Механические свойства металлов и сплавов

Полякова Татьяна Алексеевна

Ангарский автотранспортный техникум.

I.Прочность

• Способность металла(сплава) сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок

​

Деформации:

• СТАТИЧЕСКИЕ-

Нарастающие медленно от 0 до некоторого максимального значения и далее остаются постоянными

ДИНАМИЧЕСКИЕ-Возникающие в результате удара,

когда действие нагрузки исчисляется долями секунд

Пример нагрузок

Динамические нагрузки

1. Создают люди в зданиях;
2. Грузовые автомобили на мосту;
3. Станки в цеху;
4. Гидротурбина в машинном зале

ГЭС;

Нагрузки, которые нельзя оценить

1. Удар ветра;
2. Температурные колебания;
3. Землетрясение;

Статические нагрузки

​

1. Здания на фундаменте;
2. Механическое

оборудование, закрепленное на определенном месте; 

Виды деформации:

• Сжатие

​

• Растяжение

​

• Изгиб

​

• Срез

​

• Кручение

Разрывная машина- устройство для проведения испытания образца на прочность

• Образец выполняют по ГОСТам- испытывают на сжатие и растяжение

Диаграмма условных напряжений�(Растяжение)

• Напряжение- σ (σ = P/A₀, где A₀ — исходная площадь поперечного сечения) и линейной деформации ε (ε = Δl/l₀ ).
• при этом не учитывается изменение площади поперечного сечения образца в процессе испытания.

Типичная диаграмма σ — ε для алюминиевых сплавов

• �1. Предел прочности �2. Условный предел текучести (σ_0.2)�3. Предел пропорциональности�4. Точка разрушения�(Деформация при условном пределе текучести (обычно, 0,2 %)

Типичная диаграмма σ — ε для малоуглеродистой стали

• �1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению)�2. Предел текучести (верхний)�3. Точка разрушения�4. Область деформационного упрочнения�5. Образование шейки на образце

Классификация материалов по остаточному удлинению:

• δ = (l_к − l₀)/l₀, где l₀ и l_к — начальная и конечная длина рабочей части образца), обычно вычисляемое в процентах. :
• пластичные (δ ≥ 10 %);
• малопластичные (5 % < δ < 10 %);
• хрупкие (δ ≤ 5 %).

​

II.Твердость

• Это свойства металла (сплава) оказывать сопротиление проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации.
• Метод определения твердости металла был предложен шведским инженером Юханом Августом Бринеллем (1849—1925)

Методика проведения испытания

• Этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале подводят образец к индентору, затем вдавливают индентор в образец с плавно нарастающей нагрузкой в течение 2-8 с, после достижения максимальной величины, нагрузка на индентор выдерживается в определенном интервале времени (обычно 10-15 с для сталей). Затем снимают приложенную нагрузку, отводят образец от индентора и измеряют диаметр получившегося отпечатка. В качестве инденторов используются шарики из твердого сплава диаметром 1; 2,5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала, который разделен на 5 основных групп:
• 1 — сталь, никелевые и титановые сплавы;
• 2 — чугун;
• 3 — медь и сплавы меди;
• 4 — легкие металлы и их сплавы;
• 5 — свинец, олово.
• Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твердости образцов. При выборе условий испытаний следят за тем, чтобы толщина образца, как минимум, в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора.

Твердомеры-�проведение испытания на твердость

�Метод Бринелля- вдавливается стальной шарик�Метод Роквелла- вдавливается алмазный конус, стальной шарик�Метод Виккерса- вдавливается алмазная пирамидка

• Твёрдость по Бринеллю HB рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка (метод восстановленного отпечатка):
• ,

​

​

• где F  — приложенная нагрузка, Н;
• D — диаметр шарика, мм;
•  d— диаметр отпечатка, мм,
• или как отношение приложенной нагрузки к площади внедренной в материал части индентора (метод невосстановленного отпечатка):

​

​

• где h  — глубина внедрения индентора, мм.

​

��Пример обозначения твердости по Бринеллю:�600 HBW 10/3000/20,�

• где 600 — значение твердости по Бринеллю, кгс/мм²;
• HBW — символьное обозначение твердости по Бринеллю;
• 10 — диаметр шарика в мм;
• 3000 — приблизительное значение эквивалентной нагрузки в кгс (3000 кгс = 29420 Н);
• 20 — время действия нагрузки, с.

​

Методика проведения испытаний и расчёт твёрдости

• Отпечаток индентора на эталонном образце.�Твёрдость 96,5 HBW 10/1000/10

Типичные значения твёрдости для различных материалов

Недостатки методики Бринелля

• Метод можно применять только для материалов с твердостью до 650 HBW.
• Твёрдость по Бринеллю зависит от нагрузки (обратный размерный эффект - reverse indentation size effect).
• При вдавливании индентора по краям отпечатка из-за выдавливания материала образуются навалы и наплывы, что затрудняет измерение как диаметра, так и глубины отпечатка.
• Из-за большого размера тела внедрения (шарика) метод неприменим для тонких образцов.

​

Преимущества�

• Зная твёрдость по Бринеллю, можно быстро найти предел прочности и текучести материала, что важно для прикладных инженерных задач:
• Так как метод Бринелля — один из самых старых, накоплено много технической документации, где твёрдость материалов указана в соответствии с этим методом.
• Данный метод является более точным по сравнению с методом Роквелла на более низких значениях твёрдости (ниже 30 HRC).
• Также метод Бринелля менее критичен к чистоте подготовленной под замер твёрдости поверхности.

​

�твердость по Бринеллю обозначают только числовым значением твердости и символом НВ или HBW: например, 185 HB, 600 HBW.�

Примеры:

• 250 HВ 5/750 /10
• 575 HBW 2,5/187, 5/30 -

​

III.Ударная вязкость

• Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника,который поднимают на определенную высоту.

Схема ударного испытания образцов на маятниковом копре

• При падении маятник ударяет по образцу, разрушает его и поднимается в положение II на высоту  h. Для остановки маятника имеется тормоз.

Расчет вязкости материала

• Выразив высоту маятника в положении до и после удара через пишу маятника l и углы α и β, получим выражение для определения работы, затраченной на деформацию и разрушение образца:
• К= Gl (cos β - cos α),
• где α — угол начального подъема маятника; β — угол подъема маятника после разрушения образца, фиксируемый на шкале 3 (см. Рис. 1).
• Масса груза и длина маятника известны. Угол α является величиной постоянной. Зная угол β по результатам испытаний, определяют работу К и ударную вязкость КС.

​

• Образцы с V-образным надрезом являются основными и их и используют при контроле металлопродукции для ответственных конструкций (транспортных средств, летательных аппаратом др.), а образцы с U-образным надрезом применяют при приемочном контроле металлопродукции; образцы с Т-образным надрезом предназначены для испытания материалов, работающих в особо ответственных конструкциях.
• При испытании металлов на удар определяют ударную вязкость, которую обозначают КС. Ударная вязкость КС - это отношение работы К разрушения стандартного образца к площади его поперечного сечения F в месте надреза:
• КС = K/F, Дж/м²

​

Обозначение вязкости

• В зависимости от вида концентратора в образце (U, V, Т) в обозначении ударной вязкости вводят третий индекс, согласно виду концентратора: KCU, KCV, 

КСТ.

Вывод:

ПРИМЕР- заполни пробелы

​

• Медь - мягкий пластичный металл розовато-красного цвета, обладающий высокой электропроводностью, теплопроводностью, коррозийной стойкостью.�В отожженном состоянии она характеризуется пределом прочности при растяжении Σ_в= 19,6 - 23,6 МПа. Твердостью по Бринеллю 35 -45 НВ.� кировка по прочности
• Алюминий - мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета, отличается высокой электропроводностью, коррозийной стойкостью, малой плотностью и хорошо обрабатывается давлением.�В отожженном состоянии алюминий обладает малой ………….Σ_в=78,5 - 118 МПа и ……. 15-25 НВ. 

�Сравнительная шкала твердости / Ранги твердости винтов, болтов и гаек

Нижеприведенная сравнительная таблица значений твердости относится только к углеродистой стали, низколегированной стали и литой стали горячего формирования, прошедшей температурную обработку. Для высоколегированной стали могут иметь место значительные различия в полученных результатах.