§ 4. PROPIEDADES MECÁNICAS
La capacidad de un metal para resistir fuerzas externas se caracteriza por sus propiedades mecánicas. Por tanto, a la hora de elegir un material para la fabricación de piezas de máquinas, es necesario, en primer lugar, tener en cuenta sus propiedades mecánicas: resistencia, elasticidad, ductilidad, resistencia al impacto, dureza y resistencia. Estas propiedades están determinadas por los resultados de pruebas mecánicas, en las que los metales se exponen a fuerzas externas (cargas). Las fuerzas externas pueden ser estáticas, dinámicas o cíclicas (repetidamente variables). La carga causa tensión y deformación en un sólido.
Voltaje- valor de carga por unidad de área de sección transversal de la muestra de prueba. Deformación– cambio en la forma y tamaño de un cuerpo sólido bajo la influencia de fuerzas externas aplicadas. Hay deformaciones por tracción (compresión), flexión, torsión y corte (Fig. 8). En realidad, un material puede sufrir uno o más tipos de deformaciones al mismo tiempo.
Arroz. 8. Tipos de deformaciones:
a - compresión, b - tensión, c - torsión, d - corte, e - flexión
Arroz. 9.Gráfico de estiramiento:
a - diagrama condicional en coordenadas P-∆l, b - diagrama de tensión condicional y diagrama de tensión verdadera
Para determinar la resistencia, la elasticidad y la ductilidad, los metales en forma de muestras redondas o planas se prueban para determinar la tensión estática (GOST 1497-73). Los ensayos se realizan en máquinas de ensayo de tracción. Como resultado de las pruebas se obtiene un diagrama de tracción (Fig. 9). El eje de abscisas de este diagrama muestra los valores de deformación y el eje de ordenadas muestra las cargas aplicadas a la muestra.
Fortaleza- la capacidad de un material para resistir la destrucción bajo cargas se evalúa por su resistencia a la tracción y su límite elástico. Un indicador importante de la resistencia de un material es también la resistencia específica: la relación entre la resistencia a la tracción del material y su densidad. La resistencia última σ in (resistencia temporal) es la tensión condicional en Pa (N/m 2), correspondiente a la mayor carga que precede a la destrucción de la muestra: σ in =P max /F 0, donde P max es la mayor carga, NORTE; F 0 - área de la sección transversal inicial de la parte de trabajo de la muestra, m 2. La verdadera resistencia a la tracción Sk es la tensión determinada por la relación entre la carga Pk en el momento de la ruptura y el área de la sección transversal mínima de la muestra después de la ruptura Fk (Sk = Pk / Fk).
Límite elástico (físico) σ t es la tensión más baja (en MPa) a la que se deforma la muestra sin un aumento notable en la carga: σ t = P t / F 0, donde P t es la carga a la que se observa el límite elástico , n.
Básicamente, sólo el acero con bajo contenido de carbono y el latón tienen un límite de rendimiento. Otras aleaciones no tienen límites de rendimiento. Para tales materiales, se determina el límite elástico (condicional), en el cual el alargamiento permanente alcanza el 0,2% de la longitud de diseño de la muestra: σ 0,2 = P 0,2 / F 0.
Elasticidad- la capacidad del material para restaurar su forma y dimensiones originales después de eliminar la unidad de carga P se evalúa mediante el límite de proporcionalidad σ pc y el límite elástico σ unidad.
Límite de proporcionalidadσ pts - tensión (MPa), por encima de la cual se viola la proporcionalidad entre la tensión aplicada y la deformación de la muestra σ pts = P pts / F 0.
Límite elástico(condicional) σ 0,05 es la tensión condicional en MPa correspondiente a la carga a la que la deformación residual alcanza por primera vez el 0,05% de la longitud de diseño de la muestra l0: σ 0,05 = P 0,05 / F 0, donde P 0, 05 - límite elástico carga, n.
El plastico, es decir, la capacidad de un material para adoptar una nueva forma y tamaño bajo la influencia de fuerzas externas sin colapsar, se caracteriza por un alargamiento relativo y un estrechamiento relativo.
Extensión relativa(después de la ruptura) δ es la relación entre el incremento (la -l 0) de la longitud estimada de la muestra después de la ruptura y su longitud estimada original l 0, expresada como porcentaje: δ=[(l a -l 0) /l 0 ]100%.
Estrechamiento relativo(después de la ruptura) φ es la relación entre la diferencia entre las áreas inicial y mínima (F 0 -F a) de la sección transversal de la muestra después de la ruptura y el área inicial F 0 de la sección transversal, expresada como porcentaje : φ=[(F 0 -F a)/F 0 ]100%.
Cuanto mayores sean los valores relativos de elongación y contracción de un material, más dúctil será. Para materiales frágiles estos valores son cercanos a cero. La fragilidad de un material estructural es una propiedad negativa.
Fuerza de impacto, es decir, la capacidad de un material para resistir cargas dinámicas, se define como la relación entre el trabajo W (en MJ) gastado en romper una muestra y su área de sección transversal F (en m 2) en el lugar de la incisión KS = W /F.
Para las pruebas (GOST 9454-78), se fabrican muestras estándar especiales en forma de bloques cuadrados con una muesca. La muestra se prueba en martinetes pendulares. El péndulo en caída libre del martinete golpea la muestra desde el lado opuesto a la entalla. Al mismo tiempo, se registra el trabajo.
La determinación de la resistencia al impacto es especialmente importante para algunos metales que operan a temperaturas bajo cero y exhiben una tendencia a la fragilidad en frío. Cuanto menor sea el umbral de fragilidad en frío, es decir, la temperatura a la que la fractura dúctil de un material se vuelve frágil, y cuanto mayor sea la reserva de viscosidad del material, mayor será la resistencia al impacto del material. Fragilidad en frío: disminución de la resistencia al impacto a bajas temperaturas.
Viscosidad cíclica- esta es la capacidad de los materiales para absorber energía bajo cargas repetidamente variables. Los materiales con alta tenacidad cíclica amortiguan rápidamente las vibraciones, que a menudo son la causa de fallos prematuros. Por ejemplo, el hierro fundido, que tiene una alta viscosidad cíclica, es en algunos casos (para bastidores y otras partes de la carrocería) un material más valioso que el acero al carbono.
Dureza Llame a la capacidad de un material para resistir la penetración de otro cuerpo más sólido en él. Las herramientas para cortar metales deben tener una alta dureza: cortadores, taladros, cortadores y piezas endurecidas en la superficie. La dureza del metal se determina mediante los métodos Brinell, Rockwell y Vickers (Fig. 10).
método Brinell(GOST 9012-59) se basa en el hecho de que una bola de acero endurecido se presiona contra una superficie metálica plana bajo una carga constante. El diámetro de la bola y la magnitud de la carga se establecen dependiendo de la dureza y el espesor del metal que se está probando. La dureza Brinell se determina mediante un durómetro TSh (probador de dureza de bolas). La prueba se lleva a cabo de la siguiente manera. En la superficie de la muestra cuya dureza es necesario medir, se limpia un área de 3-5 cm 2 con una lima o un disco abrasivo. La muestra se coloca sobre la mesa del instrumento y se eleva hasta que entre en contacto con una bola de acero, que está montada en el eje del instrumento. Se baja el peso y presiona la bola contra la muestra de prueba. Se forma una huella en la superficie del metal. Cuanto más grande es la huella, más blando es el metal.
La medida de la dureza del NV se toma como la relación entre la carga y el área de superficie de la huella con diámetro d y profundidad t, que se forma cuando una bola de diámetro D se presiona con fuerza P (ver Fig. 10 a).
Arroz. 10. Determinación de la dureza del metal mediante los métodos Brinell (a), Rockwell (b) y Vickers (c).
El valor numérico de la dureza se determina de la siguiente manera: mida el diámetro de la impresión con una lupa óptica (con divisiones) y usando el valor obtenido, encuentre el número de dureza correspondiente en la tabla adjunta a GOST.
La ventaja del método Brinell es la simplicidad de las pruebas y la precisión de los resultados obtenidos. El método Brinell no se recomienda para medir la dureza de materiales con HB>450, por ejemplo, acero endurecido, ya que durante la medición la bola se deforma y las lecturas se distorsionan.
Utilizado para probar materiales sólidos. método rockwell(GOST 9013-59). En la muestra se presiona un cono de diamante con un ángulo de vértice de 120° o una bola de acero templado con un diámetro de 1,59 mm. La dureza Rockwell se mide en unidades arbitrarias. El valor convencional de la unidad de dureza corresponde al movimiento axial de la punta de 0,002 mm. La prueba se realiza en un dispositivo TK. El valor de dureza está determinado por la profundidad de la muesca h y se cuenta mediante el dial indicador instalado en el dispositivo. En todos los casos la precarga P0 es de 100 N.
Al probar metales con alta dureza, se utiliza un cono de diamante y una carga total P = P 0 + P 1 = 1500 N. La dureza se mide en la escala "C" y se designa como HRC.
Si la prueba toma una bola de acero y una carga total de 1000 N, entonces la dureza se mide en la escala "B" y se denomina HRB.
Cuando pruebe productos muy duros o delgados, utilice un cono de diamante y una carga total de 600 N. La dureza se mide en la escala "A" y se denomina HRA. Un ejemplo de designación de dureza Rockwell: HRC 50 - dureza 50 en la escala "C".
Al determinar la dureza según el método Vickers (GOST 2999-75), se utiliza como punta una pirámide de diamante tetraédrica con un ángulo de vértice de 136°, que se presiona en el material. Durante las pruebas, se utilizan cargas de 50 a 1000 N (se utilizan valores de carga más pequeños para determinar la dureza de productos delgados y capas superficiales de metal duras y endurecidas). El valor numérico de la dureza se determina de la siguiente manera: mida las longitudes de ambas diagonales de la impresión después de quitar la carga y usando un microscopio y usando el valor promedio aritmético resultante de la longitud diagonal, encuentre el número de dureza correspondiente en la tabla. Un ejemplo de designación de dureza Vickers es HV 500.
Para evaluar la dureza de los metales en pequeños volúmenes, por ejemplo, en granos de metal o sus componentes estructurales, se utiliza un método para determinar microdureza. La punta (indentador) del dispositivo es una pirámide tetraédrica de diamante (con un ángulo de vértice de 136°, el mismo que el de la pirámide durante la prueba de Vickers). La carga sobre el penetrador es pequeña y asciende a 0,05-5 N, y el tamaño de la huella es de 5 a 30 micrones. La prueba se realiza en un microscopio óptico PMT-3 equipado con un mecanismo de carga. La microdureza se evalúa por el tamaño de la diagonal de indentación.
La fatiga es el proceso de acumulación gradual de daños en un material bajo la influencia de tensiones alternas repetidas, que conducen a la formación de grietas y destrucción. La fatiga del metal es causada por la concentración de tensiones en sus volúmenes individuales, en los que hay inclusiones no metálicas, burbujas de gas, diversos defectos locales, etc. Una fractura por fatiga típica se forma después de la destrucción de la muestra como resultado de cargas repetidas. (Fig. 11) y consta de dos piezas diferentes por el aspecto. Una parte de la fractura 1 con una superficie lisa (desgastada) se forma debido a la fricción de las superficies en el área de las grietas que surgen de la acción de cargas repetidamente variables, la otra parte 2 con una fractura granular ocurre en el momento de destrucción de la muestra. Las pruebas de fatiga se realizan en máquinas especiales. Las máquinas más comunes son las de flexión alternada repetida de una muestra en rotación, fijada en uno o ambos extremos, así como máquinas para ensayos de tracción-compresión y torsión alternada repetida. Como resultado de las pruebas, se determina el límite de resistencia, que caracteriza la resistencia a la fatiga.
Las propiedades mecánicas caracterizan la resistencia de un metal a la deformación y destrucción bajo la influencia de fuerzas mecánicas (carga).
Las principales propiedades mecánicas incluyen:
Fortaleza
- plasticidad
- resistencia al impacto
- dureza
Fortaleza– esta es la capacidad de un metal de no colapsar bajo la influencia de fuerzas mecánicas (carga).
El plastico es la capacidad de un metal para cambiar de forma (deformarse) bajo la influencia de fuerzas mecánicas (carga) sin destrucción.
Determina la capacidad de un metal para resistir fuerzas mecánicas de impacto (dinámicas) (cargas de choque).
Dureza Es la capacidad de un metal para resistir la penetración de otros materiales más duros en él.
Tipos y condiciones de pruebas mecánicas de metales.
Para determinar las propiedades mecánicas se realizan los siguientes tipos de ensayos:
Ensayos de tracción;
- ensayos de flexión estática;
- ensayos de flexión por impacto;
- medición de dureza.
Las condiciones para probar muestras incluyen: temperatura, tipo y naturaleza de la aplicación de carga a las muestras.
Temperatura de prueba:
Normal (+20°C);
- baja (por debajo de +20°C, temperatura 0...-60°C);
- alta (más de +20°C, temperatura +100...+1200°C).
Tipo de cargas:
| extensión | |
| compresión | |
| doblar |  |
| torsión |  |
| rebanada |  |
Carácter de aplicación de carga:
La carga aumenta lenta y suavemente o permanece constante - pruebas estáticas;
- la carga se aplica a altas velocidades; carga de choque - pruebas dinámicas;
- carga variable repetida múltiple; cambios de carga en magnitud o en magnitud y dirección (tensión y compresión) - pruebas de resistencia.
Muestras de prueba mecánicas.
Las pruebas mecánicas se realizan sobre muestras estándar. La forma y dimensiones de las muestras se establecen en función del tipo de ensayo.
Para los ensayos de tracción mecánica, se utilizan muestras estándar cilíndricas (sección transversal circular) y planas (sección transversal rectangular). Para muestras cilíndricas, se toman como principales muestras con un diámetro dо=10 mm, corta lо=5×do = 50 mm y larga lо=10×do = 100 mm.
Las muestras planas tienen un espesor igual al espesor de la hoja y el ancho se establece en 10, 15, 20 o 30 mm.
Muestra plana sin cabezas para mordazas de tracción.
Muestra plana con cabezas.
Propiedades mecánicas determinadas mediante ensayos estáticos.
Estático Son pruebas en las que la carga aplicada a la muestra aumenta lenta y suavemente.
En los ensayos de tracción estática se determinan las siguientes características mecánicas básicas del metal:
Límite elástico (σ t);
- resistencia a la tracción o resistencia temporal (σ in);
- alargamiento relativo (δ);
- estrechamiento relativo (ψ).
es la tensión a la que se deforma la muestra sin un aumento notable en la carga de tracción.
es la tensión en la carga máxima que precede a la falla de la muestra.
es la relación entre el incremento en la longitud de la muestra después de la destrucción y su longitud inicial antes de la prueba.
es la relación entre la reducción del área de la sección transversal de la muestra después de la destrucción y su área inicial antes de la prueba.
En los ensayos de tracción estática, el hierro y otros metales plásticos tienen un límite elástico cuando la muestra se alarga bajo una carga constante Pm.
Con la carga máxima Pmax, aparece un estrechamiento de la sección transversal, el llamado "cuello", en un área de la muestra. La destrucción de la muestra comienza en el cuello. Dado que la sección transversal de la muestra disminuye, la destrucción de la muestra se produce con una carga menor que la máxima. Durante la prueba, los dispositivos dibujan un diagrama de tracción a partir del cual se determinan las cargas. Después de la prueba, las muestras destruidas se juntan y se miden la longitud y el diámetro finales del cuello. A partir de estos datos se calculan la resistencia y la ductilidad.
Pruebas de impacto mecánico.
Los ensayos dinámicos son aquellos en los que la tasa de deformación es significativamente mayor que en los ensayos estáticos.
Las pruebas de flexión por impacto dinámico revelan la tendencia de un metal a sufrir una fractura frágil. El método se basa en la destrucción de una muestra con una muesca (concentrador de tensiones) con un solo golpe de un martinete pendular.
La norma prevé muestras con tres tipos de muescas:
Muestra en forma de U con radio R = 1 mm (método KCU);
Muestra en forma de V con radio R = 0,25 mm (método KCV);
muestra I – formada con una grieta de fatiga (método KST).
Se entiende por resistencia al impacto el trabajo de impacto relacionado con el área de la sección transversal inicial de la muestra en la ubicación del concentrador.
Después de la prueba, el trabajo de impacto necesario para destruir la muestra se determina utilizando la báscula pendular. El área de la sección transversal de la muestra se determina antes de la falla.
DETERMINACIÓN DE DUREZA DE METALES
La dureza es la propiedad de un metal de resistir la deformación plástica en la capa superficial cuando se indenta una bola, un cono o una pirámide. La medición de la dureza es sencilla y rápida de realizar y se realiza sin destruir el producto. Se utilizan ampliamente tres métodos para determinar la dureza:
Dureza Brinell (unidad de dureza indicada por HB);
- Dureza Rockwell (la unidad de dureza se denomina HR);
- Dureza Vickers (la unidad de dureza se denomina HV).
La determinación de la dureza Brinell consiste en presionar una bola de acero con un diámetro de D = 10 mm en la muestra (producto) bajo la influencia de una carga y medir el diámetro de la huella d después de retirar la carga.
La dureza Brinell se designa con números y letras HB, por ejemplo, 180 HB. Cuanto menor sea el diámetro de la impresión, mayor será la dureza. Cuanto mayor sea la dureza, mayor será la resistencia del metal y menor la ductilidad. Cuanto más blando es el metal, menor es la carga sobre el dispositivo. Entonces, al determinar la dureza del acero y el hierro fundido, la carga se toma como 3000 N, para níquel, cobre y aluminio - 1000 N, para plomo y estaño - 250 N.
La determinación de la dureza Rockwell consiste en presionar una punta con un cono de diamante (escalas A y C) o una bola de acero con un diámetro de 1,6 mm (escala B) en la muestra de prueba (producto) bajo la acción de preliminares (Po) aplicados sucesivamente. y cargas principales (P) y en la profundidad de penetración de la punta de medición (h). La dureza Rockwell se indica mediante los números y letras HR que indican la escala. Por ejemplo, 60 HRC (dureza 60 en la escala C).
La determinación de la dureza Vickers consiste en presionar una punta de diamante con forma de pirámide tetraédrica regular en la muestra (producto) bajo la influencia de una carga y medir la diagonal de la indentación d que queda después de retirar la carga. El método se utiliza para determinar la dureza de piezas delgadas y capas superficiales delgadas con alta dureza. La dureza Vickers se designa con números y letras HV, por ejemplo, 200 HV.
Ensayos de flexión estática
Las pruebas tecnológicas de flexión estática se utilizan para determinar la capacidad de un metal para aceptar una flexión dada su forma y tamaño. Se realizan pruebas similares en uniones soldadas.
Las pruebas de flexión se realizan sobre muestras de chapa y metal perfilado (varilla, escuadra, ángulo, canal, etc.). Para chapa, el ancho de la muestra (b) se considera igual al doble del espesor (2 t), pero no inferior a 10 mm. El radio del mandril está indicado en las especificaciones técnicas.
Hay tres tipos de flexión:
Doblar hasta cierto ángulo;
- doblar alrededor del mandril hasta que los lados queden paralelos;
- doblar hasta que los lados se toquen (aplanar).
La ausencia de grietas, desgarros, delaminaciones o fracturas en la muestra es señal de que la muestra ha pasado la prueba.
Los métodos para determinar las propiedades mecánicas de los metales se dividen en:
- estática, cuando la carga aumenta lenta y suavemente (ensayos de tracción, compresión, flexión, torsión, dureza);
- dinámico, cuando la carga crece a alta velocidad (ensayos de flexión por impacto);
- cíclico, cuando la carga cambia repetidamente en magnitud y dirección (ensayos de fatiga).
Ensayo de tracción
Al probar la resistencia a la tracción, se determinan la resistencia a la tracción (σ in), el límite elástico (σ t), el alargamiento relativo (δ) y la contracción relativa (ψ). Las pruebas se llevan a cabo en máquinas de ensayo de tracción utilizando muestras estándar con área de sección transversal Fo y longitud de trabajo (calculada) lo. Como resultado de los ensayos se obtiene un diagrama de tracción (Fig. 1). El eje de abscisas indica el valor de la deformación y el eje de ordenadas indica el valor de la carga que se aplica a la muestra.
La resistencia última (σ in) es la carga máxima que el material puede soportar sin destrucción, en relación con el área de la sección transversal inicial de la muestra (Pmax/Fo).
Arroz. 1. Diagrama de tensión
Cabe señalar que cuando se estira, la muestra se alarga y su sección transversal disminuye continuamente. La tensión verdadera se determina dividiendo la carga que actúa en un momento determinado entre el área que tiene la muestra en ese momento. En la práctica diaria, no se determinan las tensiones verdaderas, sino que se utilizan tensiones condicionales, suponiendo que la sección transversal Fo de la muestra permanece sin cambios.
El límite elástico (σ t) es la carga a la que se produce la deformación plástica, relacionada con el área de la sección transversal inicial de la muestra (Рт/Fo). Sin embargo, durante las pruebas de tracción, la mayoría de las aleaciones no tienen límites de fluencia en los diagramas. Por lo tanto, se determina el límite elástico condicional (σ 0,2), la tensión a la que corresponde una deformación plástica del 0,2%. El valor seleccionado del 0,2% caracteriza con bastante precisión la transición de deformaciones elásticas a plásticas.
Las características del material también incluyen el límite elástico (σ pr), que significa la tensión a la que la deformación plástica alcanza un valor determinado. Normalmente se utilizan valores de deformación residual de 0,005; 0,02; 0,05%. Por tanto, σ 0,05 = Ppr / Fo (Ppr es la carga a la que el alargamiento residual es del 0,05%).
Límite de proporcionalidad σ pc = Ppc / Fo (Ppc es la carga máxima bajo cuya acción aún se cumple la ley de Hooke).
La plasticidad se caracteriza por el alargamiento relativo (δ) y la contracción relativa (ψ):
δ = [(lk - lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,
donde lk es la longitud final de la muestra; lo y Fo son la longitud inicial y el área de la sección transversal de la muestra; Fk es el área de la sección transversal en el sitio de ruptura.
Para materiales de baja ductilidad, las pruebas de tracción son difíciles, ya que pequeñas distorsiones durante la instalación de la muestra introducen un error significativo en la determinación de la carga de rotura. Estos materiales suelen estar sujetos a pruebas de flexión.
Examen de dureza
Regulaciones:
La dureza es la capacidad de un material para resistir la penetración de otro cuerpo más duro, un indentador. La dureza del material se determina mediante los métodos Brinell, Rockwell, Vickers y Shore (Fig. 2).
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| A | b | V |
Arroz. 2. Esquemas para determinar la dureza según Brinell (a), Rockwell (b) y Vickers (c)
La dureza Brinell de un metal se indica con las letras HB y un número. Para convertir el número de dureza al sistema SI, utilice el coeficiente K = 9,8 · 106, por el cual se multiplica el valor de dureza Brinell: HB = HB K, Pa.
No se recomienda el uso del método de dureza Brinell para aceros con una dureza superior a HB 450 y metales no ferrosos con una dureza superior a 200 HB.
Para varios materiales, se ha establecido una correlación entre la resistencia máxima (en MPa) y el número de dureza HB: σ en ≈ 3,4 HB - para aceros al carbono laminados en caliente; σ en ≈ 4,5 HB - para aleaciones de cobre, σ en ≈ 3,5 HB - para aleaciones de aluminio.
La determinación de la dureza mediante el método Rockwell se realiza presionando un cono de diamante o una bola de acero en el metal. El dispositivo Rockwell tiene tres escalas: A, B, C. El cono de diamante se utiliza para probar materiales duros (escalas A y C) y la bola se utiliza para probar materiales blandos (escala B). Dependiendo de la escala, la dureza se designa con las letras HRB, HRC, HRA y se expresa en unidades especiales.
Al medir la dureza mediante el método Vickers, se presiona una pirámide de diamante tetraédrica en la superficie del metal (que se muele o se pule). Este método se utiliza para determinar la dureza de piezas delgadas y capas superficiales delgadas que tienen una dureza alta (por ejemplo, después de la nitruración). La dureza Vickers se denomina HV. La conversión del número de dureza HV al sistema SI se realiza de forma similar a la conversión del número de dureza HB.
Cuando se mide la dureza mediante el método Shore, una bola con un penetrador cae sobre la muestra, perpendicular a su superficie, y la dureza se determina por la altura del rebote de la bola y se denomina HS.
Método Kuznetsov-Herbert-Rehbinder: la dureza está determinada por el tiempo de amortiguación de las oscilaciones de un péndulo, cuyo soporte es el metal en estudio.
Prueba de impacto
La resistencia al impacto caracteriza la capacidad de un material para resistir cargas dinámicas y la tendencia resultante a la fractura frágil. Para las pruebas de impacto, se fabrican muestras especiales con una muesca, que luego se destruyen con un destornillador de impacto pendular (Fig. 3). Utilizando la escala del martinete de péndulo, se determina el trabajo K gastado en la destrucción y se calcula la característica principal obtenida como resultado de estas pruebas: la resistencia al impacto. Está determinada por la relación entre el trabajo de destrucción de la muestra y su área de sección transversal y se mide en MJ/m 2.
Para designar la resistencia al impacto, use las letras KS y agregue una tercera, que indica el tipo de corte en la muestra: U, V, T. La notación KCU significa la resistencia al impacto de una muestra con una muesca en forma de U, KCV - con una muesca en forma de V y KCT, con una grieta creada en la base del corte. El trabajo de destrucción de una muestra durante los ensayos de impacto contiene dos componentes: el trabajo de iniciación de grieta (Az) y el trabajo de propagación de grieta (Ar).
La determinación de la resistencia al impacto es especialmente importante para los metales que operan a bajas temperaturas y exhiben una tendencia a la fragilidad en frío, es decir, una disminución en la resistencia al impacto a medida que disminuye la temperatura de funcionamiento.
Arroz. 3. Esquema de un martinete pendular y muestra de impacto.
Al realizar pruebas de impacto en muestras entalladas a bajas temperaturas, se determina el umbral de fragilidad en frío, que caracteriza el efecto de una disminución de la temperatura sobre la tendencia del material a fracturarse por fragilidad. Durante la transición de una fractura dúctil a una frágil, se observa una fuerte disminución de la resistencia al impacto en el rango de temperatura, lo que se denomina umbral de temperatura de fragilidad en frío. En este caso, la estructura de la fractura cambia de mate fibrosa (fractura dúctil) a brillante cristalina (fractura frágil). El umbral de fragilidad en frío se designa por un rango de temperatura (tb. – txr.) o una temperatura t50, en la que se observa el 50% del componente fibroso en la fractura de la muestra o el valor de la resistencia al impacto se reduce a la mitad.
La idoneidad de un material para funcionar a una temperatura determinada se juzga por el margen de temperatura de viscosidad, que está determinado por la diferencia entre la temperatura de funcionamiento y la temperatura de transición de fragilidad en frío, y cuanto mayor es, más confiable es el material.
Prueba de fatiga
La fatiga es el proceso de acumulación gradual de daños en un material bajo la influencia de tensiones alternas repetidas, que conducen a la formación de grietas y destrucción. La fatiga del metal es causada por la concentración de tensiones en sus volúmenes individuales (en lugares de acumulación de inclusiones no metálicas y de gas, defectos estructurales). La capacidad de un metal para resistir la fatiga se llama resistencia.
Las pruebas de fatiga se llevan a cabo en máquinas para la flexión alternada repetida de una muestra en rotación, fijada en uno o ambos extremos, o en máquinas para prueba de tensión-compresión, o para torsión alternada repetida. Como resultado de las pruebas se determina el límite de resistencia, que caracteriza la resistencia del material a la fatiga.
El límite de fatiga es la tensión máxima bajo la cual no ocurre falla por fatiga después de un número básico de ciclos de carga.
El límite de resistencia se denota por σ R, donde R es el coeficiente de asimetría del ciclo.
Para determinar el límite de resistencia se analizan al menos diez muestras. Cada muestra se prueba con un solo esfuerzo hasta la falla o con un número base de ciclos. El número básico de ciclos debe ser de al menos 107 cargas (para acero) y 108 (para metales no ferrosos).
Una característica importante de la resistencia estructural es la capacidad de supervivencia bajo cargas cíclicas, que se entiende como la duración del funcionamiento de una pieza desde el momento en que se inicia la primera grieta de fatiga macroscópica de 0,5...1 mm de tamaño hasta su destrucción final. La capacidad de supervivencia es de particular importancia para la confiabilidad operativa de los productos, cuyo funcionamiento sin problemas se mantiene mediante la detección temprana y la prevención de un mayor desarrollo de grietas por fatiga.
La prueba de tracción de un metal consiste en estirar una muestra trazando la dependencia del alargamiento de la muestra (Δl) de la carga aplicada (P), seguido de reconstruir este diagrama en un diagrama de tensiones condicionales (σ - ε)
Las pruebas de tracción se llevan a cabo de acuerdo con el mismo GOST y se determinan las muestras en las que se realizan las pruebas.
Como se mencionó anteriormente, durante las pruebas, se construye un diagrama de tracción del metal. Tiene varias zonas características:
- La sección OA es una sección de proporcionalidad entre la carga P y el alargamiento ∆l. Ésta es el área donde se conserva la ley de Hooke. Esta proporcionalidad fue descubierta por Robert Hooke en 1670 y más tarde se conoció como la ley de Hooke.
- La sección OB es una sección de deformación elástica. Es decir, si se aplica a la muestra una carga que no exceda Ru y luego se descarga, durante la descarga la deformación de la muestra disminuirá de acuerdo con la misma ley según la cual aumentaron durante la carga.
Por encima del punto B, el diagrama de tensión se desvía de una línea recta: la deformación comienza a crecer más rápido que la carga y el diagrama adquiere una apariencia curvilínea. Con una carga correspondiente a Рт (punto C), el diagrama pasa a una sección horizontal. En esta etapa, la muestra recibe un alargamiento permanente significativo sin prácticamente ningún aumento en la carga. La formación de dicha sección en el diagrama tensión-deformación se explica por la propiedad del material de deformarse bajo carga constante. Esta propiedad se llama fluidez del material y la sección del diagrama tensión-deformación paralela al eje de abscisas se llama área de fluencia. 
A veces, la meseta de rendimiento es de naturaleza ondulada. Esto se refiere más a menudo al estiramiento de materiales plásticos y se explica por el hecho de que primero se forma un adelgazamiento local de la sección, luego este adelgazamiento se extiende al volumen adyacente del material y este proceso se desarrolla hasta que, como resultado de la propagación de En tal onda, se produce un alargamiento uniforme general, correspondiente al área de fluencia. Cuando existe un diente elástico, al determinar las propiedades mecánicas de un material, se introducen los conceptos de límite elástico superior e inferior.
Una vez que aparece la meseta de fluencia, el material vuelve a adquirir la capacidad de resistir el estiramiento y el diagrama aumenta. En el punto D la fuerza alcanza su valor máximo Pmax. Cuando se alcanza la fuerza Pmax, aparece un estrechamiento local agudo en la muestra: el cuello. Una disminución del área de la sección transversal del cuello provoca una caída de la carga y en el momento correspondiente al punto K del diagrama, la muestra se rompe.
La carga aplicada para estirar una muestra depende de la geometría de esa muestra. Cuanto mayor sea el área de la sección transversal, mayor será la carga necesaria para estirar la muestra. Por esta razón, el diagrama de máquina resultante no proporciona una evaluación cualitativa de las propiedades mecánicas del material. Para eliminar la influencia de la geometría de la muestra, el diagrama de la máquina se reconstruye en coordenadas σ − ε dividiendo la ordenada P por el área de la sección transversal original de la muestra A0 y la abscisa ∆l por lo. El diagrama reordenado de esta manera se llama diagrama de tensiones condicional. Ya a partir de este nuevo diagrama se determinan las características mecánicas del material.
Se determinan las siguientes características mecánicas:
Límite de proporcionalidad σпз– la tensión más grande después de la cual se viola la validez de la ley de Hooke σ = Eε, donde E es el módulo de elasticidad longitudinal, o el módulo de elasticidad del primer tipo. En este caso, E =σ/ε = tanα, es decir, el módulo E es la tangente del ángulo de inclinación de la parte rectilínea del diagrama al eje de abscisas. 
Límite elástico σу- tensión condicional correspondiente a la aparición de deformaciones residuales de un determinado valor especificado (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); la tolerancia a la deformación residual se indica en el índice en σу 
Límite elástico σт– tensión en la que se produce un aumento de la deformación sin un aumento notable de la carga de tracción
También distinguido Prueba de fuerza- esta es la tensión condicional en la que la deformación residual alcanza un cierto valor (generalmente el 0,2% de la longitud de trabajo de la muestra; entonces el límite elástico condicional se denota como σ0,2). El valor de σ0,2 se determina, por regla general, para materiales que no tienen meseta o diente elástico en el diagrama.
Los metales se caracterizan por una alta ductilidad, conductividad térmica y eléctrica. Tienen un brillo metálico característico.
Alrededor de 80 elementos de la tabla periódica de D.I. tienen propiedades de metales. Mendeleev. Para los metales, así como para las aleaciones metálicas, especialmente las estructurales, las propiedades mecánicas son de gran importancia, siendo las principales resistencia, ductilidad, dureza y resistencia al impacto.
Bajo la influencia de una carga externa, surgen tensiones y deformaciones en un cuerpo sólido. relacionado con el área de la sección transversal original de la muestra.
Deformación – Se trata de un cambio en la forma y el tamaño de un cuerpo sólido bajo la influencia de fuerzas externas o como resultado de procesos físicos que ocurren en el cuerpo durante transformaciones de fase, contracción, etc. La deformación puede ser elástico(desaparece después de retirar la carga) y el plastico(permanece después de retirar la carga). Con una carga cada vez mayor, la deformación elástica, por regla general, se vuelve plástica y luego la muestra colapsa.
Dependiendo del método de aplicación de la carga, los métodos para probar las propiedades mecánicas de metales, aleaciones y otros materiales se dividen en estáticos, dinámicos y alternos.
Fortaleza - la capacidad de los metales para resistir la deformación o destrucción bajo cargas estáticas, dinámicas o alternas. La resistencia de los metales bajo cargas estáticas se prueba en tensión, compresión, flexión y torsión. Las pruebas de tracción son obligatorias. La resistencia bajo cargas dinámicas se evalúa mediante la resistencia al impacto específica y bajo cargas alternas, mediante la resistencia a la fatiga.
Para determinar la resistencia, elasticidad y ductilidad, se prueba la tensión estática de metales en forma de muestras redondas o planas. Los ensayos se realizan en máquinas de ensayo de tracción. Como resultado de las pruebas se obtiene un diagrama de tracción (Fig. 3.1) . El eje de abscisas de este diagrama muestra los valores de deformación y el eje de ordenadas muestra los valores de tensión aplicados a la muestra.
El gráfico muestra que no importa cuán pequeña sea la tensión aplicada, causa deformación, y las deformaciones iniciales son siempre elásticas y su magnitud depende directamente de la tensión. En la curva que se muestra en el diagrama (Fig. 3.1), la deformación elástica se caracteriza por la línea OA y su continuación.
Arroz. 3.1. Curva de deformación
Por encima del punto A Se viola la proporcionalidad entre tensión y deformación. La tensión provoca no sólo una deformación plástica elástica, sino también residual. Su valor es igual al segmento horizontal desde la línea discontinua hasta la curva continua.
Durante la deformación elástica bajo la influencia de una fuerza externa, la distancia entre los átomos en la red cristalina cambia. Quitar la carga elimina la causa que provocó el cambio en la distancia interatómica, los átomos vuelven a sus lugares originales y la deformación desaparece.
La deformación plástica es un proceso completamente diferente y mucho más complejo. Durante la deformación plástica, una parte del cristal se mueve con respecto a otra. Si se retira la carga, la parte desplazada del cristal no volverá a su ubicación original; la deformación persistirá. Estos cambios se revelan mediante un examen microestructural. Además, la deformación plástica va acompañada del aplastamiento de los bloques de mosaico dentro de los granos, y en grados significativos de deformación, también se observa un cambio notable en la forma de los granos y su ubicación en el espacio, y aparecen huecos (poros) entre los granos. (a veces dentro de los granos).
Dependencia representada OVA(ver Fig. 3.1) entre el voltaje aplicado externamente ( σ ) y la deformación relativa causada por el mismo ( ε ) caracteriza las propiedades mecánicas de los metales.
· pendiente en línea recta OA muestra dureza del metal, o una característica de cómo una carga aplicada desde el exterior cambia las distancias interatómicas, que, en una primera aproximación, caracteriza las fuerzas de atracción interatómica;
· tangente del ángulo de inclinación de la recta OA proporcional al módulo elástico (mi), que es numéricamente igual al cociente de la tensión dividido por la deformación elástica relativa:
voltaje, que se llama límite de proporcionalidad ( σ pc), corresponde al momento de aparición de la deformación plástica. Cuanto más preciso sea el método de medición de la deformación, más bajo estará el punto. A;
· en mediciones técnicas una característica llamada límite elástico (σ 0.2). Se trata de una tensión que provoca una deformación residual igual al 0,2% de la longitud u otro tamaño de la muestra o producto;
tensión máxima ( σ c) corresponde a la tensión máxima alcanzada durante la tensión y se llama resistencia temporal o resistencia a la tracción .
Otra característica del material es la cantidad de deformación plástica que precede a la fractura y se define como un cambio relativo de longitud (o sección transversal), el llamado extensión relativa (δ ) o estrechamiento relativo (ψ ), caracterizan la plasticidad del metal. Área bajo la curva OVA proporcional al trabajo que se debe realizar para destruir el metal. Este indicador, determinado de diversas formas (principalmente mediante la selección de una muestra cortada), caracteriza viscosidad metal
Cuando una muestra se estira hasta el punto de falla, las relaciones entre la fuerza aplicada y el alargamiento de la muestra se registran gráficamente (Fig. 3.2), lo que da como resultado los llamados diagramas de deformación.
Arroz. 3.2. Diagrama "fuerza (tensión) - alargamiento"
La deformación de la muestra cuando se carga la aleación es primero macroelástica, y luego gradualmente y en diferentes granos bajo cargas desiguales se transforma en plástica, ocurriendo por corte a través del mecanismo de dislocación. La acumulación de dislocaciones como resultado de la deformación conduce al fortalecimiento del metal, pero cuando su densidad es significativa, especialmente en áreas individuales, surgen centros de destrucción que, en última instancia, conducen a la destrucción completa de la muestra en su conjunto.
La resistencia durante las pruebas de tracción se evalúa mediante las siguientes características:
1) resistencia a la tracción;
2) el límite de proporcionalidad;
3) límite elástico;
4) límite elástico;
5) módulo elástico;
6) límite elástico;
7) alargamiento relativo;
8) alargamiento relativo uniforme;
9) estrechamiento relativo después de la rotura.
Resistencia a la tracción (resistencia a la tracción o resistencia a la tracción) σ en, es el voltaje correspondiente a la mayor carga RV anterior a la destrucción de la muestra:
σ en = P en /F 0,
Esta característica es obligatoria para los metales.
Límite de proporcionalidad (σ ordenador personal) – este es el voltaje condicional R pc, en el que comienza la desviación de la dependencia proporcional del puente entre deformación y carga. Es igual a:
σ pc = P pc /F 0.
Valores σ pc se mide en kgf/mm 2 o en MPa .
Fuerza de producción (σ t) es el voltaje ( R t) en el que la muestra se deforma (fluye) sin un aumento notable en la carga. Calculado por la fórmula:
σ t = R t/ F 0 .
Límite elástico (σ 0,05) es la tensión a la que el alargamiento residual alcanza el 0,05% de la longitud de la sección de la parte de trabajo de la muestra, igual a la base de la galga extensométrica. Límite elástico σ 0,05 se calcula mediante la fórmula:
σ 0,05 =P 0,05 /F 0 .
Modulos elasticos (mi) – la relación entre el incremento de tensión y el correspondiente incremento de alargamiento dentro de los límites de la deformación elástica. Es igual a:
mi = pl 0 /l promedio F 0 ,
Dónde ∆Р– incremento de carga; yo 0– longitud estimada inicial de la muestra; Me caso– incremento medio de elongación; F 0 – área de la sección transversal inicial.
Fuerza de producción
(condicional)
– tensión en la que el alargamiento residual alcanza el 0,2% de la longitud de la sección de la muestra en su parte de trabajo, cuyo alargamiento se tiene en cuenta al determinar la característica especificada.
Calculado por la fórmula:
σ 0,2 =P 0,2 /F 0 .
El límite elástico condicional se determina solo si no hay un límite elástico en el diagrama de tracción.
Extensión relativa (después de la ruptura) – una de las características de la plasticidad de los materiales, igual a la relación del incremento en la longitud calculada de la muestra después de la destrucción ( yo a) a la longitud efectiva inicial ( yo 0) en porcentajes:
Alargamiento uniforme relativo (δ ð)– la relación entre el incremento de la longitud de las secciones de la parte de trabajo de la muestra después de la rotura y la longitud antes del ensayo, expresada en porcentaje.
Estrechamiento relativo después de la rotura (ψ ), así como el alargamiento relativo, es una característica de la plasticidad del material. Definido como la relación de diferencia F 0 y mínimo ( F a) área de la sección transversal de la muestra después de la destrucción al área de la sección transversal inicial ( F 0), expresado como porcentaje:
Elasticidad – Propiedad de los metales de restaurar su forma anterior después de la eliminación de fuerzas externas que causan la deformación. La elasticidad es la propiedad opuesta a la plasticidad.
Muy a menudo, para determinar la resistencia, se utiliza un método simple, no destructivo y simplificado: medir la dureza.
Bajo dureza Se entiende por material la resistencia a la penetración de un cuerpo extraño en él, es decir, de hecho, la dureza también caracteriza la resistencia a la deformación. Existen muchos métodos para determinar la dureza. El más común es método Brinell (Fig. 3.3, a), cuando el cuerpo de prueba se somete a fuerza R una bola con un diámetro de D. El número de dureza Brinell (HH) es la carga ( R), dividido por el área de la superficie esférica de la impresión (diámetro d).
Arroz. 3.3. Examen de dureza:
a – según Brinell; b – según Rockwell; c – según Vickers
Al medir la dureza método vickers (Fig. 3.3, b) se presiona la pirámide de diamantes. Midiendo la diagonal de la impresión ( d), juzgue la dureza (HV) del material.
Al medir la dureza método rockwell (Fig. 3.3, c) el penetrador es un cono de diamante (a veces una pequeña bola de acero). El número de dureza es el recíproco de la profundidad de la sangría ( h). Hay tres escalas: A, B, C (Tabla 3.1).
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Los métodos de escala Brinell y Rockwell B se utilizan para materiales blandos, el método de escala Rockwell C para materiales duros y el método de escala Rockwell A y el método Vickers para capas delgadas (láminas). Los métodos descritos para medir la dureza caracterizan la dureza promedio de la aleación. Para determinar la dureza de los componentes estructurales individuales de la aleación, es necesario localizar claramente la deformación, presionar la pirámide de diamante en un lugar determinado, encontrada en una sección delgada con un aumento de 100 a 400 veces bajo una carga muy pequeña. (de 1 a 100 gf), seguido de medir la diagonal de la hendidura bajo un microscopio. La característica resultante ( norte) se llama microdureza , y caracteriza la dureza de un determinado componente estructural.
Tabla 3.1 Condiciones de prueba al medir la dureza utilizando el método Rockwell
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Condiciónes de la prueba |
Designación firmeza |
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R= 150 kgf |
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Cuando se prueba con cono de diamante y carga. R= 60 kgf |
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Al presionar la bola de acero y cargar R= 100 kgf |
El valor NV se mide en kgf/mm 2 (en este caso, a menudo no se indican las unidades) o en SI, en MPa (1 kgf/mm 2 = 10 MPa).
Viscosidad – la capacidad de los metales para resistir cargas de impacto. La viscosidad es la propiedad opuesta a la fragilidad. Durante el funcionamiento, muchas piezas no solo experimentan cargas estáticas, sino que también están sujetas a cargas de choque (dinámicas). Por ejemplo, estas cargas las experimentan las ruedas de locomotoras y vagones en las uniones ferroviarias.
El principal tipo de pruebas dinámicas es la carga por impacto de muestras entalladas en condiciones de flexión. La carga de impacto dinámica se lleva a cabo sobre impulsores de impacto pendulares (Fig. 3.4), así como con una carga que cae. En este caso se determina el trabajo invertido en la deformación y destrucción de la muestra.
Normalmente, en estas pruebas se determina el trabajo específico invertido en la deformación y destrucción de la muestra. Se calcula mediante la fórmula:
KS =k/ S 0 ,
Dónde Kansas– trabajo específico; A– trabajo total de deformación y destrucción de la muestra, J; S 0– sección transversal de la muestra en el lugar de la incisión, m 2 o cm 2.
Arroz. 3.4. Prueba de impacto utilizando un probador de impacto de péndulo
El ancho de todo tipo de muestras se mide antes de realizar la prueba. La altura de las muestras con muescas en forma de U y V se mide antes de realizar la prueba, y con una muesca en forma de T después de la prueba. En consecuencia, el trabajo específico de deformación de la fractura se denomina KCU, KCV y KST.
Fragilidad Los metales a bajas temperaturas se llaman. fragilidad en frío . El valor de la resistencia al impacto es significativamente menor que a temperatura ambiente.
Otra característica de las propiedades mecánicas de los materiales es resistencia a la fatiga. Algunas piezas (ejes, bielas, resortes, resortes, rieles, etc.) durante el funcionamiento experimentan cargas que cambian de magnitud o simultáneamente en magnitud y dirección (signo). Bajo la influencia de tales cargas alternas (vibración), el metal parece cansarse, su resistencia disminuye y la pieza colapsa. Este fenómeno se llama fatiga metal, y las fracturas resultantes son fatiga. Para tales detalles necesitas saber. límite de resistencia, aquellos. la magnitud de la tensión máxima que un metal puede soportar sin destrucción durante un número determinado de cambios de carga (ciclos) ( norte).
Resistencia al desgaste - Resistencia de los metales al desgaste debido a procesos de fricción. Esta es una característica importante, por ejemplo, para los materiales de contacto y, en particular, para el hilo de contacto y los elementos colectores de corriente del colector de corriente del transporte electrificado. El desgaste consiste en la separación de partículas individuales de la superficie de fricción y está determinado por cambios en las dimensiones geométricas o la masa de la pieza.
La resistencia a la fatiga y la resistencia al desgaste brindan la imagen más completa de la durabilidad de las piezas en las estructuras, y la tenacidad caracteriza la confiabilidad de estas piezas.
