лекции / Лекции / Материаловедение1

Пермский государственный технический университет

Кафедра Материаловедение

Группа КТЭИ-03-2

Реферат

Характеристики механических свойств конструкционных материалов

Выполнил Ягудина А.Р.

Проверил .Береснев Г.А.

Пермь 2005

Введение

Металлам присущи высокая пластичность, теплопроводность и электропроводность.

Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодической системы Менделеева. Для металлов, а также для металлических сплавов, особенно конструкционных, важное значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают напряжения и деформация.

Напряжения σ, кгс/мм² – это нагрузка (сила) P, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения F₀ образца:

В СИ P измеряют в Н, F₀ – в м², σ – в Па, или кгс/мм²

Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Деформация может быть упругая (исчезает при снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрастающей нагрузке упругая деформация переходит в пластическую, и далее образец разрушается. В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.

Прочность – это способность металлов оказывать сопротивление деформации или разрушению статическим, динамическим и знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.

Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:

Предел прочности σ_В– это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке P_В, предшествующей разрушению образца:

Эта характеристика является обязательной для металлов.

Предел пропорциональности σ_ПЦ– это условное напряжение P_ПЦ, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости между деформацией и нагрузкой:

Предел текучести σ_Т– это напряжение P_Т, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:

Значения σ_В, σ_ПЦ, σ_Т измеряются в кгс/мм² или в МПа.

Максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент разрушения образца, называется истинным сопротивлением разрушения:

,

где - конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения (“в шейке”).

Пластичность – свойство металлов деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после снятия этих сил. Ее характеристиками являются относительное удлинение перед разрывом δ и относительное сужение перед разрывом ψ. Эти характеристики определяют при испытании металлов на растяжение, а их численные значения вычисляют по формулам:

где I₀ и I_К – длина образца до и после разрушения соответственно;

F₀ и F_К – площадь поперечного сечения образца до и после разрушения (шейка)

Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость – свойство, обратное пластичности.

Твердость – способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела. Производят испытания на твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Польди и на микротвердость. Наиболее распространенные первые два метода.

По Бринеллю – в испытуемый образец с определенной силой вдавливают закаленный стальной шарик диаметром D = 10.5 или 2.5 мм. Число твердости по Бринеллю – НВ, характеризуется отношением нагрузки P, действующей на шарик, к поверхности отпечатка F, мм²:

Значение НВ измеряется в кгс/мм² или в МПа. Чем меньше диаметр отпечатка d, тем больше твердость образца. Диаметр шарика D и нагрузку P выбирают в зависимости от материала и толщины образца. На практике определяют не F, а диаметр d отпечатка с помощью специальной лупы, имеющей шкалу.

По Роквеллу – в испытуемый образец вдавливают специальный алмазный конус, угол вершины которого равен 120°, или закаленный стальной шарик диаметром 1.588 мм. В этом случае измеряют не диаметр отпечатка, а глубину вдавливания. Алмазный конус или стальной шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной в 10 кгс и основной в 90 кгс для стального шарика (шкала B), 140 кгс для алмазного конуса (шкала C) или 50 кгс для алмазного конуса (шкала A) при испытании очень твердых и тонких образцов. После приложения предварительной нагрузке измеряют глубину вдавливания h₀, а после основной – h. За единицу твердости принята величина t, соответствующая осевому перемещению конуса (шарика) на 0.002 мм:

Число твердости по Роквеллу определяют в условных единицах по формулам:

HRB = 130 – t (шкала B) и HRC = 100 – t (шкала C и A).

Вязкость – способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. Многие детали в процессе работы испытывают не только статические нагрузки, но подвергаются также ударным (динамическим) нагрузкам. Удельное сопротивление удару – удельная ударная вязкость (испытание на ударный изгиб) α_Н характеризуется работой, израсходованной на разрушение образца.

,где A_Н =G(H - h) – работа удара, измеряется в кгс*м или в Дж;

G – Вес маятника копра, кгс;

H – Высота подъема маятника перед ударом, м;

h – Высота, на которую поднимется маятник с другой стороны опор после удара, м;

F – Площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см².

Хрупкость металлов в условиях низких температур называют хладоломкостью.

Для определения температуры перехода металла от вязкого разрешения к хрупкому, называемой критической температурой хрупкости или порогом хладоломкости, строят график α_Н=f(T). На рисунке обозначено: 1 – вязкое разрушение, 2 – хрупкое разрушение, T_В – верхняя и T_Н – нижняя границы критического интервала, в котором характер излома изменяется от вязкого волокнистого до хрупкого кристаллического. Обычно порогом хладоломкости считают среднюю температуру интервала.

Износостойкость – сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдельных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.

Усталостная прочность

Некоторые детали (валы, рессоры, пружины, рельсы и т.п.) в процессе эксплуатации испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величине и направлению (знаку). Под действием таких знакопеременных нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называют усталостью металла, а образовавшиеся изломы – усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости, т.е. величину наибольшего напряжения, которое металл может выдержать без разрушения при заданном числе перемен нагрузки (циклов) N. Предел выносливости определяют на машинах с пульсирующим нагружением детали или изгибом при вращении. Величина предела выносливости зависит от степени загрязненности металла неметаллическим включениями, структуры металла, состояния поверхности, формы и размеров образца, наклепа и др.

Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей.