Необходимо е да се прави разлика между механичните характеристики на даден материал, в зависимост от неговия химичен състав, структура, топлинна обработка, температура, условия на натоварване и скорост, и механичните характеристики на детайл, изработен от този материал, който допълнително се влияе от неговия размер и формата, както и условията на взаимодействие с други части и околната среда.
Основните механични свойства на материала включват: якост - способността да издържа на натоварвания без разрушаване;
деформируемост - способността за промяна на размера и формата без разрушаване;
еластичност - способността да възстанови първоначалния си размер и форма след отстраняване на товари;
пластичност - способността да се получи значителна деформация, която остава след отстраняване на товара; тази деформация се нарича остатъчна;
твърдост - способността да се издържат на локални контактни ефекти на пластична деформация или крехко счупване в повърхностния слой;
устойчивост на умора - способността да се издържа на умора, т.е. появата и развитието на пукнатини под въздействието на повтарящи се натоварвания.
Материалите, които се разрушават със значителна остатъчна деформация, се наричат пластични, докато материалите, които се разрушават с много малка остатъчна деформация, се наричат крехки.
Характеристиките на якост, пластичност и твърдост се определят при постепенно нарастващи натоварвания; те служат за оценка на статичната якост на материала. Устойчивостта на умора се определя при циклично променящи се натоварвания; използва се за преценка на работата на материала при променливи напрежения
С увеличаване на натоварването или продължителността на неговото действие, способността на материала да устои на по-нататъшно натоварване постепенно се изчерпва; това явление се нарича повреждаемост.
Един и същ материал при различни условия и скорости на натоварване и при различни температури може да има различни механични свойства. Количествената оценка на механичните свойства се извършва чрез изпитване на стандартни проби при определени условия на натоварване.
Основните механични характеристики на детайла, заедно с неговата якост и устойчивост на умора, включват твърдост - способността да устои на промените в размера и формата под въздействието на натоварвания; обратната характеристика се нарича съответствие.
Натоварването, при което се нарушава здравината на частта, предотвратявайки по-нататъшната й работа, може значително да надвиши натоварването, причиняващо локално разрушаване на материала във всяка точка, поради включването на преди това по-малко натоварени зони на частта в работата. Способността на частта да устои на разрушаване при наличие на пукнатини се нарича устойчивост на пукнатини.
Повечето от използваните конструкционни материали (стомани, алуминиеви и титанови сплави) имат еднакви механични свойства във всички посоки, т.е. те са изотропни. Наред с тях има материали (дърво, много композитни материали, т.е. състоящи се от два или повече компонента), чиито свойства са значително различни в различни посоки. Те се наричат анизотропни. Механичните характеристики на детайлите от композитни материали зависят от метода на тяхното производство.
Анизотропията може да бъде специално получена по време на процеса на леене (части с насочена кристализация или монокристална структура), за да се осигури повишена якост в посоката на най-големите натоварвания.
Механичните свойства характеризират способността на металите и сплавите да издържат на приложените към тях натоварвания, а механичните характеристики изразяват тези свойства количествено. Основните свойства на металните материали са; якост, пластичност (или якост), твърдост, якост на удар, устойчивост на износване, пълзене и др.
Механичните характеристики на материалите се определят по време на механични изпитвания, които в зависимост от естеството на натоварването във времето се разделят на статични, динамични и повторно променливи.
В зависимост от метода на прилагане на външни сили (натоварвания) се разграничават изпитвания на опън, натиск, огъване, усукване, ударно огъване и др.
Основни механични характеристики на метали и сплави.
Якост на опън (крайна якост, якост на опън - условно напрежение, съответстващо на най-голямото натоварване, предхождащо разрушаването на пробата.
Истинската якост на опън (истинско напрежение) е напрежението, определено от съотношението на натоварването в момента на скъсване към площта на напречното сечение на пробата в точката на скъсване.
Граница на провлачване (физическа) е най-ниското напрежение, при което пробата се деформира без забележимо увеличение на натоварването на опън.
Граница на провлачване (условно) - напрежението, при което остатъчното удължение достига 0,2% от дължината на сечението на пробата, чието удължение се взема предвид при определяне на определената характеристика. Граница на пропорционалност (условна) - напрежение, при което отклонението от линейната връзка между натоварването и удължението достига такава стойност, че тангенса на ъгъла на наклон, образуван от допирателната към кривата на деформация (в разглежданата точка) с оста на натоварването се увеличава с 50% от стойността си върху линейната еластична графика. Допуска се увеличаване на тангенса на ъгъла на наклон с 10 или 25%.
Границата на еластичност е условното напрежение, съответстващо на появата на остатъчна деформация. Възможно е да се определи границата на еластичност с допустими отклонения до 0,005%, след което тя ще бъде съответно обозначена.
Относителното удължение след разкъсване е съотношението на нарастването на дължината на образеца след разкъсване към неговата първоначално изчислена дължина. Има относителни удължения, получени при изпитване на проби с петкратно и десетократно съотношение дължина към диаметър. Допускат се и други съотношения, например 2,5, при тестване на отливки.
Относителното свиване след разкъсване е съотношението на площта на напречното сечение на пробата в мястото на разкъсване към първоначалната площ на напречното сечение.
Определените характеристики на механичните свойства се определят чрез изпитване на опън на материали по методите, посочени в GOST 1497-61, върху цилиндрични и плоски проби, чиито форми и размери са определени от същия стандарт. Изпитванията на опън при повишени температури (до 1200 ° C) са установени от GOST 9651-73, за дълготрайна якост - GOST 10145-62.
Модулът на нормална еластичност е съотношението на напрежението към съответното му относително удължение при опън (компресия) в границите на еластичната деформация (закон на Хук).
Устойчивостта на удар, механична характеристика на якостта на метала, се определя от работата, изразходвана за счупване при удар на ударен двигател на махало на проба от даден тип и свързана с работната площ на напречното сечение на пробата при точката на разреза. Изпитванията при нормални температури се извършват съгласно GOST 9454-60, при ниски температури - съгласно GOST 9455-60 и при повишени температури - съгласно GOST 9656-61.
Границата на издръжливост (умора) е максималното напрежение, при което материалите на пробата могат да издържат на определен брой симетрични цикли (от +P до -P) без разрушаване, взето за основа. Броят на циклите е определен от техническите спецификации и представлява голям брой. Методите за изпитване на метали за издръжливост се регулират от GOST 2860-65.
Крайната якост на натиск е съотношението на натоварването на скъсване към площта на напречното сечение на пробата преди изпитването.
Условната граница на пълзене е напрежението, което причинява дадено удължение на пробата (общо или остатъчно) за определен период от време при дадена температура.
Твърдост по Бринел - определя се на твърдомер TSh чрез натискане на топка от закалена стомана p. изпитване на метал или сплав.
Твърдостта по Рокуел HRA, HRB и HRC се определя чрез натискане на стоманена топка с диаметър ~ 1,6 mm или конус (диамант или карбид) в метала с ъгъл на върха 120° на TK тестер за твърдост. В зависимост от условията на определяне, които са стандартизирани от GOST 9013-68, се разграничават три стойности на HR: HRA - за много твърди материали (скала A) - тестът се извършва чрез вдлъбнатина на диамантен конус; HRB - за мека стомана (скала B) - стоманена топка; HRC - за закалена стомана (скала C) - карбиден или диамантен конус.
Дълбочината на проникване на диамантения конус при изпитване в метал е малка, което дава възможност да се тестват по-тънки продукти, отколкото при определяне на твърдостта по Бринел.Твърдостта по Рокуел е условна характеристика, чиято стойност се измерва по скалата на устройството.
Твърдостта по Викерс HV се определя чрез вдлъбнатина на диамантена стандартна правилна тетраедрична пирамида. Коефициентът на твърдост се определя чрез измерване на дължината на диагоналите (средната аритметична стойност на сумата от два диагонала) и преизчисляване по формулата
Стандартните натоварвания, в зависимост от дебелината на пробата, са 5, 10, 20, 30, 50 и 100 kgf. Закъснението при натоварване се приема за черни метали 10-15 секунди, за цветни метали - 28-32. Съответно символът HV 10/30-500 означава: 500 - число на твърдост; 10 - натоварване и 30 - време на задържане.
Методът на Vickers се използва за измерване на твърдостта на части с малко напречно сечение и твърди тънки повърхностни слоеве на циментирани, азотирани или цианирани продукти.
49.Вторична кристализация на металитеВторичната кристализация е от голямо практическо значение и служи като основа за редица процеси на термична обработка, стареене и др., Които значително променят и подобряват свойствата на сплавите. Повечето процеси на вторична кристализация включват дифузия. Дифузията в твърдите сплави е възможна поради редица причини. По-специално, в заместващи решения това се случва поради наличието на незапълнени места (свободни места) в решетките. Както атомите на разтворителя, така и атомите на разтвореното вещество могат да се движат. По време на образуването на интерстициални разтвори движението на разтворените атоми става през междините на решетките. Дифузията протича толкова по-бързо, колкото по-голяма е разликата в концентрацията; колкото по-висока е температурата. I (коагулацията се отнася до растежа на големи кристали за сметка на на малки;субсфероидизация-превръщане на продълговати кристали в закръглени.И двата процеса се получават поради стремежа на системата да намали свободната енергия.В случая ТОВА се постига,защото отношението на сумата
Повърхностите на зърната стават по-малки спрямо техния обем. Коагулацията и сфероидизацията протичат по-лесно, колкото по-висока е температурата. На фиг. 41 показва диаграма на състоянието на сплавта, при която разтворимостта на втория компонент в твърдия разтвор намалява. На тази диаграма (за разлика от диаграмата на фиг. 39) се появява EQ линията, характеризираща селекцията на излишните кристали на компонент B, които се наричат вторични (B2), за разлика от първичните кристали (B \), които се отличават по линията на CD. Като пример, нека разгледаме процеса на образуване на вторични кристали при охлаждане на твърди разтвори а с концентрация К. При температура t\ структурата е еднофазна, когато се достигне линията EQ, разтворът става наситен и по-нататък настъпва охлаждане, от него се освобождава излишната фаза B2, последната може да се освободи по границите на кристалите a и да приеме формата на решетка. И тук първо се образуват ядрата, а след това нарастването им, но мястото, където се появяват и нарастват ядрата, се определя от повърхностите на първичните зърна. Понякога подреждането на вторичната фаза под формата на мрежа е нежелателно, тогава тя се предотвратява или се елиминира. Мрежата се отстранява по различни начини, например чрез сфероидизиращо отгряване. Кристализацията съгласно диаграмата (фиг. 41) позволява значително да се променят свойствата на сплавта чрез закаляване и темпериране или чрез стареене.
50.DS сплави с неограничена разтворимост на компонентитеИ двете компонентнеограничен разтворимв течно и твърдо състояние държавине образуват химически съединения.
Компоненти: A, B.
Фази: L, α.
Ако две компонентразтварят неограничено време в течно и твърдо състояние, то е възможно съществуването само на две фази - течност решениеЗемя твърда решениеα. Следователно не може да има три фази, кристализацияпри постоянна температураняма хоризонтал линииНа диаграмаНе.
Диаграмата, показана на фиг. 1, се състои от три области: течност, течност + твърдо вещество решениеи твърд разтвор.
Линията AmB е линияликвидус и линияАnВ - линиясолид. Процес на кристализацияпредставена с крива охлаждаща сплав(фиг. 2).
Точка 1 отговаря на началото кристализация, точка 2 - край. Между точки 1 и 2 (т.е. между linesliquidusи солидус) сплаве в двуфазно състояние. На две компонентии две фази системамоновариант (c = k-f+1 = 2 - 2 + 1 = 1), т.е. ако температурата се променя, тогава и концентрация на компонентина фази; всеки температураотговарят стриктно на определени композициифази концентрацияи броя на фазите сплав, лежащ между линесолидуси ликвидус се определят правилосегменти. Така, сплавК в точкаа се състои от течна и твърда фаза. Съединениетечна фаза ще се определя от проекцията точки b легнал линииликвидус и Съединениетвърда фаза - проекция точкис лежане линиисолид. Количеството течна и твърда фази се определя от следните съотношения: количество течна фаза ac/bc, количество твърда фаза ba/bc.
Във всичко интервал на кристализация(от точки 1to точки 2) от течност сплав,
като имаш оригинала концентрацияК, се открояват кристали, които са по-богати на огнеупорен компонент. Съединениепърви кристалище се определя от проекцията s. Край кристализация на сплавтаК трябва да влезе точка 2, когато последната капка течност има Съединениел, ще се втвърди. Сегментът, показващ количеството твърда фаза, беше равен на нула точка/ когато току-що започна кристализация, и количеството на всичко сплав V точка 2 когато кристализацияприключи. Съединениепромени в течността по кривата 1 - l, и Състав на кристали- по кривата с- 2 и в моментабитуриентски кристализация Състав на кристалисъщото като Съединениеоригинална течност.
51. Температурни свойства на материалитеЗа материалите се въвеждат няколко характерни температурни точки, показващи характеристиките и поведението на материалите при температурни промени. Топлоустойчивост - максималната температура, при която експлоатационният живот на материала не намалява. Според този параметър всички материали са разделени на класове на топлоустойчивост.
Топлоустойчивост
- температура, при която настъпва влошаване на характеристиките, когато се достигне за кратко време.
Топлоустойчивост
- температурата, при която настъпват химичните промени в материала.
Устойчивост на замръзване
- способност за работа при ниски температури (този параметър е важен за гумите).
Запалимост
- способност за запалване, поддържане на огън, самозапалване.Това са различни степени на запалимост. Всички тези понятия определят характерните температури, при които всяко свойство на материала се променя. Има някои температури, които са характерни за всички материали, и има температури, които са специфични за някои електрически материали. в които всякакви характеристики се променят драматично. Повечето материали имат точки на топене и кипене. Точката на топене е температурата, при която се извършва преходът от твърдо към течно състояние.Течният хелий няма точка на топене; той остава течен дори при нула Келвин. Най-огнеупорни са волфрамът - 3387 °C, молибденът 2622 °C, реният - 3180 °C, танталът - 3000 °C. Сред керамиката има огнеупорни вещества: хафниев карбид HfC и танталов карбид TaC имат точки на топене от 2880 ° C, титанов нитрид и карбид - повече от 3000 ° C. Има материали, главно термопластични полимери, които имат точка на омекване, но не достигат до стапяне, тъй като... разрушаването на полимерните молекули започва при повишени температури. При термореактивните полимери дори не достига точката на омекване, материалът започва да се разлага по-рано. Има сплави и други сложни вещества, които имат сложен процес на топене: при определена температура, наречена „солидус“, настъпва частично топене, т.е. преминаването на част от веществото в течно състояние. Останалата част от веществото е в твърдо състояние. Получава се нещо като каша. С повишаването на температурата все повече и повече от него се превръща в течно състояние и накрая, при определена температура, наречена „ликвидус“, ще настъпи пълно топене на веществото. Например сплав от калай и олово за запояване, просто наречена „припой“, започва да се топи при приблизително 180 °C (точка на твърдост) и се топи при приблизително 230 °C (точка на твърдост).
При всеки процес на топене достигането на определена точка е необходимо, но не достатъчно условие за топене. За да разтопите вещество, трябва да му придадете енергия, която се нарича топлина на топене. Изчислява се на грам (или на молекула). Точката на кипене е температурата, при която се извършва преходът от течност към пара.Почти всички прости вещества кипят, сложните органични съединения не кипят, те се разлагат при по-ниски температури, без да достигат кипене. Точката на кипене се влияе значително от налягането. Така например за водата можете да изместите точката на кипене от 100 ° C до 373 ° C, като приложите налягане от 225 atm. Варене на разтвори, т.е. Процесът на взаимно разтворими вещества едно в друго протича по сложен начин; два компонента кипят наведнъж, само в парата има повече от едното вещество от другото. Например, слаб разтвор на алкохол във вода извира, така че в парите има повече алкохол, отколкото във водата. Благодарение на това дестилацията работи и след кондензация на парата се получава алкохол, но обогатен с вода. Има смеси, които извират едновременно, например 96% алкохол. Тук по време на кипене съставът на течността и съставът на парите са еднакви. След кондензация на парата се получава алкохол с абсолютно същия състав. Такива смеси се наричат азеотропен. Има температури, специфични за електрическите материали. Например за сегнетоелектриците т.нар Точка на Кюри. Оказва се, че фероелектричното състояние на материята възниква само при ниски температури. За всеки фероелектрик има температура, над която не могат да съществуват домейни и той се превръща в параелектрик. Тази температура се нарича точка на Кюри. Диелектричната константа под точката на Кюри е висока; тя се увеличава леко, когато се приближи до точката на Кюри. След достигане на тази точка диелектричната константа рязко спада. Например, за най-разпространения фероелектрик: бариев титанат, точката на Кюри е 120 °C, за оловен цирконат титанат 270 °C, за някои органични фероелектрици температурата на Кюри е отрицателна. Подобна температура (наричана също точка на Кюри) съществува за феромагнетици. Поведението на магнитната проницаемост е подобно на поведението на диелектричната константа, когато температурата се повишава и се доближава до точката на Кюри. Единствената разлика е, че намаляването на магнитната проницаемост с повишаване на температурата настъпва по-рязко след достигане на точката на Кюри. Стойности на точката на Кюри за някои материали: желязо 770 °C, кобалт 1330 °C, ербий и холмий (-253 °C), керамика - в широк температурен диапазон. За антиферомагнетиците се нарича подобна точка Точка Неел.
Свързана информация.
Механичните свойства оценяват способността на материала да издържа на механични натоварвания и характеризират работата на продуктите.
Механичнисе наричат свойства, които се определят по време на изпитвания под въздействието на външни натоварвания - резултатът от тези изпитвания са количествени характеристики на механичните свойства. Механичните свойства характеризират поведението на материала под въздействието на напрежения (водещи до деформация и разрушаване), действащи както по време на производствения процес на продуктите (леене, заваряване, обработка под налягане и др.), така и по време на работа.
Стандартните характеристики на механичните свойства се определят в лабораторни условия върху проби със стандартни размери чрез създаване на необратима пластична деформация или разрушаване на пробите. Тестовете се провеждат при външни натоварвания: опън, натиск, усукване, удар; при условия на променливи и износващи се натоварвания. Стойностите на получените характеристики обикновено се дават в справочници.
Пример за това са следните характеристики:
Устойчивостта на счупване, оценена чрез якост на опън или якост на опън, е максималното специфично натоварване (стрес), което материалът може да издържи преди разрушаване при разтягане;
Устойчивостта на пластична деформация, измерена чрез границата на провлачване, е напрежението, при което започва пластичната деформация на материала при опън;
Устойчивостта на еластични деформации, оценена от границата на еластичност, е напрежението, над което материалът придобива остатъчни деформации;
Способността да издържа на пластична деформация, оценена чрез относителното удължение на образеца по време на опън и относителното стесняване на неговото напречно сечение;
Способност да издържа на динамични натоварвания, оценени чрез якост на удар;
Твърдост, оценена чрез съпротивлението на материала срещу проникване на индентор (референтен образец).
Механичните свойства на материалите се определят при статични и динамични условия на натоварване.
Еластичността характеризира еластичните свойства на полимера, способността на материала да претърпи големи обратими промени във формата при ниски натоварвания поради вибрации на връзките и способността на макромолекулите да се огъват.
Статичните изпитвания включват и изпитвания за натиск, усукване, огъване и други видове натоварване.
Общ недостатък на статичните методи за определяне на физико-механичните свойства на материалите е необходимостта от унищожаване на пробата, което изключва възможността за по-нататъшно използване на частта по предназначение в резултат на изрязване на тестова проба от нея.
Определяне на твърдостта. Това е метод за безразрушителен контрол на механичните свойства на материал при статично натоварване. Твърдостта се оценява главно за метали, тъй като за повечето неметални материали твърдостта не е свойство, което определя техните характеристики.
Твърдостта се оценява чрез съпротивлението на материала срещу проникване в него при статично натоварване на чуждо тяло с правилна геометрична форма, имащо еталонна твърдост (фиг. 14).
Ориз. 14 Определяне на твърдостта на материалите: А- схема на натоварване; b- измерване на твърдост по Бринел; V- Измерване на твърдостта по Викерс
Натискането на референтната проба в тестовата проба се извършва с помощта на специални инструменти, от които най-често се използват инструментите на Бринел, Рокуел и Викерс.
Най-разпространен е методът на Бринел - в пробата се пресова топка от закалена стомана. Диаметър на отпечатъка дотп се измерва с помощта на лупа със скала. След това използвайте таблиците, за да намерите твърдостта на материала. Тестът на Vickers използва диамантен нож, докато тестът на Rockwell използва диамантен конус.
Луминесценция (флуоресценция и фосфоресценция) - светещи ефекти при абсорбиране на енергия от падаща светлина, механично действие, химични реакции или топлина.
Оптичните свойства на веществата са от голямо практическо значение. Пречупването на светлината се използва за направата на лещи за оптични инструменти, отражението се използва за топлоизолация: чрез избор на подходящи покрития е възможно да се повлияе на свойствата на материалите, за да абсорбират или отразяват топлинното излъчване, но пропускат видимата светлина. Стъклото е с характерен за климатика цвят.
Широко се използват самозатъмняващи се стъкла хамелеон, флуоресцентни лампи и осцилоскопски екрани. За декоративни цели се използват метални покрития (анодизиран алуминий) (важна е отразяващата способност на материала) и се използват прецизни огледала от метализирани повърхности.
Декоративни свойстваМатериалите се определят от външния им вид и зависят от външния им модел, дизайн, текстура, структура, метод на повърхностна обработка, наличие на покрития и релефи.
Биологични свойства определят се материали:
Въздействието им върху околната среда, степента на тяхната токсичност за живите организми;
Пригодността им за съществуване и развитие на всякакви организми (гъбички, насекоми, мухъл и др.).
Методите за определяне на механичните свойства на металите се разделят на:
- статично, когато натоварването нараства бавно и плавно (изпитване на опън, натиск, огъване, усукване, твърдост);
- динамични, когато товарът расте с висока скорост (тестове за огъване при удар);
- циклични, когато натоварването се променя многократно по големина и посока (изпитвания на умора).
Изпитване на опън
При изпитване на якостта на опън се определят якостта на опън (σ in), границата на провлачване (σ t), относителното удължение (δ) и относителното свиване (ψ). Изпитванията се провеждат на машини за изпитване на опън, като се използват стандартни образци с площ на напречното сечение Fo и работна (изчислена) дължина lo. В резултат на изпитанията се получава диаграма на опън (фиг. 1). Абсцисната ос показва стойността на деформацията, а ординатната ос показва стойността на натоварването, което се прилага върху образеца.
Крайната якост (σ in) е максималното натоварване, което материалът може да издържи без разрушаване, свързано с първоначалната площ на напречното сечение на пробата (Pmax/Fo).
Ориз. 1. Диаграма на опън
Трябва да се отбележи, че при разтягане пробата се удължава и нейното напречно сечение непрекъснато намалява. Истинското напрежение се определя чрез разделяне на натоварването, действащо в определен момент, на площта, която пробата има в този момент. В ежедневната практика истинските напрежения не се определят, а се използват условни напрежения, като се приема, че напречното сечение Fo на пробата остава непроменено.
Граница на провлачване (σ t) е натоварването, при което възниква пластична деформация, свързано с началната площ на напречното сечение на пробата (Рт/Fo). Въпреки това, по време на тестовете за опън, повечето сплави нямат плато на провлачване на диаграмите. Следователно се определя условната граница на провлачване (σ 0,2) - напрежението, на което съответства пластична деформация от 0,2%. Избраната стойност от 0,2% доста точно характеризира прехода от еластични към пластични деформации.
Характеристиките на материала включват и границата на еластичност (σ pr), което означава напрежението, при което пластичната деформация достига дадена стойност. Обикновено се използват стойности на остатъчна деформация от 0,005; 0,02; 0,05%. Така σ 0,05 = Ppr / Fo (Ppr е натоварването, при което остатъчното удължение е 0,05%).
Граница на пропорционалност σ pc = Ppc / Fo (Ppc е максималното натоварване, под действието на което все още се изпълнява законът на Хук).
Пластичността се характеризира с относително удължение (δ) и относително свиване (ψ):
δ = [(lk - lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,
където lk е крайната дължина на пробата; lo и Fo са първоначалната дължина и площта на напречното сечение на пробата; Fk е площта на напречното сечение на мястото на разкъсване.
За материали с ниска пластичност изпитванията на опън са трудни, тъй като незначителните изкривявания по време на монтажа на пробата водят до значителна грешка при определяне на натоварването на скъсване. Такива материали обикновено се подлагат на изпитване за огъване.
Тест за твърдост
Регламенти:
Твърдостта е способността на материала да устои на проникването на друго, по-твърдо тяло, индентор. Твърдостта на материала се определя по методите на Бринел, Рокуел, Викерс и Шор (фиг. 2).
 |
 |
 |
| А | b | V |
Ориз. 2. Схеми за определяне на твърдостта по Бринел (а), Рокуел (б) и Викерс (в)
Твърдостта по Бринел на метала се обозначава с буквите HB и число. За да преобразувате числото на твърдостта в системата SI, използвайте коефициента K = 9,8 106, по който се умножава стойността на твърдостта по Бринел: HB = HB K, Pa.
Методът за твърдост по Бринел не се препоръчва за стомани с твърдост над HB 450 и цветни метали с твърдост над 200 HB.
За различни материали е установена връзка между крайната якост (в MPa) и числото на твърдостта HB: σ в ≈ 3,4 HB - за горещовалцувани въглеродни стомани; σ in ≈ 4,5 HB - за медни сплави, σ in ≈ 3,5 HB - за алуминиеви сплави.
Определянето на твърдостта по метода на Рокуел се извършва чрез натискане на диамантен конус или стоманена топка в метала. Уредът Rockwell има три скали - A, B, C. Диамантеният конус се използва за тестване на твърди материали (скали A и C), а топката се използва за тестване на меки материали (скала B). В зависимост от скалата твърдостта се обозначава с буквите HRB, HRC, HRA и се изразява в специални единици.
При измерване на твърдостта по метода на Викерс, тетраедрична диамантена пирамида се притиска в металната повърхност (шлайфана или полирана). Този метод се използва за определяне на твърдостта на тънки части и тънки повърхностни слоеве, които имат висока твърдост (например след азотиране). Твърдостта по Викерс е обозначена като HV. Преобразуването на числото на твърдостта HV в системата SI се извършва подобно на преобразуването на числото на твърдостта HB.
При измерване на твърдостта по метода на Шор топка с индентор пада върху пробата, перпендикулярна на нейната повърхност, а твърдостта се определя от височината на отскока на топката и се обозначава HS.
Метод на Кузнецов-Херберт-Ребиндер - твърдостта се определя от времето на затихване на трептенията на махало, чиято опора е изследваният метал.
Тест за удар
Якостта на удар характеризира способността на материала да издържа на динамични натоварвания и произтичащата от това склонност към крехко счупване. За изпитване на удар се правят специални образци с нарез, които след това се разрушават на махалообразен ударен драйвер (фиг. 3). С помощта на скалата на пилота на махалото се определя работата K, изразходвана за разрушаване, и се изчислява основната характеристика, получена в резултат на тези тестове - якост на удар. Определя се от съотношението на работата на разрушаване на образеца към неговата площ на напречното сечение и се измерва в MJ/m 2.
За да обозначите якостта на удар, използвайте буквите KS и добавете трета, която показва вида на рязане на пробата: U, V, T. Нотацията KCU означава якостта на удар на проба с U-образен прорез, KCV - с V-образен прорез, а KCT - с пукнатина, образувана в основата на среза. Работата по разрушаване на образец по време на изпитвания на удар съдържа два компонента: работата по възникване на пукнатината (Az) и работата по разпространението на пукнатината (Ar).
Определянето на якостта на удар е особено важно за метали, които работят при ниски температури и проявяват тенденция към студена чупливост, тоест намаляване на якостта на удар с понижаване на работната температура.
Ориз. 3. Схема на махаловиден пилот и ударна проба
При извършване на ударни изпитвания върху назъбени проби при ниски температури се определя прагът на студена крехкост, който характеризира ефекта от понижаването на температурата върху склонността на материала към крехко счупване. При прехода от пластично към крехко разрушаване се наблюдава рязко намаляване на якостта на удар в температурния диапазон, който се нарича температурен праг на студена чупливост. В този случай структурата на фрактурата се променя от влакнеста матова (пластична фрактура) до кристално блестяща (крехка фрактура). Прагът на студена крехкост се обозначава с температурен диапазон (tb. – txr.) или една температура t50, при която 50% от влакнестия компонент се наблюдава при счупване на пробата или стойността на якостта на удар се намалява наполовина.
Пригодността на даден материал за работа при дадена температура се оценява от температурната граница на вискозитета, която се определя от разликата между работната температура и температурата на преход на студена крехкост и колкото по-голяма е тя, толкова по-надежден е материалът.
Тест за умора
Умората е процесът на постепенно натрупване на увреждане на материала под въздействието на повтарящи се променливи напрежения, които водят до образуване на пукнатини и разрушаване. Умората на метала се причинява от концентрацията на напрежение в отделните му обеми (в местата на натрупване на неметални и газови включвания, структурни дефекти). Способността на метала да устои на умора се нарича издръжливост.
Изпитванията за умора се извършват на машини за многократно променливо огъване на въртящ се образец, фиксиран в единия или двата края, или на машини за изпитване на опън-натиск или за многократно променливо усукване. В резултат на тестовете се определя границата на издръжливост, която характеризира устойчивостта на материала на умора.
Границата на умора е максималното напрежение, при което не настъпва разрушаване поради умора след основен брой цикли на натоварване.
Границата на издръжливост се обозначава с σ R, където R е коефициентът на асиметрия на цикъла.
За да се определи границата на издръжливост, се изпитват най-малко десет проби. Всеки образец се изпитва само при едно напрежение до повреда или при основен брой цикли. Основният брой цикли трябва да бъде най-малко 107 натоварвания (за стомана) и 108 (за цветни метали).
Важна характеристика на якостта на конструкцията е устойчивостта при циклично натоварване, което се разбира като продължителността на работа на детайла от момента на възникване на първата макроскопична пукнатина от умора с размери 0,5...1 mm до окончателното разрушаване. Живучестта е от особено значение за експлоатационната надеждност на продуктите, чиято безпроблемна работа се поддържа чрез ранно откриване и предотвратяване на по-нататъшното развитие на пукнатини от умора.
Закон на Хук
Както е известно, различните метали и сплави имат различни механични и технологични свойства, които определят качеството на машинните детайли, както и обработваемостта на метала. Тези свойства на метала се разкриват чрез подходящи тестове за опън, натиск, огъване, твърдост и др.
Изпитване на опън.За да се определи якостта на опън на метала, се прави проба 1 и се монтира в скобите (или захватите) 2 на машината за изпитване на опън. За тези цели най-често се използват машини с хидравлична система за предаване на сила или винтова система.
Силата на опън F (фиг. 51) създава напрежение в пробата за изпитване и причинява нейното удължение. Когато напрежението надвиши якостта на пробата, тя ще се спука.
Ориз. 51
Резултатите от теста обикновено се представят под формата на графика. По абсцисната ос е нанесено натоварването F, по ординатната ос - абсолютното удължение?l.
Диаграмата показва, че в началото пробата се удължава пропорционално на натоварването. Правото сечение OA съответства на обратими, еластични деформации. По време на разтоварването образецът приема първоначалните си размери (този процес се описва със същия прав участък от кривата). Извитото сечение на АС съответства на необратими, пластични деформации. При разтоварване (прекъсната линия SV) образецът не се връща към първоначалните си размери и запазва известна остатъчна деформация.
От точка С пробата се удължава, без да се увеличава натоварването. Хоризонталната секция на CM диаграмата се нарича зона на добива. Напрежението, при което деформацията се увеличава, без да се увеличава натоварването, се нарича граница на провлачване.
Както показват проучванията, течливостта е придружена от значителни взаимни измествания на кристалите, в резултат на което на повърхността на пробата се появяват линии, наклонени към оста на пробата под ъгъл от 45 °. След като е преминал през състояние на течливост, материалът отново придобива способността да устои на разтягане (укрепва) и диаграмата отвъд точка М се издига нагоре, макар и много по-куха от преди. В точка D напрежението на пробата достига най-голямата си стойност и върху пробата се появява рязко локално стесняване, така наречената шийка. Площта на напречното сечение на шийката бързо намалява и в резултат на това пробата се разкъсва, което съответства на позицията на точка К в диаграмата.Якостта на опън на пробата се определя по формулата за fc = F D / S, където: S fc - якост на опън;
F D е натоварването, при което след определен период от време настъпва разрушаване на образеца за опън, N (kgf); S е площта на напречното сечение на образеца в първоначалното му положение, m 2 (mm 2).
Обикновено при изпитване на опън на различни метали и сплави се определя относителното удължение e - съотношението на увеличението на дължината на пробата преди счупване към първоначалната дължина на пробата. По формула ли се определя? = ?l/l 0 -100,
Където: ? - относително разширение;
L = l 1 - I 0 - абсолютно удължение; l 0 - начална дължина на пробата; l 1 - дължина на пробата след изпитване. Експериментално е установено, че напрежението в материала по време на еластична деформация нараства пропорционално на относителното удължение на образеца. Тази зависимост се нарича закон на Хък.
За едностранно (надлъжно) разтягане законът на Хук има формата o = E-?,
където: o = F/s - нормално напрежение; F - сила на опън; s - площ на напречното сечение;
Относително разширение;
E е постоянна стойност в зависимост от материала на пръта.
Забележка. В системата SI мерната единица за напрежение е паскал - напрежението, причинено от сила от 1 нютон (N), равномерно разпределена върху нормална към нея повърхност с площ от 1 m 2.
1 Pa = 0,102 10 -4 kgf/cm 2 ;
1 Pa = 0,102 10 -6 kgf/mm 2;
1 kgf/cm2 = 9,81 10 4 Pa;
1 kgf/mm 2 = 9,81 10 6 Pa.
Поради факта, че единицата паскал за напрежение е много малка, е необходимо да се използва по-голяма единица - мегапаскал 1 MP a = 10 6 Pa.
Gosstandart позволява използването на единицата нютон на квадратен милиметър (N/mm 2). Числените стойности на напреженията, изразени в N/mm 2 и в MPa, са еднакви. Единицата N/mm 2 също е удобна, защото размерите на чертежите са дадени в милиметри.
Коефициентът на пропорционалност E се нарича модул на еластичност при опън или модул на Юнг. Какво е физическото значение на модула на еластичност? Нека се обърнем към диаграмата на опън на пробата (виж фиг. 51, II). Модулът на еластичност върху него е пропорционален на тангенса на ъгъла на наклон a спрямо абсцисната ос. Това означава, че колкото по-стръмна е правата OA, толкова по-твърд е материалът и толкова по-голяма е неговата устойчивост на еластична деформация.
За да се характеризира метал, е важно да се знае не само относителното удължение, но и относителното свиване на площта на напречното сечение, което също позволява да се характеризира пластичността на материала.
Естествено, когато пробата се разтяга, площта на напречното сечение намалява. Тя ще бъде най-малката в точката на прекъсване. Относителното стесняване се определя по формулата? = (S 0 - S 1) / S 0 100%,
Където: ? - относително стеснение;
S 0 - площ на напречното сечение на пробата преди изпитване; S 1 е площта на напречното сечение на пробата на мястото на разкъсване (в шията).
Колкото по-голямо е относителното удължение и относителното свиване на напречното сечение на пробата, толкова по-пластичен е материалът.
В допълнение към трите разгледани характеристики на механичните свойства на металите: якост на опън (o pch), относително удължение (e) и относително свиване (?), е възможно да се определи, като се използва диаграма, записана на машина, еластичната граница (o y) и границата на провлачване (o m),
Тест за компресия.За изпитване на метали за натиск (фиг. 53) най-често се използват преси, при които силата на натиск се генерира чрез увеличаване на хидравличното налягане. Когато образец, изработен от пластичен материал, като нисковъглеродна стомана, се компресира (фиг. 53, I), неговите напречни размери се увеличават, докато дължината му значително намалява. В този случай целостта на пробата не се нарушава (фиг. 54). От диаграмата на компресия (фиг. 53, II) става ясно, че в началния етап на натоварване деформацията се увеличава пропорционално на натоварването, след това деформацията се увеличава рязко с леко увеличение на натоварването, след което нарастването на деформацията постепенно се забавя надолу поради увеличаване на напречното сечение на пробата.
Ориз. 52
Ориз. 53
Пробите, изработени от крехки материали, се разрушават при компресия (фиг. 54, III). Например, когато чугунен прът достигне натоварване на счупване, той се разпада на части, които се движат една спрямо друга по наклонени платформи (фиг. 53, III).
Ориз. 54
За компресията е напълно приложим законът на Хук, според който материалите се съпротивляват на компресия пропорционално на приложената сила до границата на еластичност. Модулът на еластичност при натиск за повечето материали е равен на модула на еластичност при опън. Изключение правят само някои крехки материали - бетон, тухли и др. Аналогията в природата на напрежението на натиск с напрежението на опън позволява тези процеси да се опишат с едни и същи математически уравнения.
Тест за огъване. При изпитване на огъване образецът (гредата) се поставя с краищата си върху две опори и се натоварва в средата (фиг. 55). Устойчивостта на материала на огъване се оценява по степента на деформация на пробата.
Ориз. 55
Нека сега си представим въображаеми надлъжни влакна в дървения материал. По време на деформация на огъване влакната на една зона се компресират, а другата се разтяга (фиг. 55, II).
Между зоните на компресия и напрежение има неутрален слой, чиито влакна не са подложени на деформация, тоест дължината им не се променя. От фиг. 55 се вижда, че колкото по-далеч са разположени влакната от неутралния слой, толкова по-голяма е деформацията, която изпитват. По този начин можем да заключим, че при огъване в напречните сечения на гредата под въздействието на вътрешни сили възникват нормални напрежения на натиск и опън, чиято величина зависи от положението на въпросните точки в сечението. Най-високите напрежения обикновено се обозначават: в зоната на компресия - ? max, в зоната на разтягане - ? m ah. В точки, разположени на неутралната ос, напреженията са нула. Нормалните напрежения, възникващи в точки от напречното сечение с различна височина, се увеличават пропорционално на разстоянието от неутралния слой и могат да бъдат изчислени по формулата? = (E z) / p,
Където: ? - нормален стрес;
z е разстоянието от интересуващото ни влакно до неутралния слой; E - модул на еластичност; p е радиусът на кривината на неутралния слой.
Тест на срязване.При изпитване за срязване (фиг. 56) в отвора на устройство, състоящо се от вилица 1 и диск 2, се вкарва метална проба 3, която има цилиндрична форма. Машината издърпва диска от вилицата, като в резултат на което средната част на образеца се движи спрямо външните си части. Работната площ S (площ на рязане) е равна на удвоената площ на напречното сечение на пробата, тъй като разрезът се извършва едновременно по две равнини.
Ориз. 56
При срязване всички точки на деформируеми участъци, ограничени от равнините на действащите сили, се изместват на равни разстояния, т.е. материалът в тези точки изпитва същата деформация. Това означава, че във всички точки на сечението ще има равни ефективни напрежения.
Големината на напрежението се определя чрез разделяне на резултантната F на вътрешните (напречни) сили на площта на напречното сечение на пръта S. Тъй като векторът на напрежението е разположен в равнината на сечението, в него възниква тангенциално напрежение, определя се по формулата r cf = F/2S, където: r cf - стойността на напрежението отрязана;
F - резултатна сила;
S е площта на напречното сечение на пробата. Срязването е разрушаване в резултат на срязване на една част от материала спрямо друга, което възниква под въздействието на тангенциални напрежения. За деформацията на срязване е валиден законът на Хук: в еластичната зона напреженията са правопропорционални на относителните деформации. Коефициентът на пропорционалност е големината на модула на еластичност на срязване G. Относителното изместване (ъгъл на срязване) се означава с y. Така законът на Хук за деформация на срязване има вида t = Gg, където: r = F/S - напрежение на срязване; F - тангенциална сила; S е площта на изместването на слоевете; y - ъгъл на срязване;
G е модулът на срязване в зависимост от материала на тялото.
Тест за усукване.При изпитване на проби за усукване единият край на тръбата 2 е фиксиран неподвижно 1, другият се завърта с помощта на лост 3 (фиг. 57). Усукването се характеризира с взаимно въртене на напречните сечения на прът, вал, тръба под въздействието на моменти (двойки сили), действащи в тези сечения. Ако праволинейни генератори се прилагат към повърхността на пръта преди прилагане на усукващи сили (фиг. 57, I), тогава след усукване тези генератори приемат формата на спирални линии и всяко напречно сечение по отношение на съседното се върти под определен ъгъл (виж Фиг. 57, II) . Това означава, че деформацията на срязване възниква във всяко сечение и възникват напрежения на срязване. Степента на изместване на материала по време на усукване определя ли се от ъглите на усукване? и смяна y. Абсолютната стойност на усукване се определя от ъгъла на усукване на разглеждания участък спрямо неподвижния участък. Най-големият ъгъл на усукване се получава при най-голямото разстояние от неподвижния край на пръта.
Ориз. 57
Съотношение на ъгъла на усукване? спрямо дължината на участъка I, подложен на усукване, се нарича относителен ъгъл на усукване Q = ? /З
където: Q - относителен ъгъл на усукване;
Ъгъл на завъртане;
Тест за твърдост.При определяне на твърдостта на материалите във фабричната и лабораторна практика се използват два метода: методът на Бринел и методът на Рокуел.
Метод на Бринел.Този метод се основава на факта, че при измерване на твърдостта на металите стоманена топка 1 с диаметър 2,5; 5 или 10 mm се притиска в повърхността на тестовия образец 2 при дадено натоварване 3 от 625 N до 30 kN (62,5 до 3000 kgf). След отстраняване на товара се измерва диаметърът d на отпечатъка, останал върху повърхността на образеца (фиг. 58), който е толкова по-малък, колкото по-твърд е металът.
Ориз. 58
Забележка. Стоманената топка трябва да бъде изработена от термично обработена стомана с твърдост най-малко HB850. Грапавостта на повърхността R z не е по-ниска от параметъра 0,100 съгласно GOST 2789-73. По повърхността на топката не трябва да има дефекти, които да се виждат с лупа при 5-кратно увеличение.
Твърдостта по Бринел се изчислява по формулата
D - диаметър на топката, mm;
d - диаметър на отпечатъка, mm.
Специална таблица (GOST 9012-59) дава възможност да се определи твърдостта на най-често срещаните метали.
Трябва да се отбележи, че има връзка между твърдостта по Бринел на стомана HB и нейната якост на опън около pch за конвенционалните въглеродни стилове, изразена с формулата около pch = 0,36 HB.
Следователно, знаейки твърдостта на Бринел на стоманата, е възможно да се изчисли якостта на опън.
Тази формула има голямо практическо значение. Методът на Бринел обикновено определя твърдостта на незакалени стомани, чугун и цветни метали. Твърдостта на закалените стомани се измерва с апарат на Рокуел.
Метод на Рокуел.При измерване на твърдостта на металите по този метод връх от стандартен тип (диамантен конус за твърди метали или стоманена топка за по-меки) се притиска в пробата за изпитване под действието на две последователно приложени натоварвания: предварително (F 0) 100 N (10 kgf) и крайно (F 1) 1000 N (100 kgf) - за топката и 1500 N (150 kgf) - за диамантения конус.
Под действието на предварително натоварване конусът прониква в метала до дълбочина h 0 (фиг. 59, I); при добавяне към предварителното основно натоварване, дълбочината на отпечатъка се увеличава до h (фиг. 59, II) и след отстраняване на основното натоварване остава равна на h 1 (фиг. 59, III).
Ориз. 59
Дълбочината на вдлъбнатината h = h 1 - h 0, получена поради основното натоварване F 1, характеризира твърдостта на Рокуел. Тестовете по метода на Рокуел се извършват със специални устройства, оборудвани с индикатор, който показва числото на твърдостта веднага след края на теста.
Индикаторът има две скали: черна (C) за тестване с диамантен конус и червена (B) за тестване с топка.
Твърдостта по Рокуел се измерва в произволни единици.
Пример за обозначение на твърдостта по Рокуел: HRC50 (твърдост 50 по скала С).
Определяне на твърдост с калибрирани пили. HRC твърдостта може да се определи с помощта на серия от файлове, топлинно обработени до различна твърдост на рязане. Обикновено интервалът на прорязване варира от 3 до 5 HRC единици. Калибрирането на файловете се извършва с помощта на стандартни плочки, чиято твърдост е точно определена предварително на устройството.
Твърдостта на тестовата част се определя от два файла с минимален интервал на твърдост, единият от които може само да се плъзга по частта, а вторият може леко да я надраска. Ако пила с HRC62 надрасква метала, а с HRC59 се плъзга само по повърхността на детайла, тогава твърдостта е HRC60-61.
На практика този метод се използва за определяне на твърдостта на инструменти (раймери, фрези и др.), чиято твърдост може да бъде трудно да се измери по друг начин.
Има и други методи за определяне на твърдостта (метод на Викерс, електромагнитни методи и др.), които не са разгледани в тази книга.