Содержание

Содержание 1

Механические свойства конструкционных материалов в условиях статического нагружения (прочность, пластичность, твердость). Виды статических испытаний. 2

4

4

Производственный и технологический процессы. Классификация ТП (по виду, назначению, унификации, детализации и др.). 9

Список литературы: 13

Механические свойства конструкционных материалов в условиях статического нагружения (прочность, пластичность, твердость). Виды статических испытаний.

Конструкционные материалы – материалы для изготовления деталей машин и механизмов, обеспечивающие механическую прочность деталей под действием нагрузки.

Выделяют статические (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, температурные воздействия) и динамические (вибрация, удар) нагрузки.

Деталь должна сохранять форму, размеры, не разрушаться. Основной материал для изготовления деталей – металл.

К металлам относят вещества, у которых при повышении температуры увеличивается сопротивление.

Основные признаки:

- наличие кристаллической решетки в твердом состоянии

- высокая тепло- и электропроводность

- способность к упругому и пластичному деформированию

Косвенные признаки:

- металлический блеск.

Механические свойства материалов совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. В соответствии с этим измеряют напряжениями (обычно в кгс/мм2 или Мн/м2), деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в кгс.м/см2 или Мдж/м2), скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/кцикл). Механические свойства материалов определяются при механических испытаниях образцов различной формы.

В общем случае материалы в конструкциях могут подвергаться самым различным по характеру нагрузкам:

- растяжение

- сжатие

- изгиб

- кручение

- срез

Или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки - растяжение и изгиб.

Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по температуре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей механических свойств материалов и много методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение, Твёрдость, ударный изгиб, хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб, механические свойства композиционных материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг.

Прочность материалов, реализуемая в элементах конструкций, зависит не только от механических свойств самого металла, но и от формы и размеров детали (т. н. эффекты формы и масштаба), упругой энергии, накопленной в нагруженной конструкции, характера действующей нагрузки (статическая, динамическая, периодически изменяющаяся по величине), схемы приложения внешних сил (растяжение одноосное, двухосное, с наложением изгиба и др.), рабочей температуры, окружающей среды. Зависимость прочности и пластичности металлов от формы характеризуется т. н. чувствительностью к надрезу, оцениваемой обычно по отношению пределов прочности надрезанного и гладкого образцов

         

         У цилиндрических образцов надрез обычно выполняют в виде круговой выточки, у полос — в виде центрального отверстия или боковых вырезов. Для многих конструкционных материалов это отношение при статической нагрузке больше единицы, что связано со значительной местной пластической деформацией в вершине надреза. Чем острее надрез, тем меньше локальная пластическая деформация и тем больше доля прямого излома в разрушенном сечении. Хорошо развитый прямой излом можно получить при комнатной температуре у большинства конструкционных материалов в лабораторных условиях, если растяжению или изгибу подвергать образцы массивного сечения (тем толще, чем пластичнее материал), снабдив эти образцы специальной узкой прорезью с искусственно созданной трещиной. При растяжении широкого, плоского образца пластическая деформация затруднена и ограничивается небольшой областью непосредственно примыкающей к кончику трещины. Прямой излом обычно характерен для эксплуатационных разрушений элементов конструкций.

Пластичность - свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических

свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности образцы и оборудование не требуются. Показатели (характеристики) пластичности – относительные удлинение (дельта) и сужение(кси).

Относительным удлинением называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращение расчетной длины образца после разрыва, к его первоначальной расчетной длине, мм, выраженное в процентах:

где – длина образца после разрыва, мм.

Относительным сужением называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшение площади поперечного сечения образца после разрыва, к первоначальной площади его поперечного сечения мм², выраженное в процентах:

где – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм²_.

Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.

Твердость металла определяют прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапанием, упругой отдачей, магнитным.

При прямых методах в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы (шарик, конус, пирамида) из закаленной стали, алмаза или твердого сплава. После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, который и характеризует твердость.

Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметра 10 мм (рис. 1). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой диаметру отпечатка d соответствует определенное число твердости НВ.

Диаметр шарика Dи нагрузкуPустанавливают в зависимости от твердости и толщины испытуемого металла. Например, для стали и чугуна нагрузкаР= 3000 кг;D= 10 мм. Твердость технически чистого железа по Бринеллю равна 80 – 90 единиц.

а б

Рис. 1. Схема испытания твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ 450, так как шарик может деформироваться и в результате получится искаженный результат. Этот метод используется в основном для измерения твердости заготовок и полуфабрикатов из неупрочненного металла.

Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Индентором служит стальной закаленный шарик диаметра 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120ºдля твердых и сверхтвердых (болееHRC70) металлов (рис. 1, б).

Шарик и конус вдавливаются в металл под действием двух нагрузок – предварительной и основной. Общая нагрузка равна их сумме. Предварительная нагрузка принимается одинаковой для всех металлов (10 кг). Перед началом испытания большая стрелка твердомера выставляется на «0» шкалы индикатора, и затем включается основная нагрузка – большая стрелка перемещается по шкале индикатора и показывает значение твердости.

При вдавливании стального шарика нагрузка составляет 100 кг, отсчет твердости производится по внутренней (красной) шкале индикатора, твердость обозначают НRВ. При вдавливании алмазного конуса твердость определяется по показанию стрелки по внешней (черной) шкале индикатора. Для твердых металлов основная нагрузка составляет 150 кг. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC.

Для очень твердых, а также тонких материалов нагрузка принимается равной 60 кг. Обозначение твердости – НRА.

Метод определения твердости по Роквеллу позволяет испытывать мягкие и твердые металлы, при этом отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому этим методом можно измерять твердость и готовых деталей. Поверхность для испытания должна быть шлифованной. Измерения выполняются быстро (в течение 30 – 60 с), не требуется никаких вычислений, так как значение твердости снимается по шкале индикатора твердомера.

Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50 или 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют диагональ отпечатка (рис. 2).

Рис. 2. Схема испытания твердости по Виккерсу

Зная нагрузку на пирамиду и диагональ отпечатка, по таблицам определяют твердость металла НV. Метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроциментации и т. п.).

Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, однако при большой нагрузке результат получается точнее.

Статические испытания предусматривают медленное и плавное на­растание нагрузки, прилагаемой к испытываемому образцу. По способу приложения нагрузок различают статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг или срез. Наиболее распространены испы­тания на растяжение (ГОСТ 1497-84), которые дают возможность опре­делить несколько важных показателей механических свойств.

При растяжении стандартных образцов с площадью поперечного се­чения F0 и рабочей (расчетной) длинойL0 строят диаграмму растяжения в координатах нагрузка — удлинение образца (рис. 2.1). На диаграмме вы­деляют три участка: упругой деформации до нагрузки Р(упр); равномерной пластической деформации от Р(упр) до Р(макс) и сосредоточенной пластиче­ской деформации от Р(макс) до Р(критич). Прямолинейный участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Р(пц). Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого родаЕ.

На небольшом участке от Р(пц) до Р(упр) нарушается линейная зависи­мость между Р и (дельта)Lиз-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки.

Пластическое деформирование выше Р(упр) идет при возрастающей на­грузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упроч­нение металла при деформировании называется наклепом.

Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хо­тя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Р(макс) до Р(критич). Это объясняется появлением в образце местного утонения — шейки, в которой в основном сосредотачивается пластическая деформа­ция. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются до тех пор, пока образец не разорвется.

При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непре­рывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением дей­ствующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что попе­речное сечение F0 образца остается неизменным. Напряжения (сигма)Упр, (сигма)Т и (сигма)B— стандартные характеристики прочности. Каждая получается деле­нием соответствующей нагрузки Р(урп),Р(Т) и Р(макс) на начальную площадь поперечного сеченияF0.

Пределом упругости (сигма)Упр называют напряжение, при котором пласти­ческая деформация достигает заданного значения, установленного услови­ями. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают (сигма)0.005, (сигма)0.02 и (сигма)0.05. Предел упругости — важная характеристика пружинных материа­лов, которые используют для упругих приборов и машин.

Условный предел текучести — это напряжение, которому соответ­ствует пластическая деформация 0,2%; его обозначают (сигма)0.2. Физиче­ский предел текучести (сигма)Т определяют по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растя­жение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Вы­бранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение (сигма)0.2 несложно определить при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения.

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше (сигма)0.2 (обычно в 1,5 раза) или меньше (сигма)B (в 2,4 раза).

Для малопластичных материалов испытания на растяжения вызыва­ют значительные затруднения. Незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на из­гиб.

При испытании на изгиб в образце возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. По этой причине изгиб — более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испытывают малопластич­ные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверх­ностного упрочнения, керамику. Испытания проводят на образцах боль­шой длины (l/h> 10) цилиндрической или прямоугольной формы, ко­торые устанавливают на две опоры. Используют две схемы на­гружения: сосредоточенной силой (этот способ применяют чаще) и двумя симметричными силами (испытания на чистый изгиб). Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.

Под твердостью понимается способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела — индентора. В качестве индентора используют закаленный стальной шарик или алмазный нако­нечник в виде конуса или пирамиды. При вдавливании поверхностные слои материала испытывают значительную пластическую деформацию. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток. Особенность происходящей пластической деформации состоит в том, что она протека­ет в небольшом объеме и вызвана действием значительных касательных напряжений, так как вблизи наконечника возникает сложное напряженное состояние, близкое к всестороннему сжатию. По этой причине пластиче­скую деформацию испытывают не только пластичные, но хрупкие матери­алы! Таким образом, твердость характеризует сопротивление материала пластической деформации. Такое же сопротивление оценивает и предел прочности, при определении которого возникает сосредоточенная дефор­мация в области шейки. Поэтому для целого ряда материалов численные значения твердости и временного сопротивления пропорциональны. От­меченная особенность, а также простота измерения позволяют считать испытания на твердость одним из наиболее распространенных видов ме­ханических испытаний.