Механические свойства

Дата: 2025-04-30; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

К механическим свойствам металлов относят их способность сопротивляться деформациям (изменению формы или размеров) и разрушению под действием внешних нагрузок. Такими свойствами являются .проч­ность, пластичность, твердость, вязкость (ударная), уста­лость, ползучесть.

Деформации, которые исчезают после снятия нагруз­ки, при этом материал принимает первоначальную фор­му, называют упругими. Деформации, которые остаются После снятия нагрузки, называют остаточными.

Для определения механических свойств материалов специальные образцы или готовые изделия испытывают и соответствии с требованиями ГОСТов. Испытания об-разцов могут быть статическими, когда на образец действует постоянная или медленно возрастающая на­грузка, динамическими, когда на образец действует Мгновенно возрастающая (ударная) нагрузка, и повтор­но-переменными (усталостными), при которых нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направлению.

В зависимости от характера действия приложенных к образцу или изделию сил (нагрузок) различают деформации сжатия, растяжения, изгиба, сдвига (среза), кручения (рис. 4).

Механические свойства оцениваются численным зна­чением напряжения.

Напряжение — мера внутренних сил, возникаю­щих в образце под влиянием внешних воздействий (сил нагрузок ).

1Па=Н/м²; 1кгс/см²=10⁵ Па.

Напряжение служит для оценки нагрузки, не завися­щей от размеров деформи­руемого тела. Напряжения, действующие вдоль оси об­разца, называют нормальны­ми и обозначают буквой о (сигма). Нормальные напря­жения определяются отно­шением сил, действующих вдоль оси детали или образ­ца, к площади их попереч­ного сечения:

a = P/ F,

Рис- 4. Виды деформаций ме­талла в зависимости от направ­ления действующей нагрузки: а — сжатия, б — растяжения, в — изгиба, г — сдвига (среза), д — кру­чения

где а — нормальное напря­жение, Па*; Р — сила, дей­ствующая вдоль оси образ­ца, Н; F — площадь попе­речного сечения образца, м². Нормальные напряжения в зависимости от направле­ния действующих нагрузок бывают сжимающими (рис, 4, а) и растягивающими (рис. 4, б).

Напряжения, действующие перпендикулярно оси об­разца, называют касательными и обозначают буквой t. Под действием касательных напряжений происходит де­формация среза (рис. 4, г ).

Напряжения определяют при механических испыта­ниях образцов на специальных машинах. Эти напряже­ния используют при расчетах деталей машин на проч­ность.

Усилия, нагрузки, действующие на детали, создают, в них напряжения, которые в свою очередь вызывают, деформации деталей. Например, канат автомобильного крана при поднятии груза под действием растягивающей нагрузки испытывает напряжение растяжения, поэтому И подвергается деформации растяжения. Под действием сжимающих напряжений деформацию сжатия испыты­вают станины и фундаменты станков, опорные колонны, колеса и катки машин. В стреле автомобильного или башенного крана, поднимающего груз, возникают напря­жения изгиба (рис. 4, в), которые вызывают деформа­цию изгиба стрелы. Деформации изгиба испытывают балки, на которые положен груз, рельсы под тяжестью поезда, башенного или козлового крана. На срез рабо­тают заклепочные соединения, стопорные болты.

Напряжения кручения вызывают деформацию кру­чения (рис. 4, д), например, когда у стяжных болтов затягивают гайки.

Прочность — способность металлов или сплавов сопротивляться разрушению при действии внешних сил, вызывающих внутренние напряжения и деформации. В зависимости от характера действия внешних сил раз­личают прочность на растяжение, сжатие, изгиб, круче­ние, ползучесть и усталость.

Определение характеристик прочности при растяже­нии— наиболее важный и распространенный вид меха­нических испытаний металлов. Испытывают образцы определенной формы и размеров на специальных раз­рывных машинах (ГОСТ 1497—73). Стандартный обра­зец (рис. 5) закрепляют головками в машине и медлен­но нагружают с постоянной скоростью. В результате возрастающей нагрузки происходит растяжение образца вплоть до разрушения.

При испытании производится автоматическая запись диаграммы растяжения (рис. 6), представляющей собой график изменения абсолютной длины образца в зависи­мости от приложенной нагрузки. Определенные точки на диаграмме растяжения р, с, s, b отражают наиболее важные характеристики прочности: предел пропорцио­нальности, условные пределы упругости, текучести и прочности.

Предел пропорциональности а_т (точка р на диа­грамме растяжения)—это наибольшее напряжение, возникающее под действием нагрузки Р_Пц, до которого деформации в металле растут прямо пропорционально нагрузке. При этом в образце происходят только упру- гие деформации, т. е. образец после снятия нагрузки принимает свои первоначальные размеры. При дальней­шем увеличении нагрузки деформации образца будут ос­таточными.

Условный предел упругости Oo.os (точка с на диа­грамме растяжения) —это напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,05% пер­воначальной длины образца. Практически предел упругости очень близок пределу пропор­циональности.

Рис. 5. Образец для испытания на растяжение

Рис. 6. Диаграмма растяжения малоуглероди­стой стали

Условный., предел текучести (точка s на диаграмме растяжения)—это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданного значения, обычно 0,2%, но иногда 0,1 или 0,3% и более при нагрузках Р_т. В со­ответствии с этим условный предел текучести обознача­ется ао,2, 0о,ь 0о,з и т. д. Следовательно, условный предел текучести отличается от условного предела упругости только заданным значением остаточного удлинения. Условный предел текучести соответствует напряжению, при котором происходит наиболее полный переход к пластической деформации металла.

Условный предел прочности а (точка b на диаграмме растяжения)—это условное наибольшее напряжение, при котором происходит наибольшая равномерная по всей длине деформация образца. После точки s на уча­стке sв диаграммы растяжения при дальнейшем увели­чении нагрузки в образце развивается интенсивная пла­стическая деформация. До точки b образец удлиняется равномерно по всей длине. В точке b начинается резкое уменьшение поперечного сечения образца на коротком участке с образованием так называемой шейки.

Характеристиками прочности пользуются при изго­товлении деталей машин. Практическое значение преде­лов пропорциональности, упругости и текучести сводит­ся к тому, чтобы определить численное значение напря­жений, под действием которых могут работать детали в машинах, не подвергаясь остаточной деформации (пре­дел пропорциональности) или подвергаясь деформации на небольшую допустимую величину 0,05, 0,2 и т. д.

Пластичность — способность металлов сохранять изменение формы, вызванное действием деформирующих сил после того, как силы сняты.

Пластические свойства испытываемого образца ме­талла определяют при испытаниях на растяжение. Под действием нагрузки образцы удлиняются, при этом по­перечное сечение их соответственно уменьшается. Чем больше удлиняется образец при испытании, тем более пластичен материал. Характеристиками пластичности материалов служат относительное удлинение и относи­тельное сужение образцов.

Относительным удлинением называется отношение приращения длины образца после разрыва к его перво­начальной длине.

Относительным сужением называется отношение (уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к площади поперечного сечения образца до начала испытания.

Твердость — сопротивление поверхностных слоев материала местным деформациям. Твердость обычно оценивается сопротивлением вдавливанию в поверхность металла индикатора из более твердого материала.

Измерение твердости металлов и сплавов как метод оценки их механических свойств широко используется в технике.

По твердости судят о других свойствах металла и сплава. Например, для многих сплавов, чем выше твер­дость, тем больше прочность на растяжение, выше изно­состойкость; как правило, сплавы с меньшей твердостью легче обрабатываются резанием. Твердость определяют непосредственно на деталях без их разрушения.

Рис. 7. Схема определения Твёрдости по Бринеллю

Рис. 8. Схема определения твёрдости по Роквеллу

Поэтому испытание на твердость является незаменимым про­изводственным методом оценки механических свойств материалов.

На практике в зависимости от используемого прибо­ра твердость определяют двумя способами. Если твер­дость исследуемого материала меньше, чем твердость закаленной стали, то используют твердомер шарико­вый— ТШ, если твердость исследуемого материала больше, чем твердость закаленной стали, то пользуются твердомером конусным — ТК.

Ударная, вязкость — способность металлов со­противляться действию ударных нагрузок. При ударных нагрузках напряжения, возникающие в металле, дейст­вуют мгновенно, поэтому их трудно определить. Удар­ную вязкость определяют работой, затраченной на излом образца.

Для определения ударной вязкости при нормальной температуре (ГОСТ 9454—78) предусмотрено 20 типо­размеров образцов квадратного и прямоугольного сече­ния. Чаще применяют образцы квадратного сечения 10x10 мм длиной 55 мм с концентратором (надрезанные

Рис. 9. Схема испытания образца на ударную вязкость на маятни­ковом копре: 1 — образец, 2 —маятник, 3 — опоры

с одной стороны посере­дине длины на глубину 2 мм). Образец / стандарт­ной формы (рис. 9) укла­дывают горизонтально в специальный шаблон ма­ятникового копра, обеспе­чивающий установку над­реза образца строго в се­редине пролета .между опорами 3. Маятник 2 копра закрепляется в ис­ходном верхнем положе­нии на высоте Н. Затем

маятник сбрасывается, и он, свободно падая под действием собственной тяжести, наносит удар по об­разцу / со стороны, противоположной надрезу. В ре­зультате удара образец изгибается и ломается, а маят­ник после разрушения образца продолжает двигаться дальше и поднимается на высоту h.

Работа, затраченная на разрушение образца, опреде­ляется разностью потенциальных энергий маятника з начальный (после подъема на угол а) и конечный момен­ты испытания (после взлета на угол р) и выражается формулой

R= P( H- h),

где k — работа, затраченная на разрушение образца, Дж (кгс-м); Р — вес маятника, кгс; Н и /h —высоты подъ­ема и взлета маятника, м.

Основную характеристику при испытании на ударную вязкость — определяют по формуле

RCU = R/ s₀

Где RC — ударная вязкость, Дж/м²*; и — форма концен­тратора; s₀ — площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания, м².

Многие детали машин и конструкции во время рабо­ты подвергаются ударным нагрузкам, действие которых на детали происходит мгновенно. В результате изменя­ются условия, при которых работают такие детали. Ударные нагрузки испытывают инструменты типа штам­пов, некоторые зубчатые передачи и т. д.

Усталость — разрушение металлов под действи­ем многократных повторно-переменных (циклических) нагрузок, при напряжениях меньших предела прочности на растяжение.

В условиях действия повторно-переменных нагрузок в работающих деталях образуются и развиваются тре­щины, которые приводят к полному разрушению дета­лей. Подобное разрушение опасно тем, что может происходить под действием напряжений, намного мень­ших пределов прочности и текучести.

Свойство противостоять усталости называется выносливастью. Сопротивление усталости характери­зуется пределом выносливости, т. е. наибольшим напря­жением, которое может выдержать металл без разруше­ния заданное число раз.

Под действием повторно-переменных нагрузок рабо­тают коленчатые валы двигателей, многие детали ма­шин — валы, шатуны, пальцы, шестерни и т. д.

Цель испытаний на усталость (ГОСТ 2860—65) — количественная оценка способности материала (образ­ца) работать при повторно-переменных нагрузках без разрушения.

Цикл напряжений — совокупность переменных значе­ний напряжений за один перепад их изменения. Задан­ное число циклов нагружения при испытании называют базой испытания. Обычно база испытания составляет 10⁸ циклов нагружения. Если материал выдержал базо­вое число циклов без разрушения, то он хорошо проти­востоит усталости и деталь из этого материала будет работать надежно.

П о л з у ч е с т ь —- способность металлов и сплавов медленно и непрерывно пластически деформироваться

* 1 Дж/м² =0,1 кгс-м/см^г.

под действием постоянной, длительно действующей на­грузки.

Изделия из металлов и сплавов, работающие при по­вышенных или высоких температурах, обладают мень­шей прочностью. При эксплуатации любой материал под действием постоянной нагрузки (напряжения) может в определенных условиях прогрессивно деформироваться с течением времени.

Испытания на ползучесть при растяжении (ГОСТ 3248—60) заключаются в том, что испытуемый образец в течение длительного времени подвергается действию постоянного растягивающего усилия при постоянной вы­сокой температуре. В результате испытания определяют предел ползучести металла, т. е. наибольшее растягивающее напряжение, при котором скорость ползучести или относительное удлинение за определенный промежу­ток времени достигает заданной величины.

Если задаются скоростью ползучести, то предел пол­зучести обозначают 6„_п , где v_n — заданная скорость пол­зучести, °/о/ч; t — температура испытания, °С. Например, б'⁰°о__₄ — это предел ползучести при температуре 1000° С и скорости ползучести и_п=1 • 10^_4%/ч.

Если задаются относительным удлинением, то в обо­значении предела ползучести используют три индекса: температуру испытания t, °C, относительное удлинение 6, % и продолжительность испытания т, ч. Например, ^i/i°ooo —предел ползучести при температуре 800° С, когда относительное удлинение 6 = 1% достигается за 1000 ч.