Измерение какого механического свойства
И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Цель работы: изучить способы определения основных механических свойств металлических материалов.
Теоретические сведения
Механические свойства определяют способность металлов сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок). Они зависят от химического состава металлов, их структуры, характера технологической обработки и других факторов. Зная механические свойства металлов, можно судить о поведении металла при обработке и в процессе работы машин и механизмов.
К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.
Прочность – способность металла не разрушаться под действием приложенных к нему внешних сил.
Пластичность – способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения.
Твердость – способность металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела.
Ударная вязкость – степень сопротивления металла разрушению при ударной нагрузке.
Механические свойства определяют путем проведения механических испытаний.
Испытания на растяжение. Этими испытаниями определяют такие характеристики, как пределы пропорциональности, упругости, прочности и пластичность металлов. Для испытаний на растяжение применяют круглые и плоские образцы (рисунок 2.1, а, б), форма и размеры которых установлены стандартом. Цилиндрические образцы диаметром d0 = 10 мм, имеющие расчетную длину l0 = 10d0, называют нормальными, а образцы, у которых длина l0 = 5d0, – короткими. При испытании на растяжение образец растягивается под действием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.
Разрывные машины снабжены специальным самопишущим прибором, который автоматически вычерчивает кривую деформации, называемую диаграммой растяжения. Диаграмма растяжения в координатах «нагрузка Р – удлинение ∆l» отражает характерные участки и точки, позволяющие определить ряд свойств металлов и сплавов (рисунок 2.1). На участке 0 – Рпц удлинение образца увеличивается прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше Рпц, на участке Рпц – Pупр прямая пропорциональность нарушается, но деформация остается упругой (обратимой). На участке выше точки Pvпр возникают заметные остаточные деформации, и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке Рт появляется горизонтальный участок диаграммы — площадка текучести Т-Т1, которая наблюдается, главным образом, у деталей из низкоуглеродистой стали. На кривых растяжения хрупких металлов площадка текучести отсутствует. Выше точки Рт нагрузка возрастает до точки А, соответствующей максимальной нагрузке Рв, после которой начинается ее падение, связанное с образованием местного утонения образца (шейки). Затем нагрузка падает до точки В, где и происходит разрушение образца. С образованием шейки разрушаются только пластичные металлы.
а, б – стандартные образцы для испытания на растяжение;
в – диаграмма растяжения образца из пластичного материала
Рисунок 2.1 – Испытание на растяжение
Усилия, соответствующие основным точкам диаграммы растяжения, дают возможность определить характеристики прочности, выраженные в мегапаскалях, МПа, по формуле
, (2.1)
где σi – напряжение, МПа;
Pi – соответствующая точка диаграммы растяжения, Н;
F0 – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм2.
Предел пропорциональности σпц – это наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией:
, (2.2)
где Pпц – напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, Н.
Предел упругости σупр – напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допуском (обычно 0,05 %):
, (2.3)
где Pупр – напряжение, соответствующее пределу упругости, Н.
Предел текучести физический σт— напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:
, (2.4)
где Pт – напряжение, соответствующее пределу текучести, Н.
Если площадка текучести на диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести σ0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.
Предел прочности (временное сопротивление) σв — напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:
, (2.5)
где Pв – напряжение, соответствующее пределу прочности, Н.
По результатам испытания на растяжение определяют характеристики пластичности металлов.
Показатели пластичности металлов — относительное удлинение и относительное сужение – рассчитывают по результатам замеров образца до и после испытания.
Относительное удлинение δ находится как отношение увеличения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:
, (2.6)
где lk – длина образца после разрыва, мм;
l0 – расчетная (начальная) длина образца, мм.
Относительное сужение ψ определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженным в процентах:
, (2.7)
где F0 – начальная площадь поперечного сечения образца;
Fк – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.
Методы определения твердости.Наиболее распространенным методом определения твердости металлических материалов является метод вдавливания, при котором в испытуемую поверхность под действием постоянной статической нагрузки вдавливается другое, более твердое тело (наконечник). На поверхности материала остается отпечаток, по величине которого судят о твердости материала. Показатель твердости характеризует сопротивление материала пластической деформации, как правило, большой, при местном контактном приложении нагрузки.
Твердость определяют на специальных приборах – твердомерах, которые отличаются друг от друга формой, размером и материалом вдавливаемого наконечника, величиной приложенной нагрузки и способом определения числа твердости. Так как для измерения твердости испытывают поверхностные слои металла, то для получения правильного результата поверхность металла не должна иметь наружных дефектов (трещин, крупных царапин и т. д.).
Измерение твердости по Бринеллю. Сущность этого способа заключается в том, что в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм в зависимости от толщины образца под действием нагрузки, которая выбирается в зависимости от предполагаемой твердости испытуемого материала и диаметра наконечника по формулам: Р = 30D2; Р = 10D2;
Р = 2,5D2 (таблица 2.1).
Таблица 2.1 – Выбор диаметра шарика D и нагрузки Р
| Материал образца | Твердость, кгс/мм2 | Толщина образца, мм | Диаметр шарика D, мм | P/D2, кгс/мм2 | Нагрузка Р, кгс | Выдержка под нагрузкой, с |
| Черные металлы (сталь, чугун) | 450 – 140 | более 6 6 – 3 менее 3 | 2,5 | 187,5 | ||
| Черные металлы | Менее 140 | более 6 6 – 3 менее 3 | 2,5 | 187,5 | ||
| Твердые цветные металлы (латунь, бронза, медь) | 140 – 32 | более 6 6 – 3 менее 3 | 2,5 | 62,5 | ||
| Мягкие цветные металлы (олово, алюминий и др.) | 35 – 8 | более 6 6 – 3 менее 3 | 2,5 | 2,5 | 62,5 15,6 |
На поверхности образца остается отпечаток (рисунок 2.2, а), по диаметру которого определяют твердость. Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой с делениями.
Твердость рассчитывают по формуле
, (2.8)
где НВ – твердость по Бринеллю, кгс/мм2;
Р – нагрузка при испытании, кгс или Н;
F – площадь полученного отпечатка, мм2;
D – диаметр наконечника, мм;
d – диаметр отпечатка, мм.
Рисунок 2.2 – Измерение твердости методами Бринелля (а),
Роквелла (б), Виккерса (в)
На практике пользуются специальными таблицами, которые дают перевод диаметра отпечатка в число твердости, обозначаемое НВ. Например: 120 НВ, 350 НВ и т.д. (Н – твердость, В – по Бринеллю, 120, 350 – число твердости в кгс/мм2, что соответствует 1200 и 3500 МПа).
Этот способ применяют, главным образом, для измерения твердости незакаленных металлов и сплавов: проката, поковок, отливок и др.
Твердомер Бринелля можно использовать в том случае, если твердость материала не превышает 450 кгс/мм2. В противном случае произойдет деформация шарика, что приведет к погрешностям в измерении. Кроме того, твердомер Бринелля не применяется для испытания тонких поверхностных слоев и образцов тонкого сечения.
Измерение твердости по Роквеллу. Измерение осуществляют путем вдавливания в испытуемый металл стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120° (см. рисунок 2.2, б).В отличие от метода Бринелля твердость по Роквеллу определяют не по диаметру отпечатка, а по глубине вдавливания наконечника.
Вдавливание производится под действием двух последовательно приложенных нагрузок — предварительной, равной ≈ 100 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной 1400, 500 и 900 Н. Твердость определяют по разности глубин вдавливания отпечатков. Для испытания твердых материалов (например, закаленной стали) необходима нагрузка 1500 Н, а вдавливание стальным шариком нагрузкой 1000 Н производят для определения твердости незакаленной стали, бронзы, латуни и других мягких материалов. Глубина вдавливания измеряется автоматически, а твердость после измерения отсчитывается по трем шкалам: А, В, С (таблица 2.2).
Таблица 2.2 – Наконечники и нагрузки для шкал А, В, С
| Наконечник | Суммарная нагрузка Р, Н (кгс) | Отсчет по шкале | Обозначение твердости |
| Стальной шарик | 1000 (100) | В (красная) | HRB |
| Алмазный конус | 1500 (150) | С (черная) | HRC |
| Алмазный конус | 600 (60) | А (черная) | HRA |
Твердость (число твердости) по Роквеллу обозначается следующим образом: 90 HRA, 80 HRB, 55 HRC (Н – твердость, Р – Роквелл, А, В, С – шкала твердости, 90, 80, 55 – число твердости в условных единицах).
Определение твердости по Роквеллу имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы без дополнительных измерений; размер отпечатков очень незначителен, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи.
Измерение твердости по Виккерсу. Данный метод позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов. Он пригоден для определения твердости очень тонких поверхностных слоев (толщиной до 0,3мм). В этом случае в испытуемый образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136о (см. рисунок 2.2, в). При таких испытаниях применяются нагрузки от 50 до 1200 Н. Измерение отпечатка производят по длине его диагонали, рассматривая отпечаток под микроскопом, входящим в твердомер. Число твердости по Виккерсу, обозначаемое НV, находят по формуле
, (2.9)
где Р – нагрузка, Н;
d – длина диагонали отпечатка, мм.
На практике число твердости НV находят по специальным таб-лицам.
Определение ударной вязкости производят на специальном маятниковом копре (рисунок 2.3). Для испытаний применяется стандартный надрезанный образец, который устанавливается на опорах копра. Маятник определенной массой поднимают на установленную высоту Н и закрепляют, а затем освобожденный от защелки маятник падает, разрушает образец и снова поднимается на некоторую вы-
соту h. Удар наносится по стороне образца, противоположной надрезу. Для испытаний используют призматические образцы с надрезами различных видов: U-образный, V-образный, T-образный (надрез с усталостной трещиной).
а – схема испытания; б – образцы для испытаний.
Рисунок 2.3 – Испытания на ударную вязкость
Ударная вязкость КС (Дж/см2) оценивается работой, затраченной маятником на разрушение стандартного надрезанного образца, отнесенной к сечению образца в месте надреза:
, (2.10)
где А – работа, затраченная на разрушение образца (определяется по разности энергий маятника до и после удара: А0 – А1), Дж;
F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см2.
В зависимости от вида надреза в образце ударная вязкость обозначается KCU, KCV, KCТ (третья буква – вид надреза).
Материалы и принадлежности
· Образцы для испытания на растяжение, твердость и ударную вязкость.
· Разрывная испытательная машина.
· Твердомеры Бринелля, Роквелла, Виккерса.
· Маятниковый копер.
· Штангенциркуль.
Порядок выполнения работы
Испытания на растяжение
2.3.1.1 Измерить рабочую длину и диаметр образца перед испытанием, записать данные в протокол испытаний.
2.3.1.2 Подготовленный для испытания образец поместить в зажимы машины.
2.3.1.3 Включить электродвигатель.
2.3.1.4 Наблюдать за перемещением стрелки по шкале машины, зафиксировать нагрузку, соответствующую текучести образца, и наибольшую нагрузку, предшествующую разрушению образца, записать в соответствующие графы протокола испытаний.
2.3.1.5 После разрыва образца выключить электродвигатель, обе части образца вынуть из зажимов, снять с диаграммного аппарата часть бумажной ленты с записанной диаграммой.
2.3.1.6 Обе части образца плотно приложить одну к другой, измерить длину и диаметр образца в месте разрыва, записать данные в протокол испытаний.
2.3.1.7 Рассчитать характеристики прочности и пластичности материала, записать полученные данные.
Источник
Механические свойства металлов (прочность, упругость, пластичность, вязкость), как и другие свойства, являются исходными данными при проектировании и создании различных машин, механизмов и сооружений.
Методы определения механических свойств металлов делятся на следующие группы:
· статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
· динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
· циклические, когда нагрузка многократно изменяется (испытание на усталость);
· технологические — для оценки поведения металла при обработке давлением (испытания на изгиб, перегиб, выдавливание).
Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) проводятся на стандартных образцах круглого или прямоугольного сечения. При растяжении под действием плавно возрастающей нагрузки образец деформируется до момента разрыва. Во время испытания образца снимают диаграмму растяжения (рис. 1.36, а), фиксирующую зависимость между действующей на образец силой Р, и вызванной ею деформацией Δl (Δl — абсолютное удлинение).
Рис. 1.36. Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали (а) и зависимость между напряжением и относительным удлинением (б)
Вязкость (внутреннее трение) — способность металла поглощать энергию внешних сил при пластической деформации и разрушении (определяется величиной касательной силы, приложенной к единице площади слоя металла, подлежащего сдвигу).
Пластичность — способность твердых тел необратимо деформироваться под действием внешних сил.
При испытании на растяжение определяют:
· σв — границу прочности, МН/м2 (кг/мм2):
где Рb — наибольшая нагрузка; F0 — начальная площадь сечения образца;
· σпц — границу пропорциональности, МН/м2 (кг/мм2):
где Pпц — нагрузка, соответствующая границе пропорциональности;
· σпр — границу упругости, МН/м2 (кг/мм2):
где Рпр — нагрузка, соответствующая границе упругости (при σпр остаточная деформация соответствует 0,05-0,005 % начальной длины);
· σт — границу текучести, МН/м2 (кг/мм2):
где Рт — нагрузка, соответствующая границе текучести, Н;
· δ — относительное удлинение, %:
где l0 — длина образца до разрыва, м; l1 — длина образца после разрыва, м;
· ψ — относительное сужение, %:
где F0 — площадь сечения до разрыва, м2; F — площадь сечения после разрыва, м2.
Испытания на твердость
Твердость — это сопротивление материала проникновению в него другого, более твердого тела. Из всех видов механического испытания определение твердости является самым распространенным.
Испытания по Бринеллю (ГОСТ 9012-83) проводятся путем вдавливания в металл стального шарика. В результате на поверхности металла образуется сферический отпечаток (рис. 1.37, а).
Твердость по Бринеллю определяется по формуле:
где P — нагрузка на металл, Н; D — диаметр шарика, м; d — диаметр отпечатка, м.
Чем тверже металл, тем меньше площадь отпечатка.
Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от исследуемого металла, его твердости и толщины. При испытании стали и чугуна выбирают D = 10 мм и P = 30 кН (3000 кгс), при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и P = 10 кН (1000 кгс), а при испытании очень мягких металлов (алюминия, баббитов и др.) D = 10 мм и P = 2,5 кН (250 кгс). При испытании образцов толщиной менее 6 мм выбирают шарики с меньшим диаметром — 5 и 2,5 мм. На практике пользуются таблицей перевода площади отпечатка в число твердости.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450 (4500 МПа), поскольку шарик может деформироваться, что исказит результаты испытаний.
Испытания по Роквеллу (ГОСТ 9013-83). Проводятся путем вдавливания в металл алмазного конуса (α = 120°) или стального шарика (D = 1,588 мм или 1/16″, рис. 1.37, б). Прибор Роквелла имеет три шкалы — В, С и А. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы С и А), а шарик — для испытания мягких материалов (шкала В). Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной Р0 и общей Р:
Р = Р0 + Р1,
где Р1 — основная нагрузка.
Предварительная нагрузка Р0 = 100 Н (10 кгс). Основная нагрузка составляет 900 Н (90 кгс) для шкалы В; 1400 Н (140 кгс) для шкалы С и 500 Н (50 кгс) для шкалы А.
Рис. 1.37. Схема определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Рoквеллу; в — по Виккерсу
Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принимают величину, которая соответствует осевому перемещению наконечника на расстояние 0,002 мм.
Твердость по Роквеллу вычисляют следующим способом:
НR = 100 – e (шкалы А и С); НR = 130 – e (шкала В).
Величину e определяют по формуле:
,
где h — глубина проникновения наконечника в металл под действием общей нагрузки Р (Р =Р0+ Р1); h0 — глубина проникновения наконечника под действием предварительной нагрузки Р0.
В зависимости от шкалы твердость по Роквеллу обозначают НRВ, НRС, НRА.
Испытания по Виккерсу (ГОСТ 2999-83). В основе метода — вдавливание в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды (α = 136°) (рис. 1.37, в). Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.
Твердость по Виккерсу:
где Р — нагрузка на пирамиду, Н; d — среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеренных после снятия нагрузки, м.
Число твердости по Виккерсу определяют по специальным таблицам по диагонали отпечатка d. При измерении твердости применяют нагрузку от 10 до 500 Н.
Микротвердость (ГОСТ 9450-84). Принцип определения микротвердости такой же, как и по Виккерсу, согласно соотношению:
Метод применяется для определения микротвердости изделий мелких размеров и отдельных составляющих сплавов. Прибор для измерения микротвердости — это механизм вдавливания алмазной пирамиды и металлографический микроскоп. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же тщательно, как микрошлифы.
Испытание на ударную вязкость
Для испытания на удар изготавливают специальные образцы с надрезом, которые затем разрушают на маятниковом копре (рис. 1.39). Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на подъем маятника после его разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника отнять часть, которая тратится на подъем (взлет) после разрушения образца, получим работу разрушения образца:
K = Р(h1 – h2)
или
K = Рl(соs β – соs α), Дж (кг·м),
де P — масса маятника, Н (кг); h1 — высота подъема центра масс маятника до удара, м; h2 — высота взлета маятника после удара, м; l — длина маятника, м; α, β — углы подъема маятника соответственно до разрушения образца и после него.
Рис. 1.39. Испытание на ударную вязкость: 1 — маятник; 2 — нож маятника; 3 — опоры
Ударную вязкость, т. е. работу, затраченную на разрушение образца и отнесенную к поперечному сечению образца в месте надреза, определяют по формуле:
, МДж/м2 (кг·м/см2),
где F — площадь поперечного сечения в месте надреза образца, м2 (см2).
Для определения KС пользуются специальными таблицами, в которых для каждого угла β определена величина работы удара K. При этом F = 0,8 · 10–4 м2.
Для обозначения ударной вязкости добавляют и третью букву, указывающую на вид надреза на образце: U, V, Т. Запись KСU означает ударную вязкость образца с U-образным надрезом, KСV — с V-образным надрезом, а KСТ — с трещиной (рис. 1.40).
Рис. 1.40. Виды надрезов на образцах для испытания на ударную вязкость:
а — U-образный надрез (KCU); б — V-образный надрез (KСV); в — надрез с трещиной (KСТ)
Испытание на усталость (ГОСТ 2860-84). Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называется усталостью металла. При разрушении металла вследствие усталости на воздухе излом состоит из двух зон: первая зона имеет гладкую притертую поверхность (зона усталости), вторая — зона долома, в хрупких металлах она имеет грубокристаллическое строение, а в вязких — волокнистое.
При испытании на усталость определяют границу усталости (выносливости), т. е. то наибольшее напряжение, которое может выдержать металл (образец) без разрушения заданное число циклов. Самым распространенным методом испытания на усталость является испытание на изгиб при вращении (рис. 1.41).
Рис. 1.41. Схема испытания на изгиб при вращении:
1 — образец; Р — нагрузка; Мвиг — изгибающий момент
Применяют следующие основные виды технологических испытаний (проб).
Проба на изгиб (рис. 1.42) в холодном и горячем состоянии — для определения способности металла выдерживать заданный изгиб; размеры образцов — длина l = 5а + 150 мм, ширина b = 2а (но не менее 10 мм), где а — толщина материала.
Рис. 1.42. Технологическая проба на изгиб: а — образец до испытания; б — загиб до определенного угла; в — загиб до параллельности сторон; г — загиб до соприкосновения сторон
Проба на перегиб предусматривает оценку способности металла выдерживать повторный изгиб и применяется для проволоки и прутков диаметром 0,8—7 мм из полосового и листового материала толщиной до 55 мм. Образцы сгибают попеременно направо и налево на 90° с равномерной — около 60 перегибов в минуту — скоростью до разрушения образца.
Проба на выдавливание (рис. 1.43) — для определения способности металла к холодной штамповке и вытягиванию тонкого листового материала. Состоит в продавливании пуансоном листового материала, зажатого между матрицей и зажимом. Характеристикой пластичности металла является глубина выдавливания ямки, что соответствует появлению первой трещины.
Рис. 1.43. Испытание на выдавливание: 1 — лист; h — мера способности материала к вытяжке
Проба на навивку проволоки диаметром d ≤ 6 мм. Испытание состоит в навивке 5—6 плотно прилегающих по винтовой линии витков на цилиндр заданного диаметра. Выполняется только в холодном состоянии. Проволока после навивки не должна иметь повреждений.
Проба на искру используется при необходимости определения марки стали при отсутствии специального оборудования и маркировки.
Источник