Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Механические свойства металлов и методы их испытаний





Механические свойства металлов.При эксплуатации на кон­струкции, детали или инструменты действуют различные внешние усилия (нагрузки). Все действующие нагрузки можно разделить на три группы:

а) постоянно плавно возрастающие и плавно уменьша­ющиеся;

б) ударные;

в) знакопеременные.

 
Под действием сил металл способен изменять свою форму и раз­меры, т. е. деформироваться.

 

 

Рис. 2. Виды деформаций стержня: а — растяжение;

б — сжатие; в — изгиб; г — кручение; д — срез

 

Деформации могут быть упругими и пластическими (остаточными). Упру­гие деформации исчезают после сня­тия нагрузки, а пластические остают­ся.

Величины деформаций зависят от значения действующих сил, а виды — от направления приложения сил. Наи­более часто встречаются следующие

основные виды деформаций: растяжение, сжатие, изгиб, кручение и срез. На практике металл подвер­гается одному или нескольким видам деформаций в зависимости от прила­гаемых сил.

При выборе металла для изготовле­ния конструкций, деталей, инструментов исходят из его механических свойств. Механическими свойствами называется совокупность качеств, характеризующих способность металлов противостоять деформации при приложении сил. К механическим свойствам относятся прочность, упругость, плас­тичность, твердость, вязкость, усталостная прочность (выносли­вость) и др. Чтобы определить механические свойства металла, его испытывают в лабораториях на специальных машинах.

Испытание металлов на растяжение.Испытание металлов на растяжение позволяет определить наиболее важ­ные механические свойства металлов: прочность, упругость и плас­тичность (рис.3).



 

Рис. 3. Диаграмма растяжения металлов:

а - пластичных; б - хрупких

Прочность — способность металлов сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Упругость — способность метал­лов восстанавливать первоначальную форму и размеры после пре­кращения действия нагрузок, вызвавших их изменение. Пластич­ность— способность металлов необратимо изменять свою форму и размеры, не разрушаясь под действием нагрузок. Противоположным свойством пластичности является хрупкость.

Известно, что груз приложенный к металлическому стержню, вызывает в нем растягивающие напряжения, которые определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения стержня

σ = P/F,

 

где σ — напряжение, Па;

Р — нагрузка, Н;

F— площадь попереч­ного сечения, м2.

Сравнение прочности и упругости металлов проводят по величи­не предельных напряжений.

Прочность обычно определяется пределом прочности, который равен отношению максимальной (наибольшей) нагрузки, вызвав­шей разрушение стержня, к площади его первоначального попереч­ного сечения:

σ В= Рmах / Fо

 

где Рmах — максимальная нагрузка, Н;

Fо — площадь первоначаль­ного поперечного сечения стержня, м2.

Предел прочности, называемый также временным сопротивлени­ем, — важнейшая характеристика. Если напряжения в изделии, кон­струкции или инструменте превзойдут предел прочности, то они раз­рушаются.

Упругость оценивается пределом упругости, который равен от­ношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных дефор­маций стержня, к площади его первоначального поперечного се­чения

σуп = Руп/Fо,

 

где Руп — наибольшая нагрузка, не вызывающая остаточных де­формаций, Н.

Если напряжения в деталях превзойдут предел упругости, то они изменят свою форму и размеры, что может иметь катастрофические последствия.

Пластичность металлов характеризуется относительным удлине­нием и относительным поперечным сужением.

Относительным удлинением называется отношение приращения длины стержня после разрыва к его первоначальной длине:

ι - ι0

δ = ──────100

ι 0

где ι0 — первоначальная длина образца, мм;

ι— длина образца после разрыва, мм;

ι — ι0ι — абсолютное удлинение, мм.

Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения стержня после разрыва к первона­чальной площади его поперечного сечения:

 

F0 - F

Ψ = ────── 100

F0

где Fо — первоначальная площадь поперечного сечения стержня;

F— площадь поперечного сечения стержня после разрыва, мм2;

Fо—F = ۵F — абсолютное сужение, мм2.

Чем больше значение относительного удлинения и сужения, тем пластичнее металл. У хрупких металлов эти величины незначитель­ны или равны нулю. Хрупкость металла является отрицательным свойством, а пластичность положительным.

Испытание металлов на растяжение проводят на разрывных ма­шинах, которые обеспечивают приложение к образцам статических, т.е. постоянных или плавно возрастающих нагрузок.

Хрупкие металлы (чугун, закаленная сталь и др.), работающие на изгиб, испытывают не только на растяжение, но и на изгиб. При этом определяют предел прочности на изгиб (σИЗГ) по соответствующим формулам. Испытания проводят на разрывных машинах, имеющих для этого специальные приспособления в виде двух опор, на которые укладывают образец. Посредине образ­ца создают равномерно повышающуюся нагрузку до его разру­шения.

Предел прочности на изгиб — важнейшая характеристика ме­таллов конструкций, работающих на изгиб. Испытанию на изгиб подвергают большинство судостроительных металлов.

Испытание металлов на твердость. Твердостью называется спо­собность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого материала.

В настоящее время применяют разнообразные методы испытания металлов на твердость. Наиболее распространены методы, при ко­торых в металл под действием статической нагрузки вдавливают специальный наконечник-индентор (шарик, конус или пирамиду). Эти методы называют по фамилии их авторов: Бринелля, Роквелла и Виккерса. Твердость определяют также ударным вдавливанием шарика (метод Польди) и методом упругой отдачи бойка (метод Шора).

Приближенно твердость можно оценить и по углублениям, ос­тавляемым чертилкой, кернером, зубилом и другими режущими ин­струментами. О твердости судят по глубине отпечатка, оставленно­го на металле наконечником или режущими инструментами. Чем больше глубина отпечатка при одинаковой нагрузке на внедряе­мый материал одинакового размера, тем меньше твердость и нао­борот.

Испытывая металл на твердость, можно просто и быстро опре­делить его механические свойства, причем не только в лаборатори­ях, но и на производстве. По величине твердости можно приближенно судить и о других механических свойствах металлов: прочности, износостойкости и т.п., а также обрабатываемости. Чем металл тверже, тем его труднее обрабатывать.

В зависимости от твердости выбирают металлы для изготовления тех или иных деталей, конструкций, инструментов. Рассмотрим наиболее распространенные методы испытания металлов на твердость.

Метод Бринелля заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого образца стального шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм.

Твердость по методу Бринелля выражается в числах твердости НВ (Н — твердость, В — Бринелля).

Испытание на твердость по методу Бринелля проводится на при­борах с применением плоских или круглых образцов и деталей. Для получения точных результатов на поверхности образцов не должно быть ржавчины, окалины, вмя­тин и т. п.

Метод Роквелла заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого ме­талла алмазного конуса или стального закаленного шарика диамет­ром 1,59 мм.

В приборах (твердомерах) Роквелла в отличие от при­боров Бринелля число твердости определяют непосредственно по шкале индикатора.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и обозначаются символом HR (Н — твердость, R — Роквелл). К символу до­бавляется обозначение шкалы индикатора (А, В или С), по которой измерялась твердость, и соответствующее числовое значение твер­дости.

По методу Роквелла можно испытывать мягкие и твердые ме­таллы, а также готовые изделия, так как отпечатки от наконечника незначительны. Испытание занимает мало времени (не более 50 с), не требует никаких измерений; показания читаются непосредствен­но по шкале индикатора.

Метод Виккерсазаключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого металла четырех­гранной алмазной пирамиды.

Метод Польдизаключается во вдавливании стального шарика под действием динамической (ударной) нагрузки в поверхность испытуемого металла и эталонного образца.

По соотношению площадей или диаметров отпечатков расчетным путем по таблицам определяют твердость металла. Она будет тем меньше, чем больше отпечаток на испытуемом металле по сравнению с отпечатком на эталонном образце, и наоборот.

Испытание металлов на ударную вязкость. Ударной вязкостью (динамической прочностью) называется способность металлов оказывать сопротивление действию ударных (динамических) нагрузок.

Многие детали машин, конструкции и инструменты испытывают при эксплуатации ударные нагрузки. Например, судовые конструкции подвергаются ударам волн, льда и т. п. Поэтому при их изго­товлении необходимо учитывать эту важнейшую характеристику.

Металлы, легко разрушающиеся под действием ударной нагруз­ки, называются хрупкими. Они непригодны для изготовления дета­лей, работающих в условиях ударных нагрузок. Вязкими называ­ются металлы, разрушающиеся при значительных ударных нагруз­ках и значительных пластических деформациях.

Испытание металлов на ударную вязкость проводят на механиз­мах, называемых маятниковыми копрами. Оно заключа­ется в ударном изломе (изгибе) маятником копра образца и в под­счете израсходованной работы на разрушение образца.

Маятник поднимают на некоторую высоту Н. С этой высоты он свободно падает разрушает образец и снова поднимается на неко­торую высоту h. Работа, затраченная на разрушение образца,

 

А = P(H — h) или А =(cosβ — cosα),

 

где Р — сила тяжести (вес) маятника, Н;

Н — высота подъема маятника до удара, м;

h — высота подъема маятника после удара, м;

l- длина маятника, м.

Ударную вязкость металла определяют по величине удельной ударной вязкости аH, равной отношению работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения в месте разрушения:

 

аH = А/F

 

где А — работа, затраченная на разрушение образца, Дж;

F — пло­щадь поперечного сечения образца в месте разрушения, м2.

Современный маятниковый копер имеет шкалу, градуированную непосредственно в единицах работы. Если поднять маятник на не­которую высоту Н, то стрелка покажет запас энергии маятника до удара РН вджоулях. После разрушения образца маятник поднимается на некоторую высоту h, в это время стрелка покажет запас энергии-маятника Ph после удара. Таким образом, ударная вязкость

 

аH = (РН — Ph)/F.

Ударная вязкость зависит не только от рода металла, но и от его температуры, химического состава, структуры и т. д. Например, две марки стали, с разной структурой могут иметь совершенно, различ­ные значения ударной вязкости, но почти одинаковые другие меха­нические свойства.

Испытание металлов на усталостную прочность (выносли­вость).Многие детали машин и механизмов, некоторые конструк­ции и инструменты при эксплуатации подвергаются действию пере­менных нагрузок, т. е. меняющихся по значению, направлению или по значению и направлению одновременно. Таким нагрузкам под­вергаются, например, корпуса судов детали машин (валы, оси, ша­туны, коленчатые валы).

В результате длительного воздействия переменных нагрузок прочность металла уменьшается и деталь, конструкция или инстру­мент разрушается. Разрушение металла часто наступает при напря­жениях, которые значительно меньше, чем предел прочности, а иногда даже меньше, чем предел текучести.

Способность металлов сопротивляться усталостному разруше­нию называется усталостной прочностью (выносливостью). Пока­зателем ее является предел усталости (выносливости), который определяют в ходе испытания на специальных машинах. Испытания проводят на переменный изгиб, растяжение-сжатие и кручение.

Чаще всего применяют способ испытания изгибом при вращении (рис. 4). В этом случае один конец образца закрепляют в патроне, а к другому через шарикоподшипник подвешивают груз. При вра­щении наружные волокна образца попеременно будут испытывать растягивающие и сжимающие усилия. При достижении некоторого числа перемен (циклов) образец разрушается. Число циклов опре­деляют по установленному на станке счетчику.

 

Рис. 4. Схема испытания образца на усталост­ную прочность: 1 — патрон станка; 2 — образец;

Подшипник качения

 

Пределом усталости металлов называется максимальное напря­жение, при котором образец еще выдерживает неограниченное чис­ло циклов, не разрушаясь. Пределы усталости обозначают:

при из­гибе — σ-1;

при растяжении-сжатии — σ-1p;

при кручении — τ-1.

Между пределом усталости и пределом прочности существует следующая приблизительная зависимость:

 

σ-1 == 0,47σв; σ-1p = 0,32σв; τ-1 = 0,22σв.

 

Усталостная прочность зависит от значения переменных напря­жений, состояния поверхностей деталей и других факторов. Ее сле­дует учитывать при создании, например, быстроходных судов, сверх­звуковых самолетов, космических кораблей, мощных турбин, испы­тывающих при эксплуатации переменные нагрузки.

Металлы, работающие в сложных условиях, испытывают при повышенных и пониженных температурах, в условиях коррозии, при истирании и т. д.

Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться технологической обработке, целью которой является придание металлам определенных форм, размеров и свойств. К ним относятся: литейные свойства, ковкость, свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием и др. Поведение металла при технологической обработке определяют по технологическим пробам.

Технологические пробы применяют главным образом для опре­деления пригодности материала к тому или иному способу обра­ботки. О результатах технологических испытаний судят по состоя­нию поверхности после испытания (отсутствие трещин, надрывов, изломов). Наиболее распространены следующие технологические пробы: на изгиб в холодном и нагретом состоянии; на перегиб и выдавливание; на осадку; на раздачу и обжатие труб; искро­вая.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: плот­ность, температура плавления, теплопроводность, электро-провод­ность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и способность намагничиваться (табл. 1).

Химические свойства — способность металлов и сплавов сопро­тивляться воздействию окружающей среды, которое проявляется в различных формах. Под влиянием кислорода воздуха и влаги ме­таллы подвергаются коррозии: чугун и сталь ржавеют; бронза покрывается зеленым слоем оксида меди; сталь при нагреве в печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется.

Металлы и сплавы, стойкие против окисления при высокой тем­пературе нагрева, называются жаростойкими или окалиностойкими. Из них изготовляют такие детали, как клапаны двигателей внутрен­него сгорания и др. Золото, серебро и нержавеющие стали слабо поддаются коррозии.









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.