Методы определения механических свойств металлов: Глава 3.2. Механические свойства материалов и методы их определения — Купити в Харкові, Києві, Україні. Безкоштовне тестування

3.1 Методы определения механических свойств

Общетехнические дисциплины / Материаловедение технология конструкционных материалов / 3.1  Методы определения механических свойств

Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропро­водность. Они имеют характерный металлический блеск.

Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодиче­ской системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для метал­лических сплавов, особенно конструкционных, большое значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают на­пряжение и деформация. Напряжение это нагрузка (сила), отнесенная к первоначальной площади поперечного сече­ния образца.

Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Де­формация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрас­тающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пла­стическую, и далее образец разрушается.

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств ме­таллов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.

Прочность – способность металлов оказывать сопротивление де­формации или разрушению статическим, динамическим или знако­переменным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.1). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.1), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Рис. 3.1. Кривая деформации

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании. Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).

Представленная зависимость ОАВ (см. рис. 3.1) между приложенным извне напряжением (σ) и вызванной им относительной деформацией (ε) характеризует механические свойства металлов.

· наклон прямой ОА показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;

· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию:

· напряжение, которое называется пределом пропорциональности (σпц), соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;

· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (σ0,2). Это напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия;

· максимальное напряжение (σв) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности.

Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (δ) или относительное сужение (ψ), они характеризуют пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.

При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.2) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца, в результате этого получают так называемые диаграммы деформации.

Рис. 3.2. Диаграмма «усилие (напряжение) – удлинение»

Деформация образца при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму. Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие, в конечном счете, к полному разрушению образца в целом.

Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:

1) пределом прочности на разрыв;

2) пределом пропорциональности;

3) пределом текучести;

4) пределом упругости;

5) модулем упругости;

6) пределом текучести;

7) относительным удлинением;

8) относительным равномерным удлинением;

9) относительным сужением после разрыва.

Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) σв, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке РВпредшествующей разрушению образца:

σв = Рв/F0,

Эта характеристика является обязательной для металлов.

Предел пропорциональности (σпц) – это условное напряжение Рпц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости мости между деформацией и нагрузкой. Он равен:

σпц = Рпц/F0.

Значения σпц измеряют в кгс/мм2 или в МПа.

Предел текучести (σт) – это напряжение (Рт) при котором обра­зец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Вычисляется по формуле:

σт = Рт/F0.

Предел упругости (σ0,05) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Предел упругости σ0,05 вычисляют по формуле:

σ0,05= Р0,05/F0.

Модуль упругости (Е) – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Он равен:

Е = Рl0/lсрF0,

где ∆Р – приращение нагрузки; l0 – начальная расчетная длина образца; lср– среднее приращение удлинения; F0 – начальная площадь поперечного сечения.

Предел текучести (условный) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

Вычисляется по формуле:

σ0,2 = Р0,2/F0.

Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.

Относительное удлинение (после разрыва) – одна из характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения расчетной длины образца после разрушения (lк) к начальной расчетной длине (l0) в процентах:

.

Относительное равномерное удлинение (δр) – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.

Относительное сужение после разрыва (ψ), как и относительное удлинение – характеристика пластичности материала. Определяется как отношение разности F0 и минимальной (Fк) площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F0), выраженное в процентах:

.

Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упру­гость – свойство, обратное пластичности.

Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом – измерением твердости.

Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т.е., по сути дела, твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.3, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть нагрузка (Р), деленная на площадь сферической поверхности отпечатка (диаметром d).

Рис. 3.3. Испытание на твердость:

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

При измерении твердости методом Виккерса (рис. 3.3, б) вдавливается алмазная пирамида. Измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (HV) материала.

При измерении твердости методом Роквелла (рис. 3.3, в) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Число твердости – это значение, обратное глубине вдавливания (h). Имеются три шкалы: А, В, С (табл. 3.1).

Методы Бринелля и Роквелла по шкале B применяют для мягких материалов, а метод Роквелла по шкале C – для твердых, а метод Роквелла по шкале A и метод Виккерса – для тонких слоев (листов). Описанные методы измерения твердости характеризуют среднюю твердость сплава. Для того чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100 – 400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка. Полученная характеристика (Н) называется микротвердостью, и характеризует твердость определенной структурной составляющей.

Таблица 3.1 Условия испытания при измерении твердости методом Роквелла

Условия испытания

Шкала

Обозначение т

вердости

При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 150 кгс

С

HRC

При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 60 кгс

А

HRA

При вдавливании стального шарика и нагрузке Р = 100 кгс

В

HRB

Значение НВ измеряют в кгс/мм2 (в этом случае единицы часто не указываются) или в СИ – в МПа (1 кгс/мм2 = 10 МПа).

Вязкость – способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. Многие детали в процессе работы испытывают не только статиче­ские нагрузки, но подвергаются также ударным (динамическим) нагрузкам. Например, такие нагрузки испытывают колеса локомо­тивов и вагонов на стыках рельсов.

Основной вид динамических испытаний – ударное нагружение надрезанных образцов в условиях изгиба. Динамическое нагружение ударом осуществляется на маятниковых копрах (рис. 3.4), а также падающим грузом. При этом определяют работу, затраченную на деформацию и разрушение образца.

Обычно в этих испытаниях, определяют удельную работу, затраченную на деформацию и разрушение образца. Ее рассчитывают по формуле:

КС = K/S0,

где КС – удельная работа; К – полная работа деформации и разрушения образца, Дж; S0 – поперечное сечение образца в месте надреза, м2 или см2.

Рис. 3.4. Испытания на ударную  вязкость с помощью маятникового копра

Ширина образцов всех типов измеряется до испытаний. Высоту образцов с U- и V-образным надрезом измеряют до испытаний, а с Т-образным надрезом уже после испытаний. Соответственно удельная работа деформации разрушения обозначается KCU, KCV и КСТ.

Хрупкость металлов в условиях низких температур называют хладоломкостью. Значение ударной вязкости при этом существенно ниже, чем при комнатной температуре.

Ещё одной характеристикой механических свойств материалов является усталостная прочность. Некоторые детали (валы, шатуны, рес­соры, пружины, рельсы и т.п.) в процессе эксплуатации испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величи­не и направлению (знаку). Под действием таких знакопеременных (вибрационных) нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называют усталостью металла, а образовавшиеся изломы – усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости, т.е. величину наибольшего напряжения, которое металл может выдер­жать без разрушения при заданном числе перемен нагрузки (циклов) (N).

Износостойкость – сопротивление металлов изнашиванию вслед­ствие процессов трения. Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, для контактного провода и токосъемных элементов токоприемника электрифицированного транс­порта. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдель­ных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.

Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей.

Механические свойства металлов и способы их определения







Механические свойства металлов и способы их определения

Категория:

Технология металлов

Механические свойства металлов и способы их определения

Большинство деталей машин находится в эксплуатации под воздействием внешних сил. При этом характер внешних сил может быть самым разнообразным. Иногда внешняя сила действует постоянно в течение длительного времени или статически. Могут быть другие условия работы, когда внешняя сила действует непродолжительное время и действие имеет ударный характер. В этом случае нагрузка имеет динамический характер. Наконец возможны случаи длительного воздействия многократно повторяющейся силы. Усилие носит пульсирующий, повторно-переменный, или, как называют иначе, циклический характер. Детали или конструкции в этом случае работают, как говорят, на выносливость (или усталость),

Для того чтобы решить, какой материал может быть использован для изготовления той или иной детали или конструкции, необходимо знать механические свойства этого материала.

Механическими свойствами материала называется совокупность свойств, характеризующих способность материала сопротивляться воздействию внешних усилий. Способность сопротивляться у всех материалов зависит, во-первых, от того, каким образом прикладывается усилие (статически, динамически или циклически), во-вторых, от того, какой характер имеет внешнее усилие — растягивающее, сжимающее, крутящее, изгибающее и т. п.

Статические испытания на растяжение. Испытание на растяжение производится путем растяжения специально приготовленного для этой цели образца на испытательной машине.

Механические свойства материала, определяемые при этих испытаниях, объединяют в две группы:
— прочностные свойства (предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности) и пластические свойства (относительное удлинение, относительное сужение).

При этом под прочностью понимают способ-кость металла сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок.

Под пластичностью — способность под действием нагрузок принимать новую форму не разрушаясь.

Стандартным образцом для испытания на растяжение является образец, показанный на рис. 20, а.

Диаметр стандартного образца выбирается в зависимости от мощности машины и предполагаемой прочности материала. Расчетная длина цилиндрической части определяется соотношением l0= \Od0, где d0 — его начальный диаметр. Все остальные размеры образца определяются конструкцией захватных устройств испытательной машины.

При испытании листового материала применяется образец, показанный на рис. 20, б. Толщина образца определяется толщиной листового материала, ширина — мощностью машины и предполагаемой прочностью материалу.

Расчетная длина образца устанавливается из соотношения 10 — 11,3 VFa, где F0 — начальная площадь его поперечного сечения.

Определение механических свойств производят обычно по диаграмме деформации, записываемой самой испытательной машиной.

Диаграмма деформации показывает зависимость изменения длины образца при постепенном возрастании величины прилагаемого усилия.

В первый момент испытания длина образца увеличивается пропорционально нагрузке — чем больше растягивающее усилие, тем больше увеличение длины.

При этом образец деформируется упруго, т. е. при устранении нагрузки образец примет свою первоначальную длину. Такая деформация носит название упругой деформации.

При достижении нагрузки Ps в металле возникает заметная пластическая деформация — сдвиги слоев металла относительно друг друга, и при устранении нагрузки образец не принимает своей первоначальной длины.

Рис. 1. Эскизы стандартных образцов для испытания на растяжение:
а — цилиндрического; б — плоского

Нагрузка, отвечающая этому моменту Ps, называется нагрузкой предела текучести.

Отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения называют пределом текучести.

Рис. 2. Диаграмма деформации при испытании металлов на растяжение

Как видно из формулы, предел текучести измеряется в кг/мм2.

Величины, выраженные в таких единицах, называют напряжением.

Таким образом, пределом текучести называют напряжение, при котором начинает развиваться заметная пластическая деформация.

При дальнейшем увеличении нагрузки за пределом текучести прямолинейной зависимости между нагрузкой и длиной образца уже нет. Наконец наступает такой момент, когда нагрузка начинает падать, а в образце намечается образование сужения поперечного сечения (образование шейки).

Таким образом, пределом прочности называют максимальное напряжение, выдержанное образцом.

Дальнейшее растяжение образца сопровождается образованием все более сужающейся шейки и падением нагрузки. Вслед за этим наступает разрушение образца.

Пределы прочности и текучести характеризуют прочность материала.

Другой, не менее важной характеристикой является пластичность.

Рис. 3. Изменение образца в результате растяжения:
а — образец до испытания; б — образец после испытания

При испытании на растяжение пластичность определяют двумя величинами: относительным удлинением и относительным сужением.

Для того чтобы понять, как эти величины определяются, следует образец до испытания сопоставить с разрушенным образцом, как это сделано на рис. 22. После разрушения образец оказался длиннее, но он сузился, особенно в месте образования шейки.

Испытательные машины, применяемые для определения механических свойств металлов при растяжении, очень разнообразны как по способу создания растягивающего усилия, так и по способу определения этого усилия и деформаций образца.

Испытательные машины снабжены специальным нагружающим механизмом для создания усилий. Эти механизмы бывают механического и гидравлического действия.

Для определения этих усилий и деформаций образца при растяжении машины снабжаются силоизме-рительными устройствами разных типов. Эти устройства в большинстве случаев имеют диаграммный аппарат, позволяющий автоматически записывать диаграмму деформации. По этой диаграмме и определяются прочностные и пластические свойства металла. На рис. 23 показан общий вид разрывной 4-тонной машины. Образец зажимается в захваты машины. Нижний захват опускается с помощью механического привода, смонтированного в нижней части машины.

Верхний захват связан с маятником, который, отклоняясь на определенный угол, уравнобешивает силу, тянущую образец вниз. Угол отклонения маятника соответствует нагрузке, прикладываемой к образцу. Эта нагрузка, а также растяжение образца отмечаются на диаграммном аппарате в виде диаграммы деформации, показанной на рис. 2.

Методы определения твердости. Твердость — это способность металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Рис. 4. Испытательная 4-тонная машина ИМ-4р

Твердость является весьма важной характеристикой, так как тесно связана с такими основными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износостойкость и др.

В настоящее время имеется много способов определения твердости металлов. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в промышленности.

Определение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля). Стальной шарик, изготовленный из закаленной шарикоподшипниковой стали, под действием усилия вдавливается в поверхность металла.

С помощью специальной лупы измеряется диаметр лунки. По таблицам, приложенным к прибору, определяется значение твердости Не.

Для испытания применяют специальный пресс типа Бринелля, внешний вид которого показан на рис. 5.

Стальной шарик крепится в оправке. Исследуемый образец ставится на предметный столик и поднимается к шарику штурвалом. При включения мотора грузы пресса опускаются и вдавливают стальной шарик в образец.

Рис. 5. Пресс типа Бринелля

Определение твердости по глубине вдавливания.алмазного конуса (метод Роквелла). Алмазный конус с углом при вершине 120° вдавливается в металл предварительной постоянной нагрузкой 10 кг, а затем полной нагрузкой 60 или 150 кг. Для испытания используют специальный пресс, внешний вид которого показан на рис. 6.

Алмазный конус крепится в оправке. Образец устанавливается на столик и поднимается с помощью штурвала до нагрузки 10 кг. Ручка освобождает грузы, которые создают уси-лиедля вдавливания конуса в металл. Глубину вдавливания, т. е. значение твердости, отмечает индикатор.

Значения твердости этим методом определяются по разности глубины вдавливания алмазного конуса под действием полной и предварительной нагрузок. Чем тверже металл, тем на меньшую глубину проникает алмаз при вдавливании, тем больше будет число твердости.

Стандартной нагрузкой при этом методе является 150 кг. Обозначается твердость Hrc. В некоторых случаях, например при измерении твердости на тонком образце или при измерении твердости поверхностного слоя металла, нагрузку применяют до 60 кг.

На этом же приборе можно производить измерение твердости мягких материалов (цветные металлы, отожженная сталь).

Рис. 6. Прибор типа Роквелла

Рис. 7. Прибор для определения твердости ударным вдавливанием шарика

Определение твердости динамическим вдавливанием шарика. При изменении твердости массивных деталей и конструкций, когда нельзя использовать описанные выше приборы, применяют переносный прибор, показанный на рис. 7.

В прибор закладывают эталонный образец. При ударе по прибору молотком специальный шарик 2 наносит отпечатки на исследуемый предмет и эталонный образец, твердость которого известна.

Сопоставляя значения диаметров лунок образца и детали по таблицам, определяют твердость детали.

Определение твердости методом упругой отдачи. В тех случаях, когда нельзя применять методы вдавливания, чтобы не испортить поверхности изделия, используется прибор,.определяющий твердость методом упругой отдачи.

На рис. 8 показан внешний вид прибора. С постоянной высоты на металл падает определенного веса боек и отскакивает. По величине отскока судят о твердости. Чем больше твердость, тем больше отскок бойка.

Производительность этого метода испытаний очень велика (несколько сот измерений в час). Однако применять его можно только для сравнения между собой твердости изделий из одного и того же металла или из металлов, имеющих одинаковые упругие свойства.

Испытание на удар. Весьма распространенным видом механических испытаний является испытание на удар.

С помощью таких испытаний можно выявить склонность к хрупкости, появляющейся в некоторых материалах при низких температурах («хладноломкость»), а также к тепловой хрупкости, возникающей в процессе работы при повышенных температурах, проконтролировать качество обработки металла и т. д.

Испытание чаше всего производится на маятниковых копрах; внешний вид одного из них показан на рис. 9. Копер представляет собой тяжелый маятник, подвешенный на легкой штанге. Перед испытанием маятник поднимается на определенную высоту, что сообщает ему определенный запас энергии. При падении маятник ударяется об образец, разрушает его и по инерции проходит вперед, поднимаясь уже на меньшую высоту. Работа, затраченная на деформирование образца Адеф, пропорциональна разности высот и определяется с помощью отсчетного приспособления, установленного на станине копра.

Рис. 8. Прибор для определения твердости способом упругой отдачи

Образец для этого вида испытания представляет собой призматический брусок размером 10X10X55 с прорезью посередине.

При этом испытании устанавливается величина ударной вязкост и, которая определяется отношением работы, затраченной на деформацию образца, к площади поперечного сечения образца в надрезе.

Технологические пробы.

Технологическими пробами называют испытания материала с целью выявления пригодности его к тому или иному виду обработки.

Технологические пробы весьма разнообразны. Они служат лишь для качественной или сравнительной оценки металла.

Обычно проведение технологической пробы оговаривается техническими условиями. Как правило, размеры образцов и-условия испытания должны быть строго одинаковыми, лишь в этом случае результаты могут сравниваться.

В качестве показателей пригодности металла для каждого вида пробы выбираются свои характеристики. Такими характеристиками могут служить угол загиба, степень обжатия, число перегибов проволоки до возникновения первых признаков разрушения, степень высадки и т. д.

Рис. 9. Копер, для определения механических свойств при ударе

Рис. 10. Технологическая проба на загиб

Рис. 11. Технологическая проба еварных швов

Рис. 12. Проба на осадку в холодном состоянии

Рис. 13. Проба на загиб трубы

Рис. 14. Проба на перегиб проволоки

В качестве примеров приведем следующие технологические пробы:
1. Проба на загиб в холодном и нагретом состоянии. Схематически она показана на рис. 10. Загиб может производиться до определенного угла, либо до параллельности сторон, либо до соприкосновения сторон. Металл, выдерживающий пробу, не должен иметь трещин. Такая проба определяет способность металла принимать заданный по размерам и форме загиб.
2. Испытание на загиб сварных швов определяет качество сварного шва. Испытание производят до появления первых трещин. Угол загиба а характеризует качество сварки. Чем больше угол, тем сварка более качественная.
3. Проба на осадку в холодном состоянии позволяет определять способность металла к заданной по размерам и форме деформации сжатия. Образец считается выдержавшим пробу, если при осадке до заданной высоты h в нем не появились трещины или изломы.
4. Проба на загиб трубы в холодном и горячем состоянии выявляет способность металла трубы принимать заданный по размерам и форме загиб. Испытание состоит в загибе заполненного сухим песком или канифолью отрезка трубы на 90° вокруг оправки. После загиба труба не должна иметь трещин, волосовин, надрывов, расслоений.
5. Проба на перегиб проволоки производится с целью выявления способности проволоки выдерживать повторный загиб. Число перегибов до разрушения свидетельствует о способности металла выдерживать многократные перегибы.
6. Проба на навивание проволоки.

Реклама:

Читать далее:

Железоуглеродистые сплавы

Статьи по теме:

  • Токарные станки
  • Принципы сборки
  • Слесарные работы
  • Отделочные работы
  • Основные методы обработки металлов резанием






Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум

Механические свойства металлов

Механические свойства металла определяют его пригодность для применения. Свойства помогают предсказывать поведение металлов при определенных условиях. Знание свойств металла также помогает в уточнении требований при закупке сырья для изготовления оборудования.

С точки зрения сварки важна количественная оценка поведения основного металла в цифрах. Выбор электрода для сварки основного металла важен, поскольку свойства металла шва должны быть совместимы со свойствами основного металла. Обычно определяемыми свойствами, которые помогают сделать правильный выбор электрода или сварки, являются: химический состав, предел прочности при растяжении, ударная вязкость, твердость и т. д.

Механические свойства металла можно определить, проведя различные тесты , помогающие установить поведение металла. В этой статье мы кратко обсудим различные механические свойства металлов и их важность.

Механические свойства обычно используемых металлов

Предел прочности

Прочность на сдвиг

Предел выносливости

Прочность на сжатие

Эластичность

Модуль упругости

Пластичность

Пластичность

Пластичность

Уменьшение площади

Хрупкость

Прочность

Обрабатываемость и свариваемость

Стойкость к истиранию

твердость

Испытание на твердость по Бринеллю

Испытание на твердость по Роквеллу

Склероскопический тест на твердость

Изменяет ли термическая обработка свойства металла?

Механические свойства обычно используемых металлов

Различные металлы имеют разные свойства. Свойства определяют пригодность металла для применения. В следующей таблице показаны обычно указанные механические свойства металлов, обычно используемых в производстве.

Прочность на растяжение

Когда мы тянем металлический стержень, он реагирует, развивая противодействующую силу внутри своего тела, которая сопротивляется внешнему натяжению. Эта противодействующая сила равна по величине приложенной извне силе и возрастает по мере увеличения внешней силы. Однако она не может увеличиваться бесконечно. То, насколько металл может сопротивляться внешнему натяжению, прежде чем отдать, является его неотъемлемым свойством, которое также называется прочностью.

Внутренняя реакция, возникающая внутри металла, зависит от площади поперечного сечения металлической детали и приложенной внешней нагрузки. Эту реакцию чаще называют напряжение развивалось внутри металла. Другими словами, напряжение, возникающее внутри металлического образца, представляет собой нагрузку на единицу площади.

Максимальное напряжение, которому металлический образец стандартного размера может выдержать до разрушения, называется предельным растягивающим напряжением (UTS) и выражается в фунтах на квадратный дюйм (psi). В метрической системе это выражается в ньютонах на квадратный миллиметр. Напряжение, при котором металл начинает выдерживать предел текучести , называется пределом текучести (YS). UTS и YS металла можно определить, выполнив простое испытание на растяжение на универсальной испытательной машине или UTM. Нахождение этих двух значений дает нам представление о поведении металла при одинаковых условиях нагрузки.

В ходе этого испытания мы также можем найти процентное удлинение образца (что является показателем пластичности металла), процентное уменьшение площади (что также является показателем пластичности металла). С практической точки зрения, прочность в фунтах на квадратный дюйм указывает на силу (в фунтах), необходимую для разрыва металлического куска с площадью поперечного сечения 1 дюйм (25,4 мм) на 1 дюйм (25,4 мм).

Прочность на сдвиг

Прочность на сдвиг указывает на способность металла сопротивляться сдвигу. Когда две силы действуют на металл, но не в одной плоскости (см. рисунок ниже), они пытаются вызвать сдвиг в металле. Металл пытается сопротивляться сдвигу. Степень его способности делать это называется прочностью на сдвиг. Его можно рассчитать по математическим формулам.

Усталостная прочность

Когда металл подвергается нагрузкам противоположного типа (например, растяжению и сжатию) большое количество раз, в металле возникает «усталость». Например, вращающийся вал, несущий груз, имеет сжимающую нагрузку в металлических волокнах, находящихся вверху в данный момент. В этот же момент на волокна, находящиеся внизу, действует растягивающая нагрузка.

В следующее мгновение волокна, которые были наверху, оказались внизу, а те, что раньше были внизу, теперь наверху. Теперь нагрузка на эти волокна обратная. Волокна, которые раньше находились под растягивающей нагрузкой, теперь находятся под сжимающей нагрузкой, а те, которые раньше подвергались сжимающей нагрузке, наоборот.

Это значение продолжает изменяться, пока вращается вал. Это повторяющееся изменение типа нагрузки на металлические волокна вызывает в них усталость. Свойство усталостной прочности металла является мерой того, сколько циклов (такой изменяющейся нагрузки) металл может выдержать без разрушения. Иногда это также выражается как нагрузка, которую металл может выдержать в течение заданного количества циклов без разрушения.

Усталостная прочность металла зависит от микроструктуры, твердости поверхности, нагартовки и т. д.

Прочность на сжатие

Прочность на сжатие — это максимальная сжимающая нагрузка, которую может выдержать металл до возникновения заданной степени деформации. Другими словами, прочность на сжатие — это способность металла выдерживать сжимающие усилия (как показано на рисунке ниже) до деформации.

Для некоторых веществ их прочность на сжатие выше, чем их прочность на растяжение. Несколько примеров такого поведения — чугун и бетон. Однако для большинства материалов верно обратное.

Эластичность

Когда мы растягиваем резину, она немного деформируется. Тем не менее, он возвращается к своей первоначальной форме после снятия натяжения. Это связано с тем, что резина является очень эластичным материалом. Металлы на руке не такие эластичные.

Металлы крепкие. Они не подвергаются деформации при небольших нагрузках. Однако при увеличении нагрузок происходит небольшая деформация. Фактически, ровный металл возвращается к своему первоначальному размеру после снятия нагрузки. Другими словами, металл демонстрирует упругое поведение. Это называется эластичностью. Металл проявляет такое поведение только до определенной нагрузки, после которой деформация становится постоянной.

Когда нагрузка превышает предел упругости, металл проявляет пластическое поведение. То есть деформация постоянная. Эластичность выражается через предел текучести и представляет собой ту нагрузку, при которой начинается пластическое поведение.

Предел текучести металла можно определить, выполнив простое испытание на растяжение. Как и UTS, YS также выражается в фунтах на квадратный дюйм (МПа или Н/мм2 в метрической системе).

Модуль упругости

Проще говоря, модуль упругости — это отношение напряжения к деформации. Поскольку деформация является безразмерной величиной, модуль упругости имеет те же единицы измерения, что и напряжение.

Мера сопротивления металла упругой деформации при воздействии на него внешней нагрузки. Его можно рассчитать по наклону кривой напряжения-деформации в упругой области. Более жесткий металл будет иметь более высокий наклон на этой кривой.

Пластичность

Пластичность металла – это его способность растягиваться без остаточной деформации. Такие металлы, как медь и алюминий, довольно пластичны, в то время как металлы, такие как чугун, не такие пластичные и хрупкие.

Прямого теста для измерения пластичности не существует. Однако параметр «удлинение в процентах» при испытании на растяжение является показателем пластичности металла. Металл с высокой пластичностью будет иметь более высокий процент удлинения, в то время как металл с меньшей пластичностью будет иметь меньшее значение процентного удлинения.

Пластичность

Пластичность противоположна эластичности. Свойство металла постоянно деформироваться без разрыва и без возможности вернуться к своей первоначальной форме при снятии внешней нагрузки.

Пластичность

Пластичность аналогична пластичности. Проще говоря, это способность металла растягиваться в листы без разрыва. Это волочение в листы осуществляется посредством ковки или прокатки и представляет собой необратимую деформацию. Такие металлы, как золото, олово и серебро, обладают превосходной ковкостью. На самом деле, добро обладает такой исключительной податливостью, что его можно раскатать в листы, достаточно тонкие, чтобы пропускать свет.

Уменьшение площади

Когда испытуемый образец подвергается деформации при испытании на растяжение, площадь его поперечного сечения постоянно уменьшается, прежде чем произойдет окончательный разрыв. Для пластичных материалов это уменьшение площади настолько велико, что точка излома становится острой. Для хрупких материалов величина деформации, которая возникает перед разрушением, намного меньше. Следовательно, уменьшение площади также происходит не сильно.

Уменьшение площади в процентах можно рассчитать, измерив площадь поперечного сечения сломанного образца и сравнив ее с первоначальной площадью поперечного сечения. Мера этого значения указывает на пластичность металла.

Хрупкость

Противоположность пластичности. Когда металл является хрупким, он не подвергается деформации, как это происходит с пластичным материалом при испытании на растяжение. На самом деле, он внезапно ломается, как только внешняя нагрузка превышает его прочность. Другими словами, хрупкому материалу не хватает пластичности или эластичности.

Мел, которым пишут на школьной доске, является примером хрупкого материала. Среди металлов мартенситная микроструктура является примером хрупкости.

Прочность

Прочность — это способность материала поглощать энергию без разрушения. Это площадь под кривой напряжения-деформации. Для высокой ударной вязкости материал должен иметь сочетание высокой прочности и пластичности.

Обрабатываемость и свариваемость

Обрабатываемость – это легкость обработки металла.

Свариваемость – это способность металла поддаваться сварке без каких-либо дефектов.

Сопротивление истиранию

Это стойкость металла к эрозии поверхности в результате износа вследствие трения.

Твердость

Твердость – это способность материала сопротивляться вдавливанию. Металл обычно показывает высокие значения твердости, если он обладает высокой прочностью и ударной вязкостью. Твердый материал трудно обрабатывать и сваривать. Вообще говоря, изготовление твердого металла затруднено.

Твердость материала выражается по-разному. Одной из единиц является число твердости по Бринеллю. Другой часто используемой единицей измерения является число твердости по Роквеллу. Число твердости по Виккеру — еще одна широко используемая единица измерения.

Испытание на твердость по Бринеллю

В этом испытании шарик из твердой стали медленно вдавливается в металл с известной силой. За счет этого на поверхности металла образуется небольшая вмятина. Размер этого отступа измеряется и сравнивается со стандартными таблицами.

Испытание на твердость по Роквеллу

В этом испытании сначала прикладывается легкая нагрузка, а затем большая нагрузка. Разница в глубине вдавливания, вызванная двумя нагрузками, измеряется и используется в качестве показателя твердости материала. Значение твердости отображается на циферблате. Полученное таким образом значение называют числом твердости по Роквеллу.

Определение твердости с помощью склероскопа

В ходе этого испытания молоток с алмазным наконечником падает на поверхность металла с фиксированной высоты и отскакивает. Вес молота фиксирован. Отскок измеряется по шкале. Величина отскока считается показателем твердости материала.

Этот тест подходит для поверхностей, на которых вмятины нежелательны по разным причинам.

Изменяет ли термическая обработка свойства металла?

Термическая обработка, если она выполнена правильно, приводит к желаемому изменению свойств металла. Он используется в промышленности для улучшения пластичности, увеличения твердости и прочности, а иногда и для его размягчения для улучшения обрабатываемости и свариваемости.

Термическая обработка может проводиться в одну или несколько стадий. Иногда это делается в виде серии операций для достижения желаемых свойств. Скорость нагревания, скорость охлаждения, температура выдержки и время, проведенное при температуре.

Закалка и размягчение углеродистой стали, содержащей более 0,35% углерода, могут осуществляться путем регулирования скорости нагрева и охлаждения. Для малоуглеродистых сталей с помощью этого метода невозможно получить заметное упрочнение.

Температура термической обработки металла всегда должна быть значительно ниже его точки плавления. Это связано с тем, что некоторые элементы в металле окисляются при этой температуре. Это изменяет свойства металла, часто необратимо. Особенно это касается металлов с более высоким содержанием легирующих элементов.

Хотя термическая обработка может быть использована для благоприятного изменения свойств металла, у нее есть свои проблемы. Обычно связанные с термической обработкой проблемы — деформация и деформация компонентов, отсутствие закалки некоторых металлов, чрезмерная хрупкость, растрескивание, размягчение и т. д.

Итак, речь шла о механических свойствах металлов. Пожалуйста, поделитесь своими наблюдениями в разделе комментариев ниже.

Механические свойства | Механические испытания

Измерение и понимание механического отклика имеет решающее значение для исследования материалов, разработки продуктов и управления технологическими процессами. Механическая реакция этих материалов зависит от сценариев применения, а также от химического состава материала. Основными параметрами, которые считаются измеряющими эти механические свойства, являются нагрузка (P), скорость нагружения (Ṗ) или скорость деформации (ἐ), время нагружения (t).

Содержание

  1. Механические свойства
    1. Модуль упругости
    2. Твердость
    3. Вязкоупругость
    4. Прочность на излом

Традиционно механические свойства определялись по кривой напряжение-деформация, создаваемой приложенной нагрузкой, но наноиндентирование оказалось гораздо более совершенным, обеспечивая несколько свойств, таких как твердость и модуль, из одного теста менее чем за секунду. Некоторыми общими терминами, используемыми в механических испытаниях, являются напряжение, деформация, предел текучести. Напряжение  (σ) — это мгновенная нагрузка, приложенная к образцу, деленная на площадь его поперечного сечения до какой-либо деформации. Деформация (ε) — это изменение расчетной длины образца, деленное на его первоначальную расчетную длину. Предел текучести  (σ y ) – это напряжение в точке, в которой материал больше не реагирует упруго, называемой пределом текучести.

Из основных данных определяются механические свойства:

  • Модуль упругости
  • Твердость
  • Комплексный модуль для вязкоупругих материалов
  • Вязкость разрушения

Схема кривой напряжения-деформации с участками упругости и пластичности перед разрушением.

Модуль упругости

С помощью наноиндентирования можно определить два механических свойства: модуль упругости и твердость.

 Модуль упругости (E), часто называемый модулем Юнга, представляет собой отношение напряжения (σ) к деформации (ε) при полностью упругой деформации. В упругой области напряжение и деформация пропорциональны закону Гука: σ = Eε

Модуль упругости — это внутреннее свойство материала. На фундаментальном уровне Е является мерой прочности связи между атомами. Чем больше модуль, тем жестче материал и меньше деформация. Упругая реакция непостоянна, поэтому при снятии приложенной нагрузки образец возвращается к своей первоначальной форме.

Твердость

Твердость (Н) – это мера сопротивления материала деформации при поверхностном вдавливании. Пластическая деформация вызывается движением дислокаций в атомарной структуре материала. Предел текучести материала можно изменить, подавляя движение дислокаций через дефекты, сплавы или границы зерен.

Твердость материала может быть повышена различными способами, включая междоузельное или замещающее упрочнение, при котором атомы либо добавляются между атомами, либо замещаются в атомной решетке:

Междоузельное и заместительное твердение.

Испытание на микротвердость и наноиндентирование являются стандартными методами определения твердости. Наноиндентирование имеет дополнительное преимущество, заключающееся в обеспечении модуля упругости.

Твердость материала является самым важным параметром при разработке контактов. Чем тверже материал, тем мягче изнашивается при контакте друг с другом. В механике твердость определяется как сопротивление материала остаточной деформации при приложении нагрузки.

Традиционно твердость измеряется по относительной шкале, такой как твердость Мооса или Виккерса. Каждому материалу присваивается числовое значение от 1 до 10 в зависимости от его относительной твердости по шкале Мооса. Недавний прогресс в технологии наноиндентирования позволяет измерять твердость различных материалов и определяется с точки зрения площади, отпечатанной на материале для данной приложенной нагрузки. Твердость H по методу наноиндентирования рассчитывается как:

При наноиндентировании H (твердость) равна P (приложенная нагрузка), деленная на A (площадь вдавливания).

Здесь P — приложенная нагрузка, A — площадь вдавливания. Существуют различные шкалы измерения, основанные на таких материалах, как твердость по Шору, твердость по Виккерсу, твердость по Моосу и твердость по Кнупу, и это лишь некоторые из них. Все они представляют собой относительную твердость материала по отношению к стандартному образцу. Наноиндентирование устраняет неоднозначность в различных масштабах, обеспечивая физическое измерение с точки зрения абсолютной твердости.

В отличие от модуля упругости, который является неотъемлемым свойством материалов, твердость зависит от размера в материалах, приповерхностная твердость которых отличается от объемной твердости. Непрерывное измерение жесткости является превосходным методом, обеспечивающим измерения в зависимости от глубины для изучения размерного эффекта твердости в различных материалах. Зависимость твердости от размера можно понять, сравнив два сплава, изготовленных из одного и того же материала, но с разным размером зерна. Более мелкие зерна приводят к более высокой твердости большинства материалов из-за компактности упаковки.

Вязкоупругость

Динамический механический анализ (DMA) используется для полимеров и резиновых материалов с фиксированной геометрией. Осцилляции применяются во время развертки по частоте при повышении температуры. Затем определяется комплексный модуль, объединенный модуль накопления и потерь, как функция частоты и температуры.

Модуль упругости (E’) — это мера эластичности полимерного материала. Модуль потерь (Е») – это мера способности полимера преобразовывать механическую энергию в тепло. Коэффициент потерь, называемый тангенсом δ, представляет собой отношение E” к E’.

Когда размер образца или функция требуют небольшого объема, для определения E’ и E’ используется тест динамического наноиндентирования, аналогичный DMA. Наноиндентирование можно использовать для характеристики более широкого диапазона частот, чем DMA. Меньшее количество тепла может быть применено к меньшему размеру образца.

Поперечное сечение шины с трехмерными картами модуля накопления и потерь по данным наноиндентирования.

Вязкость разрушения

Вязкость разрушения — это свойство сопротивления материала хрупкому разрушению. Поскольку при обработке материала или компонента невозможно избежать возникновения дефектов, вязкость разрушения является важным свойством материала.