§ 4. МЕХАНИЧНИ СВОЙСТВА
Способността на метала да устои на външни сили се характеризира с механични свойства. Ето защо при избора на материал за производство на машинни части е необходимо преди всичко да се вземат предвид неговите механични свойства: якост, еластичност, пластичност, якост на удар, твърдост и издръжливост. Тези свойства се определят от резултатите от механични тестове, при които металите са изложени на външни сили (натоварвания). Външните сили могат да бъдат статични, динамични или циклични (многократно променливи). Натоварването причинява напрежение и деформация в твърдо тяло.
Волтаж- стойност на натоварването на единица площ на напречното сечение на пробата за изпитване. Деформация– изменение на формата и размерите на твърдо тяло под въздействието на приложени външни сили. Различават се деформации на опън (натиск), на огъване, на усукване и на срязване (фиг. 8). В действителност един материал може да претърпи един или повече видове деформация едновременно.
Ориз. 8. Видове деформации:
a - натиск, b - опън, c - усукване, d - срязване, e - огъване
Ориз. 9.Разтеглива диаграма:
a - условна диаграма в P-∆l координати, b - диаграма на условно напрежение и диаграма на истинско напрежение
За да се определи якостта, еластичността и пластичността, металите под формата на кръгли или плоски проби се изпитват за статично напрежение (GOST 1497-73). Тестовете се извършват на машини за изпитване на опън. В резултат на изпитанията се получава диаграма на опън (фиг. 9). Абсцисната ос на тази диаграма показва стойностите на деформацията, а ординатната ос показва натоварванията, приложени към пробата.
Сила- способността на материала да устои на разрушаване при натоварвания се оценява чрез неговата якост на опън и граница на провлачване. Важен показател за якостта на материала е и специфичната якост - отношението на якостта на опън на материала към неговата плътност. Гранична якост σ in (временно съпротивление) е условното напрежение в Pa (N/m 2), съответстващо на най-голямото натоварване, предхождащо разрушаването на пробата: σ in =P max /F 0, където P max е най-голямото натоварване, Н; F 0 - начална площ на напречното сечение на работната част на пробата, m 2. Истинската якост на опън Sk е напрежението, определено от съотношението на натоварването Pk в момента на разкъсване към площта на минималното напречно сечение на пробата след разкъсване Fk (Sk = Pk / Fk).
Граница на провлачване (физическа) σ t е най-ниското напрежение (в MPa), при което пробата се деформира без забележимо увеличение на натоварването: σ t = P t / F 0, където P t е натоварването, при което се наблюдава платото на провлачване , Н.
По принцип само нисковъглеродната стомана и месингът имат плато на провлачване. Други сплави нямат плата на провлачването. За такива материали се определя границата на провлачване (условна), при която постоянното удължение достига 0,2% от проектната дължина на пробата: σ 0,2 = P 0,2 / F 0.
Еластичност- способността на материала да възстанови първоначалната си форма и размери след отстраняване на товара P единица се оценява чрез границата на пропорционалност σ pc и границата на еластичност σ единица.
Граница на пропорционалностσ pts - напрежение (MPa), над което се нарушава пропорционалността между приложеното напрежение и деформацията на образеца σ pts = P pts / F 0.
Еластична граница(условно) σ 0,05 е условното напрежение в MPa, съответстващо на натоварването, при което остатъчната деформация първо достига 0,05% от проектната дължина на пробата l0: σ 0,05 = P 0,05 / F 0, където P 0, 05 - граница на еластичност натоварване, Н.
Пластмаса, т.е. способността на материала да придобие нова форма и размер под въздействието на външни сили, без да се срутва, се характеризира с относително удължение и относително стесняване.
Относително разширение(след разкъсване) δ е съотношението на нарастването (l до -l 0) на изчислената дължина на пробата след разкъсване към първоначалната му изчислена дължина l 0, изразено като процент: δ=[(l до -l 0) /l 0]100%.
Относително стесняване(след разкъсване) φ е отношението на разликата между началната и минималната площ (F 0 -F to) на напречното сечение на пробата след разкъсване към началната площ F 0 на напречното сечение, изразено като процент : φ=[(F 0 -F до)/F 0 ]100%.
Колкото по-големи са стойностите на относително удължение и свиване за даден материал, толкова по-пластичен е той. За крехки материали тези стойности са близки до нула. Чупливостта на структурния материал е отрицателно свойство.
Сила на удар, т.е. способността на материала да издържа на динамични натоварвания, се определя като съотношението на работата W (в MJ), изразходвана за счупване на проба, към нейната площ на напречното сечение F (в m 2 ) на мястото на разреза KS = W /Ф.
За изпитване (GOST 9454-78) се правят специални стандартни проби под формата на квадратни блокове с прорез. Образецът е тестван върху махаловидни пилоти. Свободно падащото махало на пилота удря пробата от страната, противоположна на прореза. В същото време работата се записва.
Определянето на якостта на удар е особено важно за някои метали, които работят при минусови температури и проявяват тенденция към студена чупливост. Колкото по-нисък е прагът на студена крехкост, т.е. температурата, при която пластичното счупване на материала се превръща в крехко, и колкото по-голям е резервът на вискозитет на материала, толкова по-голяма е якостта на удар на материала. Студена чупливост - намаляване на якостта на удар при ниски температури.
Цикличен вискозитет- това е способността на материалите да абсорбират енергия при многократно променливи натоварвания. Материалите с висока циклична якост бързо заглушават вибрациите, които често са причина за преждевременна повреда. Например, чугунът, който има висок цикличен вискозитет, в някои случаи (за рамки и други части на тялото) е по-ценен материал от въглеродната стомана.
твърдостнаричаме способността на материала да устои на проникването на друго, по-твърдо тяло в него. Металорежещите инструменти трябва да имат висока твърдост: фрези, свредла, фрези, както и повърхностно закалени части. Твърдостта на метала се определя по методите на Бринел, Рокуел и Викерс (фиг. 10).
Метод на Бринел(GOST 9012-59) се основава на факта, че закалена стоманена топка се притиска в плоска метална повърхност при постоянно натоварване. Диаметърът на топката и големината на натоварването се задават в зависимост от твърдостта и дебелината на изпитвания метал. Твърдостта по Бринел се определя с помощта на уред за измерване на твърдост TSh (тестер за твърдост на топка). Тестът се провежда по следния начин. На повърхността на пробата, чиято твърдост трябва да се измери, се почиства площ от 3-5 cm 2 с файл или абразивно колело. Пробата се поставя върху инструменталната маса и се повдига, докато влезе в контакт със стоманена топка, която е монтирана във шпиндела на инструмента. Тежестта се спуска и притиска топката в тестовата проба. На повърхността на метала се образува отпечатък. Колкото по-голям е отпечатъкът, толкова по-мек е металът.
Мярката за твърдост на NV се приема като съотношение на натоварването към повърхността на отпечатъка с диаметър d и дълбочина t, който се образува, когато топка с диаметър D се натисне със сила P (виж фиг. 10, а).
Ориз. 10. Определяне на твърдостта на метала по методите на Бринел (а), Рокуел (б) и Викерс (в)
Числената стойност на твърдостта се определя по следния начин: измерете диаметъра на отпечатъка с помощта на оптична лупа (с деления) и като използвате получената стойност, намерете съответното число на твърдостта в таблицата, приложена към GOST.
Предимството на метода на Бринел е простотата на тестване и точността на получените резултати. Методът на Бринел не се препоръчва за измерване на твърдостта на материали с HB>450, например закалена стомана, тъй като по време на измерването топката се деформира и показанията се изкривяват.
Използва се за тестване на твърди материали Метод на Рокуел(ГОСТ 9013-59). Диамантен конус с ъгъл на върха 120° или топка от закалена стомана с диаметър 1,59 mm се пресова в пробата. Твърдостта по Рокуел се измерва в произволни единици. Условната стойност на единицата за твърдост съответства на аксиалното движение на върха с 0,002 mm. Тестът се провежда на TK апарат. Стойността на твърдостта се определя от дълбочината на вдлъбнатината h и се отчита с помощта на циферблата на индикатора, инсталиран на устройството. Във всички случаи предварителното натоварване P0 е 100 N.
При изпитване на метали с висока твърдост се използва диамантен конус и общо натоварване P = P 0 + P 1 = 1500 N. Твърдостта се измерва по скалата "C" и се обозначава с HRC.
Ако тестът включва стоманена топка и общо натоварване от 1000 N, тогава твърдостта се измерва по скала "B" и се обозначава като HRB.
Когато тествате много твърди или тънки продукти, използвайте диамантен конус и общо натоварване от 600 N. Твърдостта се измерва по скала „А“ и се обозначава с HRA. Пример за обозначение на твърдостта по Рокуел: HRC 50 - твърдост 50 по скалата "C".
При определяне на твърдостта по метода на Викерс (GOST 2999-75) като връх, пресован в материала, се използва тетраедрична диамантена пирамида с ъгъл на върха 136 °. По време на изпитването се използват натоварвания от 50 до 1000 N (по-малки стойности на натоварване се използват за определяне на твърдостта на тънки продукти и твърди, закалени повърхностни слоеве от метал). Числената стойност на твърдостта се определя по следния начин: измерете дължините на двата диагонала на отпечатъка след отстраняване на товара и с помощта на микроскоп и като използвате получената средна аритметична стойност на дължината на диагонала, намерете съответното число на твърдост в таблицата. Пример за обозначение на твърдостта по Викерс е HV 500.
За да се оцени твърдостта на металите в малки обеми, например върху зърна от метал или неговите структурни компоненти, се използва метод за определяне микротвърдост. Върхът (инденторът) на устройството е диамантена тетраедрична пирамида (с ъгъл на върха 136°, същият като този на пирамидата при теста на Викерс). Натоварването върху индентора е малко и възлиза на 0,05-5 N, а размерът на отстъпа е 5-30 микрона. Тестът се провежда на оптичен микроскоп PMT-3, оборудван с механизъм за зареждане. Микротвърдостта се оценява по размера на диагонала на вдлъбнатината.
Умората е процесът на постепенно натрупване на увреждане на материала под въздействието на повтарящи се редуващи се напрежения, което води до образуване на пукнатини и разрушаване. Умората на метала се причинява от концентрацията на напрежение в отделните му обеми, в които има неметални включвания, газови мехурчета, различни локални дефекти и др. Типична уморна фрактура се образува след разрушаването на пробата в резултат на многократно натоварване (фиг. 11) и се състои от две различни по външен вид части. Една част от фрактурата 1 с гладка (износена) повърхност се образува поради триенето на повърхности в областта на пукнатините, възникващи от действието на многократно променливи натоварвания, другата част 2 с гранулирана фрактура възниква в момента на унищожаване на пробата. Тестовете за умора се извършват на специални машини. Най-разпространените машини са за многократно редуващо се огъване на въртящ се образец, фиксиран в единия или двата края, както и машини за изпитване на опън-натиск и многократно-променливо усукване. В резултат на тестовете се определя границата на издръжливост, която характеризира устойчивостта на умора.
Механичните свойства характеризират устойчивостта на метала към деформация и разрушаване под въздействието на механични сили (натоварване).
Основните механични свойства включват:
Сила
- пластичност
- сила на удар
- твърдост
Сила– това е способността на метала да не се срутва под въздействието на механични сили (натоварване).
Пластмасае способността на метала да променя формата си (деформира) под въздействието на механични сили (натоварване) без разрушаване.
Определя способността на метала да издържа на ударни (динамични) механични сили (ударни натоварвания).
твърдосте способността на метала да устои на проникването на други по-твърди материали в него.
Видове и условия на механично изпитване на метали
За определяне на механичните свойства се извършват следните видове тестове:
Изпитвания на опън;
- статични изпитания на огъване;
- изпитвания на ударно огъване;
- измерване на твърдост.
Условията за изпитване на пробите включват: температура, вид и характер на прилагане на натоварването върху пробите.
Тестова температура:
Нормално (+20°C);
- ниска (под +20°C, температура 0...-60°C);
- висока (над +20°C, температура +100...+1200°C).
Тип товари:
| разтягане | |
| компресия | |
| извивам |  |
| усукване |  |
| парче |  |
Характер на прилагане на натоварването:
Натоварването нараства бавно и плавно или остава постоянно - статични изпитвания;
- натоварването се прилага при високи скорости; ударно натоварване - динамични изпитвания;
- многократно повтарящо се променливо натоварване; промени в натоварването по големина или по големина и посока (опън и компресия) - тестове за издръжливост.
Образци за механични изпитвания
Механичните тестове се извършват върху стандартни проби. Формата и размерите на пробите се определят в зависимост от вида на изпитването.
За механични изпитвания на опън се използват стандартни цилиндрични (с кръгло напречно сечение) и плоски (правоъгълно напречно сечение) проби. За цилиндрични проби като основни се приемат проби с диаметър dо=10 mm, къси lо=5×do = 50 mm и дълги lо=10×do = 100 mm.
Плоските проби имат дебелина, равна на дебелината на листа, а ширината е зададена на 10, 15, 20 или 30 mm.
Плосък образец без глави за опън
Плоска проба с глави
Механични свойства, определени чрез статични тестове
Статичноса тестове, при които приложеното натоварване върху пробата нараства бавно и плавно.
При статични изпитвания на опън се определят следните основни механични характеристики на метала:
Граница на провлачване (σ t);
- якост на опън или временно съпротивление (σ in);
- относително удължение (δ);
- относително стесняване (ψ).
е напрежението, при което пробата се деформира без забележимо увеличение на натоварването на опън.
е напрежението при максимално натоварване, предхождащо разрушаването на пробата.
е съотношението на увеличаването на дължината на образеца след разрушаване към първоначалната му дължина преди изпитването.
е съотношението на намаляването на площта на напречното сечение на пробата след разрушаване към първоначалната й площ преди изпитването.
При статично изпитване на опън желязото и другите пластмасови метали имат плато на провлачване, когато пробата се удължава при постоянно натоварване Pm.
При максимално натоварване Pmax в една област на пробата се появява стесняване на напречното сечение, така наречената "врата". Разрушаването на пробата започва от шията. Тъй като напречното сечение на пробата намалява, разрушаването на пробата става при натоварване, по-малко от максималното. По време на теста уредите чертаят диаграма на опън, от която се определят натоварванията. След тестването унищожените проби се сглобяват и се измерва крайната дължина и диаметър на шийката. От тези данни се изчисляват якостта и пластичността.
Изпитване на механичен удар
Динамичните изпитвания са тези, при които скоростта на деформация е значително по-висока, отколкото при статичните изпитвания.
Тестовете за динамично ударно огъване разкриват склонността на метала да претърпява крехко счупване. Методът се основава на разрушаването на проба с прорез (концентратор на напрежение) с един удар на махаловидно забиване.
Стандартът предвижда проби с три вида прорези:
U-образна проба с радиус R = 1 mm (метод KCU);
V-образна проба с радиус R = 0,25 mm (метод KCV);
образец I – оформен с пукнатина от умора (метод KST).
Ударната якост се разбира като работата на удара, свързана с първоначалната площ на напречното сечение на пробата на мястото на концентратора.
След теста се определя ударната работа, необходима за унищожаване на пробата, като се използва скалата на махаловидния пилот. Площта на напречното сечение на пробата се определя преди повреда.
ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ТВЪРДОСТТА НА МЕТАЛИ
Твърдостта е свойството на метала да устои на пластичната деформация в повърхностния слой, когато топката, конусът или пирамидата са вдлъбнати. Измерването на твърдостта е лесно и бързо за извършване и се извършва без разрушаване на продукта. Три метода за определяне на твърдостта са широко използвани:
Твърдост по Бринел (единицата за твърдост е обозначена като HB);
- Твърдост по Рокуел (единицата за твърдост е обозначена с HR);
- Твърдост по Викерс (единица за твърдост е обозначена с HV).
Определянето на твърдостта по Бринел се състои в пресоване на стоманена топка с диаметър D = 10 mm в проба (продукт) под въздействието на натоварване и измерване на диаметъра на вдлъбнатината d след отстраняване на товара.
Твърдостта по Бринел се обозначава с цифри и букви HB, например 180 HB. Колкото по-малък е диаметърът на отпечатъка, толкова по-висока е твърдостта. Колкото по-висока е твърдостта, толкова по-голяма е здравината на метала и толкова по-малка е пластичността. Колкото по-мек е металът, толкова по-малко е натоварването на устройството. Така че, когато се определя твърдостта на стомана и чугун, натоварването се приема за 3000 N, за никел, мед и алуминий - 1000 N, за олово и калай - 250 N.
Определянето на твърдостта по Рокуел се състои в натискане на върха с диамантен конус (скали A и C) или стоманена топка с диаметър 1,6 mm (скала B) в тестовата проба (продукт) под действието на последователно нанесени предварителни (Po) и основните (P) натоварвания и в дълбочината на проникване на върха на измерването (h). Твърдостта по Рокуел се обозначава с цифрите и буквите HR, показващи скалата. Например 60 HRC (твърдост 60 по скала С).
Определянето на твърдостта по Викерс се състои в натискане на диамантен връх с форма на правилна тетраедрична пирамида в пробата (продукт) под въздействието на натоварване и измерване на диагонала на вдлъбнатината d, останала след отстраняване на товара. Методът се използва за определяне на твърдостта на тънки детайли и тънки повърхностни слоеве с висока твърдост. Твърдостта на Викерс се обозначава с цифри и букви HV, например 200 HV.
Изпитвания за статично огъване
Технологичните тестове за статично огъване се използват за определяне на способността на метала да приеме огъване, зададено по форма и размер. Подобни изпитвания се извършват върху заварени съединения.
Изпитванията на огъване се извършват върху образци, изработени от листов и фасонен (прът, квадрат, ъгъл, канал и др.) Метал. За ламарина ширината на пробата (b) се приема равна на удвоената дебелина (2 t), но не по-малка от 10 mm. Радиусът на дорника е посочен в техническите спецификации.
Има три вида огъване:
Огънете под определен ъгъл;
- огънете около дорника, докато страните са успоредни;
- огънете близо, докато страните се докоснат (сплескване).
Липсата на пукнатини, разкъсвания, разслоявания или счупвания в пробата е знак, че пробата е преминала теста.
Методите за определяне на механичните свойства на металите се разделят на:
- статично, когато натоварването нараства бавно и плавно (изпитване на опън, натиск, огъване, усукване, твърдост);
- динамични, когато товарът расте с висока скорост (тестове за огъване при удар);
- циклични, когато натоварването се променя многократно по големина и посока (изпитвания на умора).
Изпитване на опън
При изпитване на якостта на опън се определят якостта на опън (σ in), границата на провлачване (σ t), относителното удължение (δ) и относителното свиване (ψ). Изпитванията се провеждат на машини за изпитване на опън, като се използват стандартни образци с площ на напречното сечение Fo и работна (изчислена) дължина lo. В резултат на изпитанията се получава диаграма на опън (фиг. 1). Абсцисната ос показва стойността на деформацията, а ординатната ос показва стойността на натоварването, което се прилага върху образеца.
Крайната якост (σ in) е максималното натоварване, което материалът може да издържи без разрушаване, свързано с първоначалната площ на напречното сечение на пробата (Pmax/Fo).
Ориз. 1. Диаграма на опън
Трябва да се отбележи, че при разтягане пробата се удължава и нейното напречно сечение непрекъснато намалява. Истинското напрежение се определя чрез разделяне на натоварването, действащо в определен момент, на площта, която пробата има в този момент. В ежедневната практика истинските напрежения не се определят, а се използват условни напрежения, като се приема, че напречното сечение Fo на пробата остава непроменено.
Граница на провлачване (σ t) е натоварването, при което възниква пластична деформация, свързано с началната площ на напречното сечение на пробата (Рт/Fo). Въпреки това, по време на тестовете за опън, повечето сплави нямат плато на провлачване на диаграмите. Следователно се определя условната граница на провлачване (σ 0,2) - напрежението, на което съответства пластична деформация от 0,2%. Избраната стойност от 0,2% доста точно характеризира прехода от еластични към пластични деформации.
Характеристиките на материала включват и границата на еластичност (σ pr), което означава напрежението, при което пластичната деформация достига дадена стойност. Обикновено се използват стойности на остатъчна деформация от 0,005; 0,02; 0,05%. Така σ 0,05 = Ppr / Fo (Ppr е натоварването, при което остатъчното удължение е 0,05%).
Граница на пропорционалност σ pc = Ppc / Fo (Ppc е максималното натоварване, под действието на което все още се изпълнява законът на Хук).
Пластичността се характеризира с относително удължение (δ) и относително свиване (ψ):
δ = [(lk - lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,
където lk е крайната дължина на пробата; lo и Fo са първоначалната дължина и площта на напречното сечение на пробата; Fk е площта на напречното сечение на мястото на разкъсване.
За материали с ниска пластичност изпитванията на опън са трудни, тъй като незначителните изкривявания по време на монтажа на пробата водят до значителна грешка при определяне на натоварването на скъсване. Такива материали обикновено се подлагат на изпитване за огъване.
Тест за твърдост
Регламенти:
Твърдостта е способността на материала да устои на проникването на друго, по-твърдо тяло, индентор. Твърдостта на материала се определя по методите на Бринел, Рокуел, Викерс и Шор (фиг. 2).
 |
 |
 |
| А | b | V |
Ориз. 2. Схеми за определяне на твърдостта по Бринел (а), Рокуел (б) и Викерс (в)
Твърдостта по Бринел на метала се обозначава с буквите HB и число. За да преобразувате числото на твърдостта в системата SI, използвайте коефициента K = 9,8 106, по който се умножава стойността на твърдостта по Бринел: HB = HB K, Pa.
Методът за твърдост по Бринел не се препоръчва за стомани с твърдост над HB 450 и цветни метали с твърдост над 200 HB.
За различни материали е установена връзка между крайната якост (в MPa) и числото на твърдостта HB: σ в ≈ 3,4 HB - за горещовалцувани въглеродни стомани; σ in ≈ 4,5 HB - за медни сплави, σ in ≈ 3,5 HB - за алуминиеви сплави.
Определянето на твърдостта по метода на Рокуел се извършва чрез натискане на диамантен конус или стоманена топка в метала. Уредът Rockwell има три скали - A, B, C. Диамантеният конус се използва за тестване на твърди материали (скали A и C), а топката се използва за тестване на меки материали (скала B). В зависимост от скалата твърдостта се обозначава с буквите HRB, HRC, HRA и се изразява в специални единици.
При измерване на твърдостта по метода на Викерс, тетраедрична диамантена пирамида се притиска в металната повърхност (шлайфана или полирана). Този метод се използва за определяне на твърдостта на тънки части и тънки повърхностни слоеве, които имат висока твърдост (например след азотиране). Твърдостта по Викерс е обозначена като HV. Преобразуването на числото на твърдостта HV в системата SI се извършва подобно на преобразуването на числото на твърдостта HB.
При измерване на твърдостта по метода на Шор топка с индентор пада върху пробата, перпендикулярна на нейната повърхност, а твърдостта се определя от височината на отскока на топката и се обозначава HS.
Метод на Кузнецов-Херберт-Ребиндер - твърдостта се определя от времето на затихване на трептенията на махало, чиято опора е изследваният метал.
Тест за удар
Якостта на удар характеризира способността на материала да издържа на динамични натоварвания и произтичащата от това склонност към крехко счупване. За изпитване на удар се правят специални образци с нарез, които след това се разрушават на махалообразен ударен драйвер (фиг. 3). С помощта на скалата на пилота на махалото се определя работата K, изразходвана за разрушаване, и се изчислява основната характеристика, получена в резултат на тези тестове - якост на удар. Определя се от съотношението на работата на разрушаване на образеца към неговата площ на напречното сечение и се измерва в MJ/m 2.
За да се обозначи якостта на удар, се използват буквите KS и се добавя трета, която показва вида на среза на пробата: U, V, T. Нотацията KCU означава якостта на удар на проба с U-образен прорез, KCV - с V-образен нарез, а KCT - с пукнатина, образувана в основата на среза. Работата по разрушаване на образец по време на изпитвания на удар съдържа два компонента: работата по възникване на пукнатината (Az) и работата по разпространението на пукнатината (Ar).
Определянето на якостта на удар е особено важно за метали, които работят при ниски температури и проявяват тенденция към студена чупливост, тоест намаляване на якостта на удар с понижаване на работната температура.
Ориз. 3. Схема на махаловиден пилот и ударна проба
При извършване на ударни изпитвания върху назъбени проби при ниски температури се определя прагът на студена крехкост, който характеризира ефекта от понижаването на температурата върху склонността на материала към крехко счупване. При прехода от пластично към крехко разрушаване се наблюдава рязко намаляване на якостта на удар в температурния диапазон, който се нарича температурен праг на студена чупливост. В този случай структурата на фрактурата се променя от влакнеста матова (пластична фрактура) до кристално блестяща (крехка фрактура). Прагът на студена крехкост се обозначава с температурен диапазон (tb. – txr.) или една температура t50, при която 50% от влакнестия компонент се наблюдава при счупване на пробата или стойността на якостта на удар се намалява наполовина.
Пригодността на даден материал за работа при дадена температура се оценява от температурната граница на вискозитета, която се определя от разликата между работната температура и температурата на преход на студена крехкост и колкото по-голяма е тя, толкова по-надежден е материалът.
Тест за умора
Умората е процесът на постепенно натрупване на увреждане на материала под въздействието на повтарящи се променливи напрежения, които водят до образуване на пукнатини и разрушаване. Умората на метала се причинява от концентрацията на напрежение в отделните му обеми (в местата на натрупване на неметални и газови включвания, структурни дефекти). Способността на метала да устои на умора се нарича издръжливост.
Изпитванията за умора се извършват на машини за многократно променливо огъване на въртящ се образец, фиксиран в единия или двата края, или на машини за изпитване на опън-натиск или за многократно променливо усукване. В резултат на тестовете се определя границата на издръжливост, която характеризира устойчивостта на материала на умора.
Границата на умора е максималното напрежение, при което не настъпва разрушаване поради умора след основен брой цикли на натоварване.
Границата на издръжливост се обозначава с σ R, където R е коефициентът на асиметрия на цикъла.
За да се определи границата на издръжливост, се изпитват най-малко десет проби. Всеки образец се изпитва само при едно напрежение до повреда или при основен брой цикли. Основният брой цикли трябва да бъде най-малко 107 натоварвания (за стомана) и 108 (за цветни метали).
Важна характеристика на якостта на конструкцията е устойчивостта при циклично натоварване, което се разбира като продължителността на работа на детайла от момента на възникване на първата макроскопична пукнатина от умора с размери 0,5...1 mm до окончателното разрушаване. Живучестта е от особено значение за експлоатационната надеждност на продуктите, чиято безпроблемна работа се поддържа чрез ранно откриване и предотвратяване на по-нататъшното развитие на пукнатини от умора.
Изпитването на опън на метал се състои от разтягане на проба с начертаване на зависимостта на удължението на пробата (Δl) от приложеното натоварване (P), последвано от възстановяване на тази диаграма в диаграма на условни напрежения (σ - ε)
Изпитванията на опън се извършват съгласно същия GOST и се определят пробите, върху които се извършват изпитванията.
Както бе споменато по-горе, по време на изпитването се изгражда диаграма на опън на метала. Има няколко характерни области:
- Сечение OA е сечение на пропорционалност между натоварването P и удължението ∆l. Това е областта, в която е запазен законът на Хук. Тази пропорционалност е открита от Робърт Хук през 1670 г. и по-късно става известна като закон на Хук.
- OB сечението е участък на еластична деформация. Тоест, ако върху пробата се приложи товар, който не надвишава Ru и след това се разтовари, тогава по време на разтоварването деформацията на пробата ще намалее по същия закон, според който те се увеличават по време на натоварване
Над точка В диаграмата на опън се отклонява от права линия - деформацията започва да расте по-бързо от натоварването и диаграмата придобива криволинейна форма. При натоварване, съответстващо на Рт (точка С), диаграмата преминава в хоризонтална секция. На този етап пробата получава значително постоянно удължение без почти никакво увеличение на натоварването. Образуването на такова сечение на диаграмата напрежение-деформация се обяснява със свойството на материала да се деформира при постоянно натоварване. Това свойство се нарича течливост на материала, а участъкът от диаграмата напрежение-деформация, успореден на абсцисната ос, се нарича площ на провлачване. 
Понякога платото на добива е вълнообразно по природа. Това по-често се отнася до разтягане на пластмасови материали и се обяснява с факта, че първо се образува локално изтъняване на сечението, след което това изтъняване се разпространява в съседния обем на материала и този процес се развива, докато в резултат на разпространението на такава вълна се получава общо равномерно удължение, съответстващо на площта на провлачване. Когато има зъб на провлачване, при определяне на механичните свойства на материала се въвеждат понятията за горна и долна граница на провлачване.
След като се появи платото на провлачване, материалът отново придобива способност да устои на разтягане и диаграмата се издига. В точка D силата достига максималната си стойност Pmax. При достигане на силата Pmax върху пробата се появява рязко локално стеснение - шийка. Намаляването на площта на напречното сечение на шийката причинява спад в натоварването и в момента, съответстващ на точка К от диаграмата, пробата се разрушава.
Приложеното натоварване за разтягане на образец зависи от геометрията на този образец. Колкото по-голяма е площта на напречното сечение, толкова по-голямо е натоварването, необходимо за разтягане на пробата. Поради тази причина получената машинна диаграма не дава качествена оценка на механичните свойства на материала. За да се елиминира влиянието на геометрията на пробата, диаграмата на машината се реконструира в координати σ − ε чрез разделяне на ординатата P на първоначалната площ на напречното сечение на пробата A0 и абсцисата ∆l на lo. Пренаредената по този начин диаграма се нарича диаграма на условно напрежение. Вече от тази нова диаграма се определят механичните характеристики на материала.
Определят се следните механични характеристики:
Граница на пропорционалност σпз– най-голямото напрежение, след което се нарушава валидността на закона на Хук σ = Eε, където E е модулът на надлъжна еластичност или модулът на еластичност от първи род. В този случай E =σ/ε = tanα, т.е. модулът E е тангенса на ъгъла на наклон на праволинейната част на диаграмата спрямо абсцисната ос 
Граница на еластичност σу- условно напрежение, съответстващо на появата на остатъчни деформации с определена зададена стойност (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); толерансът за остатъчна деформация е посочен в индекса при σу 
Граница на провлачване σт– напрежение, при което настъпва увеличаване на деформацията без забележимо увеличение на натоварването на опън
Също така се отличава сила на доказване- това е условното напрежение, при което остатъчната деформация достига определена стойност (обикновено 0,2% от работната дължина на пробата; тогава условната граница на провлачване се означава като σ0,2). Стойността на σ0,2 се определя, като правило, за материали, които нямат плато или зъб на добив на диаграмата
Металите се характеризират с висока пластичност, топло- и електропроводимост. Имат характерен метален блясък.
Около 80 елемента от периодичната таблица на D.I. имат свойства на метали. Менделеев. За металите, както и за металните сплави, особено структурните, механичните свойства са от голямо значение, основните от които са якост, пластичност, твърдост и якост на удар.
Под въздействието на външно натоварване в твърдо тяло възниква напрежение и деформация. свързани с оригиналната площ на напречното сечение на пробата.
Деформация –това е промяна във формата и размера на твърдо тяло под въздействието на външни сили или в резултат на физически процеси, протичащи в тялото по време на фазови трансформации, свиване и др. Може да има деформация еластична(изчезва след отстраняване на товара) и пластмаса(остава след отстраняване на товара). При непрекъснато нарастващо натоварване еластичната деформация като правило се превръща в пластмаса и след това пробата се срутва.
В зависимост от метода на прилагане на натоварването, методите за изпитване на механичните свойства на метали, сплави и други материали се разделят на статични, динамични и променливи.
Сила –способността на металите да издържат на деформация или разрушаване при статични, динамични или променливи натоварвания. Якостта на металите при статични натоварвания се изпитва на опън, натиск, огъване и усукване. Изпитването на опън е задължително. Якостта при динамични натоварвания се оценява чрез специфична якост на удар, а при променливи натоварвания - чрез якост на умора.
За да се определи якостта, еластичността и пластичността, металите под формата на кръгли или плоски проби се изпитват за статично напрежение. Тестовете се извършват на машини за изпитване на опън. В резултат на тестовете се получава диаграма на опън (фиг. 3.1) . Абсцисната ос на тази диаграма показва стойностите на деформацията, а ординатната ос показва стойностите на напрежението, приложени към пробата.
Графиката показва, че колкото и малко да е приложеното напрежение, то предизвиква деформация, като първоначалните деформации винаги са еластични и големината им е в пряка зависимост от напрежението. На кривата, показана на диаграмата (фиг. 3.1), еластичната деформация се характеризира с линията OAи неговото продължение.
Ориз. 3.1. Крива на деформация
Над точката Апропорционалността между напрежението и напрежението е нарушена. Напрежението причинява не само еластична, но и остатъчна пластична деформация. Стойността му е равна на хоризонталния сегмент от пунктираната линия до плътната крива.
При еластична деформация под въздействието на външна сила се променя разстоянието между атомите в кристалната решетка. Премахването на товара елиминира причината, предизвикала промяната на междуатомното разстояние, атомите се връщат на първоначалните си места и деформацията изчезва.
Пластичната деформация е съвсем различен, много по-сложен процес. По време на пластичната деформация една част от кристала се движи спрямо друга. Ако товарът бъде премахнат, изместената част на кристала няма да се върне на първоначалното си място; деформацията ще продължи. Тези промени се разкриват чрез микроструктурно изследване. В допълнение, пластичната деформация е придружена от смачкване на мозаечни блокове вътре в зърната, а при значителни степени на деформация се наблюдава и забележима промяна във формата на зърната и тяхното местоположение в пространството, а между зърната се появяват празнини (пори). (понякога вътре в зърната).
Представена зависимост OAV(вижте Фиг. 3.1) между външно приложено напрежение ( σ ) и причинената от него относителна деформация ( ε ) характеризира механичните свойства на металите.
· прав наклон OAпоказва твърдост на метала, или характеристика на това как натоварването, приложено отвън, променя междуатомните разстояния, което, в първо приближение, характеризира силите на междуатомно привличане;
· тангенс на ъгъла на наклона на правата OA пропорционална на модула на еластичност (д), което е числено равно на частното напрежение, разделено на относителната еластична деформация:
напрежение, което се нарича граница на пропорционалност ( σ pc), съответства на момента на поява на пластична деформация. Колкото по-точен е методът за измерване на деформацията, толкова по-ниско е точката А;
· при технически измервания характеристика т.нар провлачване (σ 0,2). Това е напрежение, което причинява остатъчна деформация, равна на 0,2% от дължината или друг размер на пробата или продукта;
максимално напрежение ( σ в) съответства на максималното напрежение, постигнато при опън и се нарича временна съпротива или издръжливост на опън .
Друга характеристика на материала е количеството пластична деформация, която предхожда счупването и се определя като относително изменение на дължината (или напречното сечение) – т.нар. относително разширение (δ ) или относително стесняване (ψ ), те характеризират пластичността на метала. Площ под кривата OAVпропорционално на работата, която трябва да бъде изразходвана за унищожаване на метала. Този показател, определен по различни начини (главно чрез удряне на изрязана проба), характеризира вискозитет метал
Когато образецът се разтегне до точката на разрушаване, връзките между приложената сила и удължението на образеца се записват графично (фиг. 3.2), което води до така наречените деформационни диаграми.
Ориз. 3.2. Диаграма "сила (опън) - удължение"
Деформацията на образеца при натоварване на сплавта е първо макроеластична, а след това постепенно и в различни зърна при неравномерно натоварване се трансформира в пластична, възникваща чрез срязване по дислокационния механизъм. Натрупването на дислокации в резултат на деформация води до укрепване на метала, но когато тяхната плътност е значителна, особено в отделни зони, възникват центрове на разрушаване, което в крайна сметка води до пълно разрушаване на образеца като цяло.
Якостта на опън се оценява по следните характеристики:
1) якост на опън;
2) границата на пропорционалност;
3) граница на провлачване;
4) граница на еластичност;
5) модул на еластичност;
6) граница на провлачване;
7) относително удължение;
8) относително равномерно удължение;
9) относително стесняване след разкъсване.
Издръжливост на опън (якост на опън или якост на опън) σ в,е напрежението, съответстващо на най-голямото натоварване Р Впреди унищожаването на пробата:
σ in = P in /F 0,
Тази характеристика е задължителна за металите.
Граница на пропорционалност (σ настолен компютър) – това е условното напрежение Р pc, при което започва отклонението от пропорционалната зависимост на моста между деформация и натоварване. То е равно на:
σ pc = P pc /F 0.
Стойности σ pc се измерва в kgf/mm 2 или в MPa .
Провлачване (σ t) е напрежението ( Р T) при което пробата се деформира (тече) без забележимо увеличение на натоварването. Изчислява се по формулата:
σ t = Р T / Е 0 .
Еластична граница (σ 0,05) е напрежението, при което остатъчното удължение достига 0,05% от дължината на сечението на работната част на образеца, равно на основата на тензодатчика. Еластична граница σ 0,05 се изчислява по формулата:
σ 0,05 = П 0,05 /Ф 0 .
Модул на еластичност (д) – отношението на увеличението на напрежението към съответното увеличение на удължението в границите на еластичната деформация. То е равно на:
E = Pl 0 /л ср. F 0 ,
Където ∆Р– увеличение на натоварването; l 0– първоначална прогнозна дължина на извадката; женен съм– средно нарастване на удължението; Е 0 – начална площ на напречното сечение.
Провлачване
(условно)
– напрежение, при което остатъчното удължение достига 0,2% от дължината на сечението на образеца върху работната му част, чието удължение се взема предвид при определяне на зададената характеристика.
Изчислява се по формулата:
σ 0,2 = П 0,2 /Ф 0 .
Условната граница на провлачване се определя само ако на диаграмата на опън няма плато на провлачване.
Относително разширение (след раздялата) – една от характеристиките на пластичността на материалите, равна на съотношението на нарастването на изчислената дължина на пробата след разрушаване ( аз към) до първоначалната ефективна дължина ( l 0) в проценти:
Относително равномерно удължение (δ р)– съотношението на нарастването на дължината на секциите в работната част на образеца след разкъсване към дължината преди изпитването, изразено като процент.
Относително стесняване след разкъсване (ψ ), както и относителното удължение, е характеристика на пластичността на материала. Определя се като коефициент на разлика Е 0 и минимум ( F до) площ на напречното сечение на пробата след разрушаване до първоначалната площ на напречното сечение ( F 0), изразено като процент:
Еластичност – свойството на металите да възстановяват предишната си форма след отстраняване на външни сили, причиняващи деформация. Еластичността е обратното свойство на пластичността.
Много често за определяне на якостта се използва прост, неразрушителен, опростен метод - измерване на твърдостта.
Под твърдост материалът се разбира като устойчивост на проникване на чуждо тяло в него, т.е. всъщност твърдостта характеризира и устойчивостта на деформация. Има много методи за определяне на твърдостта. Най-често срещаният е Метод на Бринел (Фиг. 3.3, а), когато изпитваното тяло е подложено на сила Ртопка с диаметър д. Числото на твърдостта по Бринел (HH) е натоварването ( Р), разделена на площта на сферичната повърхност на отпечатъка (диаметър д).
Ориз. 3.3. Тест за твърдост:
а – по Бринел; б – по Рокуел; в – по Викерс
При измерване на твърдостта Метод на Викерс (Фиг. 3.3, b) диамантената пирамида се притиска. Чрез измерване на диагонала на отпечатъка ( д), преценете твърдостта (HV) на материала.
При измерване на твърдостта Метод на Рокуел (Фиг. 3.3, в) инденторът е диамантен конус (понякога малка стоманена топка). Числото на твърдостта е реципрочната стойност на дълбочината на вдлъбнатината ( ч). Има три скали: A, B, C (Таблица 3.1).
|
|
Методите на скалата на Бринел и Рокуел В се използват за меки материали, методът на скалата на Рокуел С за твърди материали и методът на скалата на Рокуел А и методът на Викерс за тънки слоеве (листове). Описаните методи за измерване на твърдостта характеризират средната твърдост на сплавта. За да се определи твърдостта на отделните структурни компоненти на сплавта, е необходимо рязко да се локализира деформацията, да се притисне диамантената пирамида на определено място, намерено на тънък участък при увеличение от 100 - 400 пъти при много малко натоварване (от 1 до 100 gf), последвано от измерване на диагонала на вдлъбнатината под микроскоп. Получената характеристика ( н) е наречен микротвърдост , и характеризира твърдостта на определен структурен компонент.
Таблица 3.1 Условия за изпитване при измерване на твърдостта по метода на Рокуел
|
Тестови условия |
Обозначение t твърдост |
|
|
Р= 150 kgf |
||
|
При тестване с диамантен конус и натоварване Р= 60 kgf |
||
|
При натискане на стоманената топка и натоварване Р= 100 kgf |
Стойността на NV се измерва в kgf / mm 2 (в този случай единиците често не са посочени) или в SI - в MPa (1 kgf / mm 2 = 10 MPa).
Вискозитет – способността на металите да издържат на ударни натоварвания. Вискозитетът е обратното свойство на крехкостта. По време на работа много части изпитват не само статични натоварвания, но и са подложени на ударни (динамични) натоварвания. Например, такива натоварвания изпитват колелата на локомотивите и вагоните в релсовите съединения.
Основният вид динамични изпитвания е ударно натоварване на назъбени проби при условия на огъване. Динамичното ударно натоварване се извършва върху ударни драйвери на махало (фиг. 3.4), както и с падащ товар. В този случай се определя работата, изразходвана за деформация и разрушаване на пробата.
Обикновено при тези тестове се определя специфичната работа, изразходвана за деформация и разрушаване на пробата. Изчислява се по формулата:
KS =К/ С 0 ,
Където KS– конкретна работа; ДА СЕ– обща работа на деформация и разрушаване на образеца, J; S 0– напречно сечение на пробата на мястото на разреза, m 2 или cm 2.
Ориз. 3.4. Тестване на удар с помощта на тестер за удар с махало
Ширината на всички видове образци се измерва преди тестване. Височината на образци с U- и V-образен прорез се измерва преди изпитването, а с Т-образен прорез след изпитването. Съответно, специфичната работа на деформацията на счупване се обозначава с KCU, KCV и KST.
Чупливост метали при ниски температури се наричат студена чупливост . Стойността на якостта на удар е значително по-ниска, отколкото при стайна температура.
Друга характеристика на механичните свойства на материалите е якост на умора. Някои части (валове, биели, пружини, пружини, релси и др.) По време на работа изпитват натоварвания, които се променят по величина или едновременно по величина и посока (знак). Под въздействието на такива променливи (вибрационни) натоварвания металът изглежда се уморява, силата му намалява и частта се срутва. Това явление се нарича изморенметал, а получените счупвания са умора. За такива подробности трябва да знаете граница на издръжливост, тези. величината на максималното напрежение, което металът може да издържи без разрушаване за даден брой промени на натоварването (цикли) ( н).
Износоустойчивост -устойчивост на металите на износване поради процеси на триене. Това е важна характеристика, например, за контактните материали и по-специално за контактния проводник и токоприемните елементи на токоприемника на електрифициран транспорт. Износването се състои в отделянето на отделни частици от триещата се повърхност и се определя от промените в геометричните размери или масата на детайла.
Якостта на умора и устойчивостта на износване дават най-пълната картина на издръжливостта на частите в конструкциите, а издръжливостта характеризира надеждността на тези части.
