Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.4. Свойства материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -31-

Большинство современных машин снабжено диаграммным устройст-

вом, автоматически записывающим диаграмму растяжения.

Растягивающее усилие создает напряжение в испытуемом образце и

вызывает его удлинение. Когда напряжение превышает прочность образца,

он разрывается.

Рис. 2.12. Образцы испытуемого металла на прочность и пластичность

при растяжении: а – до испытания (с длиной l

); б – после испытания (c длиной l

)

Рис. 2.13. Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали

На рис. 2

.13 приведена диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали.

По оси ординат откладывается усилие

Р, МН, по оси абсцисс − деформация

Р, МН

ост

Δl

Δl, мм

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.4. Свойства материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -32-

(абсолютное удлинение) образца ∆l, мм. Эта диаграмма получается при мед-

ленном увеличении растягивающего усилия вплоть до разрыва испытуемого

образца.

Напряжение σ, МПа, определяется как отношение усилия Р к площади

поперечного сечения образца

, мм

σ =

P / F

На диаграмме можно отметить несколько характерных точек. Участок

А является отрезком прямой и показывает, что до точки А удлинение

образца пропорционально нагрузке: каждому приращению нагрузки соответ-

ствует одинаковое приращение деформации. Такая зависимость между

удлинением образца и приложенной нагрузкой

соответствует пределу

пропорциональности

пц

При дальнейшем нагружении образца наблюдается отклонение от

закона пропорциональности: на диаграмме появляется криволинейный

участок, но до точки

D деформации образца упругие. Напряжение, до

которого образец получает только упругую деформацию, называется

пределом упругости

упр

, МПа, и определяется по формуле

упр

= P

Точкой

С на диаграмме отмечено начало горизонтальной площадки,

которая показывает, что образец удлиняется без увеличения нагрузки: металл

как бы течет. Напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки

продолжается деформация образца, называется

физическим пределом

текучести

, МПа, и определяется по формуле

= P

где

– нагрузка в точке С.

Текучесть характерна лишь для низкоуглеродистой отожженной стали

и для латуни некоторых марок. Стали с большим массовым содержанием

углерода и другие металлы не имеют площадки текучести на диаграмме

растяжения. Для таких металлов определяют условный предел текучести σ

0,2

при котором растягиваемый образец получает остаточное удлинение, равное

0,2 % своей расчетной длины:

0,2

= Р

0,2

Точка

В показывает наибольшую нагрузку, которую может выдержать

образец. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей

разрушению образца, называется

временным сопротивлением разрыву или

пределом прочности σ

и определяется по формуле

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.4. Свойства материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -33-

= Р

max

где

max

– нагрузка в точке В.

При разрыве в точке

К упругая деформация ∆l

упр

исчезает (она в любой

точке кривой соответствует отрезку, отсекаемому на оси абсцисс нормалью

этой точки и прямой, проведенной из этой точки и параллельной отрезку 0

А).

Длина образца увеличилась на абсолютное

остаточное удлинение – ∆l

ост

значение которого указано на оси абсцисс диаграммы растяжения и опреде-

ляет пластичность испытуемого материала.

Пластичность – это способность материала получать остаточное изме-

нение формы и размера без разрушения.

Для оценки пластичности металла важно знать относительное удлине-

ние δ, %, и относительное сужение площади поперечного сечения Ψ, %.

Относительное удлинение определяют по формуле

δ =

,100100

ост

0к

−=

−

где

– длина образца после разрыва (конечная), мм; l

–

первоначальная длина образца, мм.

Относительное сужение определяют по формуле

,100

к0

−

где

– начальная площадь поперечного сечения образца, мм

; F

–

площадь в месте разрыва, мм

У хрупких металлов относительное удлинение δ и относительное

сужение Ψ близки к нулю, у пластичных металлов они достигают нескольких

десятков процентов.

Модуль упругости Е, МПа, – отношение напряжения в металле при

растяжении к соответствующему относительному удлинению в пределах

упругой деформации (отрезок 0

В на диаграмме растяжения):

Е = σ

δ.

Модуль упругости характеризует жесткость металла, его сопротивле-

ние деформации.

Таким образом, при статическом испытании на растяжение определяют

характеристики прочности, упругости и пластичности.

В отличие от прочностных характеристик материала определение твер-

дости производится быстро и не требует специальных образцов.

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в

его поверхность другого, не получающего остаточных деформаций тела.

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.4. Свойства материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -34-

Сведения о твердости позволяют в некоторых случаях судить о других

механических свойствах металлов, например о прочности. Поэтому испыта-

ния на твердость широко применяют в практике. Наибольшее распростране-

ние имеют методы вдавливания твердого наконечника, рассмотренные ниже.

По методу Бринелля стальной закаленный шарик диаметром D (10; 5;

2,5; 2 или 1 мм) вдавливают в испытуемый образец силой

Р (рис. 2.14, а). В

результате на поверхности образца остается отпечаток в форме лунки

диаметром

d. Размер отпечатка (рис. 2.14, б) будет тем меньше, чем тверже

металл. Твердость по Бринеллю, НВ (Hardness Brinell), вычисляют по

формуле

НВ = P

где

Р – нагрузка на шарик, Н; F – площадь поверхности отпечатка, мм

Число твердости по Бринеллю записывают без единиц измерения.

Для испытания с использованием того или иного шарика установлен

определенный интервал нагрузок. Испытания по Бринеллю производят на

прессах ТШ (рис. 2.14,

в). В государственных стандартах и справочниках

твердость по Бринеллю при испытании шариком диаметром 10 мм и на-

грузкой 30 000 Н обозначают числом, характеризующим значение твердости,

и буквами НВ, например 185 НВ. По этому методу можно испытывать мате-

риалы твердостью не более 450 НВ.

а б в

Рис. 2.14. Определение твердости по методу Бринелля: а − схема;

б – отпечаток стального шарика на изучаемом образце;

в − пресс ТШ для измерения твердости: 1 − столик; 2 − маховик;

3 − нагрузка; 4 − закаленный шарик; 5 − электродвигатель

Метод Роквелла для определения твердости менее трудоемкий и более

универсальный. Ее определяют вдавливанием в поверхность образца алмаз-

ного конуса с углом 120° или стального шарика диаметром 1,58 мм (1/16 дюйма).

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.4. Свойства материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -35-

Образец помещают на столик 1 твердомера ТК (рис. 2.15) и вращением

маховика

2 поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом 3 или

стальным шариком, закрепленным на наконечнике

5. Вращение маховика

продолжают до достижения давления на образец 100 Н (предварительная

нагрузка), что показывает малая стрелка индикатора

6. Затем включают

основную нагрузку рукояткой

4. Вдавливание длится 5–6 с, затем нагрузка

снимается.

Твердость по Роквеллу является величиной условной, характеризую-

щей разность глубин отпечатков. Одно деление шкалы прибора соответст-

вует 2 мкм глубины проникновения алмазного конуса или шарика в образец.

Твердость обозначают числом, определяющим уровень твердости, и буквами

HR (Hardness Rockwell) с указанием шкалы твердости, например: 70 HRA, 58

HRC, 50 HRB.

Шкала А (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка − 588 Н)

применяется для особо твердых материалов, для тонких листовых мате-

риалов или тонких (0,5–1,0 мм) слоев. Измеренную твердость обозначают

HRA. Пределы измерения твердости по шкале − 70–85.

Шкала В (наконечник – стальной шарик, общая нагрузка − 981 Н)

применяется для определения твердости сравнительно мягких материалов (<

400 НВ). Пределы измерения твердости по шкале − 25–100.

Рис. 2.15. Твердомер ТК для измерения твердости по Роквеллу:

1 – столик; 2 – маховик; 3 – алмазный конус; 4 – рукоятка;

5 – наконечник; 6 – индикатор; 7 – станина

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.4. Свойства материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -36-

Рис. 2.16. Схема определения твердости по Виккерсу

Шкала С (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка − 1472 Н)

используется для твердых материалов (> 450 НВ), например закаленных

сталей. Измеренную твердость обозначают HRC. Пределы измерения

твердости по шкале − 20–67. Например: HRC 45.

Числа твердости по Роквеллу не имеют точных соотношений с числами

твердости по Бринеллю.

Метод Виккерса. При стандартном методе определения твердости по

Виккерсу в поверхность образца вдавливают четырехгранную алмазную

пирамиду с углом при вершине 136°. Отпечаток получается в виде квадрата

(рис. 2.16

), диагональ которого измеряют после снятия нагрузки.

На практике твердость по Виккерсу определяют по специальным

таблицам (по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке).

Твердость по Виккерсу указывается в единицах HV (Hardness Viсkers,

название от английского военно-промышленного концерна «Виккерс»).

Метод Виккерса применяют главным образом для материалов,

имеющих высокую твердость, а также для испытания на твердость деталей

малых сечений или тонких поверхностных слоев. Как правило, использу

ют

небольшие нагрузки: 10, 30, 50, 100, 200, 500 Н. Чем тоньше сечение детали

или исследуемый слой, тем меньше выбирают нагрузку.

Числа твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов,

имеющих твердость до 450 НВ, практически совпадают.

Механические свойства, определяемые при динамических

нагрузках. При работе деталей маши

н возможны динамические нагрузки,

при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разруше-

нию. Опасность разрушения усиливают надрезы – концентраторы напряже-

ний. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влиянием

этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на

маятниковых копрах (рис. 2.17,

а). Стандартный образец устанавливают на

две опоры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образца

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.4. Свойства материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -37-

(рис. 2.17, б). По шкале маятникового копра определяют работу К, Н,

затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику,

получаемую в результате этих испытаний, –

ударную вязкость:

SККС

где

S – площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Единица измерения ударной вязкости – джоуль на квадратный метр

(Дж/м

Предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений

трех видов: U-образным (радиус надреза r = 1 мм), V-образным (r = 0,25 мм)

и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответ-

ственно ударную вязкость обозначают КСU, КСV, КСТ.

Основным критерием ударной вязкости является КСU, включающая

две составляющие:

КСU = КС

+ КС

где КС

– работа зарождения трещины; КС

≈ КСТ – работа

распространения трещины.

а б

Рис. 2.17. Схема испытаний на ударную вязкость: а – маятниковый копер:

1 – нож; 2 – стойка; 3 – шкала; 4 – образец; 5 – ручной тормоз; 6 – основание;

7 – опоры образца; б – испытание на ударный изгиб U-образного образца

Чем острее надрез, тем меньше КС

. Критерий КСТ является критерием

трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распростране-

нию трещины.

Место над

еза

Удар

маятника

Место над

еза

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.4. Свойства материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -38-

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наибо-

лее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную

вязкость при пониженных температурах используют для определения порога

хладноломкости – температуры или интервала температур, в котором проис-

ходит снижение ударной вязкости.

Хладноломкость – свойство металлического материала терять вязкость,

хрупко разрушаться при понижении температуры. На переход от вязкого раз-

рушения к хруп

кому указывают изменения строения излома и резкое

снижение ударной вязкости. Порог хладноломкости обозначают интервалом

температур либо одной температурой t

, при которой КСТ снижается

наполовину.

Механические свойства, определяемые при переменных (цикли-

ческих) нагрузках.

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса)

испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл

напряжения – совокупность изменения напряжений между двумя его пре-

дельными значениями σ

max

и σ

min

в течение периода Т. При эксперименталь-

ном исследовании сопротивления усталости материала за основной принят

синусоидальный цикл изменения напряжения (рис. 2.18, а

), который

характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σ

min

/ σ

max

Различают симметричные циклы (R = –

1) и асимметричные (R изменя-

ется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различ-

ные режимы работы деталей машин.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под

действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств,

образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а

свойство противостоять усталости – выносливостью.

а б

Рис. 2.18. Схема испытаний на усталость:

а – диаграмма циклического изменения напряжений; б – образец

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической

нагрузки имеет ряд особенностей, а именно:

max

min

−

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.4. Свойства материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -39-

• происходит при напряжениях, меньших, чем при статической

нагрузке (меньше предела текучести или прочности);

•

начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах

концентрации напряжений. Локальную концентрацию напряжений создают

повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо

надрезы в виде следов обработки или воздействия среды;

•

протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопле-

ния повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное

развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и

быстрое окончательное разрушение;

•

имеет характерное строение излома, отражающее последователь-

ность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места

образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома (см. рис. 2.19

Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие

размеры и гладкую поверхность.

Зону усталости формирует последовательное развитие трещины уста-

лости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигура-

цию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины

усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся

рабочем сечении напряжения не возрастут н

астолько, что вызовут его

мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует

зона долома.

Рис. 2.19. Излом усталостного

разрушения: 1 – очаг зарождения Рис. 2.20. Кривые усталости

трещины; 2 – зона усталости; для стали (1) и цветных металлов (2)

3 – зона долома

О способности материала работать в условиях циклического нагруже-

ния судят по результатам испытаний образцов на усталость. Их проводят на

специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение

(растяжение-сжатие, изгиб, кручение). Образцы (не менее 15 шт.) испыты-

max

ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ, ИХ СТРОЕНИЕ, СВ-ВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

2.4. Свойства материалов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -40-

вают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число

циклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривой

усталости, которая (в логарифмических координатах: максимальное напряже-

ние цикла σ

max

– число циклов нагружений N) состоит из участков прямых

линий (рис. 2.20

). Горизонтальный участок определяет напряжение, которое

не вызывает усталостного разрушения после неограниченно большого или

заданного (базового N

) числа циклов. Это напряжение представляет собой

физический предел выносливости σ

(R – коэффициент асимметрии цикла)

при симметричном цикле σ

−1

Наклонный участок кривой усталости характеризует ограниченный

предел выносливости σ

, который может выдержать материал в течение

опреде-ленного числа циклов N

Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при

невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального участка

характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих

при высоких температурах или в коррозионной среде. Такие материалы

имеют только ограниченный предел выносливости.

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии вынос-

ливости:

циклическую прочность – физический предел выносливости. Она

характеризует несу

щую способность материала, т. е. то наибольшее напряже-

ние, которое он способен выдержать за определенное время работы;

циклическую долговечность – число циклов (или эксплуатационных

часов), которые выдерживает материал до образования усталостной трещины

определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном

напряжении.

Железо

– металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная

масса 55,85. Технические сорта железа содержат 99,8–99,9 % Fe. Темпе-

ратура плавления железа 1539 °С. Известны две полиморфные модификации:

α и γ. Модификация α-Fe существует ниже 911 °С и выше 1392 °С, имеет

решетку ОЦК с периодом 0,286 нм (при 20–25 °С). Для интервала температур

1392–1539 °С α-железо нередко обозначают ка

к δ-железо.

До температуры 768 °С α-железо магнитно (ферромагнитно). Критичес-

кую точку (768 °С), соответствующую магнитному превращению, т. е. пере-

ходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой

Кюри и обозначают А

Модификация γ-Fe существует в интервале температур от 911 до 1392

°С, имеет ГЦК-решетку, период которой при 911 °С равен 0,364 нм. Решетка