Механические свойства конструкционных материалов

Основными материалами, применяемыми в машиностроение являются металлы и сплавы. Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропроводность. Они имеют характерный металлический блеск.

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 на­пряжение и деформация. Напряжение σ , кгс/мм² - это нагрузка (сила) P, отнесенная к первоначальной площади поперечного сече­ния F₀ образца:

σ = P/F₀

В СИ Р измеряют в Н, F₀ — в м², σ - в Па. 1 кгс/мм² = 9,80665 МПа (точно) 10 МПа.

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 после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрас­тающей нагрузке упругая деформация, как правило, 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 — способность металлов оказывать сопротивление де­формации или разрушению статическим, динамическим или 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 ( рис.1).

• Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) σ_в – это напряжение, отвечающее наи­ большей нагрузке Р_в предшествующей разрушению образца:

σ_в = P_в /F₀

Эта характеристика является обязательной для металлов.

• Предел пропорциональности σ_пц — это условное напряжение Р_пц , при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости между деформацией и нагрузкой:

σ_пц = P_пц /F₀

рис.1 Диаграмма растяжения,

типичная для ряда металлов

Р-нагрузка,кгс; ∆l- абсол. Удлинение, мм

рис.2 схема определения

твердости по Бринеллю

• Предел текучести σ_т — это напряжение Р_т, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:

σ _т = Р_т/F₀ .

Значения σ_в, σ_пц, σ_т измеряют в кгс/ мм² или в МПа.

• 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 σ и относительное сужение перед разрывом ψ. Эти характеристики определяют при испытании металлов на растяжение, а их численные значения вычисляют по формулам:

σ = [(I_k – I_o) I_o ] 100%,

ψ = [(F_o– F_k) F _o ] 100%,

где I_o и I_k — длина образца до и после разрушения соответственно; F_o и F_k — 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 испытание на твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Польди и на микротвердость. Наиболее распространенные первые два метода. Твердость , согласно, этим методам, определяют следующим образом.

По Бринеллю — в испытуемый образец с определенной силой вдавливают закаленный стальной шарик диаметром D = 10,5 или 2,5 мм (рис. 2). Число твердости по Бринеллю – НВ, характеризуется отношением нагрузки Р, действующей на шарик, к поверхности отпечатка F, мм²:

_{Р 2Р}

НВ = — = —————————

F πD(D – √D² – d²)

Значение НВ измеряют в кгс/мм² (в этом случае размерность часто не указывается) или в СИ – в МПа (1 кгс/мм² ≈ 10МПа).

Чем меньше диаметр отпечатка d, тем больше твердость образца. Диаметр шарика D и нагрузку Р выбирают в зависимости от материала и толщины образца. На практике определяют не F, а диаметр d отпечатка с помощью специальной лупы, имеющей шкалу. По диаметру d отпечатка (лунки) из таблицы определяют твердость в НВ (в кгс/мм² ). Этим методом определяют твердость незакаленных поковок, отливок и деталей, изготовленных из стального проката твердостью до НВ 450 (4500 МПа). При большей твердости шарик деформируется.

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 В), 140 кгс для алмазного конуса (шкала С) или 50 кгс для алмазного конуса (шкала А) при испытании очень твердых и тонких образцов. После приложения предварительной нагрузки измеряют глубину вдавливания h₀, а после основной – h. За единицу твердости принята величина t, соответствующая осевому перемещению конуса (шарика) на 0,002 мм:

t = (h – h₀)/0,002

Число твердости по Роквеллу определяют в условных единицах по формулам:

HRB = 130 – t (шкала В) и HRC = 100 – t (шкала С и А).

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. Например, такие нагрузки испытывают колеса локомо­тивов и вагонов на стыках рельсов. Удельное сопротивление уда­ру — удельная ударная вязкость (испытание на ударный изгиб) α_н характеризуется работой, израсходованной на разрушение образца (рис. 3). Значения α_н вычисляют по формуле, (кгс-м)/см² или кДж/м²:

α_н=А_н/F

где А_н = G(Н - h) — работа удара, измеряется в кгс м или в Дж; G — вес маятника копра, кгс; Н — высота подъема маятника перед уда­ром, м; h — высота, на которую поднимается маятник с другой сто­роны опор после удара, м (рис.); F — площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см² (на образцах Менаже F--0,8 см²). 0,01(кгс∙cм)/см² = 1(кгс∙см)/см² = 1кДж/м².

Рис.3 Схема маятникового копра (а) и положение испытуемого образна на опорах копра (б)

Хрупкость металлов в условиях низких температур называют хладоломкостью. Значение α_н при этом существенно ниже, чем при комнатной температуре. Для определения температуры перехода металла от вязкого разрешения к хрупкому, называемой критиче­ской температурой хрупкости или порогом хладоломкости, строят график α_н =f(T) (рис.4). Температура при испытании изменяет­ся от комнатной до -100°С. На рис.4 обозначено: 1 — вязкое разрушение, 2 — хрупкое разрушение, Т_В — верхняя и Т_Н — нижняя границы критического интервала, в котором характер излома изме­няется от вязкого волокнистого до хрупкого кристаллического. Обычно порогом хладоломкости считают среднюю температуру ин­тервала (Т_В — Т_Н)/2.

/

Усталостная прочность. Некоторые детали (валы, шатуны, рес­соры, пружины, рельсы и т.п.) в процессе эксплуатации испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно но величи­не и направлению (знаку). Под действием таких знакопеременных (вибрационных) 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. Для деталей из стали условно принято N = 5 и 10 млн, а из цветных сплавов — N = 20 млн циклов. Предел выносливости определяют на ма­шинах с пульсирующим нагруженном дета­ли или с изгибом при вращении. Величина предела выносливости зависит от степени загрязненности металла неметаллическими включениями, структуры металла, состояния поверхности, формы и размеров образцаб наклепа идр.

Износостойкость — сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения. Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в часности, для контактного провода и токосъемных элементов токоприемника электрифицированного транспорта. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдельных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров и масс тела.

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

рис. 4 Схема низкого ( /) и хрупкого (2) разрушения одного и того же металла в зависимости от температуры испытании

Министерство образования РФ

Пермский государственный

технический университет

Кафедра СП и ТКМ

Тема: Механические свойства конструкционных материалов

Выполнил:

Студент группы КТЭИ-03-2

Крапчатова А. С.

Проверил преподаватель:

Береснев Г.А.

Пермь 2004 г