Какими механическими свойствами оценивается прочность металлов и сплавов

15.09.2020
0
Главная › Какие свойства › Какими механическими свойствами оценивается прочность металлов и сплавов
Какими механическими свойствами оценивается прочность металлов и сплавов thumbnail

К механическим свойствам металлов и сплавов относят прочность, упругость, пластичность, твердость, вязкость, выносливость (усталость). Зная механические свойства, можно правильно и обоснованно выбирать соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкции при ее минимальной массе.

Механические свойства характеризуют поведение материала под действием приложенных механических сил (нагрузок). Механические свойства определяются при механических испытаниях по специально разработанным методам.

Статические испытания — на растяжение, сжатие, изгиб, твердость, кручение при статическом нагружении. Статические нагрузки прикладываются постоянно или плавно возрастают. Основные статические испытания — на растяжение (ГОСТ 1497—84) на разрывных машинах с построением диаграммы (кривой) растяжения. Эти испытания определяют свойства прочности (ав, а0д) и пластичности (5, ц/) материала.

Динамические испытания — на ударный изгиб при динамическом нагружении. Динамическая нагрузка — ударная, возрастает резко с большой скоростью. Динамические нагрузки чаще всего являются причиной хрупкого разрушения материала. Испытания проводят на приборе — маятниковом копре (ГОСТ 9454—78) на специальных образцах с надрезом. Надрез является концентратором напряжений. При этом определяется ударная вязкость КС.

Усталостные испытания при знакопеременном (циклическом) нагружении. Знакопеременные нагрузки — многократные прикладываемые, изменяющиеся по величине и направлению. При этом развивается явление, которое носит название усталости металла — постепенное накопление повреждений (трещин), приводящих к разрушению. Испытания проводят методом изгиба при вращении (ГОСТ 25.502—79).

Другие виды испытаний:

  • • испытания на жаропрочность;
  • • технологические испытания на изгиб, осадку, перегиб, выдавливание (для определения способности металла к пластическому деформированию).

Прочность — способность металла сопротивляться деформациям и разрушению под воздействием внешних сил.

Предел прочности (временное сопротивление разрыву, ав) — напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец металла до разрушения. Предел прочности характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластичной деформации (рис. 1.1).

Предел прочности рассчитывается по формуле

*ъ = Ръ/Р0, (1–4)

где Pq — величина нагрузки, при которой на образце начинает образовываться шейка при его растяжении; Fq — площадь поперечного сечения образца до испытаний.

Диаграмма деформирования материала при его нагружении

Рис. 1.1. Диаграмма деформирования материала при его нагружении

Предел упругости — характеризует сопротивление металла малой пластической деформации. Так как практически невозможно установить точку перехода металла в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости — максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Принято считать напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05 %). В обозначении указывается значение остаточной деформации, например ао;о5-

Условный предел текучести (а0 2) характеризует сопротивление малым пластическим деформациям. Условный предел текучести рассчитывают по формуле

Какими механическими свойствами оценивается прочность металлов и сплавов

Предел пропорциональности (аПц) — максимальные напряжения, при которых выполняется закон Гука.

Разрушение наступит в точке С (рис. 1.1) при резком уменьшении поперечного сечения образца. Истинное сопротивление разрыву Sk (напряжения при разрушении образца) определяется по формуле
Какими механическими свойствами оценивается прочность металлов и сплавов

где Рк — величина нагрузки, при которой образец разрушается; Fk — площадь поперечного сечения образца после испытаний.

Пластичность — способность материала к пластической деформации, т. е. его способность, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Пластичные материалы более надежны в работе, так как для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения. При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением 5, которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине в процентах.

Читайте также:  Какие свойства амебы протея оправдали ее название

Твердость — характеризует способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого стандартного тела (индентора), не получающего остаточных деформаций, при местном контактном воздействии в поверхностном слое.

О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля и Виккерса) под воздействием заданной силы Р. На рис. 1.2 приведены схемы определения твердости по Виккерсу, Бринеллю (ГОСТ 9012—59) и Роквеллу (ГОСТ 9013—59).

Определение твердости по методу Бринелля применяется для сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются. Твердость по Бринеллю обозначается как НВ, например НВ 250.

Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности пластичных материалов существует следующая зависимость:
Схемы определения твердости

Какими механическими свойствами оценивается прочность металлов и сплавов

Рис. 1.2. Схемы определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по Виккерсу где к — коэффициент пропорциональности; для стали с твердостью до НВ 175 А: = 0,34; для стали с твердостью выше НВ 175 к = 0,35; для отожженной меди, бронзы и латуни к = 0,55; для алюминиевых сплавов к = 0,36…0,38.

Твердость по методу Виккерса рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка и обозначают как HV150. Преимущество метода Виккерса в том, что им можно измерять твердость любых материалов, в том числе тонких изделий и поверхностных слоев. Метод имеет высокую чувствительность и точность.

Вязкость — способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации. Вязкость является энергетической характеристикой материала и выражается в единицах работы. Вязкость металлов и сплавов зависит от их химического состава, термической обработки и других внутренних факторов. Кроме этого, вязкость зависит и от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (ан) — удельная работа разрушения. Испытание металла на ударную вязкость проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. По ГОСТ 9454—78 ударную вязкость обозначают как KCV, KCU и КСТ, где КС — символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т). Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению.

Хладноломкость — склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. С повышением температуры вязкость металла увеличивается (рис. 1.3). При изменении температуры предел текучести сто 2 также существенно изменяется, а сопротивление отрыву ctqt не зависит от температуры. При температуре выше Гв предел текучести меньше сопротивления отрыву. При увеличении нагрузки сначала происходит пластическое деформирование, а затем разрушение. Металл при этом находится в вязком состоянии.

В технике за порог хладноломкости принимают температуру, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40 °С.

Читайте также:  Какое из перечисленных свойств пространства

Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Рис. 1.3. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Испытания на выносливость (ГОСТ 25.502—79) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость — разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность — способность материала сопротивляться усталости. Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях «изгиб при вращении». Основные характеристики усталостной прочности:

  • • предел выносливости — максимальное напряжение, выдерживаемое металлом за произвольно большое число циклов нагружения;
  • • ограниченный предел выносливости — максимальное напряжение, выдерживаемое металлом за определенное число циклов нагружения или время;
  • • живучесть — разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.

Источник

К основным механическим
свойствам
металлов относятся прочность,
вязкость, пластичность,
твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они
являются главными характеристиками металла или
сплава.

Рассмотрим некоторые термины, применяемые при характеристике механических
свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием
внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,—
деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не
исчезающие после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.

Напряжением  называется величина внутренних сил,
возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

Под прочностью материала понимают его способность сопротивляться
деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О
прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при
механических испытаниях. К статическим испытаниям на прочность относятся
растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся
испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость. Эластичностью
называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью —
способность пластически деформироваться без разрушения.

Вязкость — это свойство материала, которое определяет его
способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении
пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть
одновременно прочными и пластичными.

Твердость — это способность материала сопротивляться
проникновению в него других тел.

Выносливость — это способность материала выдерживать, не
разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться
поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Ползучесть — это способность материала медленно и непрерывно
пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при
высоких температурах).

Поведение некоторых металлов (например, отожженной стали) при испытании на
растяжение показано на рис. 3. При увеличении нагрузки в металле сначала
развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом
незначительно. Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения
напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором
продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют
пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в
металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой). Наибольшее напряжение,
предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при
растяжении.

Рис. 3. Диаграмма деформации при испытании металлов на
растяжение.

Напряженное состояние — это состояние тела, находящегося под
действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его
частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после
прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и
охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела
происходит неравномерно.

Читайте также:  Напиши какие свойства воздуха использует вертолет 4 класс

Внутренние напряжения образуются при быстром охлаждении или нагревании в
температурных зонах перехода от пластического к упругому состоянию металла. Эти
температуры для стали соответствую 400—600°. Если образующиеся внутренние
напряжения превышают предел прочности, то в деталях образуются трещины, если они
превышают предел упругости, то происходит коробление детали.

Предел прочности при растяжении в кг/мм2 определяется на
разрывной машине как отношение нагрузки Р в кГ, необходимой для разрушения
стандартного образца (рис. 4, а), к площади поперечного сечения образца в
мм2.

    

Рис. 4. Методы испытания прочности материалов: а – на растяжение; б – на
изгиб; в – на ударную вязкость; г – на твёрдость

Предел прочности при изгибе в кГ/мм2 определяется разрушением
образца, который устанавливаете» на двух опорах (рис. 4, б), нагруженного
по середине сосредоточенной нагрузкой Р.

Для установления пластичности материала определяют относительное удлинение δ
при растяжении или прогиб ƒ при изгибе.

Относительное удлиненней δ в % определяется на образцах,
испытуемых на растяжение. На образец наносят деления (рис. 4, а) и измеряют
между ними расстояние до испытания (l0) и после разрушения (l) и определяют
удлинение

δ = l-lo / lo · 100%

Прогиб при изгибе в мм определяется при помощи прогибомера машины,
указывающего прогиб ƒ, образующийся на образце в момент его разрушения (рис. 4,
б).

Ударная вязкость в кГм/см2 определяется на образцах
(рис. 4, в), подвергаемых на копре разрушению ударом отведенного в
сторону маятника. Для этого работу деформации в кГм делят на площадь поперечного
сечения образца в см 2.

Твердость по Бринелю (НВ) определяют на зачищенной поверхности
образца, в которую вдавливают стальной шарик (рис. 4, г) диаметром 5 или
10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кГ и замеряют диаметр d
образовавшейся лунки. Отношение нагрузки в кГ к площади лунки πd2 / 4 в
мм2 дает число твердости.

Показатели для механических свойств для основных сплавов приведены в табл.
1.

Таблица.1. Механические свойства основных промышленных сплавов

Техническое железо

23

30

90

Мембраны

Чугун серый

12—38

до 0,25

143—220

Отливки фасонные

Чугун высокопрочный

30—60

0,5—10

170—262

Ответственные отливки

Сталь малоуглеродистая (мягкая)

32 — 70

11 — 28

100—130

Котельное железо трубы, котлы

Сталь среднеуглеродистая (средней твердости)

50—70

12 — 16

170 — 200

Оси, шатуны, валы, рельсы

Сталь твердая после закалки и отпуска

110—140

до 9

400—600

Инструмент ударный и режущий

Бронза оловянистая

15 — 25

3—10

70—80

Детали, работающие на истирание и подверженные коррозии

Бронза алюминиевая

40—50

10

120

То же

Латунь однофазная

25 — 35

30-60

42—60

Патронно-гильзовое производство

Латунь двухфазная

35—45

30—40

_

Детали, изготовленные горячей штамповкой

Силумин

21—23

1 — 3

65—100

Детали в авиастроении и автостроении

Сплавы магния

24 — 32

10—16

60—70

То же

Источник

Предыдущая статья
А какие продукты купить
Следующая статья
Какие продукты можно есть натощак
© ТЦ «Шоколад»