Пермский Государственный Технический Университет реферат

ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ

Выполнил: cт.гр. ЭС-03

Рыжов И. А.

Проверил: Береснев Г. А.

Пермь 2005г.

Общие сведения и классификация металлов.

Металлы и сплавы используют в производстве электроустановок в качестве как конструкционных, так и электротехнических материалов. Первые применяют для изготовления корпусов приборов и аппаратов, шасси, органов управления и т. п. Вторые применяют в качестве проводниковых и магнитных материалов, изготавливая из них провода и кабели, сердечники трансформаторов, дросселей, катушек индуктивности и т. п.

По объёму и частоте использования металлов в технике их можно разделить на металлы технические и редкие технические – это железо Fe, медь Cu, алюминий Al, магний Mg, никель Ni, титан Ti, свинец Pb, цинк Zn, олово Sn. Редкие – это ртуть Hg, натрий Na, серебро Ag, золото Au, платина Pt, кобальт Co, хром Cr, молибден Mo, тантал Ta, вольфрам W и др.

По физико-химическим свойствам металлы можно разделить на шесть основных групп:

1. Магнитные – Fe, Co, Ni обладают ферромагнитными свойствами. Сплавы на основе Fe (стали и чугуны) являются главными конструкционными материалами; сплавы на основе Fe, Co и Ni являются основными магнитными материалами.

2. Тугоплавкие – металлы у которых температура плавления выше чем у Fe (1539 ⁰C); это W (3380 ⁰C), Ta (2970 ⁰C), Mo (2620 ⁰C), Cr (1900 ⁰C), Pt (1770 ⁰C), Ti (1670 ⁰C) и др.

3. Легкоплавкие – имеют температуру плавления ниже 500⁰C; это Zn (419⁰C), Pb (327⁰C), Cd (321⁰C), Bi (271⁰C), Sn (232⁰C), Na (98⁰C), Hg (-39⁰C) и др.

4. Лёгкие – металлы имеют плотность не более 2,75 Мг/м³ это Al, плотность 2,7; Cs – 1,9; Be – 1,84; Mg – 1,74; Na – 0,97; Li – 0,53 Мг/м³ и др. Применяют для производства сплавов, используемых в конструкциях с ограничениями в массе.

5. Благородные – в электротехнике применяют Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru. Обладают высокой химической стойкостью, в том числе и при повышенных температурах. Используют для контактов, выводов интегральных микросхем, полупроводниковых приборов и др.

6. Редкоземельные – лантаноиды; их применяют как присадки в различных сплавах.

Механические свойства металлов.

Под действием внешней нагрузки в твёрдом теле возникают напряжение и деформация.

Деформация – это изменение формы и размеров твёрдого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т. п.

Деформация:

1. Упругая – исчезает после снятия нагрузки.

2. Пластическая – сохраняется после снятия нагрузки.

Напряжение , кгс/мм² – это нагрузка (сила) P, отнесённая к первоначальной площади поперечного сечения F₀ образца:

1 кгс/мм² = 9,80665 МПа

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.

Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.

Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.

Предел пропорциональности () – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа.

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%).

В обозначении указывается значение остаточной деформации .

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.

Физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести – это напряжение вызывающее остаточную деформацию

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.

Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности.

В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца.

Предел прочности – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение.

Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца (рис. 6.8).

Пластичность – свойство металлов деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранить изменённую форму после снятия этих сил. Её характеристиками являются относительное удлинение после разрыва и относительное сужение после разрыва . Эти характеристики определяют при испытании металлов на растяжение, а их численные значения вычисляют по формулам:

- относительное удлинение

- относительное сужение

I₀ и I_k – длина образца до и после разрушения соответственно;

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

Твёрдость – способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твёрдого тела.

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

Производят испытания на твёрдость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Польди, и на микротвёрдость.

Наиболее распространенные два метода. Твёрдость, согласно, этим методам, определяют следующим образом.

По Роквеллу – в испытуемый образец вдавливают специальный алмазный конус, угол вершины которого равен 120⁰, или закалённый 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 твёрдых и тонких образцов. После приложения предварительной нагрузки определяют глубину вдавливания h₀, а после основной – h. За единицу твёрдости принята величина t, соответствующая осевому перемещению конуса (шарика) на 0,002 мм: t=(h-h₀)/0,002.

Числа твёрдости по Роквеллу определяют в условных единицах по формулам:

HRB=130-t (шкала B)

HRC=100-t (шкала С и А).

По Бринеллю – в испытываемый образец с определённой силой вдавливают закалённый стальной шарик диаметром D=10,5 или 2,5 мм. Число твёрдости по Бринеллю – HB, характеризуется отношением нагрузки P, действующей на шарик, к поверхности отпечатка F, мм².

Значение HB измеряют в кгс/мм² , или в СИ – в МПа (1 кгс/мм² = 9,80665 МПа)

Чем меньше диаметр отпечатка d, тем больше твёрдость 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 диаметру d отпечатка из таблицы определяют твёрдость в HB. Этим методом определяют твёрдость незакалённых паковок, отливок и деталей, изготовленных из стального проката твёрдостью до HB 450 (4500 МПа). При большей твёрдости шарик деформируется.

Вязкость – способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам.

Вязкость – свойство, обратное хрупкости.

Ударные нагрузки испытывают, например, колеса локомотивов и вагонов на стыках рельсов.

Удельная ударная вязкость _н характеризуется работой, израсходованной на разрушение образца. Значения _н вычисляют по формуле _н=А_н/F кгс/см² , кДж/м² где А_н=G(H-h) – работа удара. H – высота, F – площадь поперечного сечения образца.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту (рис.)

Схема испытания на ударную вязкость: а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом; в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

На разрушение образца затрачивается работа:з

где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (а_н), - удельная работа разрушения.

где: F₀ - площадь поперечного сечения в месте надреза.

ГОСТ 9454 – 78 ударную вязкость обозначает KCV. KCU. KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. в)

Серийные испытания для оценки склонности металла к хладоломкости и определения критических порогов хладоломкости.

Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура ( а_н – Т) (рис. г), определяя пороги хладоломкости.

Порог хладоломкости - температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации.

Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.

Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“. Схема представлена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б)