Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая механика. Лабораторный практикум
.pdf
Координатыточкинадиаграмме Маркастали Маркачугуна
A
σ= =
l
l
ξ= =
ll∆
ξ= =
ll∆
ξ= =
3Напряжениеприразрушении,МПа
3
−
10F
⋅
р
р
4Относительнаядеформация,соответствующая
пределупропорциональности
∆
пц
пц
5Относительнаядеформация,соответствующая
концуплощадкитекучести
т
т
6Относительнаядеформация,соответствующая
разрушению
р
р
F
0
∆l
Диаграммы в осях σ,ξ
σ
Диаграммы в осях F, Δl
0
ξ
31
Анализ результатов, выводы
Подписьстудента
Подписьпреподавателя
Вопросы для подготовки к защите работы
1 Каковацельлабораторнойработы?
2 Накакоймашиневыполняетсяработа?
3 Для чего нужна машинная диаграмма сжатия? В каких
координатахполучаютееприиспытаниях?
4 Чем отличаются диаграммы сжатия пластичных и хрупких
материалов?
5 Чтособойпредставляетцентральноесжатие?
6 Запишитеформулудляопределениянормальныхнапряжений
прицентральномсжатии.
7 Чтособойпредставляетизотропныйматериал?
8 Чтособойпредставляетанизотропныйматериал?
9 Приведите пример из техники с рациональным
использованиеманизотропныхсвойствматериала.
10 Какие явления можно ожидать по сравнению с обычным
испытаниемстальногообразцанасжатие,еслиторцевыеповерхности
образцасмазатьмашинныммаслом?
11 Чемхарактерныплощадки,наклоненныеподугломα=45°к
продольнойосицентральносжатыхстержней?
12 Назовите характерные особенности испытания пластичных
материаловнасжатие?
13 Назовите характерные особенности испытания хрупких
материаловнасжатие.
14 Назовите механические характеристики, которые можно
определитьдляпластичногоматериалаприиспытаниинасжатие.
15 Назовите механические характеристики, которые можно
определитьдляхрупкогоматериалаприиспытаниинасжатие.
16 Какойвид имеетдиаграммасжатиясталиивчемееотличие
отдиаграммырастяжения?ВчемсутьэффектаБаушингера?
17 Какой вид имеют диаграммы сжатия чугуна и бетона?
Назовите характерные особенности разрушения образцов из этих
материалов.
18 Какой вид имеет диаграмма сжатия дерева вдоль и поперек
волокон?Какдереворазрушаетсяприсжатииивкакомнаправлении
обладаетлучшимимеханическимисвойствами?
32
19 Какие механические характеристики материала можно
определить при испытании на сжатие стали, чугуна, бетона и
дерева? Как эти характеристики соотносятся с характеристиками,
полученнымиприиспытаниинарастяжение?
20 Какие характерные особенности разрушения проявляются у
образцовизстали,чугунаидереваприиспытаниинасжатие?
21 Какие механические характеристики материалов получают
при испытании на сжатие пластичных материалов, хрупких,
анизотропных?
22 Отличаются ли значения пределов текучести при сжатии и
растяженииобразцовизмалоуглеродистойстали?
23 Что происходит с образцом из дерева при испытании
нагружением поперек волокон? Можно ли образец довести до
полногоразрушения?
24 Почему образцы из малоуглеродистой стали и чугуна при
сжатииприобретаютбочкообразнуюформу?Почемуэтоневозникает
присжатиибетонныхидеревянныхобразцов?
25 Как на практике использовать результаты, полученные при
испытанииуказанныхматериаловнасжатие?
26 Можно ли оценить механические свойства материалов
непосредственнопомашиннойдиаграмме?
27 Вчемотличиевповедениистальногообразцаприиспытании
насжатиеотиспытанияегонарастяжение?
28 Как определитьпредельнуюнагрузкупри сжатииобразцаиз
деревавдольипоперекволокон?
33
Лабораторная работа 3
ИСПЫТАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ
3.1 Цель работы
Изучениеметодикиопределенияударнойвязкости пластических
масс и других неметаллических материалов при испытании
стандартныхобразцовнамаятниковомкопре.
3.2 Необходимые приборы и оборудование
1МаятниковыйкоперХР-05.
2Штангенциркуль.
3.3 Теоретические основы работы
При эксплуатации различные детали и конструкции часто
подвергаются ударным нагрузкам. В качестве примера можно
привести переезд автомобиля через выбоину на дороге, взлет
и посадку самолетов, высокоскоростную обработку металла
давлением (при ковке и штамповке) и др. Для оценки способности
металлическихматериаловпереноситьударныенагрузкииспользуют
динамические испытания, которые широко применяются также
для выявления склонности металлов к хрупкому разрушению.
Стандартизованы и наиболее распространены ударные испытания
на изгиб образцов с надрезом. Помимо них используются методы
динамического растяжения, сжатия и кручения. Скорости
деформирования и деформации при динамических испытаниях на
несколькопорядковбольше,чемпристатических.
Среди многочисленных методов ударных испытаний наиболее
широко применяется метод испытания на ударный изгиб с
измерением ударной вязкости. Эта характеристика механических
свойств играет огромную роль при оценке служебных свойств
конструкционных,атакжеинструментальныхсталей.
Вязкостьпротивоположнахрупкости.Этоспособностьматериала
сопротивляться разрушению, поглощая энергию удара. Например,
стекло хрупкое, потому что оно не способно поглощать энергию
за счет пластической деформации. При столь же резком ударе по
34
листу мягкого алюминия не возникают большие напряжения, так
W
A
∆
какалюминийспособен к пластическойдеформации,поглощающей
энергиюудара.
Удельной ударной вязкостью a материала называют отношение
работы ∆WF, затраченной маятником на разрушение стандартного
образца, к площади его поперечного сечения A в месте излома,
⋅
Нм
:
2
м
a
=
(3.1)
F
.
В процессе эксплуатации деталей могут возникнуть внешние
факторы,подвоздействиемкоторыхматериалстановитсяхрупким:
- увеличениескоростидеформирования(возникновениеударных
нагрузок);
- понижениетемпературы;
- возникновение двухосного и трехосного напряженных
состояний;
- образование концентраторовнапряжений–надрезов, раковин,
трещинит.д.
Чем больше начение ударной вязкости, тем лучше материал
сопротивляется динамической нагрузке. Образцы из хрупких
материалов ломаются легко, с небольшой затратой работы на
разрушение.Образцыизпластичныхматериаловнаоборот–требуют
на разрушение большей энергии. Материалы, требующие большой
затраты энергии на излом, называют вязкими. Все материалы, из
которых изготавливают детали, воспринимающие динамические
нагрузки,обязательноиспытываютнаудар.
Значениеударнойвязкостиоченьсильнозависитоттемпературы.
По мере понижения температуры ударная вязкость образцов из
одногои того же материала уменьшается. У некоторых материалов
существует температурный интервал, в котором удельная ударная
вязкость резко меняет свое значение. Этот интервал называется
температурным интервалом хрупкости. Чем больше смещен
температурный интервал хрупкости в сторону низких температур,
тем материал менее чувствителен к воздействию температуры при
ударныхнагрузкахитемболееоннадеженвработе.
Изменение формы образца также сказывается на величине
ударнойвязкости.Переходкболееширокимобразцамикобразцамс
35
болееострымнадрезомсмещаеттемпературныйинтервалвсторону
болеевысокихтемператур.Наобразцахизметалловвсегдасоздается
надрез–концентраторнапряжений.
Склонность стали к хрупкому разрушению возрастает также
при повышенном содержании фосфора, концентрирующегося по
границам зерен, при крупнозернистой структуре, при наличии
карбидовпо границамзерен,полосчатости,т.е. подвлияниемцелого
рядавнутреннихструктурныхфакторов.
Определение ударной вязкости при динамических испытаниях
наударныйизгиб являетсяосновнымпрактическимметодомоценки
склонности стали к хрупкому разрушению, которое, в отличие
от вязкого, происходит без заметной пластической деформации и
развиваетсякатастрофическибыстро.
Охрупчиваниесталипринекоторыхусловияхотпусканазывается
отпускной хрупкостью. Понижение ударной вязкости при этом
вызвано повышением температуры перехода в хрупкое состояние.
Наблюдаются два вида отпускной хрупкости: отпускная хрупкость
первого рода (необратимая) и отпускная хрупкость второго рода
(обратимая),определяемыепутем испытаний на ударныйизгиб при
комнатнойтемпературе.
Ударнаявязкостьвзависимостиоттемпературыотпускаменяется
немонотонно(рисунок3.1).
Рисунок3.1–Зависимостьударнойвязкостистали
оттемпературыотпуска
36
Сталь,отпущеннаяв интервале температурпорядка 300...350°С,
имеетминимальнуюударнуювязкость.Отпускнаяхрупкостьпервого
рода проявляется у большинства сталей независимо от их состава
и скорости охлаждения. Считают, что это явление обусловлено
выделениямичастицтипацементитапограницамзерен,которыепри
дальнейшемповышениитемпературывновьрастворяются.Приэтом
менее прочные приграничные участки становятся концентраторами
напряжений, т.е. хрупкое состояние обусловлено возникновением
объемно-напряженногосостояния,получающегосяпринеоднородном
распаде мартенсита. Сталь в состоянии необратимой отпускной
хрупкостиимеетблестящиймежкристаллитныйизлом.
Хрупкостьпервогородаустраняетсянагревомсталивыше400°С,
снижающимтвердость.
Хрупкость второго рода наблюдается в легированных сталях
при охлаждении в печи или на воздухе после отпуска в интервале
температур 500...550 °С или при слишком длительной выдержке в
этомтемпературноминтервале.
В стали в состоянии отпускной хрупкости второго рода
уменьшается работа зарождения и особенно распространения
трещины.
Прибыстромохлаждениивводеэтотвидхрупкостиневозникает,
излом стали – волокнистый, характерный для вязкого состояния.
После медленного охлаждения с температуры 500...650 °С сталь
имеет хрупкий кристаллический излом. Хрупкость второго
рода можно устранить повторным отпуском при 600...650 °С с
последующимобратнымбыстрымохлаждением.
Хрупкость второгорода частовстречаетсявсталях,содержащих
повышенноеколичествоРиАsилиMn,Si,Сrилиприодновременном
введениивстальCrиNi(илиMn).
Появлениеотпускной хрупкостивторогороданаиболеевероятно
связано с диффузией растворенных атомов некоторых элементов
и насыщением поверхностных слоев зерна этими элементами без
выделенияизбыточныхмелкодисперсныхфаз(карбидов,фосфидови
т.д.).Особеннобольшоевлияниеоказываетобогащениепограничных
зон фосфором, снижающим работу образования межзеренных
трещин,вызывающихразвитиеотпускнойхрупкости.
С помощью испытаний на ударный изгиб выявляются такие
дефекты, как синеломкость, хладноломкость, обратимая и
необратимаяотпускнаяхрупкостьит.п.
37
Ударныеиспытаниявыявляюттакиеразличиямеждуматериалами,
которые не отражаются при обычных (статических) испытаниях
гладких образцов. Например, значения предела прочности
мало отличаются для мелкозернистого железа (36,5 кгс/мм2) и
крупнозернистогожелеза(34,5кгс/мм2),тогдакаквзначенияхударной
вязкостиимеетсясущественноеразличие:13,1кгсм/см2и2,6кгсм/см2,
соответственно.
Одно из важнейших достоинствударныхиспытаний как метода
оценки состояния металла – повышенная чувствительность.
Например,колебаниямеханическихсвойствоколосреднегозначения
для осевой стали (0,35 % С) составляют99%для Ан, 15 % для σв,
8,8%дляδи5,7%дляψ.
На значение ударной вязкости часто сказывается и способ
выплавкистали: электросталь имеет наибольшую, бессемеровская –
наименьшую, мартеновская – промежуточную величину ударной
вязкости.
Ударная вязкость в значительной мере отражает состояние
поверхности образца, так как распределение деформации в
образце неравномерно и часто бывает сосредоточено в основном
в поверхностных слоях. Наличие твердых поверхностных слоев
понижаетударнуювязкость,амягкиеповерхностныеслоиповышают
ее. Например, если надрезы на стальном образце, предназначенном
дляиспытаниянаударныйизгиб,сделаныдотермическойобработки,
то даже небольшое обезуглероживание поверхности, приводящее
к образованию мягкого и пластичного феррита, может повысить
ударнуювязкостьвдвое.
Поэтому при ударных испытаниях предписывается изготовлять
надрез на ударных образцах (ГОСТ 9454–78) после их термической
обработки.
Наряду с определением ударной вязкости имеет значение
вид излома ударных образцов. В изломе не допускается
крупнозернистость,шлаковины,расслоенияидругиедефекты.
Наиболеепростымизметодовпрактическогомассовогоконтроля
являетсяметодударныхиспытанийпри20°Снамаятниковыхкопрах.
Нарезультатахопределенияударнойвязкостисказываетсяискорость
маятникавмоментудара.
Однакоширокоеприменениенашлииспытанияприпониженных
температурах, разработанные Н.Н. Давиденковым, так называемые
сериальныеиспытания.
38
При проведении таких испытаний делается серия опытов на
ударный изгиб при постепенно понижающейся температуре до
переходаметалла в хрупкоесостояние,причем температурарезкого
уменьшения ударнойвязкости служит мерой качества металла. Чем
нижеэтатемпература–«критическаятемпературахрупкости»–тем
вышесопротивлениеметаллахрупкомуразрушению.
Охлаждающимисмесямимогутбыть:сухаяуглекислота,дающая
температуруминус70°С,жидкийвоздухдаетминус183°С,жидкий
азотпозволяетполучитьтемпературуминус195°С,жидкийводород,
дающийминус252°С.
Применение сериальных испытаний целесообразно только
для типично хладноломких материалов с ОЦКрешеткой (Fe-α, Zn
и сплавы на их основе), которые дают резкий переход в хрупкое
состояние. Многие легированные стали, особенно содержащие Ni,
припонижениитемпературыдаютпостепенноепонижение вязкости
и поэтому для них определение даже критического интервала
хрупкости становится затруднительным. Некоторые сплавы,
напримерAl+4%Mg,остаются вязкимииразрушаютсяпутемсреза
даже при жестких условиях (при одновременном действии удара,
надреза и низкой температуры), поэтому для таких материалов
применение ударных испытаний как сериальных, так и при 20 °C
нецелесообразно.
Нецелесообразно применять ударные испытания и для чугунов,
литых алюминиевых и магниевых сплавов, так как сопротивление
отрывуэтихматериаловдостигаетсяужепристатическихнагрузках.
Такимобразом,испытаниянаударныйизгибявляютсяоднимиз
наиболее чувствительных методов контроля,чутко реагирующих на
небольшиеизменениясостоянияметалла.
Ударные испытания являются ценным, а иногда необходимым
дополнениемкстатическимиспытаниямгладкихобразцов,главным
образомдлянизко-исреднеуглеродистыхсталей.
Существует много разных методов испытания металлов на
ударнуювязкость.ПрииспользованииметодаШарпипризматический
образец металла с надрезом подставляют под удар отведенного
маятника. Работу, затраченную на разрушение образца, определяют
по расстоянию, на которое маятник отклоняется послеудара. Такие
испытания показывают, что стали и многие металлы ведут себя
как хрупкие при пониженных температурах, но как вязкие – при
повышенных. Переход от хрупкого поведения к вязкому часто
39
происходит в довольно узком температурном диапазоне, среднюю
12
,
F
W Gh Gh W∆= − −
потерь
точку которого называют температурой хрупко-вязкого перехода.
Другиеиспытания на ударнуювязкостьтожеуказываютнаналичие
такогоперехода,но измеренная температурапереходаизменяется от
испытаниякиспытаниювзависимостиотглубинынадреза,размеров
иформыобразца,атакжеотметодаискоростиударногонагружения.
Посколькуни водномиз видовиспытанийневоспроизводитсявесь
диапазон рабочих условий, испытания на ударную вязкость ценны
лишь тем, что позволяют сравнивать разные материалы. Тем не
менее они дали много важной информации о влиянии сплавления,
технологии изготовления и термообработки на склонность к
хрупкомуразрушению.Температурапереходадлясталей,измеренная
по методуШарпи с V-образнымнадрезом,можетдостигать+90 °С,
носоответствующимилегирующимиприсадкамиитермообработкой
ееможнопонизитьдоминус130°С.
Испытания на ударную вязкость или ударный изгиб (KС)
проводятсядляоценкинадежностииработоспособностиматериалов
в условиях динамическогонагруженияи их склонностикхрупкому
разрушению,которыевсвоюочередьзависятотскоростиизменения
нагрузкии «мягкости»напряженногосостояния.Посколькувязкость
(в том числе ударная) является интегральной характеристикой,
зависящейодновременноотпрочностиипластичности, тоонаболее
резко реагирует на изменения структурного состояния материалов,
чемдругиесвойства,чтоособеннояркопроявляетсяприпониженных
температурах.
Испытание проводится на специальном маятниковом копре
(рисунок 3.2). Работа ∆WF, затраченная маятником на разрушение
определяетсяпозависимости
гдеG – вес маятника; Gh1 – потенциальная энергия, запасенная
маятником в самом верхнем его положении; Gh2 – потенциальная
энергия,сохраненнаямаятникомпослеразрушенияобразца;W
энергия потерь, затраченная маятником на преодоление вредных
сопротивлений (трение в узлах копра, сопротивление воздуха,
сотрясение копра и фундамента, на смятие образца на опорах и
под ножом,на сообщение энергии обломкамобразца и на упругую
деформацию штанги маятника). Особенно велики потери энергии
принесовпаденииосиудараисерединынадрезанаобразце.Поэтому
–
потерь
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]