноломкости. Чим нижче порігхладноломкості, тобто темпера-туру, при якій в'язке руйнування матеріалу переходить в крихке, і чим більше запас в'язкості матеріалу, тим більше ударна в'язкість матеріалу. Холодноламкість-зниження ударної в'язкості матеріалів при низьких температурах.
Циклічна вязкость- це здатність матеріалів поглинати енер-гію при повторно-змінних навантаженнях. Матеріали з високою цикли-чеський в'язкістю швидко гасять вібрації, які часто є при-чиною передчасного руйнування. Наприклад, чавун, що має високу циклічну в'язкість, в деяких випадках (для станин і інших корпусних деталей) є більш цінним матеріалом, ніж уг-леродістая сталь.
Твердістю називають здатність матеріалу чинити опір проник-новению в нього іншого, більш твердого тіла. Високою твердістю повинні володіти металорізальні інструменти: різці, свердла, фрези, а також поверхнево-зміцнені деталі. Твердість металу визначають спо-собами Бринелля, Роквелла і Віккерса (рис. 14).
Спосіб Бринелля заснований на тому, що в плоску поверхню металу вдавлюють під постійним навантаженням сталевий загартований кульку. Діаметр кульки і величину навантаження встановлюють залежно від твердості і товщини випробовується металу. Твердість по Бринеллю визначають на твердомере ТШ (твердомер кульковий). Випробування про- водять наступним чином. На поверхні зразка, твердість якого потрібно виміряти, напилком або абразивним кругом зачищають пло-ках розміром 3-5 см 2.
Мал. 14. Визначення твердості металш методами Брінелля (а), Роквелла (б) і Віккерса (в)
Зразок ставлять на столик приладу і піднімаючи-ють до зіткнення зі сталевою кулькою, який укріплений в шпинделі приладу. Вантаж опускається і вдавлює кулька в випробовують-мий зразок. На поверхні металу утворюється відбиток. Чим біль-ше відбиток, тим метал м'якше.
За міру твердості НВ приймають відношення навантаження до площі по-поверхні відбитка діаметром d і глибиною t, який утворюється при вдавливании силою Р кульки діаметраD (див. Рис. 14, а).
Числове значення твердості визначають так: вимірюють діаметр від-печатка з допомогою оптичної лупи (з розподілами) і за отриманим значенням знаходять в таблиці відповідне число твердості.
Перевага способу Бринелля полягає в простоті випробування і точності одержуваних результатів. Способом Бринелля не рекомендується вимірювати твердість матеріалів з НВ> 450, наприклад загартованої сталі, так як при вимірюванні кулька деформується і свідчення спотворюються.
Для випробування твердих матеріалів застосовують спосіб Роквелла. В об-разец вдавлюють алмазний конус з кутом при вершині 120 "або сталевий загартований кульку діаметром 1,59 мм. Твердість по Роквеллу вимірюється в умовних одиницях. Умовна величина одиниці твердості відпо-яття осьовому переміщенню наконечника на 0,002 мм. Випробування прово-дять на приладі ТК. значення твердості визначають за глибиною відбитка П і відраховують по циферблату індикатора, встановленого на приладі. у всіх випадках попередня навантаження Р0 дорівнює 100 Н.
При випробуванні металів з високою твердістю застосовують алмазний конус і загальне навантаження Р = Р0 + Р1 = 1500 Н. Твердість відраховують за шкалою "С" і позначають HRC. Якщо при випробуванні береться сталева кулька і загальне навантаження 1000 Н, то твердість відраховується за шкалою "В" і позначається HRB.
При випробуванні дуже твердих або тонких виробів використовують алмаз-ний конус і загальне навантаження 600 Н. Твердість відраховується за шкалою "А" і позначається HRA. Приклад позначення твердості по Роквеллу: Н RC 50 - твердість 50 за шкалою "С".
При визначенні твердості способом Віккерса як вдавлюють-мого в матеріал наконечника використовують чотиригранну алмазну піраміду з кутом при вершині 136 °. При випробуваннях застосовують навантаження від 50 до 1000 Н (менші значення навантаження для визначення твердо-сти тонких виробів і твердих, зміцнених поверхневих шарів ме-них металів). Числове значення твердості визначають так: вимірюють довжини обох діагоналей відбитка після зняття навантаження і за допомогою мікро-скопа і за отриманим середнім арифметичним значенням довжини діагоналі знаходять в таблиці відповідне число твердості. Приклад позначення твердості по Віккерсу - HV 500.
Для оцінки твердості металів в малих обсягах, наприклад, на зернах металу або його структурних складових застосовують спосіб визначення мікротвердості. Наконечник (индентор) приладу являє со-бій алмазну чотиригранну піраміду (з кутом при вершині 136 °, та-ким же, як і у піраміди при випробуванні за Вікерсом). Навантаження на индентор невелика і складає 0,05-5 Н, а розмір відбитка 5-30 мкм. Випробування проводять на оптичному мікроскопі ПМТ-3, забезпеченому механізмом навантаження. Мікротвердість оцінюють за величиною діа-гону відбитка.
Втомою називають процес поступового накопичення пошкоджень-дений матеріалу під дією повторно-змінних напружень, що призводить до утворення тріщин і руйнування. Втома металу обус-лову концентрацією напружень в окремих його обсягах, в яких име-ються неметалеві включення, газові бульбашки, різні місцеві дефекти і т. Д. Характерним є втомний злам, що утворюється по-сле руйнування зразка в результаті багаторазового нагруженіяі що складається з двох різних по зовнішньо-му виду частин. Одна частина зламу з рівною (затертої) поверхнею обра-зуется внаслідок тертя поверхонь в області тріщин, що виникли від дії повторно-змінних навантажень, інша частина з зернистим ізло-мом виникає в момент руйнування зразка. Випробування на втому проводять на спеціальних машинах. Найбільш поширені машини для повторно-змінного згинання обертового зразка, закріпленого одним або обома кінцями, а також машини для ис-вань на розтягнення-стиснення і на повторно-змінний кручення. В результаті випробувань визначають межу витривалості, характе-різующій опір втоми.
Винослівость- властивість матеріалу протистояти втомі. Межа витривалості - це максимальне напруження, яке може видер-жати метал без руйнування задане число циклів навантаження. Між межею витривалості і межею міцності існує прибл-женная залежність: # 963; -1 ≈0,43 # 948; в; # 963; -1p ≈0.36 # 948; B, де # 963; -1 і # 963; -1p - відпо-венно межі витривалості при вигині і розтягуванні-стисненні.
Технологічні та експлуатаційні властивості матеріалів
Технологічні властивості. Ці властивості характеризують здатність металів піддаватися обробці в холодному і гарячому станах. Тех-технологічного властивості визначають при технологічних пробах, кото-які дають якісну оцінку придатності металів до тих чи інших способів обробки. Зразок, підданий технологічної пробі (рис. 15), оглядають. Ознакою того, що зразок витримав випро-тание, є відсутність тріщин, надривів, розшарування або зламу. До основних технологічних властивостей відносять: різанням, зварюваність, ковкість, ливарні властивості і ін.
Оброблюваність резаніем- одне з найважливіших технологічних властивостей, тому що переважна більшість заготовок, а також дета-лей зварних вузлів і конструкцій піддається механічній обработ-ке. Одні метали обробляються добре до отримання чистої і голод-кою поверхні, інші ж, які мають високу твердість, погано. Дуже в'язкі метали з низькою твердістю також погано обробляються: по-поверхню виходить шорсткою, з задираками. Поліпшити оброблюваної ність, наприклад, стали можна термічною обробкою, знижуючи або підвищуючи її твердість.
Сваріваемость- здатність металів утворювати зварне соеди-ня, властивості якого близькі до властивостей основного металу. Її оп-чати пробою звареного зразка на загин або розтягнення.
Ковкость- здатність металу оброблятися тиском в холод-ном або гарячому стані без ознак руйнування. її визначають
Мал. 15. Технологічні проби: а - вигин на певний кут, б - вигин до паралельності сторін, в - вигин до зіткнення сторін, г-на навивання, д - на сплющування труб, е - на осадку
Ковальської пробою на осадку до заданого ступеня деформації. Висота зразка для опади дорівнює зазвичай двом його діаметрам. Якщо на бічній поверхні зразка тріщина не утворюється, то такий зразок вважається таким, що витримав пробу, а випробуваний метал - придатним для обробки тиском.
Ливарні властивості металів характеризують здатність їх образо-вивать виливки без тріщин, раковин і інших дефектів. Основними ливарними властивостями є жидкотекучесть, усадка і сегрегація.
Жідкотекучесть- здатність розплавленого металу добре за-полнять порожнину ливарної форми.
Усадка при крісталлізаціі- це зменшення обсягу металу при пе-переходи з рідкого стану в тверде; є причиною утворення усадочних раковин і усадочною пористості в злитках і від-лівках.
Ліквація- неоднорідність хімічного складу сплавів, мож-ника при їх кристалізації, обумовлена тим, що сплави, в отли-чие від чистих металів, кристалізуються ні до однієї температурі, а в інтервалі температур. Чим ширше температурний інтервал кристалізації сплаву, тим сильніше розвивається ізоляція, причому найбільшу схильність до неї проявляють ті компоненти сплаву, які найбільш сильно впливають на ширину температурного інтервалу кристалізації (для стали, наприклад, сірка, кисень, фосфор, вуглець).