Основные сведения о материалах (стр. 2 из 4)
Для определения механических свойств материалов специальные образцы или готовые изделия испытывают в соответствии с требованиями ГОСТов. Испытания образцов 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.
Механические свойства оцениваются численным значением напряжения.
Напряжение — мера внутренних сил, возникающих в образце под влиянием внешних воздействий (сил, нагрузок) . Напряжение служит для оценки нагрузки, не зависящей от размеров деформируемого тела.
Напряжения, действующие вдоль оси образца, на*1 зывают нормальными и обозначают а (сигма). Нормальные напряжения в паскалях определяются отношением сил Р в ньютонах, действующих вдоль оси детали или образца, к площади их поперечного сечения Sв квадратных метрах:а = P/S.
Нормальные напряжения в зависимости от направления действующих нагрузок бывают сжимающими (рис. 1,а) и растягивающими (рис. 1,б).
Напряжения, действующие перпендикулярно оси образца, называют касательными и обозначают т (тау). Под действием касательных напряжений происходит деформация среза (рис. 1,г).
Напряжения, определяемые при механических испытаниях образцов на специальных машинах, 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. 1,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. 1,д), например, когда у стяжных болтов затягивают гайки.
Прочность — способность материалов воспринимать, не разрушаясь, различные виды нагрузок, вызывающих внутренние напряжения и деформации. В зависимости от характера действия внешних сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ползучесть и усталость.
Определение прочности на растяжение — наиболее важный и распространенный вид механических испытаний материалов (ГОСТ 1497—73). Образцы определенном формы м размеров испытывают на специальных разрывных машинах. Стандартный образец (рис. 2) закрепляют головками диаметром Dв машине и медленно нагружают с постоянной скоростью. В результате возрастающей нагрузки происходит растяжение образца вплоть до разрушения по диаметру d0. При испытании производится автоматическая запись диаграммы растяжения (рис. 3), представляющей собой графикизменения длины образца А в зависимости от приложенной нагрузки Р. Определенные точки на диаграмме растяжения р, с, s, Ъ отражают наиболее важные характеристики прочности: предел пропорциональности, условные пределы упругости, текучести и прочности.
Рис. 2. Образец для испытания на растяжение
Рис. 3. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
Предел пропорциональности (точка р на диаграмме растяжения) — это наибольшее напряжение, возникающее под действием нагрузки Рпц, до которого деформации в металле растут прямо пропорционально нагрузке. При этом в образце возникают только упругие деформации. При дальнейшем увеличении нагрузки деформации образца будут остаточными.
Условный предел упругости (точка с на диаграмме растяжения)—это напряжение, возникающее под действием нагрузки . при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,05 % первоначальной длины образца. Практически предел упругости очень близок пределу пропорциональности.
Условный предел текучести ат (точка s на диаграмме растяжения) — это напряжение, возникающее под действием нагрузки Рт, при котором остаточное удлинение достигает заданного значения, обычно 0,2 %, ноиногда 0,1 или 0,3 % и более. 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 ав(точка Ь на диаграмме растяжения) — условное наибольшее напряжение, возникающее под действием нагрузки Рв, при котором происходит наибольшая равномерная по всей длине деформация образца. После точки s на участке sbдиаграммы растяжения при дальнейшем увеличении нагрузки в образце развивается интенсивная пластическая деформация. До точки bобразец удлиняется равномерно по всей длине. В точке Ъ начинается резкое уменьшение поперечного сечения образца на коротком участке с образованием так называемой шейки.
Характеристиками прочности пользуются при расчетах на прочность деталей машин. Практическое значение пределов пропорциональности, упругости и текучестисводится к тому, чтобы определить численное значение напряжений, под действием которых могут работать детали в машинах, не подвергаясь остаточной деформации сгпр или подвергаясь деформации на небольшую допустимую величину.
Пластичность — способность материалов под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные (пластические) деформации после устранения этих сил. Пластические свойства испытываемого образца 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 относительные удлинение и 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 — способность материалов сопротивляться пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое при местных контактных силовых воздействиях. Твердость обычно оценивается сопротивлением вдавливанию в поверхность металла индикатора из более твердого материала. Твердость можно определять непосредственно на деталях без их разрушения. Измерение твердости металлов и сплавов используют как метод оценки их механических свойств.
По твердости материала судят о других его свойствах. Например, для многих сплавов чем выше твердость, тем больше прочность на растяжение, выше износостойкость; как правило, сплавы с меньшей твердостью легче обрабатываются резанием.
На практике твердость определяют преимущественно двумя способами. Если твердость исследуемого материала меньше, чем твердость закаленной стали, то твердость измеряют по Бринеллю, если же твердость исследуемого материала больше, чем твердость закаленной стали, то твердость измеряют по Роквеллу.
При измерении твердости по Бринеллю (ГОСТ 22761—77) шарик из термически обработанной стали или карбида вольфрама диаметром D2,5 или 1 мм вдавливают в испытуемый металл под действием определенной нагрузки и выдерживают под этой нагрузкой в течение 10 с при испытании черных металлов и в течение 30 или 60 с при испытании цветных металлов (рис. 4). В результате вдавливания шарика на испытуемом металле получается отпечаток. Подмикроскопом измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях диаметр отпечатка d, по которому и определяют твердость металла или сплава по таблицам твердости.
Рис. 4. Схема опеделения твердости по Бринеллю
Рис. 5. Схема определения твердости по Роквеллу
Чем тверже металл, тем меньше получается диаметр отпечатка. Твердость по Бринеллю обозначают НВ и измеряют в МПа. Обозначение НВ дополняется индексами, указывающими условия измерения, в следующем порядке: первая цифра перед НВ указывает
При измерении твердости по Роквеллу (ГОСТ 22975—78) алмазный конус с углом при вершине 120° вдавливают в испытуемый металл (рис. 5) сначала под действием предварительной нагрузки Рп, которую не снимают до конца испытания. Под нагрузкой Ра алмазный конус вдавливается на глубину й0. Затем к предварительной нагрузке Р<, добавляют основную Рь под действием которой алмазный конус вдавливается на глубину h. Через 1...3 с после того, как стрелка на шкале прибора остановится, основная нагрузка Piавтоматически снимается. Стрелка прибора показывает на шкале твердость метлла в условных единицах твердости. При использовании алмазного конуса отсчет твердости ведут по шкале N.
При измерении твердости по Роквеллу мягких материалов алмазный конус на приборе заменяют стальным шариком диаметром
1.6 мм и отсчет твердости ведут по шкале Т.
Твердость по Роквеллу обозначают индексами, указывающими условия измерения. Например, 65HRN15 указывает твердость 65 единиц по шкале N при нагрузке 147 Н (15 кгс); 49 HRT 30 — твердость 49 единиц по шкале Т при нагрузке 294 Н (30 кгс).