Випробування механічних властивостей і випробування довговічності матеріалів

Випробування механічних властивостей і випробування довговічності матеріалів

40

Зміст

• Вступ
• Розділ 1. Теоретичні аспекти механічних властивостей і випробування довговічності матеріалів
• 1.1 Конструкційна міцність матеріалів і способи її підвищення
• 1.2 Класифікація і методи визначення механічних властивостей
• 1.3 Механічні властивості, які визначають при динамічному навантаженні
• Розділ 2. Практичне використовування випробувань механічних властивостей
• 2.1 Випробування механічних властивостей
• 2.2 Динамічні випробування
• 2.3 Трибологічне випробування
• Висновки
• Список використаних джерел

Вступ

Дана робота за своєю цілеспрямованістю призначена для студентів машинобудівельних спеціальностей, які навчаються за напрямком «Інженерна механіка».

Актуальність теми роботи має особливості, що пояснює її направленість. Відомо, що виробництво продукції машинобудування в різних галузях (верстатобудування, будівельні машини, транспорт та інші) є одним із найбільш металоемних. Величезну кількість металопродукції споживає цивільне, транспортне та промислове будівництво.

В зв'язку із зростанням інтенсивності навантажень на машини та обладнання, підвищення етажності будівель, зростанням швидкісних характеристик, транспортних засобів значно підвищуються вимоги до показників надійності металевих конструкцій та окремих деталей. Саме правильний вибір матеріалу деталі, технології її механічної та термічної обробки забезпечує надійну роботу всієї конструкції.

В процесі створення конструкції в цілому і окремих її частин інженер-фахівець повинен провести аналіз умов експлуатації конструкції, визначити діючі навантаження і розраховувати напружений стан елементів. На базі міцносних розрахунків визначитись із особливостями конструкції та технологією виготовлення. Помилки на цих етапах, призводять до підвищеного рівня діючих напруг, що в свою чергу, сприяє виникненню і подальшому розповсюдженню мікро - та макротріщин, а також руйнуванню, тобто суттєво впливають на надійність конструкцій.

Особливо великий вплив на конструкційну міцність мають конструктивно-технологічні і експлуатаційні фактори при дії повторно-змінних навантажень, які в реальних неоднорідних конструкціях "провокують" утворення тріщин від втомленості. Виходячи зі сказаного, розрізняють теоретичну і технічну конструкційну міцність.

Показники надійності в цілому визначаються фізико-механічними властивостями конструкційних матеріалів як металічних, так і неметалічних. Фізико-механічні властивості визначають характер і величину деформування, зношування, вібраційну і корозійну стійкість і т.ін.

Визначення механічних властивостей починається ще на стадії виробництва металів і сплавів для забезпечення їх якісних показників. Коли споживач підбирає матеріал для виготовлення тих чи інших конструкцій, то головним критерієм виявляється саме рівень механічних характеристик з урахуванням умов експлуатації цих конструкцій. Значний вплив на механічні характеристики матеріалів здійснюється при виготовлені продукції і під час їх експлуатації (температура, тиск, агресивність середовища і т. ін.). Тому необхідно проводити періодичний контроль механічних властивостей з метою виявлення небезпечних ділянок конструкції або окремої деталі, а також для оцінки залишкового ресурсу їх роботоздатності. Різноманітність умов експлуатації потребує великої кількості механічних випробовувань, але при цьому можливо виділити такі основні класифікаційні ознаки:

характер навантаження (розтягування, стискання, згин, циклічне навантаження та ін.);

швидкість навантаження (статичні або динамічні);

3) термін процесу випробувань в часі (короткочасні, тривалі).

Розділ 1. Теоретичні аспекти механічних властивостей і випробування довговічності матеріалів

1.1 Конструкційна міцність матеріалів і способи її підвищення

Конструкційна міцність матеріалів - це складна комплексна характеристика, яка вміщує в собі фізико-механічні властивості матеріалів, а також показники надійності і довговічності робити їх в реальній конструкції. Забезпечується висока надійність оптимальним сполученням показників міцності, пластичності і ударної в'язкості. Конструкційна міцність матеріалів суттєво нижче міцності матеріалів зразків при лабораторних вимірюваннях. Це пояснюється головним чином геометричними формами конструкцій, для яких характерними є різкі переходи від одного перетину до другого, присутністю отворів і інших елементів, які викликають концентрацію напруг. До цього ж якість поверхні реальних деталей відрізняється від якості поверхні лабораторних зразків. Також суттєво впливає на показники міцності реальних деталей технологія їх виготовлення і, насамперед процеси зварювання, при яких крім порушення однорідності матеріалу виникають зварювальні термічні напруги.

Особливо великий вплив на конструкційну міцність мають конструктивно-технологічні і експлуатаційні фактори при дії повторно-змінних навантажень, які в реальних неоднорідних конструкціях "провокують" утворення тріщин від втомленості. Виходячи зі сказаного, розрізняють теоретичну і технічну конструкційну міцність.

Теоретичне значення міцності - це опір деформації і руйнуванню, який створює ідеальний бездефектний матеріал згідно з фізичними розрахунками з урахуванням сил міжатомної взаємодії. Такі значення наведеш вище по результатам експериментів.

До технічних характеристик міцності відносять:

тимчасовий опір (межа міцності) - ;

межа текучості - , або умовна межа текучості - ;

межа пружності - , або умовна межа пружності -;

межа витривалості -

Критеріями пластичності є відносне видовження - д, відносне звуження ш і ударна в'язкість, яка характеризує питому роботу руйнування при динамічному навантаженні.

Найбільш важливою характеристикою пластичності являється відносне звуження - ш, яке визначає здатність матеріалу до локальних пластичних деформацій. Чим більша ця величина, тим менша імовірність утворення тріщин.

Разом з тим вище названий перелік показників міцності і пластичності не завжди дозволяє прогнозувати поведінку реальної конструкції або деталі. Особливо це проявляється при використанні високоміцних матеріалів, для яких характерною є підвищена крихкість. В зв'язку з цим важливо враховувати також показники опору матеріалу крихкому руйнуванню:

в'язкість руйнування, яка характеризує роботу розвитку тріщини;

поріг холодноламкості Т50, який визначає запас в'язкості і імовірність переходу матеріалу в крихкий стан;

Основні механізми підвищення конструкційної міцності направлені на створення дрібнозернистої структури з розвинутою внутрішньою субструктурою. Не менш важливими є методи направлені на "заліковування" субмікроскопічних тріщин, що зменшує концентрацію напруг в локальних зонах. Такими механізмами являються:

деформаційне зміцнення (наклеп);

твердорозчинне зміцнення (легування);

зернограничне зміцнення (подрібнення зерен при модифікуванні, легуванні, термообробці);

дисперсне зміцнення, при якому відбувається виділення всередині зерен твердого розчину високодисперсних рівномірно-розподілених частинок зміцнюючи фаз (наприклад, гартування і старіння).

Перечисленні методи зміцнення забезпечують найкраще сполучення міцносних і пластичних характеристик з низькою температурою в'язко-крихкого переходу (поріг холодноламкості). На цих методах базуються основні сучасні технологічні процеси термічної, хіміко-термічної, термомеханічної обробки, легування, модифікування і т. ін.

1.2 Класифікація і методи визначення механічних властивостей

Визначення механічних властивостей починається ще на стадії виробництва металів і сплавів для забезпечення їх якісних показників. Коли споживач підбирає матеріал для виготовлення тих чи інших конструкцій, то головним критерієм виявляється саме рівень механічних характеристик з урахуванням умов експлуатації цих конструкцій. Значний вплив на механічні характеристики матеріалів здійснюється при виготовлені продукції і під час їх експлуатації (температура, тиск, агресивність середовища і т. ін.). Тому необхідно проводити періодичний контроль механічних властивостей з метою виявлення небезпечних ділянок конструкції або окремої деталі, а також для оцінки залишкового ресурсу їх роботоздатності. Різноманітність умов експлуатації потребує великої кількості механічних випробовувань, але при цьому можливо виділити такі основні класифікаційні ознаки:

характер навантаження (розтягування, стискання, згин, циклічне навантаження та ін.);

швидкість навантаження (статичні або динамічні);

3) термін процесу випробувань в часі (короткочасні, тривалі).

В результаті механічних випробувань матеріалів визначають наступні характеристики: пружність, міцність, пластичність, твердість, втомленість, тріщиностійкість, холодноламкість.

Механічні властивості, які визначають при статичному навантаженні

Статичними вважають випробування, при яких навантаження на випробуємий зразок зростає повільно і плавно. Найбільш поширеними є випробування на розтягування, які дозволяють отримати достатню інформацію про такі важливі механічні характеристики матеріалу, як пружність, текучість, міцність. Для випробувань використовують стандартні циліндричні або плоскі зразки, по результатами деформування яких будують діаграму розтягування в координатах „навантаження -абсолютне видовження" або „напруги - відносні деформації". На діаграмі розтягування можливо виділити три характерних області (див. рис.1.1, крива 2):

- ОА - область пружної деформації, в межах якої зберігається прямопропорційна залежність між напругою і відносною деформацією.

Напругу, що відповідає точці А називають межею пропорційності . Звичайно визначають умовну межу пропорційності. Це напруга такої величини, при якій tg кута нахилу, утвореного дотичною до кривої деформації з віссю напруг, збільшується на 50% свого значення на пружній (лінійній) ділянці. Оскільки значення дуже близькі до межі пружності - С, їх значення часто ототожнюють.

Умовна межа пружності визначається як напруга, при якій залишкова деформація сягає < 0,05% початкової довжини зразка:

АВ - область початку пластичного деформування. Напруга, при якій матеріал починає пластично деформуватися і в подальшому тече без помітного збільшення навантаження називається фізичною межею текучості - . Горизонтальна ділянка діаграми "у-д"(Рис. 1.1, крива 1) називається площадкою текучості. Для багатьох металів і сплавів, що зміцнюються і площадка текучості відсутня, використовують поняття умовної межі текучості , яке використовують в міцносних розрахунках. Умовна межа текучості - це напруга, при якій залишкове видовження сягає 0,2% від початкової розрахункової довжини. Величиною в умовах нормальних температур визначаються міцносні класи матеріалів. Наприклад, для сталей - низька міцність вважається при = 650 МПа; середня - 650/1З00МПа; висока - ? 1300..1400МПа.

ВС - область утворення і розвитку тріщин. Межа міцності (тимчасовий опір) - -- це найбільша напруга, яка виникає в матеріалі перед руйнуванням зразка. Оскільки в пластичних матеріалах в результаті пластичного деформування зменшується площа перетину зразка -- утворюється шийка, то дійсний опір руйнуванню змінюється. Дійсна межа тимчасової міцності - Sтч визначається відношенням навантаження в момент руйнування до площі поперечного перетину в місці руйнування:

Механічні властивості матеріалів , , , д = ш і модуль пружності Е являються базовими при постачанні конструкційних матеріалів, а також при виборі їх для виготовлення конструкцій і деталей. Ці показники входять до розрахункових методик, при визначенні міцності і ресурсу робото здатності.

Твердістю називають властивість матеріалу чинити опір пластичній деформації при контактній взаємодії іншого, більш твердого тіла індентора - з поверхневими шарами матеріалу.

Вимірювання твердості є технологічною пробою і може служити показником якості процесів термічної, хіміко-термічної і термомеханічної обробки, пластичного деформування на ін. За показниками твердості можливо посередньо отримати уяву і про інші фізико-механічні властивості (міцність, пружність, зносостійкість). Застосовують такі методи визначення твердості: вдавлювання, дряпання, відскоку бойка, коливання маятника. Найбільш поширеним є метод вдавлювання інденторів різної форми і інших навантаженнях. Ці методи потребують виготовлення зразків. Якщо вимірювання необхідно проводити безпосередньо на конструкції, то використовують переносні прилади динамічної дії.. Роздивимось основні методи вимірювання твердості.

Метод Брінелля (ГОСТ 9012-83) заснований на тому, що твердість вимірюють вдавлюванням у зразок (виріб) загартованої кульки діаметром 10 мм, 5мм або 2,5 мм при сталому навантаженні. Кількісну величину твердості отримують як частку відділення навантаження (Р, МН) на площу поверхні утвореного відбитка (F, мм2).

Позначають твердість літерою Н1 з відповідним позначенням методу: приклад, твердість за методом Брінелля - В, Роквелла - її і т.п. Таким чином, твердість за Брінеллем, Мпа (рис. 2.23; 1):

IIлоща поверхні утвореного шарового сегмента, мм :

де, D діаметр кульки; h глибіна видбитка.

Оскільки глибину відбитка h вимірювати складніше, ніж його діаметр, то звичайно h виражають через діаметр кульки D і діаметр відбитка d

(рис.1.1; 1а):

При визначенні твердості за Брінеллем кульками різних діаметрів і для забезпечення можливості їх порівняння навантаження вибирають виходячи з умов подібності:

де R=300;100;25 - стала для даного матеріалу.

Подібність відбитків при різних D і Р забезпечується при умові, коли кут ш, залишається постійним при зміні діаметра кульки - індентора і величини навантаження. Виходячи зі схеми навантаження співвідношення діаметра відбитка і кульки:

Підставимо. Тоді:

Твердість НВ залишається постійною при P/D2 =соnst і ш=соnst. На базі цього стандартом рекомендуються діаметри кульки і навантаження у залежності від твердості матеріалу і товщини зразка, які наведені в таблиці 1.2.

Метод Брінелля використовують для матеріалів, які мають обмежену твердість (до 4500 МПа), що пов'язано з можливістю деформування сталевої кульки - індентора. Числові значення твердості матеріалів залежно від діаметрам відбитка розраховані і зведені до спеціальної таблиці.

Між тимчасовим опором і числом твердості НВ різних металів існує наступна орієнтовна залежність:

Таблиця 1.1

Залежність між тимчасовим опором і числом твердості НВ

Сталі, які мають твердість НВ. МПа	МПа
1200 1750	0,34НВ
1750-4500	0.35HB
Мідь, латунь, бронза:
відпалена	0,55 НВ
Наклепана	0,4 HВ
Алюміній і його сплави, які мають
твердість НВ: 200 450	(0.33 -0,36)НВ
Дюралюміній:
відпалений	0,36НВ
після гартування і старіння	0.35HВ

Метод Роквелла (ГОСТ 9013-83) заснований на тому, що твердість вимірюють вдавлюванням алмазного конуса з кутом при вершині 120° (рис. 1.2,6), або сталевої кульки діаметром 1,588 мм (рис.1.2,в). Оцінюють твердість за глибиною відбитка, а чисельні значення відраховують безпосередньо за шкалами індикатора приладу. Індикатор має три шкали: А, В і С. Для матеріалів, що мають твердість НВ<4500Мпа (кольорові метали та їх сплави, сталі після високого та середнього відпуску) використовують шкалу В, і при вимірюванні вдавлюється кулька під навантаженням 1000Н. Позначення твердості при цьому - HRB.

Алмазний конус використовують при випробуванні більш твердих сталей (НВ<6800МПа), при цьому звичайно використовують шкалу С з навантаженням 1500Н.

Таблиця 1.2

Вибір діаметрів кульки і навантаження в залежності від твердості і товщини зразка

Мат-л	Інтервал твердості, МПа	Мінімальна товщина зразка, мм	Співвідношення між навантаженням і діаметром кульки К=Р/D2	Діаметр кульки, мм	Навантаження Р.Н	Витримка під навантаженням, с
Чорні метали	4500......1400	6-3 4-2 2	300	10 5 2,5	30000 7500 1875	10
	<1400	6 6-3 3	100	10 5 2.5	10000 2500 625	10
Кольорові метали	>1300	6-3 4-2 2	300	10 5 2,5	30000 7500 1875	30
	350......1350	9-3 6-3 3	100	10 5 2,5	10000 2500 625	ЗО
	80...350	6 6-3 3	25	10 5 2,5	2500 625 156	60

Для матеріалів твердість НВ = 4000...7800 Мпа використовують шкалу А з навантаженням 600Н. Відповідні позначення - HRC і HRA. Ряд навантажень 600; 1000 і 1500Н. При цьому навантаження Р вміщують у собі попереднє навантаження Р0=100Н. Твердість за Роквеллом визначають в умовних одиницях. За одиницю твердості взята величина, яка дорівнює осьовому переміщенню індентора на 0,002мм.

При вимірюванні алмазним конусом і кулькою діаметром 1,588 мм можна розрахувати твердість згідно з формулами для шкал А і С НRА і НRС=100-Е; для шкали В:НRВ=130-Е.

Рис 1.1 Схеми випробувань твердості за методами: 1 - Брінелля; 2 - Роквелла; 3 - Віккерса; 4 - Польді

Величину Е визначають як відношення:

де h - глибина занурення індентора під дією загального навантаження; h0- те саме, під дією попереднього навантаження 100Н.

Випробування за методом Роквелла проводять на зразках або деталях.

Таблиця 1.3

Таблиця для визначення типу індентора, навантаження і шкали при вимірюванні твердості за Роквеллом.

Шкала	Позначення твердості за Роквеллом	Тип індентора	Межі вимірювання в одиницях твердості за Роквеллом	Навантаження, H	Відповідна твердість за Брінеллем
А	HRA	Алмазний конус	70... 89	600	3750...782(
В	HRB	Сталева кулька	20...100	1000	1050...240
С	HRC	Алмазний конус	22.69	1500	2410...683»

Страницы: 1, 2