Je třeba rozlišovat mechanické vlastnosti materiálu v závislosti na jeho chemickém složení, struktuře, tepelném zpracování, teplotě, podmínkách zatížení a rychlosti a mechanické vlastnosti dílu vyrobeného z tohoto materiálu, které je navíc ovlivněno jeho velikostí. a tvar, stejně jako podmínky interakce s ostatními částmi a prostředím .
Mezi hlavní mechanické vlastnosti materiálu patří: pevnost - schopnost odolávat zatížení bez destrukce;
deformovatelnost - schopnost měnit velikost a tvar bez destrukce;
elasticita - schopnost obnovit svou původní velikost a tvar po odstranění zatížení;
plasticita - schopnost získat významnou deformaci, která zůstane po odstranění zatížení; tato deformace se nazývá zbytková;
tvrdost - schopnost odolávat lokálním kontaktním účinkům plastické deformace nebo křehkého lomu v povrchové vrstvě;
odolnost proti únavě - schopnost odolávat únavě, tj. vzniku a rozvoji trhlin pod vlivem opakovaného zatížení.
Materiály, které selžou s výraznou zbytkovou deformací, se nazývají tvárné, zatímco materiály, které selžou s velmi malou zbytkovou deformací, se nazývají křehké.
Charakteristiky pevnosti, tažnosti a tvrdosti se zjišťují při postupně se zvyšujícím zatížení; slouží k hodnocení statické pevnosti materiálu. Odolnost proti únavě se určuje při cyklicky se měnícím zatížení; používá se k posouzení vlastností materiálu při proměnných namáháních
S narůstajícím zatížením nebo dobou jeho působení se postupně vyčerpává schopnost materiálu odolávat dalšímu zatížení; tento jev se nazývá poškození.
Stejný materiál za různých podmínek a rychlostí zatížení a při různých teplotách může mít různé mechanické vlastnosti. Kvantitativní hodnocení mechanických vlastností se provádí zkoušením standardních vzorků za určitých podmínek zatížení.
Mezi hlavní mechanické vlastnosti součásti spolu s její pevností a odolností proti únavě patří tuhost – schopnost odolávat změnám velikosti a tvaru vlivem zatížení; opačná charakteristika se nazývá poddajnost.
Zatížení, při kterém je narušena pevnost dílu, bránící jeho dalšímu provozu, může výrazně překročit zatížení způsobující lokální destrukci materiálu v kterémkoli místě, a to v důsledku zahrnutí dříve méně zatížených oblastí dílu do díla. Schopnost součásti odolávat destrukci v přítomnosti trhlin se nazývá odolnost proti trhlinám.
Většina použitých konstrukčních materiálů (oceli, slitiny hliníku a titanu) má ve všech směrech stejné mechanické vlastnosti, tedy je izotropní. Spolu s nimi existují materiály (dřevo, mnoho kompozitních materiálů, tj. skládající se ze dvou nebo více složek), jejichž vlastnosti se v různých směrech výrazně liší. Říká se jim anizotropní. Mechanické vlastnosti dílů vyrobených z kompozitních materiálů závisí na způsobu jejich výroby.
Anizotropie může být speciálně získána během procesu odlévání (díly se směrovou krystalizací nebo monokrystalickou strukturou) pro zajištění zvýšené pevnosti ve směru největšího zatížení.
Mechanické vlastnosti charakterizují schopnost kovů a slitin odolávat působení zatížení, které na ně působí, a mechanické vlastnosti vyjadřují tyto vlastnosti kvantitativně. Hlavní vlastnosti kovových materiálů jsou; pevnost, tažnost (nebo houževnatost), tvrdost, rázová houževnatost, odolnost proti opotřebení, tečení atd.
Mechanické charakteristiky materiálů se zjišťují při mechanických zkouškách, které se podle charakteru zatížení v čase dělí na statické, dynamické a revariabilní.
Podle způsobu působení vnějších sil (zatížení) se rozlišují zkoušky tahové, tlakové, ohybové, torzní, rázové ohybové aj. zkoušky.
Základní mechanické vlastnosti kovů a slitin.
Pevnost v tahu (konečná pevnost, pevnost v tahu - podmíněné napětí odpovídající největšímu zatížení předcházejícímu zničení vzorku.
Skutečná pevnost v tahu (skutečné napětí) je napětí určené poměrem zatížení v okamžiku přetržení k ploše průřezu vzorku v místě přetržení.
Mez kluzu (fyzikální) je nejnižší napětí, při kterém se vzorek deformuje bez znatelného zvýšení tahového zatížení.
Mez kluzu (podmíněná) - napětí, při kterém zbytkové protažení dosáhne 0,2 % délky úseku vzorku, jehož protažení je zohledněno při stanovení zadané charakteristiky. Mez úměrnosti (podmíněná) - napětí, při kterém odchylka od lineárního vztahu mezi zatížením a prodloužením dosáhne takové hodnoty, že tečna úhlu sklonu, kterou svírá tečna k deformační křivce (v uvažovaném bodě) s osou zatížení vzroste o 50 % své hodnoty na lineárním elastickém grafu. Je povoleno zvýšit tečnu úhlu sklonu o 10 nebo 25%.
Mez pružnosti je podmíněné napětí odpovídající vzniku zbytkové deformace. Mez pružnosti je možné určit s tolerancí až 0,005 %, podle toho bude označena.
Relativní prodloužení po přetržení je poměr přírůstku délky vzorku po přetržení k jeho původní vypočtené délce. Existují relativní prodloužení získaná při testování na vzorcích s pětinásobným a desetinásobným poměrem délky k průměru. Při zkoušení odlitků jsou povoleny i jiné poměry, například 2,5.
Relativní kontrakce po prasknutí je poměr plochy průřezu vzorku v místě prasknutí k počáteční ploše průřezu.
Stanovené charakteristiky mechanických vlastností jsou stanoveny zkoušením materiálů na tah podle metod stanovených v GOST 1497-61 na válcových a plochých vzorcích, jejichž tvary a rozměry jsou stanoveny stejnou normou. Zkoušky tahem při zvýšených teplotách (do 1200 °C) jsou stanoveny GOST 9651-73, pro dlouhodobou pevnost - GOST 10145-62.
Modul normálové pružnosti je poměr napětí k jeho odpovídajícímu relativnímu prodloužení v tahu (tlaku) v mezích pružné deformace (Hookeův zákon).
Rázová houževnatost, mechanická charakteristika houževnatosti kovu, je určena prací vynaloženou na rázový lom na kyvadlovém rázovém unášeči vzorku daného typu a vztažena k pracovní ploše průřezu vzorku při bod řezu. Zkoušky za normálních teplot se provádějí podle GOST 9454-60, při nízkých teplotách - podle GOST 9455-60 a při zvýšených teplotách - podle GOST 9656-61.
Mez odolnosti (únavy) je maximální namáhání, při kterém mohou materiály vzorku odolat danému počtu symetrických cyklů (od +P do -P) bez destrukce, brané jako základ. Počet cyklů je stanoven technickými specifikacemi a představuje velký počet. Metody zkoušení kovů na odolnost upravuje GOST 2860-65.
Konečná pevnost v tlaku je poměr zatížení při přetržení k ploše průřezu vzorku před testováním.
Mez podmíněného tečení je napětí, které způsobí dané prodloužení vzorku (celkové nebo zbytkové) po určitou dobu při dané teplotě.
Tvrdost podle Brinella - zjišťuje se na tvrdoměru TSh lisováním kuličky z kalené oceli p. zkušební kov nebo slitina.
Tvrdost Rockwella HRA, HRB a HRC se zjišťuje zalisováním ocelové kuličky o průměru ~ 1,6 mm nebo kužele (diamant nebo karbid) do kovu s vrcholem rohu 120° na tvrdoměru TK. V závislosti na podmínkách stanovení, které jsou standardizovány podle GOST 9013-68, se rozlišují tři hodnoty HR: HRA - pro velmi tvrdé materiály (stupnice A) - zkouška se provádí odsazením diamantového kužele; HRB - pro měkkou ocel (stupnice B) - ocelová kulička; HRC - pro kalenou ocel (stupnice C) - karbidový nebo diamantový kužel.
Hloubka průniku diamantového kužele při zkoušení v kovu je malá, což umožňuje zkoušet tenčí výrobky než při stanovení tvrdosti podle Brinella Rockwellova tvrdost je podmíněná charakteristika, jejíž hodnota se měří na stupnici přístroje.
Tvrdost podle Vickerse HV je určena vtlačením diamantového standardního pravidelného čtyřbokého jehlanu. Číslo tvrdosti se určí změřením délky úhlopříček (aritmetický průměr součtu dvou úhlopříček) a přepočtem pomocí vzorce
Standardní zatížení v závislosti na tloušťce vzorku je 5, 10, 20, 30, 50 a 100 kgf. Časové zpoždění při zatížení je u železných kovů 10-15 sekund, u neželezných kovů - 28-32. V souladu s tím symbol HV 10/30-500 znamená: 500 - číslo tvrdosti; 10 - zatížení a 30 - doba držení.
Vickersova metoda se používá k měření tvrdosti dílů s malým průřezem a tvrdých tenkých povrchových vrstev cementovaných, nitridovaných nebo kyanidovaných výrobků.
49.Sekundární krystalizace kovů Sekundární krystalizace má velký praktický význam a slouží jako základ pro řadu procesů tepelného zpracování, stárnutí apod., které výrazně mění a zlepšují vlastnosti slitin. Většina sekundárních krystalizačních procesů zahrnuje difúzi. Difúze v tvrdých slitinách je možná z řady důvodů. Zejména v substitučních řešeních se vyskytuje v důsledku přítomnosti nezaplněných míst (volných míst) v mřížkách. Atomy rozpouštědla i atomy rozpuštěné látky se mohou pohybovat. Při tvorbě intersticiálních roztoků dochází k pohybu rozpuštěných atomů mezerami v mřížkách. Difúze probíhá tím rychleji, čím větší je rozdíl koncentrací, tím vyšší je teplota. I (koagulace označuje růst velkých krystalů na úkor malých; subsferoidizace - přeměna podlouhlých krystalů na zaoblené. Oba procesy probíhají kvůli touze systému snížit volnou energii. V tomto případě je TOHO dosaženo, protože poměr součtu
Povrchy zrn se zmenšují v poměru k jejich objemu. Koagulace a sféroidizace probíhají snadněji, čím vyšší je teplota. Na Obr. 41 znázorňuje diagram stavu slitiny, ve kterém klesá rozpustnost druhé složky v tuhém roztoku. Na tomto diagramu (na rozdíl od diagramu na obr. 39) se objevuje čára EQ, charakterizující výběr přebytečných krystalů složky B, které se nazývají sekundární (B2), na rozdíl od primárních krystalů (B\), které se rozlišují podél linie CD. Jako příklad uveďme proces tvorby sekundárních krystalů při ochlazování pevných roztoků a o koncentraci K. Při teplotě t\ je struktura jednofázová, při dosažení čáry EQ se roztok nasytí a jak dále dochází k ochlazování, uvolňuje se z něj přebytečná fáze B2, ta se může uvolňovat podél hranic krystalů a a mít podobu mřížky. I zde dochází nejprve k tvorbě zárodků a poté k jejich růstu.Místo, kde se zárodky objevují a jejich růst je však předurčeno povrchy primárních zrn. Někdy je uspořádání sekundární fáze ve formě sítě nežádoucí, pak je buď zabráněno jejímu vzniku, nebo eliminována. Síť se odstraňuje různými způsoby, například sféroidizačním žíháním. Krystalizace podle schématu (obr. 41) umožňuje výrazně měnit vlastnosti slitiny kalením a popouštěním nebo stárnutím.
50.DS slitiny s neomezenou rozpustností složek Oba komponent neomezený rozpustný v kapalném i pevném stavu státy netvoří chemické sloučeniny.
Komponenty: A, B.
Fáze: L, α.
Pokud dva komponent se neomezeně rozpouštějí v kapalném a pevném skupenství, pak je možná existence pouze dvou fází – kapalné řešení Pevná půda řešeníα. Proto nemohou existovat tři fáze, krystalizace při konstantní teplota neexistuje žádná horizontála linky na diagram Ne.
Schéma znázorněné na Obr. 1, sestává ze tří oblastí: kapalina, kapalina + pevná látka řešení a pevný roztok.
Linka AmB je čára liquidus a čáraАnВ - čára solidus. Proces krystalizace znázorněno křivkou chladící slitina(obr. 2).
Bod 1 odpovídá začátku krystalizace, tečka 2 - konec. Mezi tečky 1 a 2 (tj linesliquidus a solidus) slitina je ve dvoufázovém stavu. Ve dvě komponenty a dvě fáze Systém monovariantní (c = k-f+1 = 2 - 2 + 1 = 1), tj. pokud se změní teplota, pak se změní i koncentrace složek ve fázích; každý teplota přesně odpovídat určitému kompozice fáze koncentrace a počet fází slitina, ležící mezi linessolidus a liquidus jsou určeny pravidlo segmenty. Tak, slitina K v směřovat a sestává z kapalné a pevné fáze. Sloučenina kapalná fáze bude určena projekcí body b leží na linky liquidus a Sloučenina pevná fáze - projekce body s ležením linky solidus. Množství kapalné a pevné fáze se stanoví z následujících poměrů: množství kapalné fáze ac/bc, množství pevné fáze ba/bc.
Ve všem krystalizační interval(z body 1 až body 2) z kapaliny slitina,
mít originál koncentrace K, vynikají krystaly bohatší na žáruvzdornou složku. Sloučenina První krystaly bude určena projekcí s. Konec krystalizace slitiny K musí vstoupit směřovat 2, když poslední kapka kapaliny má Sloučenina l, ztvrdne. Úsek zobrazující množství pevné fáze byl roven nule in směřovat/ když to právě začalo krystalizace a množství všeho slitina PROTI směřovat 2 kdy krystalizace skončilo. Sloučenina změny kapaliny po křivce 1 - l, a Složení krystalů- po zatáčce s- 2 a dovnitř moment promoce krystalizaceSložení krystalů stejný jako Sloučenina původní kapalina.
51. Teplotní vlastnosti materiálů Pro materiály je zavedeno několik charakteristických teplotních bodů, které udávají výkon a chování materiálů při změnách teploty. Odolnost vůči teplu - maximální teplota, při které neklesá životnost materiálu. Podle tohoto parametru jsou všechny materiály rozděleny do tříd tepelné odolnosti.
Odolnost vůči teplu
- teplota, při které dochází při jejím krátkodobém dosažení ke zhoršení charakteristik.
Odolnost vůči teplu
- teplota, při které dochází k chemickým změnám v materiálu.
Mrazuvzdornost
- schopnost pracovat při nízkých teplotách (tento parametr je důležitý pro pryže).
Hořlavost
- schopnost vznícení, udržení ohně, samovznícení Jedná se o různé stupně hořlavosti. Všechny tyto pojmy definují charakteristické teploty, při kterých se mění jakákoli vlastnost materiálu. Existují teploty, které jsou charakteristické pro všechny materiály, a teploty, které jsou specifické pro některé elektrické materiály. ve kterém se jakékoli vlastnosti dramaticky mění. Většina materiálů má body tání a varu. Teplota tání je teplota, při které dochází k přechodu z pevné látky na kapalinu. Kapalné helium nemá bod tání, zůstává kapalné i při nule Kelvinů. Nejvíce žáruvzdorné jsou wolfram - 3387 °C, molybden 2622 °C, rhenium - 3180 °C, tantal - 3000 °C. Mezi keramikou jsou žáruvzdorné látky: karbid hafnia HfC a karbid tantalu TaC mají bod tání 2880 °C, nitrid a karbid titanu - více než 3000 °C. Existují materiály, hlavně termoplastické polymery, které mají bod měknutí, ale nedosahují tání, protože... destrukce molekul polymeru začíná při zvýšených teplotách. U termosetových polymerů ani nedosáhne bodu měknutí, materiál se začne rozkládat dříve. Existují slitiny a další složité látky, které mají složitý proces tavení: při určité teplotě, zvané „solidus“, dochází k částečnému tání, tzn. přechod části látky do kapalného stavu. Zbytek látky je v pevném stavu. Ukáže se něco jako kaše. Jak teplota stoupá, stále více se přechází do kapalného stavu, nakonec při určité teplotě zvané „liquidus“ dojde k úplnému roztavení látky. Například slitina cínu a olova pro pájení, jednoduše nazývaná „pájka“, se začíná tavit při přibližně 180 °C (bod solidu) a taje při přibližně 230 °C (bod tekutosti).
V každém procesu tavení je dosažení určitého bodu nutnou, nikoli však postačující podmínkou pro tavení. Abyste látku roztavili, musíte jí předat energii, která se nazývá teplo tání. Počítá se na gram (nebo na molekulu). Bod varu je teplota, při které dochází k přechodu z kapaliny na páru. Téměř všechny jednoduché látky vrou, složité organické sloučeniny nevrou, rozkládají se při nižších teplotách, aniž by dosáhly varu. Bod varu je výrazně ovlivněn tlakem. Takže například u vody můžete posunout bod varu ze 100 ° C na 373 ° C pomocí tlaku 225 atm. Vaření roztoků, tzn. Proces vzájemně rozpustných látek v sobě probíhá složitě, dvě složky se vaří najednou, jen v páře je více jedné látky než druhé. Například slabý roztok alkoholu ve vodě se vyvaří, takže v páře je více alkoholu než ve vodě. Díky tomu funguje destilace a po kondenzaci páry se získá alkohol, ale obohacený vodou. Existují směsi, které se zároveň vyvaří, například 96% alkohol. Zde je při varu složení kapaliny a složení páry stejné. Po kondenzaci páry se získá alkohol přesně stejného složení. Takové směsi se nazývají azeotropní. Existují teploty specifické pro elektrické materiály. Například pro feroelektriku tzv Curieův bod. Ukazuje se, že feroelektrický stav hmoty vzniká pouze při nízkých teplotách. Pro každé feroelektrikum existuje teplota, nad kterou domény nemohou existovat a mění se v paraelektrikum. Tato teplota se nazývá Curieův bod. Dielektrická konstanta pod Curieovým bodem je vysoká, s přibližováním se ke Curieho bodu se mírně zvyšuje. Po dosažení tohoto bodu dielektrická konstanta prudce klesá. Například pro nejběžnější feroelektrikum: titaničitan barnatý je Curieův bod 120 °C, pro zirkoničitan titaničitan olovnatý 270 °C, pro některá organická feroelektrika je Curieova teplota záporná. Podobná teplota (také nazývaná Curieův bod) existuje pro feromagnetika. Chování magnetické permeability je podobné chování dielektrické konstanty, když se teplota zvyšuje a blíží se Curieho bodu. Jediný rozdíl je v tom, že pokles magnetické permeability s rostoucí teplotou nastává prudčeji po dosažení Curieho bodu. Hodnoty Curieových bodů pro některé materiály: železo 770 °C, kobalt 1330 °C, erbium a holmium (-253 °C), keramika - v širokém teplotním rozsahu. U antiferomagnetik se nazývá podobný bod Bod Néel.
Související informace.
Mechanické vlastnosti hodnotí schopnost materiálu odolávat mechanickému zatížení a charakterizují výkon výrobků.
Mechanické se nazývají vlastnosti, které se zjišťují při zkouškách pod vlivem vnějších zatížení – výsledkem těchto zkoušek jsou kvantitativní charakteristiky mechanických vlastností. Mechanické vlastnosti charakterizují chování materiálu pod vlivem napětí (vedoucích k deformaci a destrukci) působících jak během výrobního procesu výrobků (odlévání, svařování, tlakové zpracování atd.), tak i během provozu.
Standardní charakteristiky mechanických vlastností se zjišťují v laboratorních podmínkách na vzorcích standardních velikostí vytvořením nevratné plastické deformace nebo destrukce vzorků. Zkoušky se provádějí při vnějším zatížení: tah, tlak, kroucení, náraz; v podmínkách střídavého zatížení a opotřebení. Hodnoty získaných charakteristik jsou obvykle uvedeny v referenčních knihách.
Příkladem mohou být následující vlastnosti:
Odolnost proti lomu, odhadovaná pevností v tahu nebo pevností v tahu, je maximální specifické zatížení (napětí), které může materiál odolat před porušením při natažení;
Odolnost proti plastické deformaci, měřená mezí kluzu, je napětí, při kterém začíná plastická deformace materiálu pod tahem;
Odolnost vůči elastickým deformacím, odhadovaná mezí pružnosti, je napětí, nad kterým materiál získává zbytkové deformace;
Schopnost odolávat plastické deformaci, hodnocená relativním prodloužením vzorku během tahu a relativním zúžením jeho průřezu;
Schopnost odolávat dynamickému zatížení, hodnocená rázovou pevností;
Tvrdost, odhadovaná jako odolnost materiálu proti vniknutí indentoru (referenční vzorek).
Mechanické vlastnosti materiálů se zjišťují za podmínek statického a dynamického zatížení.
Elasticita charakterizuje elastické vlastnosti polymeru, schopnost materiálu podléhat velkým vratným změnám tvaru při nízkém zatížení v důsledku vibrací článků a schopnost makromolekul ohýbat se.
Statické zkoušky zahrnují také zkoušky na tlak, kroucení, ohyb a další typy zatížení.
Společnou nevýhodou statických metod zjišťování fyzikálních a mechanických vlastností materiálů je nutnost zničení vzorku, což vylučuje možnost dalšího použití dílu k určenému účelu v důsledku vyříznutí zkušebního vzorku z něj.
Stanovení tvrdosti. Jedná se o metodu nedestruktivního zkoušení mechanických vlastností materiálu při statickém zatížení. Tvrdost se posuzuje hlavně u kovů, protože u většiny nekovových materiálů není tvrdost vlastností, která určuje jejich vlastnosti.
Tvrdost se posuzuje odolností materiálu proti vniknutí do něj při statickém zatížení cizím tělesem pravidelného geometrického tvaru s referenční tvrdostí (obr. 14).
Rýže. 14 Stanovení tvrdosti materiálů: A- diagram zatížení; b- měření tvrdosti podle Brinella; PROTI- Měření tvrdosti podle Vickerse
Vlisování referenčního vzorku do zkušebního vzorku se provádí pomocí speciálních přístrojů, z nichž se nejčastěji používají přístroje Brinnell, Rockwell a Vickers.
Nejběžnější je Brinellova metoda – do vzorku se vtlačí tvrzená ocelová kulička. Průměr otisku d otp se měří pomocí lupy se stupnicí. Dále pomocí tabulek zjistěte tvrdost materiálu. Vickersův test používá diamantovou frézu, zatímco Rockwellův test používá diamantový kužel.
Luminiscence (fluorescence a fosforescence) - efekty záře při pohlcování energie z dopadajícího světla, mechanického působení, chemických reakcí nebo tepla.
Optické vlastnosti látek mají velký praktický význam. Lom světla se používá k výrobě čoček pro optické přístroje, odraz se používá k tepelné izolaci: výběrem vhodných povlaků je možné ovlivnit vlastnosti materiálů tak, aby absorbovaly nebo odrážely tepelné záření, ale propouštěly viditelné světlo. Okenní sklo má pro klimatizaci charakteristickou barvu.
Široce se používají samozabarvovací chameleonové brýle, zářivky a obrazovky osciloskopů. K dekorativním účelům se používají kovové povlaky (eloxovaný hliník) (důležitá je odrazivost materiálu) a přesná zrcadla pokovených povrchů.
Dekorativní vlastnosti materiály jsou určeny svým vzhledem a závisí na jejich vnějším vzoru, designu, struktuře, struktuře, způsobu povrchové úpravy, přítomnosti povlaků a reliéfů.
Biologické vlastnosti materiály jsou určeny:
Jejich vliv na životní prostředí, stupeň jejich toxicity pro živé organismy;
Jejich vhodnost pro existenci a vývoj jakýchkoli organismů (houby, hmyz, plísně atd.).
Metody pro stanovení mechanických vlastností kovů se dělí na:
- statické, kdy zatížení narůstá pomalu a plynule (zkoušky tahem, tlakem, ohybem, krutem, tvrdostí);
- dynamické, kdy zatížení roste vysokou rychlostí (zkoušky rázového ohybu);
- cyklické, kdy se zatížení opakovaně mění ve velikosti a směru (únavové zkoušky).
Zkouška tahem
Při zkoušení pevnosti v tahu se zjišťuje pevnost v tahu (σ in), mez kluzu (σ t), relativní prodloužení (δ) a relativní kontrakce (ψ). Zkoušky se provádějí na tahových zkušebních strojích za použití standardních vzorků s plochou průřezu Fo a pracovní (vypočítanou) délkou lo. Výsledkem zkoušek je tahový diagram (obr. 1). Na vodorovné ose je uvedena hodnota deformace a na svislé ose hodnota zatížení, které je na vzorek aplikováno.
Mezní pevnost (σ in) je maximální zatížení, které může materiál odolat bez poškození, vztaženo k počáteční ploše průřezu vzorku (Pmax/Fo).
Rýže. 1. Diagram napětí
Je třeba poznamenat, že při natahování se vzorek prodlužuje a jeho průřez se neustále zmenšuje. Skutečné napětí se určí vydělením zatížení působícího v určitém okamžiku plochou, kterou má vzorek v daném okamžiku. V každodenní praxi se skutečná napětí neurčují, ale používají se podmíněná napětí za předpokladu, že průřez Fo vzorku zůstane nezměněn.
Mez kluzu (σ t) je zatížení, při kterém dochází k plastické deformaci, vztahující se k počáteční ploše průřezu vzorku (Рт/Fo). Během tahových zkoušek však většina slitin nemá na diagramech meze kluzu. Proto se stanoví podmíněná mez kluzu (σ 0,2) - napětí, kterému odpovídá plastická deformace 0,2 %. Zvolená hodnota 0,2 % poměrně přesně charakterizuje přechod od elastických k plastickým deformacím.
Mezi charakteristiky materiálu patří také mez pružnosti (σ pr), což znamená napětí, při kterém plastická deformace dosahuje dané hodnoty. Typicky se používají hodnoty zbytkového přetvoření 0,005; 0,02; 0,05 %. Tedy σ 0,05 = Ppr / Fo (Ppr je zatížení, při kterém je zbytkové prodloužení 0,05 %).
Mez úměrnosti σ pc = Ppc / Fo (Ppc je maximální zatížení, při jehož působení je stále splněn Hookeův zákon).
Plasticita je charakterizována relativním prodloužením (δ) a relativní kontrakcí (ψ):
δ = [(lk - lo)/lo]∙100 % ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100 %,
kde lk je konečná délka vzorku; lo a Fo jsou počáteční délka a plocha průřezu vzorku; Fk je plocha průřezu v místě ruptury.
U materiálů s nízkou plasticitou jsou zkoušky tahem obtížné, protože menší deformace během instalace vzorku představují významnou chybu při určování mezního zatížení. Takové materiály jsou obvykle podrobeny zkoušce ohybem.
Zkouška tvrdosti
Předpisy:
Tvrdost je schopnost materiálu odolávat pronikání jiného, tvrdšího tělesa, vtlačovače. Tvrdost materiálu je určena metodami Brinell, Rockwell, Vickers a Shore (obr. 2).
 |
 |
 |
| A | b | PROTI |
Rýže. 2. Schémata stanovení tvrdosti podle Brinella (a), Rockwella (b) a Vickerse (c)
Tvrdost kovu podle Brinella je označena písmeny HB a číslem. Pro převod čísla tvrdosti do soustavy SI použijte koeficient K = 9,8 106, kterým se násobí hodnota tvrdosti podle Brinella: HB = HB K, Pa.
Metoda tvrdosti podle Brinella se nedoporučuje používat pro oceli s tvrdostí vyšší než HB 450 a neželezné kovy s tvrdostí vyšší než 200 HB.
Pro různé materiály byla stanovena korelace mezi mezní pevností (v MPa) a číslem tvrdosti HB: σ v ≈ 3,4 HB - pro uhlíkové oceli válcované za tepla; σ v ≈ 4,5 HB - pro slitiny mědi, σ v ≈ 3,5 HB - pro slitiny hliníku.
Stanovení tvrdosti metodou Rockwell se provádí vtlačením diamantového kužele nebo ocelové kuličky do kovu. Zařízení Rockwell má tři stupnice - A, B, C. Diamantový kužel se používá pro testování tvrdých materiálů (stupnice A a C) a kulička se používá pro testování měkkých materiálů (stupnice B). V závislosti na stupnici se tvrdost označuje písmeny HRB, HRC, HRA a vyjadřuje se ve speciálních jednotkách.
Při měření tvrdosti metodou Vickers se do kovového povrchu vtlačí (brousí nebo leští) čtyřboká diamantová pyramida. Tato metoda se používá ke stanovení tvrdosti tenkých součástí a tenkých povrchových vrstev, které mají vysokou tvrdost (například po nitridaci). Tvrdost podle Vickerse se označuje jako HV. Převod čísla tvrdosti HV na soustavu SI se provádí obdobně jako převod čísla tvrdosti HB.
Při měření tvrdosti metodou Shore dopadá kulička s indentorem na vzorek kolmo k jeho povrchu a tvrdost je určena výškou odrazu kuličky a označuje se HS.
Metoda Kuznetsov-Herbert-Rehbinder - tvrdost je určena dobou tlumení kmitů kyvadla, jehož oporou je zkoumaný kov.
Rázová zkouška
Rázová houževnatost charakterizuje schopnost materiálu odolávat dynamickému zatížení a z toho vyplývající tendenci ke křehkému lomu. Pro rázové zkoušky se vyrobí speciální vzorky se zářezem, které se následně zničí na kyvadlovém rázovém unášeči (obr. 3). Pomocí váhy kyvadlového beranidla se určí práce K vynaložená na destrukci a vypočítá se hlavní charakteristika získaná jako výsledek těchto zkoušek - rázová houževnatost. Je určena poměrem práce destrukce vzorku k ploše jeho průřezu a měří se v MJ/m 2 .
Pro označení rázové houževnatosti se používají písmena KS a přidává se třetí, které označuje typ řezu na vzorku: U, V, T. Označení KCU znamená rázovou houževnatost vzorku s vrubem podobným U, KCV - se zářezem ve tvaru V a KCT - s trhlinou , vytvořenou na základně řezu. Dílo destrukce vzorku při rázových zkouškách obsahuje dvě složky: práci na iniciaci trhliny (Az) a práci na šíření trhliny (Ar).
Stanovení rázové houževnatosti je zvláště důležité pro kovy, které pracují při nízkých teplotách a vykazují tendenci ke křehkosti za studena, tj. ke snížení rázové houževnatosti se snižující se provozní teplotou.
Rýže. 3. Schéma kyvadlového beranidla a nárazového vzorku
Při provádění rázových zkoušek na vrubových vzorcích za nízkých teplot se stanovuje práh křehkosti za studena, který charakterizuje vliv poklesu teploty na tendenci materiálu ke křehkému lomu. Při přechodu z tvárného lomu na křehký je pozorován prudký pokles rázové houževnatosti v teplotním rozmezí, které se nazývá teplotní práh křehkosti za studena. V tomto případě se struktura lomu mění z vláknité matné (duktilní lom) na krystalicky lesklou (křehký lom). Práh křehkosti za studena je označen teplotním rozsahem (tb. – txr.) nebo jednou teplotou t50, při které je pozorováno 50 % vláknité složky v lomu vzorku nebo je hodnota rázové houževnatosti snížena na polovinu.
Vhodnost materiálu pro provoz při dané teplotě se posuzuje podle teplotní meze viskozity, která je určena rozdílem mezi provozní teplotou a teplotou přechodu křehkosti za studena a čím je větší, tím je materiál spolehlivější.
Zkouška únavy
Únava je proces postupného hromadění poškození materiálu pod vlivem opakovaných střídavých namáhání, které vedou ke vzniku trhlin a destrukci. Únava kovu je způsobena koncentrací napětí v jeho jednotlivých objemech (v místech hromadění nekovových a plynových vměstků, konstrukční vady). Schopnost kovu odolávat únavě se nazývá vytrvalost.
Únavové zkoušky se provádějí na strojích pro opakované střídavé ohýbání rotujícího vzorku, upevněného na jednom nebo obou koncích, nebo na strojích pro zkoušení tahem-tlakem nebo pro opakované střídavé kroucení. Na základě testů je stanovena mez únosnosti, která charakterizuje odolnost materiálu proti únavě.
Mez únavy je maximální napětí, při kterém nedojde k únavovému porušení po základním počtu zatěžovacích cyklů.
Mez únosnosti označujeme σ R, kde R je koeficient asymetrie cyklu.
Pro stanovení limitu únosnosti se testuje minimálně deset vzorků. Každý vzorek je testován pouze při jednom namáhání do porušení nebo při základním počtu cyklů. Základní počet cyklů musí být minimálně 107 zatížení (pro ocel) a 108 (pro neželezné kovy).
Důležitou charakteristikou konstrukční pevnosti je přežití při cyklickém zatěžování, které je chápáno jako doba provozu součásti od okamžiku iniciace první makroskopické únavové trhliny o velikosti 0,5...1 mm do konečné destrukce. Přežití má zvláštní význam pro provozní spolehlivost výrobků, jejichž bezporuchový provoz je zachován včasnou detekcí a prevencí dalšího rozvoje únavových trhlin.
Hookův zákon
Jak je známo, různé kovy a slitiny mají různé mechanické a technologické vlastnosti, které určují kvalitu strojních součástí a také obrobitelnost kovu. Tyto vlastnosti kovu jsou odhaleny vhodnými zkouškami na tah, tlak, ohyb, tvrdost atd.
Zkouška tahem. Pro stanovení pevnosti kovu v tahu je vyroben vzorek 1 a instalován do svorek (nebo chapadel) 2 stroje na zkoušení tahu. Pro tyto účely se nejčastěji používají stroje s hydraulickým systémem přenosu síly nebo šroubovým systémem.
Tahová síla F (obr. 51) vytváří napětí ve zkušebním vzorku a způsobuje jeho prodloužení. Když napětí překročí pevnost vzorku, dojde k jeho prasknutí.
Rýže. 51
Výsledky testu jsou obvykle prezentovány ve formě grafu. Zatížení F je vyneseno podél osy úseček, absolutní prodloužení?l je vyneseno podél osy pořadnice.
Diagram ukazuje, že nejprve se vzorek prodlužuje úměrně zatížení. Přímý úsek OA odpovídá vratným, elastickým deformacím. Při vykládání nabývá vzorek původní rozměry (tento proces je popsán stejným přímým úsekem křivky). Zakřivená část AC odpovídá nevratným plastickým deformacím. Po odlehčení (přerušovaná čára SV) se vzorek nevrátí do svých původních rozměrů a zachová si určitou zbytkovou deformaci.
Od bodu C se vzorek prodlužuje bez zvýšení zátěže. Horizontální řez CM diagramu se nazývá oblast výnosu. Napětí, při kterém se deformace zvyšuje bez zvýšení zatížení, se nazývá mez kluzu.
Jak ukazují studie, tekutost je doprovázena výraznými vzájemnými posuny krystalů, v důsledku čehož se na povrchu vzorku objevují čáry, skloněné k ose vzorku pod úhlem 45°. Poté, co prošel stavem tekutosti, materiál opět získá schopnost odolávat roztahování (je zesílen) a diagram za bodem M stoupá vzhůru, i když mnohem dutěji než předtím. V bodě D dosáhne napětí vzorku největší hodnoty a na vzorku se objeví prudké lokální zúžení, tzv. krček. Plocha průřezu krku se rychle zmenšuje a v důsledku toho se vzorek roztrhne, což odpovídá poloze bodu K na diagramu. Pevnost vzorku v tahu je určena vzorcem o fc = F D / S, kde: S fc - pevnost v tahu;
F D je zatížení, při kterém po určité době dojde k porušení tahového vzorku, N (kgf); S je plocha průřezu vzorku v jeho původní poloze, m 2 (mm 2).
Obvykle se při zkoušení různých kovů a slitin na tah určuje poměrné prodloužení e - poměr nárůstu délky vzorku před přetržením k počáteční délce vzorku. Je to určeno vzorcem? = ?l/l 0-100,
Kde: ? - relativní rozšíření;
L = l 1 - I 0 - absolutní prodloužení; l 0 - počáteční délka vzorku; l 1 - délka vzorku po testování. Experimentálně bylo zjištěno, že napětí v materiálu během elastické deformace roste úměrně k relativnímu prodloužení vzorku. Tato závislost se nazývá Huckův zákon.
Pro jednostranné (podélné) natahování má Hookeův zákon tvar o = E-?,
kde: o = F/s - normální napětí; F - tažná síla; s - plocha průřezu;
Relativní rozšíření;
E je konstantní hodnota v závislosti na materiálu tyče.
Poznámka. V soustavě SI je měrnou jednotkou napětí Pascal - napětí způsobené silou 1 newtonu (N) rovnoměrně rozloženou po povrchu kolmém k němu o ploše 1 m2.
1 Pa = 0,10210-4 kgf/cm2;
1 Pa = 0,102 10-6 kgf/mm2;
1 kgf/cm2 = 9,81 10 4 Pa;
1 kgf/mm 2 = 9,81 10 6 Pa.
Vzhledem k tomu, že pascalová jednotka napětí je velmi malá, je nutné použít větší jednotku - megapascal 1 MP a = 10 6 Pa.
Gosstandart umožňuje použití jednotky newton na čtvereční milimetr (N/mm 2). Číselné hodnoty napětí vyjádřené v N/mm 2 a v MPa jsou stejné. Jednotka N/mm 2 je také výhodná, protože rozměry na výkresech jsou uvedeny v milimetrech.
Koeficient úměrnosti E se nazývá modul pružnosti v tahu nebo Youngův modul. Jaký je fyzikální význam modulu pružnosti? Podívejme se na ukázkový diagram napětí (viz obr. 51, II). Modul pružnosti na něm je úměrný tečně úhlu sklonu a k ose x. To znamená, že čím strmější je přímka OA, tím je materiál tužší a tím větší je jeho odolnost proti elastické deformaci.
Pro charakterizaci kovu je důležité znát nejen poměrné prodloužení, ale také poměrné zmenšení plochy průřezu, což také umožňuje charakterizovat plasticitu materiálu.
Přirozeně, když se vzorek natahuje, plocha průřezu se zmenšuje. V bodě zlomu bude nejmenší. Relativní zúžení je určeno vzorcem? = (S 0 - S 1) / S 0 100 %,
Kde: ? - relativní zúžení;
S 0 - plocha průřezu vzorku před testováním; S 1 je plocha průřezu vzorku v místě prasknutí (v krku).
Čím větší je relativní prodloužení a relativní smrštění průřezu vzorku, tím je materiál plastičtější.
Kromě tří uvažovaných charakteristik mechanických vlastností kovů: pevnosti v tahu (o pch), relativního prodloužení (e) a relativního smrštění (?) je možné pomocí diagramu zaznamenaného na stroji určit mez pružnosti. (o y) a mez kluzu (o m),
Kompresní test. Ke zkoušení kovů na lisování (obr. 53) se nejčastěji používají lisy, u kterých je tlaková síla generována zvýšením hydraulického tlaku. Při stlačení vzorku z plastového materiálu, např. nízkouhlíkové oceli (obr. 53, I), se jeho příčné rozměry zvětší, zatímco jeho délka se výrazně zmenší. V tomto případě není narušena celistvost vzorku (obr. 54). Z kompresního diagramu (obr. 53, II) je zřejmé, že v počáteční fázi zatěžování se deformace zvyšuje úměrně zatížení, poté se deformace prudce zvětšuje s mírným nárůstem zatížení, následně se nárůst deformace postupně zpomaluje. dolů kvůli zvětšení průřezu vzorku.
Rýže. 52
Rýže. 53
Vzorky z křehkých materiálů se lisováním ničí (obr. 54, III). Když například litinová tyč dosáhne mezního zatížení, rozpadne se na části, které se vzájemně pohybují po šikmých plošinách (obr. 53, III).
Rýže. 54
Pro kompresi plně platí Hookeův zákon, podle kterého materiály odolávají stlačení úměrně působící síle až do meze pružnosti. Modul pružnosti v tlaku se u většiny materiálů rovná modulu pružnosti v tahu. Výjimkou jsou pouze některé křehké materiály - beton, cihla apod. Obdoba povahy tlakového napětí s tahovým napětím umožňuje popsat tyto procesy pomocí stejných matematických rovnic.
Ohybový test. Při zkoušce na ohyb se vzorek (nosník) položí svými konci na dvě podpěry a uprostřed zatíží (obr. 55). Odolnost materiálu vůči ohybu se posuzuje podle velikosti průhybu vzorku.
Rýže. 55
Představme si nyní pomyslná podélná vlákna ve dřevě. Při ohybové deformaci jsou vlákna jedné zóny stlačena, zatímco druhá natažena (obr. 55, II).
Mezi kompresní a tahovou zónou je neutrální vrstva, jejíž vlákna nepodléhají deformaci, to znamená, že se jejich délka nemění. Z Obr. 55 je vidět, že čím dále jsou vlákna umístěna od neutrální vrstvy, tím větší je jejich deformace. Můžeme tedy usoudit, že při ohybu v průřezech nosníku vlivem vnitřních sil vznikají normálová tlaková a tahová napětí, jejichž velikost závisí na poloze předmětných bodů v řezu. Nejvyšší napětí se obvykle označují: v kompresní zóně - ? max, v úsekové zóně - ? m ah V bodech umístěných na neutrální ose jsou napětí nulová. Normálová napětí vznikající v bodech průřezu různých výšek rostou úměrně vzdálenosti od neutrální vrstvy a lze je vypočítat pomocí vzorce? = (Ez) / p,
Kde: ? - normální stres;
z je vzdálenost od vlákna zájmu k neutrální vrstvě; E - modul pružnosti; p je poloměr zakřivení neutrální vrstvy.
Smyková zkouška. Při zkoušce na smyk (obr. 56) se kovový vzorek 3, který má válcový tvar, vloží do otvoru zařízení skládajícího se z vidlice 1 a kotouče 2. Stroj vytáhne kotouč z vidlice, protože výsledkem čehož je pohyb střední části vzorku vzhledem k jeho vnějším částem. Pracovní plocha S (oblast řezu) se rovná dvojnásobku plochy průřezu vzorku, protože řez probíhá současně ve dvou rovinách.
Rýže. 56
Při střihu jsou všechny body deformovatelných úseků omezené rovinami působících sil posunuty o stejnou vzdálenost, to znamená, že materiál v těchto bodech prochází stejnou deformací. To znamená, že ve všech bodech řezu budou stejná efektivní napětí.
Velikost napětí je určena dělením výslednice F vnitřních (příčných) sil plochou průřezu tyče S. Protože vektor napětí je umístěn v rovině řezu, vzniká v něm tangenciální napětí, určeno vzorcem r cf = F/2S, kde: r cf - snížení hodnoty napětí;
F - výsledná síla;
S je plocha průřezu vzorku. Smyk je destrukce vyplývající ze smyku jedné části materiálu vůči druhé, ke kterému dochází pod vlivem tečných napětí. Pro smykovou deformaci platí Hookeův zákon: v elastické zóně jsou napětí přímo úměrná relativním deformacím. Koeficient úměrnosti je velikost modulu pružnosti ve smyku G. Relativní posun (úhel smyku) se značí y. Hookeův zákon pro smykovou deformaci má tedy tvar t = Gg, kde: r = F/S - smykové napětí; F - tangenciální síla; S je oblast posunu vrstev; y - úhel smyku;
G je smykový modul v závislosti na materiálu tělesa.
Torzní zkouška. Při zkoušení vzorků na kroucení je jeden konec trubky 2 fixován nehybně 1, druhý je otáčen pákou 3 (obr. 57). Torze je charakterizována vzájemným pootočením průřezů tyče, hřídele, trubky vlivem momentů (silových dvojic) působících v těchto úsecích. Pokud jsou přímočaré tvořící přímky aplikovány na povrch tyče před aplikací torzních sil (obr. 57, I), pak po zkroucení mají tyto tvořící přímky tvar šroubovicových čar a každý průřez vzhledem k sousednímu se otáčí pod určitým úhlem (viz obr. 57, II). To znamená, že v každém řezu dochází ke smykové deformaci a vznikají smyková napětí. Je stupeň posunu materiálu při kroucení určen úhly zkroucení? a posun y. Absolutní hodnota kroucení je určena úhlem zkroucení uvažované sekce vzhledem k pevné sekci. Největší úhel natočení se získá v největší vzdálenosti od pevného konce tyče.
Rýže. 57
Poměr úhlu natočení? k délce úseku I namáhaného kroucením se nazývá relativní úhel zkroucení Q = ? /Z
kde: Q - relativní úhel natočení;
úhel otočení;
Zkouška tvrdosti. Při stanovení tvrdosti materiálů v tovární a laboratorní praxi se používají dvě metody: Brinellova metoda a Rockwellova metoda.
Brinellova metoda. Tato metoda je založena na skutečnosti, že při měření tvrdosti kovů se použije ocelová kulička 1 o průměru 2,5; 5 nebo 10 mm se vtlačí do povrchu zkušebního vzorku 2 při daném zatížení 3 od 625 N do 30 kN (62,5 až 3000 kgf). Po odstranění zátěže se změří průměr d otisku zbývajícího na povrchu vzorku (obr. 58), který je tím menší, čím je kov tvrdší.
Rýže. 58
Poznámka. Ocelová koule musí být vyrobena z tepelně zpracované oceli o tvrdosti minimálně HB850. Drsnost povrchu R z není nižší než parametr 0,100 podle GOST 2789-73. Na povrchu koule by neměly být žádné vady, které jsou viditelné lupou při 5násobném zvětšení.
Číslo tvrdosti podle Brinella se vypočítá pomocí vzorce
D - průměr kuličky, mm;
d - průměr otisku, mm.
Speciální tabulka (GOST 9012-59) umožňuje určit tvrdost nejběžnějších kovů.
Je třeba poznamenat, že existuje vztah mezi tvrdostí oceli HB podle Brinella a její pevností v tahu o fp pro konvenční uhlíkové styly, vyjádřenou vzorcem f f = 0,36 nb.
Při znalosti tvrdosti oceli podle Brinella je tedy možné vypočítat pevnost v tahu.
Tento vzorec má velký praktický význam. Brinellova metoda obvykle určuje tvrdost nekalených ocelí, litiny a neželezných kovů. Tvrdost kalených ocelí se měří pomocí Rockwellova přístroje.
Rockwellova metoda. Při měření tvrdosti kovů touto metodou se do zkušebního vzorku působením dvou postupně působících zatížení vtlačí hrot standardního typu (diamantový kužel pro tvrdé kovy nebo ocelová kulička pro měkčí): předběžné (F 0) 100 N (10 kgf) a konečný (F 1) 1000 N (100 kgf) - pro míč a 1500 N (150 kgf) - pro diamantový kužel.
Při působení předpětí proniká kužel kovem do hloubky h 0 (obr. 59, I); při přidání k předběžné hlavní zátěži se hloubka otisku zvětší na h (obr. 59, II) a po odstranění hlavní zátěže zůstává rovna h 1 (obr. 59, III).
Rýže. 59
Hloubka vtisku h = h 1 - h 0, získaná v důsledku hlavního zatížení F 1, charakterizuje tvrdost podle Rockwella. Zkoušky Rockwellovou metodou se provádějí speciálními přístroji vybavenými indikátorem, který ihned po ukončení zkoušky ukazuje číslo tvrdosti.
Indikátor má dvě stupnice: černou (C) pro testování s diamantovým kuželem a červenou (B) pro testování s kuličkou.
Tvrdost podle Rockwella se měří v libovolných jednotkách.
Příklad označení tvrdosti podle Rockwella: HRC50 (tvrdost 50 na stupnici C).
Stanovení tvrdosti pomocí kalibrovaných pilníků. Tvrdost HRC lze určit pomocí řady pilníků tepelně zpracovaných na různé tvrdosti řezu. Typicky se interval zářezu pohybuje od 3 do 5 jednotek HRC. Kalibrace pilníků se provádí pomocí standardních dlaždic, jejichž tvrdost je předem přesně stanovena na přístroji.
Tvrdost zkušební součásti je určena dvěma pilníky s minimálním odstupem tvrdosti, z nichž jeden může po součásti pouze klouzat a druhý ji může mírně poškrábat. Pokud pilník s HRC62 poškrábe kov a s HRC59 klouže pouze po povrchu součásti, pak je tvrdost HRC60-61.
V praxi se tato metoda používá pro stanovení tvrdosti nástrojů (výstružníků, fréz apod.), jejichž tvrdost může být obtížně měřitelná jiným způsobem.
Existují další metody pro stanovení tvrdosti (Vickersova metoda, elektromagnetické metody atd.), které nejsou v této knize probírány.