Определение предела текучести стали, чугуна: измерение напряжений
Прокатное производство включает изготовление различных марок конструкционных сталей, каждая из которых обладает индивидуальными механическими характеристиками.
В процессе эксплуатации стальные сооружения подвергаются в разной степени нагрузкам на изгиб и сжатие, растяжение и удары и только от механических свойств металлов зависит степень их прочность и стойкость.
Чтобы сделать правильные расчеты, применяется специальная расчетная формула.
Виды деформации стали
Тяжелым конструкциям необходимо придать дополнительную прочность и надежность, в связи с чем к свойствам используемых для изготовления металлов предъявляются особые требования.
При расчете размеров конструкции важную роль играет снижение массы сооружения без потери его несущих способностей. Используемые для изготовления металлических сооружений конструкционные металлы должны иметь достаточно высокие показатели прочности и хорошую пластичность.
Сопротивляемость деформации и разрушению под воздействием внешней нагрузки во многом зависит от того, какими свойствами наделен металл. В производстве стали деформация встречается в двух видах: упругой и пластической.
Описываются они разными характеристиками. Сегодня для испытания образцов металлов применяют несколько методик, которые определяют значения пропорциональности, упругости, текучести и других важных характеристик.
Современное определение стали звучит как твердый сплав железа с углеродом, процентным содержанием которого и обусловлены основные свойства стали.
Чем выше содержание углерода, тем металл прочнее и тверже, но ниже вязкость и пластичность.
Поэтому так важно правильно рассчитать соотношение этих показателей для производства тех или иных изделий из стали. Маркировать стали принято каждую группу по-разному.
Конструкционная углеродистая сталь маркируется буквами Ст и цифровыми обозначениями от 1 до 9, а также двумя буквами в зависимости от способа раскисления металла (ст.3кп):
- кп — кипящая;
- пс — полуспокойная;
- сп — спокойная.
Качественная — цифрами двузначными: 05,08,10,… 45…, что указывает на среднее количество углерода в составе стали.
Предел текучести стали
Граничный предел пропорциональности стали определяет напряжение, при котором действует закон Гука, согласно с которым деформация, возникшая в упругом теле, пропорциональна приложенной к нему силе. Если напряжение меняется, этот закон теряет актуальность.
Немаловажной физической величиной, участвующей в формуле при расчете прочности конструкции, является предел текучести металла.
Когда металлом достигается физический предел, даже самое малое поднятие напряжения способно удлинить образец, который начинает как бы течь, откуда и произошло его обозначение.
В связи с этим граница текучести стали показывает критическое напряжение, когда материал деформируется уже без увеличения нагрузки.
Единица, в которой производится измерение предела текучести будет называться Паскаль (Па) либо МегаПаскаль (МПа). Преодолевший этот предел образец получает необратимые изменения — разные степени деформации, нарушение структурного строения кристаллической решетки, различные пластические преобразования.
Если при увеличении растягивающего значения силы пройдена площадка текучести, деформация металла усиливается. На диаграмме это представляется в виде горизонтально расположенной прямой, на которой может измеряться напряжение, максимально получаемое после остановки усиления нагрузки. Так называемый предел текучести Ст 3 составляет 2450 кг/кв.см.
Этот показатель отличается у различных марок стали и может меняться от применения разных температурных режимов и типов термообработки. Чтобы иметь возможность точно определить предел текучести стали таблица используется, где в зависимости от марок сталей приведены величины пределов текучести. Как пример, по данным таблицы сталь 20 предел текучести имеет 250 МПа, а сталь 45 — 360.
При проведении испытаний некоторые металлы на диаграмме имеют слабо выраженную площадку тягучести либо она вовсе отсутствует, поэтому к ним применяется условный предел тягучести.
Материалы, на которые распространяется применение условного предела текучести, это в основном представители высокоуглеродистых и легированных сталей, дюралюминий, чугун, бронза и многие другие.
Предел упругости
Весьма важной составляющей механического состояния металлов является предел упругости стали. С его помощью устанавливается предельно допустимый уровень нагрузок при эксплуатации металла, когда им испытываются незначительные деформации в допустимых значениях.
Конструкционные материалы в себе должны сочетать высокие пределы тягучести, при которых они смогут выдерживать серьезные нагрузки, и иметь достаточную упругость, которая обеспечит необходимую жесткость изготовляемой конструкции. Сам модуль упругости обладает одинаковой величиной при растяжении и сжатии, но иметь совершенно отличные пределы упругости — так что одинаково жесткие конструкции диапазоны упругости могут иметь абсолютно разные.
При этом металл в упругом состоянии макропластических деформаций не получает, хотя в его отдельных микроскопических объемах локальные деформации вполне могут иметь место. Благодаря им происходят неупругие явления, серьезно воздействующие на поведение отдельных металлов в состоянии упругости.
При этом нагрузки статические приводят к возникновению гистерезисных явлений, релаксации и упругого последействия, в то время как нагрузки динамические провоцируют появление внутреннего трения.
В процессе релаксации происходит несанкционированное снижение напряжения. Это приводит к проявлению остаточной деформации, когда активная нагрузка уже не действует. При наступлении внутреннего трения происходит потеря энергии. Это вызывает необратимые последствия, которые характеризуются декрементом затухания и коэффициентом внутреннего трения.
Такие металлы активно гасят вибрацию и сдерживают звук, например, серый чугун, или свободно распространяют колебания, как это делает колокольная бронза. С повышением температурного воздействия упругость металлов снижается.
Предел прочности
Предел прочности стали, который возникает после прохождения его границы текучести и позволяет образцу вновь начать сопротивление к растяжению, отображается на графике линией, которая поднимается уже более полого.
Наступает фаза временного сопротивления действующей постоянной нагрузке. При применении максимума напряжения в точке предела прочности возникает участок, где площадь сечения уменьшается, а шейка значительно сужается.
При этом испытываемый образец разрывается в наиболее узком месте, его напряжение снижается и значение величины силы уменьшается. Предел прочности для ст. 3 составляет 4000−5000 кГ/кв.см.
Источник: https://remoskop.ru/opredelenie-predela-tekuchesti-stali-vspomogatelnyie-tablitsyi.html
Способ определения предела текучести материала
Изобретение относится к области испытания физико-механических свойств материалов, в частности к способам определения предела текучести металлов.
Известен способ определения предела текучести материала по твердости на пределе текучести, заключающийся в получении на образцах определенного материала зависимости между твердостью, измеренной с созданием в лунке деформации, равной 0,2%, и пределом текучести образцов, измерении твердости на пределе текучести и определении предела текучести с помощью полученной зависимости (см. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. — М.: Машиностроение, 1979. — С.61-64).
Недостатком известного способа является сложность определения точной величины степени деформации в лунке вследствие неравномерности распределения напряжений и деформаций на ее поверхности.
Известен способ определения предела текучести в процессе статических испытаний на растяжение, заключающийся в отборе фрагментов материала из изделия, изготовлении из них образцов, нагружении образцов в разрывной испытательной машине, измерении деформации образца в процессе нагружения и определении напряжения, считающегося пределом текучести, при достижении площадки текучести, характеризуемой ростом деформации без заметного увеличения нагрузки (см. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. — С.53).
Недостатками известного способа являются:
1. Низкая точность определения предела текучести при отсутствии площадки текучести у материала (например, при испытании малоуглеродистых конструкционных сталей). При этом определяют условный предел текучести при относительной деформации образца 0,2% с применением тензометров или по диаграмме растяжения графическим способом.
2. Невозможность оценки стабильности свойств материала изделия, для чего требуется проведение испытаний серии образцов, так как в ходе однократного испытания определяется среднее значение предела текучести в наименее прочном сечении данного образца.
Известен способ определения предела текучести материала, взятый нами за прототип, заключающийся в подготовке гладкой поверхности образца материала, ступенчатом нагружении образца внешней растягивающей силой, выявлении полос скольжения, регистрации того значения силы, при котором наблюдается появление полос скольжения [см. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. — С.57].
Недостатками прототипа являются:
1. Необходимость наличия сложного оптического оборудования.
2. Невозможность наблюдения за процессом в динамике его развития, так как для выявления полос скольжения требуется химическое травление поверхности.
В качестве разъяснения сути предлагаемого способа приводим следующее.
Известно, что начало пластического течения, характеризуемое пределом текучести, связано со сложными процессами изменения дислокационной структуры материала при увеличивающихся напряжениях.
В силу того, что структура конструкционных сталей разнородна (гетерогенна), разные участки образца имеют различные характеристики механических свойств, разную сопротивляемость деформациям, то есть различные величины предела текучести.
Поэтому, в ходе нагружения образец деформируется неоднородно. Это приводит к тому, что при поэтапном приращении нагрузки в каком-то наиболее слабом месте образца появляются первичные системы (линии) скольжения, соответствующие начальным пластическим деформациям.
В других местах образца при данной нагрузке линий скольжения пока нет.
С увеличением нагрузки первичные линии скольжения появляются и в других местах образца, а в месте первого появления линии скольжения прогрессируют, число дислокаций увеличивается, появляются развитые нарушения, дефекты сплошности, соответствующие развитым пластическим деформациям.
Таким образом, величина нагрузки (или механические напряжения), при которой появляются линии скольжения в конкретном месте образца, характеризует предел текучести материала определенного конкретного места на образце.
При этом в месте с наибольшей концентрацией дислокации материал разупрочняется, что приводит к уменьшению микротвердости.
В другом месте материал может несколько упрочняться за счет блокирования дислокации примесными атомами, что приводит к увеличению микротвердости.
Происходит увеличение вариации микротвердости относительно первоначального (исходного — до нагружения) среднего значения, что можно выявить по увеличению дисперсии выборки измеренных значений.
Технической задачей изобретения является установление предела текучести материала путем измерения твердости взамен выявления линий скольжения оптическим способом.
Цель изобретения — оценка стабильности механических свойств материала по пределу текучести в ходе испытаний одного образца.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения предела текучести материала, включающем подготовку гладкой поверхности образца, ступенчатое нагружение образца внешней растягивающей силой, согласно изобретению, перед нагружением на поверхности образца размечают не менее трех областей измерения микротвердости, которую измеряют на каждой ступени нагружения, вычисляют дисперсию результатов измерений в каждой области и определяют предел текучести материала образца по увеличению дисперсии на величину не менее 20% от значения, полученного на предыдущем этапе нагружения.
Способ поясняется чертежом. На чертеже представлен эскиз образца 1, на котором изображены участки зажима 2 в захватах разрывной машины (на чертеже не показана), области измерения твердости 3 (№1, №2, №3, №4) и место разрушения образца 4.
Способ реализуется следующим образом.
Из фрагмента материала вырезают образец 1. Шлифованием готовят поверхность образца до гладкого состояния.
На подготовленной поверхности в пределах рабочей части образца длиной 2/3 от длины всего образца, размещенной по центру образца, отмечают не менее трех областей для измерения твердости. Зажимают участки зажима 2 образца 1 в захватах разрывной машины. Ступенчато нагружают образец.
При этом на каждом шаге нагружения в каждой из областей измеряют микротвердость поверхности не менее 50 раз. Замеры твердости делают произвольно по всей поверхности области, преимущественно в разных точках.
Считают дисперсию результатов измерения на каждом шаге нагружения в каждой области. При увеличении дисперсии на величину более чем 20% от значения, полученного на предыдущем шаге нагружения, считают, что в данной области металла достигнут предел текучести.
Пример
Необходимо определить предел текучести материала труб газопроводов, изготовленных из стали марки 17Г1С, не имеющей выраженной площадки текучести. Из трубы вырезают фрагмент металла и фрезерованием доводят его до формы параллелепипеда длиной 280 мм, шириной 50 мм, толщиной 5 мм.
Среднюю часть одной из сторон образца на длину около 200 мм шлифуют мелкозернистой наждачной бумагой до шероховатости поверхности не более Rz=10. С помощью маркера отмечают на шлифованной поверхности образца четыре области измерения твердости размерами 45×45 мм. Зажимают участки зажима 2 образца в захватах разрывной машины МР-100.
Ступенчато нагружают образец растягивающей нагрузкой с шагом 1,25 кН, при этом напряжения в образце ступенчато увеличиваются на 5,0 МПа. На каждом шаге нагружения измеряют микротвердость шлифованной поверхности в каждой из областей не менее 50 раз. С помощью программы Microsoft Excel определяют дисперсию результатов измерения твердости на каждом шаге нагружения в каждой области (см.
таблицу). Устанавливают, что при увеличении напряжения в образце с 330 до 335 МПа в области №2 дисперсия показаний микротвердости увеличивается с 59,236 до 75,822, т.е. изменение составляет более 28%. При этом считают, что в области №2 образца при напряжении 335 МПа достигнут предел текучести. Далее по полученным данным (см.
таблицу) определяют, что предел текучести металла в области №3 — 340 МПа, области №1 — 345 МПа, области №4 — 350 МПа. Таким образом, установлено, что предел текучести для данного материала может изменяться в пределах 335-350 МПа.
Дальнейшее увеличение нагрузки привело к разрушению образца. Место разрушения 4 проходит через область №2, в которой и зафиксирован минимальный предел текучести для данного образца материала. Графическим способом по величине относительной деформации 0,2% определили условный предел текучести всего образца, равный 370 МПа.
| Результаты вычислений дисперсии чисел твердости, измеренных на различных ступенях нагружения в четырех областях образца. | ||||
| Напряжения в образце, МПа | Дисперсия измеренных значений твердости | |||
| Область №1 | Область №2 | Область №3 | Область №4 | |
| 300 | 46,751 | 46,458 | 44,528 | 43,574 |
| 305 | 48,589 | 49,568 | 44,489 | 45,442 |
| 310 | 49,569 | 50,104 | 47,552 | 44,648 |
| 315 | 52,630 | 53,189 | 51,307 | 46,081 |
| 320 | 52,126 | 54,468 | 54,421 | 48,266 |
| 325 | 57,454 | 58,744 | 55,454 | 54,639 |
| 330 | 60,256 | 59,236 | 58,260 | 55,790 |
| 335 | 62,542 | 75,822 | 59,867 | 64,111 |
| 340 | 63,145 | 77,569 | 59,236 | 78,024 |
| 345 | 79,832 | 79,124 | 63,781 | 81,903 |
| 350 | 82,541 | 84,589 | 77,308 | 86,667 |
Эффект изобретения проявляется в том, что в ходе испытания одного образца с помощью статической растягивающей нагрузки возможно определить предел текучести для конструкционных материалов, к которым относятся трубные стали, не имеющие площадки текучести, оценить стабильность свойств испытываемого материала по расхождению установленных пределов текучести в пределах одного образца, упростить реализацию способа за счет применения не сложного измерительного оборудования.
Способ определения предела текучести материала, включающий подготовку гладкой поверхности образца и ступенчатое нагружение образца внешней растягивающей силой, отличающийся тем, что перед нагруженнием на поверхности образца размечают не менее трех областей измерения микротвердости, которую измеряют на каждой ступени нагружения, вычисляют дисперсию результатов измерений в каждой области и определяют предел текучести материала образца по увеличению дисперсии на величину не менее 20% от значения, полученного на предыдущем этапе нагружения.
Источник: http://www.FindPatent.ru/patent/233/2339017.html
Взаимосвязь напряжения текучести с твердостью и пределом прочности
Связь между напряжением текучести и пределом прочности устанавливается по зависимости между экстраполированным пределом текучести и σB. Поскольку по экстраполированному пределу текучести можно достаточно точно определить напряжение текучести для большинства материалов, начиная со степени деформации , то такое допущение можно считать оправданным.
Ниже рассмотрены зависимости между пределом прочности и экстраполированным пределом текучести кривых упрочнения при растяжении первого рода и при сжатии второго рода.
Экстраполированный предел текучести у кривых упрочнения первого рода при растяжениинаходится по пересечению касательной к кривой упрочнения в точке начала образования шейки с осью ординат.
У кривых упрочнения второго рода при сжатии экстраполированный предел текучести S0 (см. рис.
1) представляет собой напряжение, соответствующее по величине отрезку ординаты, отсекаемому прямой, являющейся продолжением участка III кривой упрочнения.
Согласно теоретическим выкладкам М. П. Марковца для материалов, у которых равномерное относительное поперечное сужение ΨB не более 0,15, разница между экстраполированным пределом текучести определеннымпо кривым упрочнения при растяжении, и пределом прочности σB не превышает 3%, а при ΨB до 0,2 — не более 7%. При этомвсегда должно быть меньше величины σB.
Теоретически установленную зависимость междуи σB М.П. Марковец подтвердил экспериментально.
Было показано, что независимо от рода материала (цветные и черные металлы), вида предшествующей термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, закалка + отпуск) и прочности ( изучаемых материалов составлял 20-180 кГ/мм2) отношениедля материалов с до 15% близко к единице (рис. 1). Только для латуни и аустенитной стали ЭИ69, у которых величина ΨB доходит до 30%, это соотношение составляет 1,2-1,3.
П. Марковцем также была проведена большая работа по сопоставлениюи σB по экспериментальным данным других исследователей — Н. Н. Давиденкова, Кербера и Роланда.
Было установлено, что данные различных авторов, полученные экспериментально в разных лабораториях над огромным количеством металлов н сплавов (алюминии, меди и их сплавах, углеродистых и легированных сталях) при комнатных и повышенных температурах (от 20 до 300°С), подтверждают теоретически установленную закономерность для металлов и сплавов, у которых ΨB не превышает 15%.
Экспериментально определим взаимосвязь между экстраполированным пределом текучести при сжатии S0 и σB. В качестве исследуемого материала служили углеродистые и легированные горячекатаные и термически обработанные стали (табл. 1).
Кривые упрочнения строили по результатам осадки образцов с торцовыми цилиндрическими выточками. Результаты сравнения графически изображены на рис. 1, из которого видно, что между величинами S0 и σB независимо от марки изделия и вида, и режима предварительной обработки имеется линейная зависимость.
Математическая обработка экспериментальных данных показывает, что S0 в среднем меньше σB примерно на 6%, т. е.
Полученные экспериментальные данные согласуются с экспериментальными и теоретическими данными М. П. Марковца о зависимости между экстраполированным пределом текучести при растяжениии σB в том смысле, что S0 меньше σB примерно на ту же величину.
Таблица 1
Химический состав и вид предшествующей обработки сталей, для которых устанавливали зависимость между экстраполированным пределом текучести при сжатии S0 и пределом прочности σB
| 10 | Горячая прокатка | 0,11 | 0,45 | 0,21 | — | — | — |
| 15 | То же | 0,15 | 0,43 | 0,27 | — | — | — |
| 20 | » | 0,19 | 0,37 | 0,37 | — | — | — |
| 15Х | » | 0,13 | 0,42 | 0,32 | 0,90 | — | — |
| 20Х | » | 0,24 | 0,67 | 0,25 | 0,91 | — | — |
| 45Х | » | 0,44 | 0,61 | 0,19 | 0,90 | — | — |
| 12ХНЗА | » | 0,13 | 0,26 | 0,64 | 2,95 | — | |
| 12ХНЗА | Отжиг, нормализация | 0,16 | 0,40 | 0,36 | 0,66 | 2,81 | — |
| 40ХНМА | Отжиг, нормализация, улучшение (t0 mn=600°С) | 0,37 | 0,60 | 0,24 | 0,66 | 1,39 | 0,15-0,25 |
Зависимость между напряжением текучести и твердостью
На основании обработки экспериментальных данных установлены закономерности взаимосвязи:
- а) между S0 и твердостью исходного металла НВ;
- б) между S и твердостью сформированных образцов НВ'.
Напряжение текучести и экстраполированный предел текучести определяем по кривым упрочнения при сжатии, построенным по результатам осадки образцов с торцовыми цилиндрическими выточками. Твердость определяем обычным методом на твердомере типа ИТР с замером ее на торцах и по образующей.
Для определения зависимости между величинами S и НВ' испытанию подвергали армко-железо, углеродистые и легированные стали, предварительно горячекатаные или термически обработанные (отжиг,
нормализация или улучшение). Вид предшествующей обработки и химический состав сталей, используемых при этих исследованиях, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав и вид предшествующей обработки материала, исследуемого для установления зависимости между S и НВ'
| Армко-железо | Горячая прокатка | 0,057 | 0,10 | 0,17 | — | — |
| Сталь 30 | Нормализация | 0,29 | 0,61 | 0,30 | — | — |
| » 40 | Нормализация, улучшение | 0,41 | 0,59 | 0,30 | — | — |
| » 50 | Горячая прокатка | 0,50 | 0,70 | 0,27 | — | — |
| 12ХНЗА | » » | 0,13 | — | 0,26 | 0,64 | 2,95 |
| 12ХНЗА | Отжиг, нормализация | 0,11 | 0,42 | 0,23 | 0,64 | 2,79 |
Результаты экспериментальных данных приведены на рис.
3, из которого видно, что для всех исследуемых материалов независимо от вида предшествующей обработки и всего диапазона степеней деформации между напряжением текучести и соответствующей твердостью сформированных образцов имеется линейная зависимость. При обработке опытных данных установлено, что эта зависимость может быть представлена в следующем виде:
Влияние исходной твердости на величину экстраполированного предела текучести при сжатии изучали на примере углеродистых и легированных термически обработанных (отжиг, нормализация, улучшение) и горячекатаных сталей (табл. 3). Экспериментальные данные графически изображены на рис. 4.
Таблица 3
Химический состав и вид предшествующей обработки материала, исследуемого для определения зависимости между экстраполированным пределом текучести при сжатии S0 и исходной твердостью НВ
| Сталь 40 | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=500, 600°С) | 0,41 | 0,59 | 0,30 | — | — | — |
| Сталь 45 | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=700, 600, 540°С) | 0,43 | 0,58 | 0,30 | — | — | — |
| Сталь 50 | Горячая прокатка | 0,50 | 0,70 | 0,27 | — | — | — |
| 15Х | Горячая прокатка | 0,13 | 0,42 | 0,32 | 0,90 | — | — |
| 20Х | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=600, 500, 400°С) | 0,19 | 0,59 | 0,30 | 0,88 | — | — |
| 40Х | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=500, 600°С) | 0,38 | 0,62 | 0,32 | 1,03 | — | — |
| 12ХНЗА | Улучшение (tотп=600°С) | 0,16 | 0,40 | 0,36 | 0,66 | 2,81 | — |
| 30ХГСА | Отжиг, улучшение (tотп=550°С) | 0,34 | 0,98 | 1,13 | 1,08 | — | — |
| 40ХНМА | Отжиг, нормализация, улучшение (tотп=600°С) | 0,37 | 0,60 | 0,24 | 0,66 | 1,39 | 0,25 |
На основании экспериментальных данных установлено, что с увеличением твердости исходных образцов экстраполированный предел текучести возрастает по следующей зависимости:
Следует учесть, что в реальных металлических телах твердость в разных точках тела может отличаться на несколько единиц, а точность измерения составляет 3% при испытании на твердомере Бринелля, поэтому зависимости (2) и (3) носят несколько приближенный характер.
Источник: https://metrotest.ru/article/vzaimosvyaz-napryazheniya-tekuchesti-s-tverdostyu-i-predelom-prochnosti
3.1 Методы определения механических свойств
Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропроводность. Они имеют характерный металлический блеск.
Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для металлических сплавов, особенно конструкционных, большое 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 это нагрузка (сила),отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца.
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.
Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.1). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.
Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.1), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.
Рис. 3.1. Кривая деформации
Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.
При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.
Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится.
Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании.
Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).
Представленная зависимость ОАВ (см. рис. 3.1) между приложенным извне напряжением (σ) и вызванной им относительной деформацией (ε) характеризует механические свойства металлов.
· наклон прямой ОА показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;
· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости(Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию:
· напряжение, которое называется пределом пропорциональности (σпц), соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;
· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (σ0,2). Это напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия;
· максимальное напряжение (σв) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности.
Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (δ) или относительное сужение(ψ), они характеризуют пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.
При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.2) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца, в результате этого получают так называемые диаграммы деформации.
Рис. 3.2. Диаграмма «усилие (напряжение) – удлинение»
Деформация образца при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму.
Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие, в конечном счете, к полному разрушению образца в целом.
Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:
1) пределом прочности на разрыв;
2) пределом пропорциональности;
3) пределом текучести;
4) пределом упругости;
5) модулем упругости;
6) пределом текучести;
7) относительным удлинением;
8) относительным равномерным удлинением;
9) относительным сужением после разрыва.
Предел прочности на разрыв(предел прочности или временное сопротивление разрыву) σв, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке РВ предшествующей разрушению образца:
σв = Рв/F0,
Эта характеристика является обязательной для металлов.
Предел пропорциональности(σпц)– это условное напряжение Рпц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости мости между деформацией и нагрузкой. Он равен:
σпц = Рпц/F0.
Значения σпц измеряют в кгс/мм2 или в МПа.
Предел текучести(σт) – это напряжение (Рт)при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Вычисляется по формуле:
σт = Рт/F0.
Предел упругости (σ0,05) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Предел упругости σ0,05 вычисляют по формуле:
σ0,05 = Р0,05/F0.
Модуль упругости (Е) – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Он равен:
Е = Рl/lсрF0,
где ∆Р – приращение нагрузки; l0 – начальная расчетная длина образца; lср – среднее приращение удлинения; F – начальная площадь поперечного сечения.
Предел текучести (условный) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.
Вычисляется по формуле:
σ 0,2 = Р0,2/F0.
Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.
Относительное удлинение (после разрыва) – одна из характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения расчетной длины образца после разрушения (lк) к начальной расчетной длине (l0) в процентах:
.
Относительное равномерное удлинение (δр) – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.
Относительное сужение после разрыва (ψ), как и относительное удлинение – характеристика пластичности материала. Определяется как отношение разности F0 и минимальной (Fк)площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F0), выраженное в процентах:
.
Упругость–свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость – свойство, обратное пластичности.
Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом – измерением твердости.
Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т.е., по сути дела, твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости.
Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.3, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D.
Число твердости по Бринеллю (НВ) есть нагрузка (Р), деленная на площадь сферической поверхности отпечатка (диаметром d).
Рис. 3.3. Испытание на твердость:
а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
При измерении твердости методом Виккерса (рис. 3.3, б) вдавливается алмазная пирамида. Измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (HV) материала.
При измерении твердости методом Роквелла (рис. 3.3, в) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Число твердости – это значение, обратное глубине вдавливания (h). Имеются три шкалы: А, В, С (табл. 3.1).
Методы Бринелля и Роквелла по шкале B применяют для мягких материалов, а метод Роквелла по шкале C – для твердых, а метод Роквелла по шкале A и метод Виккерса – для тонких слоев (листов). Описанные методы измерения твердости характеризуют среднюю твердость сплава.
Для того чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100 – 400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка.
Полученная характеристика (Н) называется микротвердостью, и характеризует твердость определенной структурной составляющей.
Таблица 3.1 Условия испытания при измерении твердости методом Роквелла
| Условия испытания | Шкала | Обозначение твердости |
| При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 150 кгс | С | HRC |
| При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 60 кгс | А | HRA |
| При вдавливании стального шарика и нагрузке Р = 100 кгс | В | HRB |
Значение НВ измеряют в кгс/мм2 (в этом случае единицы часто не указываются) или в СИ – в МПа (1 кгс/мм2 = 10 МПа).
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.
Основной вид динамических испытаний – ударное нагружение надрезанных образцов в условиях изгиба. Динамическое нагружение ударом осуществляется на маятниковых копрах (рис. 3.4), а также падающим грузом. При этом определяют работу, затраченную на деформацию и разрушение образца.
Обычно в этих испытаниях, определяют удельную работу, затраченную на деформацию и разрушение образца. Ее рассчитывают по формуле:
КС = K/S,
где КС – удельная работа; К – полная работа деформации и разрушения образца, Дж; S0 – поперечное сечение образца в месте надреза, м2 или см2.
Рис. 3.4. Испытания на ударную вязкость с помощью маятникового копра
Ширина образцов всех типов измеряется до испытаний. Высоту образцов с U- и V-образным надрезом измеряют до испытаний, а с Т-образным надрезом уже после испытаний. Соответственно удельная работа деформации разрушения обозначается KCU, KCV и КСТ.
Хрупкостьметаллов в условиях низких температур называют хладоломкостью. Значение ударной вязкости при этом существенно ниже, чем при комнатной температуре.
Ещё одной характеристикой механических свойств материалов является усталостная прочность. Некоторые детали (валы, шатуны, 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 (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).
Износостойкость – сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения.
Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, 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 или массы детали.
Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей.
Источник: http://libraryno.ru/3-1-metody-opredeleniya-mehanicheskih-svoystv-material_bashkov_2010/
Определение характеристик прочности
⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 34Следующая ⇒
Модуль упругости первого рода (Е) — физическая константа материала, определяемая путем эксперимента и являющаяся коэффициентом пропорциональности между напряжениями и деформациями:
σ = εЕ.
Модуль упругости можно определять измерением образца тензометром (расчетный способ) или графическим способом по начальному участку диаграммы растяжения.
Расчетный способ. Нагружают образец равными ступенями до нагрузки, соответствующей напряжению, равному 70-80% от предполагаемого σпц. Величина ступени нагружения должна составлять 5-10% от предполагаемого σпц. По результатам испытаний определяют среднюю величину приращения удлинения образца ∆lcp на ступень нагружения ∆Р.
Графический способ. Записывают диаграмму нагружения образца в координатах «нагрузка (ордината) — деформация (абсцисса)». ∆Р и ∆lcp определяют по диаграмме на участке от нагрузки Р0 до нагрузки, соответствующей напряжению равному 70-80% от предполагаемого σпц.
Модуль упругости вычисляют по формуле
МПа
Стандарты регламентируют также определение относительного равномерного удлинения δР, конечной расчетной длины образца lK, относительного удлинения образца после разрыва δ, относительного сужения ψ.
Предел пропорциональности σпц — наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, можно определять расчетным или графическим способами.
Расчетным способомопределяют или с помощью зеркального прибора при последовательном нагружении образца. Нагружение ведут сначала крупными ступенями, а затем при напряжении 0,65-0,8 от определяемого σпц — малыми ступенями. Рпц определяют при установленном отклонении деформации от закона пропорциональности, фиксируемом показаниями тензометра.
Графическим способомРпц определяют по машинной диаграмме растяжения.
От начала координат (рис.2.7) проводят прямую, совпадающую с начальным линейным участком диаграммы растяжения.
На произвольном уровне нагрузки проводят прямую АВ, параллельную оси абсцисс, и на этой прямой откладывают отрезок kn, равный половине отрезка mk. Через точку n и начала координат проводят прямую On и параллельно ей проводят касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет искомую нагрузку Рпц.
Рис.2.7. Графические способы определения предела пропорциональности по диаграмме растяжения
Предел пропорциональности вычисляют по формуле
, МПа
Предел упругости σ 0,05 — наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, величина предела упругости (как и σпц) зависит от требований точности, которые налагаются на производимые измерения.
Расчетный способ. Образец нагружают до величины в два раза больше начальной Р0, и после выдержки в течение 5-7 с разгружают до Р0. Затем образец нагружают до величины, соответствующей 70-80% от предполагаемого σ0,05.
Дальнейшее нагружение проводят ступенями с выдержкой на каждой ступени 5-7 с и последующей разгрузкой до Р0 с измерением остаточного удлинения. Испытания прекращают, если остаточное удлинение превысит установленный допуск.
По результатам испытаний определяют нагрузку Р0,05
Графический способ, σ0,05 определяют по начальному участку диаграммы «нагрузка-деформация» (рис.2.8). Удлинения определяют на участке, равном базе измерителя деформации.
Для определения Р0,05 вычисляют соответствующую величину остаточного удлинения с учетом базы измерителя деформации.
Найденную величину увеличивают пропорционально масштабу диаграммы по оси деформаций; отрезок полученной длины 0Е откладывают по оси абсцисс вправо от начала координат 0.
Из точки Е проводят прямую ЕР, параллельную прямой 0А. Точка пересечения Р с диаграммой растяжения определяют нагрузку Р0,05.
Предел упругости вычисляет по формуле
.
Рис.2.8. Определение предела упругости
Предел текучести физическийσт, верхний предел текучести σтв и нижний предел текучести σтн определяют по диаграмме растяжения.
Скорость относительной деформации на площадке текучести устанавливают в пределах 0,00025- 0,0025 с-1. Если такая скорость на площадке текучести не может быть установлена, то до начала текучести устанавливают скорость нагружения от 1 до 30 МПа/с.
Допускается определять нагрузку Рт по явно выраженной остановке стрелки силоизмерителя машины, обусловленной удлинением образца без заметного увеличения нагрузки.
Пределы текучести вычисляют по формуле
.
В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести (или явно выраженный начальный переходный эффект), за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация σост = 0,002 или 0,2%.
Предел текучести условныйσ0,2 можно определить расчетным или графическим способом.
Расчетный способ.σ0,2 определяют аналогично расчетному способу определения предела упругости σ 0,05.
Графический способ. σ0,2- определяют аналогично графическому способу определения σ0,05, по точке пересечения с кривой растяжения прямой KL, параллельной начальному участку кривой и отстоящей от него по горизонтали на расстоянии 0К=0,2(1о/100) в соответствии с принятым допуском (рис.2.9).
Рис. 2.9. Определение предела текучести σ0,2 по диаграмме растяжения
Условный предел текучести можно определять графически по диаграмме, записанной на машине в масштабе, если масштаб ее диаграммного аппарата по оси деформаций не менее 50:1.
При определении σ0,2 скорость нагружения должна быть от от 1 до 30 МПа/с. Предел текучести условный вычисляют по формуле
.
Временное сопротивление σв (предел прочности). Для определения σв образец растягивают под действием плавно возрастающей нагрузки до разрушения. Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, Рmах соответствует временному сопротивлению.
Временное сопротивление вычисляется по формуле
.
Для пластичных материалов характеристикой сопротивления разрушению гладкого образца при растяжении служит истинное сопротивление разрушению – истинный предел прочности Sk
,
где Fk- площадь сечения в месте разрушения; Pk-усилие в момент разрушения;
Характер разрушения определяют по виду излома образца (рис.2.10).
Источник: https://lektsia.com/2×5882.html
Загрузка...
