Свойства и методы испытания металлов

1.1. Свойства и методы испытания металлов

Свойства металлов принято подразделять на механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.

Механические свойства. Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность и др.

Прочность – способность тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации.

Вязкость – способность материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок. Поскольку многие материалы, вязкие в условиях медленного нагружения, становятся хрупкими при быстром (ударном) приложении нагрузки, то широко применяется определение

ударной вязкости.

Хрупкость – способность тела разрушаться под действием внешних сил практически без пластической деформации.

Упругость – свойство твердого тела восстанавливать свою форму и объем после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. В конструкциях упругость проявляет себя в жесткости – способности сопротивляться деформации.

Пластичность – способность тела остаточно, не разрушаясь изменять свою форму и размеры под действием внешних сил.

Механические свойства металлов определяют при статическом (кратковременном и длительном) и динамическом нагружении, при циклическом приложении нагрузки и другими методами.

Статическое нагружение характеризуется медленным приложением и плавным возрастанием нагрузки от нуля до некоторого максимального значения. Статические испытания проводят на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и твердость.

Наибольшее распространение получил метод растяжения – самый жесткий вид испытаний. Испытания проводятся на 5 или 10 кратных образцах (l₀ = 5d₀ или 10d₀, где l₀ – длина образца, а d₀ – его диаметр), что позволяет соблюдать геометрическое подобие и получать сравнимые результаты для всех металлов. Испытания на растяжение дают информацию о прочности, упругости и пластичности материалов. Рассмотрим диаграмму растяжения малоуглеродистой отожженной стали (рис. 1.1а).

Рис. 1.1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

В начальной стадии диаграммы материалы испытывают только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки «a» эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению:

σ = P/F₀,

где P — приложенная нагрузка, F₀— начальная площадь поперечного сечения образца.

Теоретический предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией:

σ_пц = P_пц/F₀.

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:

σ = Е∙ε,

где ε = Δl/l₀∙100% – относительная деформация, Δl – абсолютное удлинение, l₀ – начальная длина образца; Е – коэффициент пропорциональности (tg α), характеризующий упругие свойства материала – называется модулем нормальной упругости, с его увеличением возрастает жесткость изделий, поэтому Е часто называют модулем жесткости.

Теоретический предел упругости – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:

σ_уп = P_уп/F₀.

Прочность характеризуется пределом текучести физическим и условным.

Физический предел текучести – напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке:

σ_т = P_т/F₀.

На диаграмме пределу текучести соответствует участок «c –d», когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) — «течение» металла при постоянной нагрузке.

Большая часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести, и для них определяют условный предел текучести – напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1.1б):

σ_0,2 = P_0,2/F₀.

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.

В точке «В», где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» – сужения поперечного сечения, и деформация сосредотачивается именно на этом участке, то есть из равномерной переходит в местную. Напряжение в этот момент называют пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление) при растяжении – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:

σ_В = P_В/F₀.

За точкой «В» в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке «к» при нагрузке «Р_к» происходит разрушение образца.

Истинный предел прочности (истинное сопротивление разрушению) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом в момент, предшествующий разрушению образца:

σ_к = P

к/F_к,

где F_к – конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Твердость измеряется путем вдавливания в испытуемый образец твердого наконечника различной формы. Определение твердости проводят тремя наиболее распространенными методами.

По методу Бринелля под действием нагрузки в испытуемое тело внедряется стальной закаленный шарик. Число твердости обозначается НВ и представляет собой отношение статической нагрузки к площади поверхности отпечатка шарика.

По методу Роквелла в испытуемую поверхность в два этапа нагружения вдавливается индентор – алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик с диаметром 1,588мм. Число твердости обозначается НRС (конус) или НRВ (шар) и характеризуется разницей глубин проникновения индентора при первом и втором этапах нагружения.

По

методу Виккерса в испытуемую поверхность вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом α = 136° между противоположными гранями. Число твердости HV определяют так же, как и в способе Бринелля, отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка пирамиды.

Пример расшифровки обозначений: Н –Hard (твердость), B – Brinell, R – Rokwell, V – Vikkers, B – Ball – (шар), C – Cone (конус)

При динамических испытаниях нагрузка прилагается с большой скоростью – ударом и определяется, таким образом, ударная вязкость. Производят испытания на маятниковом копре на стандартных образцах с надрезом. Испытания при пониженных температурах позволяют определять склонность металла к хладноломкости – резкому возрастанию хрупкости.

Химические свойства. К химическим свойствам относится способность материалов к химическому взаимодействию с другими веществами и агрессивными средами.

Технологические свойства. Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам. К ним относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом и др. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью сплавов к ликвации.

Деформируемость – способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузки.

Свариваемость – способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Эксплуатационные или служебные свойства. В зависимости от условий работы машины или конструкции определяют служебные свойства: коррозийную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, износостойкость и др.

Коррозионная стойкость – сопротивление сплава действию агрессивных сред (кислотных и щелочных).

Хладостойкость – способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже нуля.

Жаропрочность – способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.

Жаростойкость – способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Износостойкость – способность материала сопротивляться разрушению поверхностных слоев при трении.

Антифрикционность – способность сплава прирабатываться к другому сплаву.

Механические свойства металлов и методы их испытаний

Механические свойства металлов.При эксплуатации на кон­струкции, детали или инструменты действуют различные внешние усилия (нагрузки). Все действующие нагрузки можно разделить на три группы:

а) постоянно плавно возрастающие и плавно уменьша­ющиеся;

б) ударные;

в) знакопеременные.

Под действием сил металл способен изменять свою форму и раз­меры, т. е. деформироваться.

 

 

Рис. 2. Виды деформаций стержня: а — растяжение;

б — сжатие; в — изгиб; г — кручение; д — срез

 

Деформации могут быть упругими и пластическими (остаточными). Упру­гие деформации исчезают после сня­тия нагрузки, а пластические остают­ся.

Величины деформаций зависят от значения действующих сил, а виды — от направления приложения сил. Наи­более часто встречаются следующие

основные виды деформаций: растяжение, сжатие, изгиб, кручение и срез. На практике металл подвер­гается одному или нескольким видам деформаций в зависимости от прила­гаемых сил.

При выборе металла для изготовле­ния конструкций, деталей, инструментов исходят из его механических свойств. Механическими свойствами называется совокупность качеств, характеризующих способность металлов противостоять деформации при приложении сил. К механическим свойствам относятся прочность, упругость, плас­тичность, твердость, вязкость, усталостная прочность (выносли­вость) и др. Чтобы определить механические свойства металла, его испытывают в лабораториях на специальных машинах.

Испытание металлов на растяжение.Испытание металлов на растяжение позволяет определить наиболее важ­ные механические свойства металлов: прочность, упругость и плас­тичность (рис.3).

 

Рис. 3. Диаграмма растяжения металлов:

а — пластичных; б — хрупких

Прочность — способность металлов сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Упругость — способность метал­лов восстанавливать первоначальную форму и размеры после пре­кращения действия нагрузок, вызвавших их изменение. Пластич­ность— способность металлов необратимо изменять свою форму и размеры, не разрушаясь под действием нагрузок. Противоположным свойством пластичности является хрупкость.

Известно, что груз приложенный к металлическому стержню, вызывает в нем растягивающие напряжения, которые определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения стержня

σ = P/F,

 

где σ — напряжение, Па;

Р — нагрузка, Н;

F— площадь попереч­ного сечения, м².

Сравнение прочности и упругости металлов проводят по величи­не предельных напряжений.

Прочность обычно определяется пределом прочности, который равен отношению максимальной (наибольшей) нагрузки, вызвав­шей разрушение стержня, к площади его первоначального попереч­ного сечения:

σ _В= Рmах / F_о

 

где Рmах — максимальная нагрузка, Н;

F_о— площадь первоначаль­ного поперечного сечения стержня, м².

Предел прочности, называемый также временным сопротивлени­ем, — важнейшая характеристика. Если напряжения в изделии, кон­струкции или инструменте превзойдут предел прочности, то они раз­рушаются.

Упругость оценивается пределом упругости, который равен от­ношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных дефор­маций стержня, к площади его первоначального поперечного се­чения

σ_уп = Руп/Fо,

 

где Руп — наибольшая нагрузка, не вызывающая остаточных де­формаций, Н.

Если напряжения в деталях превзойдут предел упругости, то они изменят свою форму и размеры, что может иметь катастрофические последствия.

Пластичность металлов характеризуется относительным удлине­нием и относительным поперечным сужением.

Относительным удлинением называется отношение приращения длины стержня после разрыва к его первоначальной длине:

ι — ι₀

δ = ──────100

ι ₀

где ι₀ — первоначальная длина образца, мм;

ι— длина образца после разрыва, мм;

ι — ι₀=۵ι — абсолютное удлинение, мм.

Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения стержня после разрыва к первона­чальной площади его поперечного сечения:

 

F₀ — F

Ψ = ────── 100

F₀

где Fо — первоначальная площадь поперечного сечения стержня;

F— площадь поперечного сечения стержня после разрыва, мм²;

Fо—F = ۵F — абсолютное сужение, мм².

Чем больше значение относительного удлинения и сужения, тем пластичнее металл. У хрупких металлов эти величины незначитель­ны или равны нулю. Хрупкость металла является отрицательным свойством, а пластичность положительным.

Испытание металлов на растяжение проводят на разрывных ма­шинах, которые обеспечивают приложение к образцам статических, т.е. постоянных или плавно возрастающих нагрузок.

Хрупкие металлы (чугун, закаленная сталь и др.), работающие на изгиб, испытывают не только на растяжение, но и на изгиб. При этом определяют предел прочности на изгиб (σ_ИЗГ) по соответствующим формулам. Испытания проводят на разрывных машинах, имеющих для этого специальные приспособления в виде двух опор, на которые укладывают образец. Посредине образ­ца создают равномерно повышающуюся нагрузку до его разру­шения.

Предел прочности на изгиб — важнейшая характеристика ме­таллов конструкций, работающих на изгиб. Испытанию на изгиб подвергают большинство судостроительных металлов.

Испытание металлов на твердость. Твердостью называется спо­собность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого материала.

В настоящее время применяют разнообразные методы испытания металлов на твердость. Наиболее распространены методы, при ко­торых в металл под действием статической нагрузки вдавливают специальный наконечник-индентор (шарик, конус или пирамиду). Эти методы называют по фамилии их авторов: Бринелля, Роквелла и Виккерса. Твердость определяют также ударным вдавливанием шарика (метод Польди) и методом упругой отдачи бойка (метод Шора).

Приближенно твердость можно оценить и по углублениям, ос­тавляемым чертилкой, кернером, зубилом и другими режущими ин­струментами. О твердости судят по глубине отпечатка, оставленно­го на металле наконечником или режущими инструментами. Чем больше глубина отпечатка при одинаковой нагрузке на внедряе­мый материал одинакового размера, тем меньше твердость и нао­борот.

Испытывая металл на твердость, можно просто и быстро опре­делить его механические свойства, причем не только в лаборатори­ях, но и на производстве. По величине твердости можно приближенно судить и о других механических свойствах металлов: прочности, износостойкости и т.п., а также обрабатываемости. Чем металл тверже, тем его труднее обрабатывать.

В зависимости от твердости выбирают металлы для изготовления тех или иных деталей, конструкций, инструментов. Рассмотрим наиболее распространенные методы испытания металлов на твердость.

Метод Бринелля заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого образца стального шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм.

Твердость по методу Бринелля выражается в числах твердости НВ (Н — твердость, В — Бринелля).

Испытание на твердость по методу Бринелля проводится на при­борах с применением плоских или круглых образцов и деталей. Для получения точных результатов на поверхности образцов не должно быть ржавчины, окалины, вмя­тин и т. п.

Метод Роквелла заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого ме­талла алмазного конуса или стального закаленного шарика диамет­ром 1,59 мм.

В приборах (твердомерах) Роквелла в отличие от при­боров Бринелля число твердости определяют непосредственно по шкале индикатора.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и обозначаются символом HR (Н — твердость, R — Роквелл). К символу до­бавляется обозначение шкалы индикатора (А, В или С), по которой измерялась твердость, и соответствующее числовое значение твер­дости.

По методу Роквелла можно испытывать мягкие и твердые ме­таллы, а также готовые изделия, так как отпечатки от наконечника незначительны. Испытание занимает мало времени (не более 50 с), не требует никаких измерений; показания читаются непосредствен­но по шкале индикатора.

Метод Виккерсазаключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого металла четырех­гранной алмазной пирамиды.

Метод Польдизаключается во вдавливании стального шарика под действием динамической (ударной) нагрузки в поверхность испытуемого металла и эталонного образца.

По соотношению площадей или диаметров отпечатков расчетным путем по таблицам определяют твердость металла. Она будет тем меньше, чем больше отпечаток на испытуемом металле по сравнению с отпечатком на эталонном образце, и наоборот.

Испытание металлов на ударную вязкость. Ударной вязкостью (динамической прочностью) называется способность металлов оказывать сопротивление действию ударных (динамических) нагрузок.

Многие детали машин, конструкции и инструменты испытывают при эксплуатации ударные нагрузки. Например, судовые конструкции подвергаются ударам волн, льда и т. п. Поэтому при их изго­товлении необходимо учитывать эту важнейшую характеристику.

Металлы, легко разрушающиеся под действием ударной нагруз­ки, называются хрупкими. Они непригодны для изготовления дета­лей, работающих в условиях ударных нагрузок. Вязкими называ­ются металлы, разрушающиеся при значительных ударных нагруз­ках и значительных пластических деформациях.

Испытание металлов на ударную вязкость проводят на механиз­мах, называемых маятниковыми копрами. Оно заключа­ется в ударном изломе (изгибе) маятником копра образца и в под­счете израсходованной работы на разрушение образца.

Маятник поднимают на некоторую высоту Н. С этой высоты он свободно падает разрушает образец и снова поднимается на неко­торую высоту h. Работа, затраченная на разрушение образца,

 

А = P(H — h) или А =Pι(cosβ — cosα),

 

где Р — сила тяжести (вес) маятника, Н;

Н — высота подъема маятника до удара, м;

h — высота подъема маятника после удара, м;

l- длина маятника, м.

Ударную вязкость металла определяют по величине удельной ударной вязкости а_H, равной отношению работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения в месте разрушения:

 

а_H = А/F

 

где А — работа, затраченная на разрушение образца, Дж;

F — пло­щадь поперечного сечения образца в месте разрушения, м².

Современный маятниковый копер имеет шкалу, градуированную непосредственно в единицах работы. Если поднять маятник на не­которую высоту Н, то стрелка покажет запас энергии маятника до удара РН вджоулях. После разрушения образца маятник поднимается на некоторую высоту h, в это время стрелка покажет запас энергии-маятника Ph после удара. Таким образом, ударная вязкость

 

а_H = (РН — Ph)/F.

Ударная вязкость зависит не только от рода металла, но и от его температуры, химического состава, структуры и т. д. Например, две марки стали, с разной структурой могут иметь совершенно, различ­ные значения ударной вязкости, но почти одинаковые другие меха­нические свойства.

Испытание металлов на усталостную прочность (выносли­вость).Многие детали машин и механизмов, некоторые конструк­ции и инструменты при эксплуатации подвергаются действию пере­менных нагрузок, т. е. меняющихся по значению, направлению или по значению и направлению одновременно. Таким нагрузкам под­вергаются, например, корпуса судов детали машин (валы, оси, ша­туны, коленчатые валы).

В результате длительного воздействия переменных нагрузок прочность металла уменьшается и деталь, конструкция или инстру­мент разрушается. Разрушение металла часто наступает при напря­жениях, которые значительно меньше, чем предел прочности, а иногда даже меньше, чем предел текучести.

Способность металлов сопротивляться усталостному разруше­нию называется усталостной прочностью (выносливостью). Пока­зателем ее является предел усталости (выносливости), который определяют в ходе испытания на специальных машинах. Испытания проводят на переменный изгиб, растяжение-сжатие и кручение.

Чаще всего применяют способ испытания изгибом при вращении (рис. 4). В этом случае один конец образца закрепляют в патроне, а к другому через шарикоподшипник подвешивают груз. При вра­щении наружные волокна образца попеременно будут испытывать растягивающие и сжимающие усилия. При достижении некоторого числа перемен (циклов) образец разрушается. Число циклов опре­деляют по установленному на станке счетчику.

 

Рис. 4. Схема испытания образца на усталост­ную прочность: 1 — патрон станка; 2 — образец;

Подшипник качения

 

Пределом усталости металлов называется максимальное напря­жение, при котором образец еще выдерживает неограниченное чис­ло циклов, не разрушаясь. Пределы усталости обозначают:

при из­гибе — σ_-1;

при растяжении-сжатии — σ-_1p;

при кручении — τ_-1.

Между пределом усталости и пределом прочности существует следующая приблизительная зависимость:

 

σ_-1 == 0,47σ_в; σ_-1p = 0,32σ_в; τ_-1 = 0,22σ_в.

 

Усталостная прочность зависит от значения переменных напря­жений, состояния поверхностей деталей и других факторов. Ее сле­дует учитывать при создании, например, быстроходных судов, сверх­звуковых самолетов, космических кораблей, мощных турбин, испы­тывающих при эксплуатации переменные нагрузки.

Металлы, работающие в сложных условиях, испытывают при повышенных и пониженных температурах, в условиях коррозии, при истирании и т. д.

Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться технологической обработке, целью которой является придание металлам определенных форм, размеров и свойств. К ним относятся: литейные свойства, ковкость, свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием и др. Поведение металла при технологической обработке определяют по технологическим пробам.

Технологические пробы применяют главным образом для опре­деления пригодности материала к тому или иному способу обра­ботки. О результатах технологических испытаний судят по состоя­нию поверхности после испытания (отсутствие трещин, надрывов, изломов). Наиболее распространены следующие технологические пробы: на изгиб в холодном и нагретом состоянии; на перегиб и выдавливание; на осадку; на раздачу и обжатие труб; искро­вая.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: плот­ность, температура плавления, теплопроводность, электро-провод­ность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и способность намагничиваться (табл. 1).

Химические свойства — способность металлов и сплавов сопро­тивляться воздействию окружающей среды, которое проявляется в различных формах. Под влиянием кислорода воздуха и влаги ме­таллы подвергаются коррозии: чугун и сталь ржавеют; бронза покрывается зеленым слоем оксида меди; сталь при нагреве в печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется.

Металлы и сплавы, стойкие против окисления при высокой тем­пературе нагрева, называются жаростойкими или окалиностойкими. Из них изготовляют такие детали, как клапаны двигателей внутрен­него сгорания и др. Золото, серебро и нержавеющие стали слабо поддаются коррозии.

---

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Методы испытания механических свойств металлов

В томе И справочного пособия рассматриваются методы испытания механических свойств металлов и сплавов при статических, ударных и повторных переменных нагрузках в условиях комнатной, низкой и высокой температур и при воздействии коррозионной среды.  [c.2]

Испытание механиче ских свойств наплавленного металла и сварного соединения. Для этого испытания одновременно со сваркой шва сваривают пробные пластины из того же металла, той же толщины и теми же режимами. Из пластин вырезают и изготовляют на станках образцы стандартной формы и размеров, которые подвергают испытаниям в лаборатории с целью определения временного сопротивления, относительного удлинения, ударной вязкости, твердости. Методы испытаний механических свойств металла шва и сварного соединения регламентированы ГОСТ 6996—66.  [c.241]

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов делят на три группы  [c.16]

Косвенные методы определения механических свойств металлов (испытания без разрушения).  [c.310]

Лишь при сочетании обычных испытаний на усталость с другими методами анализа (макро- и микроструктурные исследования, в том числе с использованием электронной микроскопии рентгенографические методы изучение механических свойств металлов, подвергавшихся цикли-  [c.33]

Механические испытания сварных швов и соединений. Порядок и методы механических испытаний сварных швов и соединений регламентирован ГОСТ 6996-54 Методы определения механических свойств металла шва и сварного соединения .  [c.66]

Назначение. Проведение испытаний механических свойств металлов, сплавов и неметаллических материалов, поковок, отливок и деталей на специальных образцах изучение прочности деталей в условиях длительных испытаний на износ, кручение, ползучесть и др. контроль технологических свойств металлов и деталей на выдавливание, изгиб, скручивание, сжатие проведение исследовательских работ по усовершенствованию методов механических испытаний, разработке и внедрению новых методов и новых испытательных машин и приборов.  [c.180]

Проверка механических свойств сварного соединения на контрольных образцах производится вне зависимости от вида сварного соединения изделия путем испытаний на растяжение и на изгиб образцов, сваренных в стык. Образцы изготовляются по Г(ХТ 6996—54 Швы сварные. Методы определения механических свойств металла и сварного соединения . Образцы на растяжение и изгиб испытываются со снятым усилением. В образцах, предназначенных для испытания на изгиб, сварной шов должен располагаться поперек образца.  [c.515]

Механические свойства сварного соединения проверяются на контрольных образцах вне зависимости от вида сварного соединения изделия испытанием на растяжение и изгиб образцов, сваренных в стык. Образцы изготовляются по ГОСТ 6996—54 Швы сварные. Методы определения механических свойств металла шва и сварного соединения .  [c.640]

ГОСТ 6996—54 Швы сварные. Методы определения механических свойств металла шва и сварного соединения устанавливает следующую форму и размеры образцов (фиг. 21) для испытания на прочность металла шва.  [c.46]

Стандарт устанавливает методы определения механических свойств металла шва и сварного соединения, свариваемых всеми видами сварки, из всех свариваемых металлов и их сплавов и распространяется на испытания, проводимые при определении качества продукции, присадочных материалов и при установлении квалификации сварщиков  [c.537]

Методы определения твердости металлов. Твердостью называют свойство металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Испытания на твердость получили широкое применение в производственных условиях, представляя собой наиболее простой и быстрый метод испытания механических свойств. Так как при измерении твердости испытываются поверхностные слои металла, то для получения правильного результата поверхность металла не должна иметь таких дефектов, как окалина, забоины, крупные царапины и др. не должно также быть наклепа поверхности. Существуют различные способы измерения твердости металлов. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в промышленности.  [c.42]

Литые коленчатые валы могут подвергаться азотированию, закалке ТВЧ, механическому наклепу. Испытание механических свойств металла отливок производится по ГОСТ 2055—43 Отливка из серого и ковкого чугуна. Методы механических испытаний и по ГОСТ 2861—45 Отливки из серого чугуна. Метод испытания давлением в клиньях .  [c.224]

Испытания механических свойств металла, наплавленного под флюсами ФЦ-6—ФЦ-7М, показали, что за исключением ударной вязкости все остальные характеристики (временное сопротивление, предел текучести, относительные сужение и удлинение) практически находились на одном уровне. Что же касается ударной вязкости, то она заметно изменяется (рис. 3.39) в особенности от содержания кислорода, определенного методом вакуум-плавления, несмотря на то что его количество варьируют в сравнительно узких пределах (0,093—0,121 %).  [c.217]

Из всех методов определения механических свойств металлов наилучшие результаты дает испытание на растяжение, которое позволяет определить прочностные характеристики (предел текучести, предел прочности и др.), показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение, коэффициент анизотропии), н также другие показатели, приведен- ,2  [c.489]

Определение твердости металлов — наиболее простой метод испытаний механических свойств. Этот метод широко применяется при контроле изделий после термической обработки, обработки металлов давлением, литья и др. и устано-  [c.32]

Труд охватывает следующие методы испытания металлов макроанализ, микроанализ, рентгеноструктурный анализ, термический анализ, физические методы исследования металлов, методы испытания механических свойств, методы испытания твердости и технологические пробы. Книга широко используется в заводских лабораториях, научно-исследовательских институтах и высших учебных заведениях.  [c.10]

Механические испытания. Механические свойства металла шва и сварного соединения определяются в соответствии с ГОСТом 6996—69. Согласно этому ГОСТу установлены методы определения механических свойств при следующих видах испытаний  [c.207]

Испытание механических свойств металла отливок производится по ГОСТ 2055-43 Отливки из серого и ковкого чугуна и по ГОСТ 2861-45 Отливки из серого чугуна Метод испытания давлением в клиньях .  [c.233]

Существует много стандартных методов определения механических свойств металлов. Это испытания на растяжение, испытания гладких образцов на статический изгиб и надрезанных образцов на ударный изгиб, определение твердости металла, испытание на длительную прочность и многие другие. Основное назначение этих испытаний состоит в получении количественных характеристик металла, необходимых для выполнения инженерных расчетов. Часть методов предназначена для получения характеристик металла, которые хотя и не участвуют как количественные в расчетах на прочность, но используются для качественной оценки работоспособности изготовляемых из него деталей или для установления соответствия металла техническим условиям на его поставку.  [c.88]

Махутов Н. А., Гусенков А. П. Методы определения механических свойств при циклическом упругопластическом деформировании.-— Труды VI конф. по сварке и испытанию металлов. Тимишоара (Румыния), 1969.  [c.284]

При определении реологических (механических) свойств металлов и сплавов используется большое многообразие методов испытаний, в каждом из которых выявляются лишь отдельные качества металла, проявляющиеся только в условиях данного метода.  [c.38]

В этой книге имеется огромная библиография (506 литературных названий) по общим вопросам и истории испытаний, по механическим свойствам материалов, по измерениям и измерительной технике, по испытаниям на статическое растяжение и сжатие, сдвиг и изгиб, на твердость, по испытаниям на удар и усталость и, наконец, по неразрушающим методам испытаний и свойствам отдельных классов материалов (металлы, древесина, бетон, кирпич, пластмассы).  [c.316]

Механические свойства металлов и других конструкционных материалов, проявляющиеся при действии на них ударных нагрузок и характеризующиеся хрупкостью и вязкостью, оценивают главным образом по испытаниям образцов ка маятниковых копрах. Различают следующие основные методы испытаний образцов на двухопорный ударный изгиб (метод Шар-пи), ударный консольный изгиб (метод Изода), ударное растяжение и ударный сдвиг.  [c.94]

Применительно к атомным энергетическим установкам по мере накопления данных о средних и минимальных характеристиках механических свойств, повыщения требований к уровню технологических процессов на всех стадиях получения металла и готовых изделий, развития методов и средств дефектоскопического контроля и контроля механических свойств по отдельным плавкам и листам было принято [5] использовать при расчетах не величины [о ], а коэффициенты запаса прочности и гарантированные характеристики механических свойств для сталей, сплавов, рекомендованных к применению в ВВЭР (см. гл. 1, 2). Для новых металлов, разрабатываемых применительно к атомным энергетическим реакторам, был разработан состав и объем аттестационных испытаний, проводимых в соответствии с действующими стандартами и методическими указаниями. Методы определения механических свойств конструкционных материалов при кратковременном статическом (для определения величин Ов и 00,2) и длительном статическом (для определения величин и o f) нагружениях получили отражение в нормах расчета на прочность атомных реакторов [5].  [c.29]

У малопластичных материалов условный предел прочности ха рактеризует сопротивление отрыву, поэтому связь между твердостью н пределом прочности не особенно надежна. Советскими учеными (Н. Н. Давиденков, Ф. Ф. Витман и др.) установлена связь между твердостью при небольшом вдавливании (0,1 мм) и пределом текучести при растяжении. Определение твердости получило широкое распространение, как простой и доступный метод испытания механических свойств металла без разрушения деталей, не требуюший изготовления специальных образцов.  [c.15]

Сопротивление сварных соединений образованию горячих трещин можно оценить не только методами испытания механических свойств в ТИХ или принудительного деформирования металла шва и околошовной зоны, но также путем сварки тех-ноголических проб и модельных образцов, имитирующих сварные соединения различной конструкции. Сущность таких испытаний заключается в том, что металл, в котором не возникают трещины в искусственно созданных жестких условиях (что достигается выбором формы проб, конструктивных размеров и типов закрепления элементов), не должен разрушаться и в реальных изделиях.  [c.132]

Из всех методов определения механических свойств металла наилучшие результаты дает испытание на растяжение, которое позволяет определить такие характеристики сопротивления деформации, как предел текучести, предел прочности, истинное сопротивление разрыву (а а , а ст) и показатели пластичности — относительное удлинение и относительное поперечное сужение (5 и 4 )- Зависимость между напряжением и деформацией наиболее правильно выражается диаграммой истинных напряжений в координатах истинные напряжения — относительное поперечное сужение (иист — Ф)-  [c.429]

К разрушающим методам контроля качества сварных соединений принято относить следующие испытания механические (на растяжение, изгиб, ударную вязкость и др.), металлографические, коррозионные, химические. Особо следует вьщелить так называемые безобраз-цовые испытания механических свойств металла. Например, на стыках труб действующих энергоблоков периодически в зоне сварного шва металл зачищают и осуществляют замер твёрдости, металлографические, рентгеноструктурные и другие испытания. При этом нарушают целостность материала, но не изделия в общем.  [c.221]

Приведенные в табл. 5.1 значения твердости могут быть использованы при диагностике технического состояния основного металла и сварных соединений аппарата (как наиболее экономичный метод обследования). При этом если твердость металла испытанных участков будет ниже допустимого значения, то необходимо провести дополнительное испытание механических свойств с вырезкой металла из аппарата или контроль состояния микроструктуры металла в этих зонах. Так, для металла конструктивных элементов обследуемого аппарата из стали марки 17ГС измеренные значения твердости по Бринеллю должны быть ниже 145 единиц. Методика оценки структурного состояния металла поверхности аппарата с помощью реплик изложена в разделе 5.2.2.  [c.321]

Целью анализа технической документации является установление номенклатуры технических параметров, предельных состояний, выявление наиболее вероятных отказов и повреждений, а также элементов и участков конструкций, рост повреж-денности и дефектности металла которых может привести к ресурсному отказу. На основе анализа технической документации составляют схему диагностируемого объекта с указанием его конструктивных особенностей расположение продольных, кольцевых и других сварных соединений, наличие запорно-ре-гулирующей арматуры, тройников, отводов, штуцеров и т. п. Отдельно отмечают обнаруженные отклонения от проекта. Указывают также химический состав и механические свойства металла конструкции технологию сварочно-монтажных работ методы и результаты входного и пооперационного контроля и предпусковых испытаний вид, время и объемы проведения реконструкционных (ремонтных) работ на данном сосуде или участке трубопровода результаты предыдуших освидетельствований и диагностик.  [c.157]

Леонардо да Винчи был одним из первых, кто изобрел простейшее устройство для определения механических свойств железных проволок при растяжении. Метод заключался в следующем один конец проволоки жестко закреплялся на перекладине, а ко второму концу прикреплялось ведерко, в которое засыпалась дробь. Метод квазистатического растяжения проволоки путем увеличения количества дроби позволил установить, что короткие проволоки прочнее длинных. Этот принцип испытания, введенный более 500 лет назад, был положен впоследствии для определения механический свойств металла при квазистатическом нагружении. Современные испытательные машины доведены до совершенства, так как оснащены компьютерами и позволяют не только задавать необходимый режим нагружения, но и рассчитывать прочность на разрыв, пластичность и другие свойства деформируемого образца. Для учета реакции металла на внешнее воздействие, зависящей от способа пршгожения нагрузки, были выделены кроме квазистатических испытаний на разрыв, также испытания на удар (ударная вязкость), циклическое нагружение (усталость), статические нагружение (ползучесть) и другие виды.  [c.229]

В связи с этим большой интерес представляют исследования, посвященные анализу прочности сварных соединений гфи двухосном нагружении. В частности, в /46/ предложен метод оценки механических свойств сварных соединений тонкостенных сосудов давления путем гидростатического выпучивания атоских образцов и цилиндрических обечаек. закрепленньрс по контуру. Требуемое соотношение компонент напряженного состояния п = 02 / а I в испытываемых образцах достигалось выбором соответствующего контура отверстия в матрице установки. При испытании выпу чиванием образцы располагались таким образом, чтобы шов был симметричен относительно кромок отверстия. Прочность сварного соединения по предлагаемой методике оценивалась косвенно по величине напряжений в основном металле в момент разрушения соединения.  [c.82]

Группа советских ученых занималась исследованием механических свойств металлов и сплавов. Среди них почетное место занимает действительный член АН УССР Н. Н. Давиденков, опубликовавший ряд замечательных работ по актуальным вопросам металловедения, в частности Измерение остаточных напряжений в трубах (1931 и 1935 гг.). Большое число работ по прочности и пластической деформации было проведено действительным членом АН УССР С. В. Серенсеном, чл.-корр. АН СССР И. А. Одингом, доктором техн. наук И. В. Кудрявцевым и др. Много научно-исследовательских работ по изучению механических свойств железнодорожных изделий (рельсов, вагонных осей, бандажей, пружин) было опубликовано проф. Н. П. Щаповым. Помимо этого он много работал по исследованию механизма пластической деформации металлов и по методике определения механических свойств стали. Проф. Я. Б. Фрицман известен как автор многих исследований по теории прочности и методам механических испытаний металлов.  [c.189]

Оценка коррозионной устойчивости при испытании образцов металлов во влажной камере, на колесе Гарднера, в таух- и шпиндельном аппаратах производится по методам 1, 11, V, VII, изложенным в табл. 3. Перед началом опыта в журнале испытаний регистрируются внешний вид поверхности и вес образцов в некоторых случаях отмечаются механические свойства металла. В процессе испы-  [c.132]

Для проверки изменения структуры и механических свойств металла предусматривают контрольные участки, вырезаемые 1 раз в 3 года для производства механических и металлографических испытаний, химического и карбидного анализа. Метод контрольных участков имеет тот недостаток, что вырезка их трудоемка и требует последующей заварки вырезаемого участка. Основной же недостаток состоит в том, что изменение свойств металла контрольного участка не характеризует изменений свойств всех остальных труб, в связи с чем необходим потрубный контроль.  [c.175]

---

Механические свойства металлов и методы испытания

Значения прочности, временного сопротивления, относительного удлинения, твердости и ударной вязкости — это всё механические свойства металлов, которые устанавливают с помощью механических испытаний. Окончательным результатом которых является нахождение связи между приложенными механическими напряжениями к материалу и его деформацией.

Такие свойства металлических материалов необходимы при выполнении технологического процесса в производстве и, в частности, при выборе метода получения неподвижных или подвижных связей деталей в строительных машинах и конструкциях.

 

Для чего нужны знания механических свойств металлов

Физические свойства — это те свойства, при изменении которых параметры металлического элемента не изменяются, он не разрушается и не изгибается. А когда они меняются, то это уже механические свойства — сбор особых характеристик по прочности, упругости и пластичности изделий, с помощью которых определяют интенсивность степени влияния всех внешних факторов на поведение материала при эксплуатации. Физические способы такого воздействия бывают разного характера: по длительности, статические, циклические или ударнодинамические. Детали и конструкции при этом работают на выносливость или как ещё говорят другими словами — на усталость.

 

 

Однако только лишь этих параметров не достаточно, чтобы оценить пригодность материала для конкретной поставленной задачи.

В каких отраслях применяют металлические материалы?

• В машиностроении;
• Легкой промышленности;
• Строительстве;
• Мебельной промышленности;
• Авиастроении;
• Судостроении.

Механические свойства металлов имеют большое значение для предварительного определения характеристик качества изделия при производстве, процесса обработки элементов и для получения развернутого ответа — каким именно образом свойства металлических материалов повлияют на длительность и качество эксплуатации.

Значения механических свойств металлов и их описание

Прочность

Способность металлов оказывать сопротивление деформации. Очень прочным металлическим сплавом является сталь, которая практически не деформируется при воздействии. В производстве машинного оборудования и различных деталей сталь должна обладать высокой прочностью и упругостью, но также она должна обладать пластичностью. Исходя из многочисленных испытаний выявлено, что характеристики прочности менее всего у ртути.

Пластичность

Пластическая деформация в машинах и сооружениях недопустима, но это свойство используют для легкой прокатки, штамповки и куйки. Способность металла деформироваться без разрушения и будет показатель его пластичности. Примером пластичного металла служит свинец.

Твердость

Местное сопротивление к проникновению индентора внутрь материала и есть свойство твердости металла. При изготовлении инструментов из металла это свойство рассматривается первоначально.

Ударная вязкость

При влиянии ударных нагрузок металл способен разрушатся. Материалы с такими свойствами применяются при ударной нагрузке изделий, например для несущей системы, подвески или колес автотранспорта. Стоит обратить внимание, что малоуглеродистая сталь при неверном применении проявляет качество вязкости.

Ползучесть

Таким свойством обладают практически все конструкционные материалы. Чем выше поднимается температура, тем выше показатели, что зависит от температуры плавления самого металла. · Усталость Многократное воздействие одинаковых по силе и продолжительности нагрузок может вызывать усталость материала. Выносливость сопротивлению нагрузок считают показателем усталости.

Износостойкость

Способность при влиянии силы трения противостоять истиранию имеет большое значение при изготовлении деталей, которые по своей специфике работают на износ.

Хрупкость

Отсутствие пластического изменения состояния при высокой температуре. При выраженной хрупкости остаются разрушения и большие объемы остаточных деформаций. Например, если труба склонна к хрупкости, то характерным признаком станет значительное утонение стенки в месте разрыва. Наиболее хрупким в этом отношении считают чугун.

Упругость

Возвращение материала в первоначальное состояние после воздействия на него определенной силы или нагревания. Большой упругостью должны обладать подвески и пружины, именно поэтому их изготавливают из определенных сплавов.

Критерии и методы оценки качества металлов

Для установления предела прочности и разрушающего усилия при воздействиях на металлические материалы, их подвергают соответствующим испытаниям механического типа. Оценку свойств металлов проводят по нескольким критериям:

1. Показатели определяются с помощью лабораторных испытаний образца — растягивая, сжимая, изгибая, испытывая на твердость и изгиб с ударной силой. Они входят в обязательный порядок проверки изделий, однако полноценный ответ о реальной прочности в условиях эксплуатации они не дают.

Эти данные подходят для слабонагруженных деталей с простой формой, которые работают с нагрузкой, возрастающей медленно от нуля до некоторого определенного максимального значения и далее, которая остается постоянной или меняется очень незначительно и при нормальной температуре.

 

 

Следует заметить, что именно испытания на растяжение являются основным видом механических испытаний, позволяющих определить показатели прочности.

Испытания	Результат
Чтобы определить твердость по Бринеллю в испытуемый образец вдавливают шарик из закаленной стали под определенной нагрузкой. Подобные исследования проводят также по методу	Результат оценивают по сферическому отпечатку. Глубине вдавливания.
Металлы испытывают на сжатие с применением пресса и гидравлического давления.	Хрупкие металлы довольно быстро разрушаются.
Способность к растяжению проверяют в разрывной машине. Зажав образец вызывают его удлинение и растягивают на максимально возможное расстояние.	Образец разрывается, если напряжение превышает его прочность. Если степень усилия не разрушает брусок и он возвращает первоначальные размеры, то это значение считают пределом модульной упругости.
При испытании на изгиб металлический образец кладут на 2 фиксированных опоры с нагрузкой посередине.	Величина прогиба образца говорит о его сопротивлении изгибу.

2. Исследование структуры образца.

Испытания	Результат
Проводится с помощью травки образца кислотой и шлифования .	Оценка полученного результата с использованием лупы или на глаз.
Выявления микродефектов с помощью увеличительных приборов.	Качество поверхностного слоя.

3. Наиболее приближенные критерии оценки способности материала выполнять свои первоначальные функции в условиях эксплуатации дает оценка его конструктивной прочности.

С её помощью становится известно распределение и место концентрации остаточных напряжений, каких-либо недочетов производства или конструирования металлоизделий.

Они подразделяются на 2 основные группы:

Испытания	Результат
Статическую и динамическую проверку методом испытаний проходят образцы с наличием трещин по поверхности, которые могут возникать при постоянной работе деталей и конструкций при их эксплуатации.	Например, пустоты и сквозные отверстия. Такие дефекты могут значительно отразиться на поведении металлического образца, поскольку именно в этих местах концентрируется внутреннее напряжение.
Испытания проводятся на усталость материала, износостойкость и сопротивление коррозии.	Выявление сохранения свойств при внешнем влиянии, долговечность материала.

4. Ударная вязкость

Испытания	Результат
Ударная вязкость определяется на маятнике Копра, где на исходник падает грузик до тех пор, пока полностью не разрушит его. В середине металлического образца могут проделывать специальную трещину — надрез.	Деформации при ударном действии нагрузки.

Подводя итог, можно твердо заявить, что механические свойства имеют довольно серьезное значение. А четкие данные их характеристик позволяет использовать металлы с наибольшей эффективностью в различных сферах. Важны абсолютно все этапы проверки металла по основным критериям, а также металл должен отвечать всем заявленным требованиям по прочности.

Оцените статью:

Рейтинг: 0/5 — 0 голосов

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 16Следующая ⇒

И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

Цель работы: изучить способы определения основных механических свойств металлических материалов.

 

Теоретические сведения

 

Механические свойства определяют способность металлов сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок). Они зависят от химического состава металлов, их структуры, характера технологической обработки и других факторов. Зная механические свойства металлов, можно судить о поведении металла при обработке и в процессе работы машин и механизмов.

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Прочность – способность металла не разрушаться под действием приложенных к нему внешних сил.

Пластичность – способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения.

Твердость – способность металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела.

Ударная вязкость – степень сопротивления металла разрушению при ударной нагрузке.

Механические свойства определяют путем проведения механических испытаний.

Испытания на растяжение. Этими испытаниями определяют такие характеристики, как пределы пропорциональности, упругости, прочности и пластичность металлов. Для испытаний на растяжение применяют круглые и плоские образцы (рисунок 2.1, а, б), форма и размеры которых установлены стандартом. Цилиндрические образцы диаметром d₀ = 10 мм, имеющие расчетную длину l₀ = 10d₀, называют нормальными, а образцы, у которых длина l₀ = 5d₀, – короткими. При испытании на растяжение образец растягивается под действием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.

Разрывные машины снабжены специальным самопишущим прибором, который автоматически вычерчивает кривую деформации, называемую диаграммой растяжения. Диаграмма растяжения в координатах «нагрузка Р – удлинение ∆l» отражает характерные участки и точки, позволяющие определить ряд свойств металлов и сплавов (рисунок 2.1). На участке 0 — Р_пц удлинение образца увеличивается прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше Р_пц, на участке Р_пц — P_упр прямая пропорциональность нарушается, но деформация остается упругой (обратимой). На участке выше точки P_vпр возникают заметные остаточные деформации, и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке Р_т появляется горизонтальный участок диаграммы — площадка текучести Т-Т¹, которая наблюдается, главным образом, у деталей из низкоуглеродистой стали. На кривых растяжения хрупких металлов площадка текучести отсутствует. Выше точки Р_т нагрузка возрастает до точки А, соответствующей максимальной нагрузке Р_в, после которой начинается ее падение, связанное с образованием местного утонения образца (шейки). Затем нагрузка падает до точки В, где и происходит разрушение образца. С образованием шейки разрушаются только пластичные металлы.

 

 

а, б – стандартные образцы для испытания на растяжение;

в – диаграмма растяжения образца из пластичного материала

 

Рисунок 2.1 – Испытание на растяжение

 

Усилия, соответствующие основным точкам диаграммы растяжения, дают возможность определить характеристики прочности, выраженные в мегапаскалях, МПа, по формуле

 

, (2.1)

где σ_i – напряжение, МПа;

P_i – соответствующая точка диаграммы растяжения, Н;

F₀ – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм².

Предел пропорциональности σ_пц – это наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией:

, (2.2)

где P_пц – напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, Н.

 

Предел упругости σ_упр – напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допуском (обычно 0,05 %):

 

, (2.3)

где P_упр – напряжение, соответствующее пределу упругости, Н.

Предел текучести физический σ_т— напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:

 

, (2.4)

где P_т – напряжение, соответствующее пределу текучести, Н.

 

Если площадка текучести на диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести σ_0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.

Предел прочности (временное сопротивление) σ_в — напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:

 

, (2.5)

где P_в – напряжение, соответствующее пределу прочности, Н.

 

По результатам испытания на растяжение определяют характеристики пластичности металлов.

Показатели пластичности металлов — относительное удлинение и относительное сужение – рассчитывают по результатам замеров образца до и после испытания.

Относительное удлинение δ находится как отношение увеличения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:

 

, (2.6)

где l_k – длина образца после разрыва, мм;

l₀ – расчетная (начальная) длина образца, мм.

Относительное сужение ψ определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженным в процентах:

 

, (2.7)

где F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца;

F_к – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Методы определения твердости.Наиболее распространенным методом определения твердости металлических материалов является метод вдавливания, при котором в испытуемую поверхность под действием постоянной статической нагрузки вдавливается другое, более твердое тело (наконечник). На поверхности материала остается отпечаток, по величине которого судят о твердости материала. Показатель твердости характеризует сопротивление материала пластической деформации, как правило, большой, при местном контактном приложении нагрузки.

Твердость определяют на специальных приборах – твердомерах, которые отличаются друг от друга формой, размером и материалом вдавливаемого наконечника, величиной приложенной нагрузки и способом определения числа твердости. Так как для измерения твердости испытывают поверхностные слои металла, то для получения правильного результата поверхность металла не должна иметь наружных дефектов (трещин, крупных царапин и т. д.).

Измерение твердости по Бринеллю. Сущность этого способа заключается в том, что в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм в зависимости от толщины образца под действием нагрузки, которая выбирается в зависимости от предполагаемой твердости испытуемого материала и диаметра наконечника по формулам: Р = 30D²; Р = 10D²;
Р = 2,5D² (таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Выбор диаметра шарика D и нагрузки Р

Материал образца	Твердость, кгс/мм2	Толщина образца, мм	Диаметр шарика D, мм	P/D2, кгс/мм2	Нагрузка Р, кгс	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы (сталь, чугун)	450 — 140	более 6 6 – 3 менее 3	2,5		187,5
Черные металлы	Менее 140	более 6 6 – 3 менее 3	2,5		187,5
Твердые цветные металлы (латунь, бронза, медь)	140 – 32	более 6 6 – 3 менее 3	2,5		62,5
Мягкие цветные металлы (олово, алюминий и др.)	35 — 8	более 6 6 – 3 менее 3	2,5	2,5	62,5 15,6

 

На поверхности образца остается отпечаток (рисунок 2.2, а), по диаметру которого определяют твердость. Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой с делениями.

Твердость рассчитывают по формуле

 

, (2.8)

 

где НВ – твердость по Бринеллю, кгс/мм²;

Р – нагрузка при испытании, кгс или Н;

F – площадь полученного отпечатка, мм²;

D – диаметр наконечника, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

 

Рисунок 2.2 – Измерение твердости методами Бринелля (а),

Роквелла (б), Виккерса (в)

На практике пользуются специальными таблицами, которые дают перевод диаметра отпечатка в число твердости, обозначаемое НВ. Например: 120 НВ, 350 НВ и т.д. (Н – твердость, В – по Бринеллю, 120, 350 – число твердости в кгс/мм², что соответствует 1200 и 3500 МПа).

Этот способ применяют, главным образом, для измерения твердости незакаленных металлов и сплавов: проката, поковок, отливок и др.

Твердомер Бринелля можно использовать в том случае, если твердость материала не превышает 450 кгс/мм². В противном случае произойдет деформация шарика, что приведет к погрешностям в измерении. Кроме того, твердомер Бринелля не применяется для испытания тонких поверхностных слоев и образцов тонкого сечения.

Измерение твердости по Роквеллу. Измерение осуществляют путем вдавливания в испытуемый металл стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120° (см. рисунок 2.2, б).В отличие от метода Бринелля твердость по Роквеллу определяют не по диаметру отпечатка, а по глубине вдавливания наконечника.

Вдавливание производится под действием двух последовательно приложенных нагрузок — предварительной, равной ≈ 100 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной 1400, 500 и 900 Н. Твердость определяют по разности глубин вдавливания отпечатков. Для испытания твердых материалов (например, закаленной стали) необходима нагрузка 1500 Н, а вдавливание стальным шариком нагрузкой 1000 Н производят для определения твердости незакаленной стали, бронзы, латуни и других мягких материалов. Глубина вдавливания измеряется автоматически, а твердость после измерения отсчитывается по трем шкалам: А, В, С (таблица 2.2).

 

Таблица 2.2 – Наконечники и нагрузки для шкал А, В, С

Наконечник	Суммарная нагрузка Р, Н (кгс)	Отсчет по шкале	Обозначение твердости
Стальной шарик	1000 (100)	В (красная)	HRB
Алмазный конус	1500 (150)	С (черная)	HRC
Алмазный конус	600 (60)	А (черная)	HRA

Твердость (число твердости) по Роквеллу обозначается следующим образом: 90 HRA, 80 HRB, 55 HRC (Н – твердость, Р – Роквелл, А, В, С – шкала твердости, 90, 80, 55 – число твердости в условных единицах).

Определение твердости по Роквеллу имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы без дополнительных измерений; размер отпечатков очень незначителен, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи.

Измерение твердости по Виккерсу. Данный метод позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов. Он пригоден для определения твердости очень тонких поверхностных слоев (толщиной до 0,3мм). В этом случае в испытуемый образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136^о (см. рисунок 2.2, в). При таких испытаниях применяются нагрузки от 50 до 1200 Н. Измерение отпечатка производят по длине его диагонали, рассматривая отпечаток под микроскопом, входящим в твердомер. Число твердости по Виккерсу, обозначаемое НV, находят по формуле

 

, (2.9)

где Р – нагрузка, Н;

d – длина диагонали отпечатка, мм.

 

На практике число твердости НV находят по специальным таб-лицам.

Определение ударной вязкости производят на специальном маятниковом копре (рисунок 2.3). Для испытаний применяется стандартный надрезанный образец, который устанавливается на опорах копра. Маятник определенной массой поднимают на установленную высоту Н и закрепляют, а затем освобожденный от защелки маятник падает, разрушает образец и снова поднимается на некоторую вы-
соту h. Удар наносится по стороне образца, противоположной надрезу. Для испытаний используют призматические образцы с надрезами различных видов: U-образный, V-образный, T-образный (надрез с усталостной трещиной).

а – схема испытания; б – образцы для испытаний.

 

Рисунок 2.3 – Испытания на ударную вязкость

 

Ударная вязкость КС (Дж/см²) оценивается работой, затраченной маятником на разрушение стандартного надрезанного образца, отнесенной к сечению образца в месте надреза:

 

, (2.10)

где А – работа, затраченная на разрушение образца (определяется по разности энергий маятника до и после удара: А₀ – А₁), Дж;

F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см².

В зависимости от вида надреза в образце ударная вязкость обозначается KCU, KCV, KCТ (третья буква – вид надреза).

 

 

Материалы и принадлежности

 

· Образцы для испытания на растяжение, твердость и ударную вязкость.

· Разрывная испытательная машина.

· Твердомеры Бринелля, Роквелла, Виккерса.

· Маятниковый копер.

· Штангенциркуль.

Порядок выполнения работы

 

Испытания на растяжение

2.3.1.1 Измерить рабочую длину и диаметр образца перед испытанием, записать данные в протокол испытаний.

2.3.1.2 Подготовленный для испытания образец поместить в зажимы машины.

2.3.1.3 Включить электродвигатель.

2.3.1.4 Наблюдать за перемещением стрелки по шкале машины, зафиксировать нагрузку, соответствующую текучести образца, и наибольшую нагрузку, предшествующую разрушению образца, записать в соответствующие графы протокола испытаний.

2.3.1.5 После разрыва образца выключить электродвигатель, обе части образца вынуть из зажимов, снять с диаграммного аппарата часть бумажной ленты с записанной диаграммой.

2.3.1.6 Обе части образца плотно приложить одну к другой, измерить длину и диаметр образца в месте разрыва, записать данные в протокол испытаний.

2.3.1.7 Рассчитать характеристики прочности и пластичности материала, записать полученные данные.



Тема «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости»

Министерство образования и науки Донецкой Народной Республики

Государственное профессиональное образовательное учреждение

«Торезский технологический техникум имени А.Г. Стаханова»

М Е Т О Д И Ч Е С К А Я Р А З Р А Б О Т К А

открытого занятия по учебной дисциплине ОП.04 «Основы материаловедения»

на тему «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости»

профессия 15.01.05 Сварщик (электросварочные и газосварочные работы)

Разработала:

преподаватель

Дерябина Т.И.

Торез 2020г.

План открытого занятия

Свойства металлов и сплавов.

Тема занятия:

Механические свойства металлов и сплавов.

Методы определения твердости.

Цели занятия:

Образовательная цель: изучить механические свойства металлов и сплавов; рассмотреть особенности методов определения твердости, их преимущества и недостатки, возможности применения.

Развивающая цель: развивать у студентов рациональные приемы и способы мышления, познавательной активности, анализа и применения информации.

Воспитательная цель: прививать интерес к учебной дисциплине и избранной специальности; воспитывать стремление к получению качественных знаний и дальнейшему самостоятельному освоению полученных знаний.

Тип занятия: усвоения новых знаний.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, репродуктивный, опытно-экспериментальный.

Форма занятия: лекционное занятие с использованием активных методов работы со студентами.

Средства обучения: 

— дидактическое обеспечение: презентация к учебному занятию, раздаточный материал (таблица со сравнением методов определения твердости, обозначения и определения величин механических свойств), тестовые задания по теме занятия;

— материально-техническое обеспечение: демонстрационный материал (черствый и мягкий хлеб, пластины из разного металла, листовая сталь, стальной гвоздь), мультимедийный проектор, компьютер.

Межпредметные связи: история, спец.технология, производственное обучение, химия, физика.

Студенты должны знать: свойства металлов, методы исследования свойств.

Студенты должны уметь:  предсказывать свойства путем опытов или исследований механических свойств металлов, формировать умения управлять своей учебной деятельностью.

Девиз: Просто знать – это не все, знания нужно использовать.

И.В.Гётте

Ход занятия

I. Организационный этап (2 мин.).

— приветствие

— проверка наличия и готовности студентов к занятию (доклад старосты).

II. Мотивация учебной деятельности студентов (8 мин.).

*сообщение темы и постановка цели учебного занятия;

* информация об основных этапах занятия.

Преподаватель: Мы продолжаем изучать свойства металлов и сплавов, потому что металлы и сплавы являются наиболее распространенными техническими материалами, широко используемыми в машиностроении и различных отраслях промышленности. Если достаточно внимательно посмотреть вокруг — где бы вы ни были: дома, на улице или в транспорте – вы увидите, какое множество металлов и сплавов трудится вокруг нас и для нас. Еще в 1556 году Георг Агрикола (основатель минералогии) сказал: «Человек не может обойтись без металлов. Если бы не было металлов, люди влачили бы самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей».

Студент читает подготовленное заранее сообщение на тему: «Георг Агрикола – основатель минералогии».

Преподаватель: Очень важно знать какими свойствами обладают металлы и сплавы. Мы уже знаем о физических, химических, технологических свойствах материалов. А сегодня мы продолжим изучать свойства металлов и сплавов и узнаем, какими методами определяется твердость металлов. После изучения новой темы Вам предстоит выполнить тестовые задания на закрепление новой темы.

Цели сегодняшнего занятия представлены на слайде № 2 презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости» (Приложение № 1).

*обоснование профессиональной значимости занятия

Преподаватель: Ваша будущая профессиональная деятельность связана со сваркой металлов, которая в свою очередь является одним из производственных процессов в современном машиностроении. Главным требованием к процессу сварки является высокое качество сварных швов соединений, т.е. достижение необходимых механических свойств металла шва близких к основному металлу.

Получение необходимых механических свойств и предотвращение дефектов зависит не только от правильного выбора технологии сварки, исправности оборудования, квалификации сварщика, но и от состава и качества свариваемых технических материалов.

III. Актуализация опорных знаний студентов (10 мин.).

Преподаватель: Повторим материал прошлых занятий.

У доски студент разгадывает кроссворд на тему «Материаловедение. Свойства металлов и сплавов» (Приложение № 2).

Для остальных обучающихся проводится фронтальный опрос:

1. Что такое металлические сплавы?

2. Какие сплавы относятся к железоуглеродистым?

3. Какие свойства металлов и сплавов относятся к физическим?

4. Что такое коррозия металлов?

5. Какие свойства металлов и сплавов относятся к технологическим?

Варианты правильных ответов

IV. Формирование новых знаний (40 мин.).

План изучения темы.

1.Механические свойства металлов и сплавов.

2. Методы определения твердости.

1. Механические свойства металлов и сплавов

Преподаватель: Надёжность и долговечность в эксплуатации деталей машин, механизмов, металлоконструкций, их технико-экономическая эффективность во многом зависят от правильного выбора конструкционного материала, от технологии изготовления и условий эксплуатации. При эксплуатации изделие может длительное время выдерживать статические, динамические, переменные нагрузки, часто при низких температурах и в агрессивных средах. Поэтому существуют определенные требования к свойствам конструкционного материала: прочность, сопротивление хрупкому разрушению, сопротивление вязкому разрушению, сопротивление ударным нагрузкам, и др. Свойство – это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.

Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению под действием внешних сил.

К ним относятся упругость, прочность, пластичность, ударная вязкость и твердость.

Студенты конспектируют в тетрадях определения механических свойств, используя демонстрацию слайдов № 3,4,5,6,7,8,9презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости». (Приложение № 1).

Прочность — это способность металла или сплава противостоять деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок — растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих и срезающих.

Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки.

Происхождение терминов: Термин “упругость” впервые ввел в употребление великий русский ученый М.В. Ломоносов. 

 Пластичностью называется способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия. Термин “пластичность” происходит от греческого слова, означающего «лепной, скульптурный».

Ударной вязкостью называется способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок.

Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела.

При повторении материала первого вопроса используем демонстрацию слайда № 9 презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости». (Приложение № 1).

Преподаватель: Для определения таких механических свойств как прочность, упругость, пластичность образцы металлов и сплавов испытывают на статистическое напряжение на разрывных машинах, вызывая в них напряжения и деформации. Демонстрация слайда №11презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости». (Приложение № 1). Студенты изучают виды деформаций (Приложение №5).

2. Методы определения твердости.

Студенты на основании проведенных рассуждений и опыта с хлебом и с помощью преподавателя делают вывод о том, что твердость — это сопротивление материалов вдавливанию в них другого тела, а также вывод о том, что твердость металлов нужно измерять более твердыми, чем они, материалами и при больших усилиях.

Демонстрация слайда №12 презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости». (Приложение № 1).

Преподаватель: Посмотрите, как выглядят твердомеры – приборы для определения твердости. Эти приборы предназначены для определения твердости различными методами, но они очень похожи. В каждом твердомере есть столик на который помещается испытываемый образец и индентор – наконечник, который вдавливается в образец. В стойке твердомера размещены грузы, под действием которых осуществляется вдавливание индентора.

Преподаватель: Рассмотрим три самых распространенных метода определения твердости, которые названы по фамилии ученых их предложивших. Это методы Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Преподаватель объясняет новый материал, используя слайды № 13,14,15 презентации. По каждому методу отмечается – наконечник (индентор), нагрузки, принцип определения твердости, какие материалы можно испытывать, обозначение твердости.

По методу Бринелля в материал под определённой нагрузкой (обычно 30 кН) вдавливается твёрдый металлический шарик (обычно диаметром 10 мм). Отношение приложенной нагрузки к площади шаровой поверхности отпечатка даёт число твёрдости по Бринеллю (HB).

Метод Бринелля был достаточно простым, но не применимым для закалённых сталей (так как индентор — закаленный шарик сам будет деформироваться при испытании закаленных сталей и других твердых материалов), и оставлял слишком большой отпечаток, чтобы рассматриваться как неразрушающий.

Просмотр видеоролика определения твердости по методу Бринелля.

По методу Роквелла существует 11 шкал определения твердости (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), основанных на комбинации «индентор (наконечник) — нагрузка». Наиболее широко используются два типа индентеров: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или такой же шарик из закалённой стали и конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Возможные нагрузки — 500Н, 900Н, 1400Н. Величина твёрдости определяется как относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (100 Н) нагрузки. Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC).

Просмотр видеоролика определения твердости по методу Роквелла.

По методу Виккерса: Сущность метода заключается во вдавливании в испытуемый материал правильной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями. Твёрдость по Виккерсу вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка. Метод Виккерса, благодаря использованию маленьких нагрузок и большого угла при вершине пирамиды, позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов.

Твёрдость по Виккерсу во всех случаях обозначается буквами HV. Основными параметрами при измерении твёрдости по Виккерсу являются нагрузка Р от 50 до 1000 Н и время выдержки 10—15 с.

Просмотр видеоролика определения твердости по методу Виккерса.

Преподаватель: Есть еще один очень простой метод определения твердости материала. Преподаватель вместе со студентами проводит опыт по царапанию алюминиевой, медной и стальной пластин гвоздем.

Студенты и преподаватель делают вывод о том, что глубина и ширина царапин, полученных при одинаковых усилиях, зависит от твердости материала.

Преподаватель: Для определения твердости по царапанию имеются специальные приборы. Твердость по царапанию характеризует сопротивление разрушению и определяется путем царапания поверхности материала алмазным конусом с углом при вершине 90°, при определенной нагрузке. Характеристикой твердости обычно является величина, обратная ширине царапины, полученной при данной нагрузке.

Сравнительные характеристики методов и возможности их применения

Преподаватель: Сегодня мы много узнали о таком механическом свойстве металлов и сплавов как твердость, я прошу обратить ваше внимание на три основных метода, используемых для определения твердости металлов – это методы Бринелля, Роквелла и Виккерса. Раздает распечатки таблицы – Сравнение основных методов определения твердости. (Приложение № 3 ).

Преподаватель и студенты вспоминают самые важные отличия этих методов – индентор, нагрузки, методика проведения испытания, обозначение числа твердости и материалы для испытания. Повторяют что такое твердость.

V. Систематизация полученных знаний и проверка качества усвоения нового материала (18 мин).

1. Повторение определений основных механических свойств. Демонстрация слайда № 17 презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости». (Приложение № 1).

2. Выполнение тестовых заданий ( Приложение № 4) .

УІ. Итоги урока (2мин).

1.Анализ работы студентов и их оценивание.

2. Выдача домашнего задания:

— повторить физические, химические и механические свойства металлов, подготовиться к тесту по данным темам.

— подготовить сообщение на тему: «Сталь – основной конструкционный материал».

Список использованных источников

1. Солнцев Ю.П. Материаловедение: учебник для студентов учреждений СПО / Ю.П. Солнцев, С.А. Вологжанина, А.Ф. Иголкин – М: Академия, 2013.-496 с.

2. Вишневецкий Ю.Т. Материаловедение: учебник для технических колледжей / Ю.Т. Вишневецкий.- 4-е изд. – М: Дашков и КО, 2009. – 670с

3. Металловедение: учебник для техникумов / А. И. Самохоцкий, М.Н. Кунявский, Т.М. Кунявская и др. – изд. 4-е, перераб. и доп. – М: металлургия, 1990. – 416 с.

4. http://www.mtomd.info/archives/category/material — Материаловедение

5. http://osvarke.info/145-materialovedenie-oglavlenie.html — Материаловедение, учебник

6. http://any-book.org/download/15744.html — Структура и свойства углеродистых сталей и чугунов

7. http://bcehaxytop.narod.ru/material/mat_index.html — Курс лекций «Материаловедение»

Приложение №2

1. Группа химических элементов, обладающих металлическими свойствами, такими как электропроводностью, металлическим блеском. (Металл)

2. Область науки и техники, охватывающая процессы получения металлов из руд или других видов сырья. (Металлургия)

3. Разрушение металла под действием внешней среды. (Коррозия)

4. Масса металла, заключенная в единице объема. (Плотность)

5. Способность металла отображать световое излучение с определенной длиной волны. (Цвет)

6. Что помогает нагретому металлу передавать тепло от более нагретого участка к менее? (Теплопроводность)

7. Какое технологическое свойство помогает металлу образовывать сварное соединение? (Свариваемость)

Приложение № 3

Сравнительная таблица методов измерения твердости

Шарик из закаленной стали

D=10 мм

Шарик из закаленной стали

D=1,588 мм

Алмазный конус

Угол при вершине 120град

Алмазная

пирамида

Угол при вершине 136град

Нагрузка

30000 Н

900 Н

1400 Н

500 Н

50-1000 Н

Обозначение числа твердости

HB

HRB

HRC

HRA

HV

Формула расчета

HB=P/F

Р-нагрузка, кгс

F – площадь отпечатка, мм²

HRB=100-е

HRB=130-е

HV=P/F

Р-нагрузка, кгс

F – площадь отпечатка, мм²

е – величина зависящая от глубины внедрения наконечника

Материал для испытания

Отожженная сталь

Цветные металлы и сплавы

Отожжен-ная сталь Цветные металлы и сплавы

Закален-ная сталь

Твер-дые спла-вы

Цветные сплавы

Отожженная сталь. Тонкий лист стали

Приложение 4

Задания для самопроверки

Сопоставьте понятия(расставьте цифры во втором и третьем столбцах около определений или обозначений величин соответствующих содержанию первого столбца):

Вариант №1

способность материала сопротивляться деформациям и разрушению

σ_упр

5. Ударная вязкость

способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки

КС

6. НВ

твердость по Роквеллу

индентор – алмазная пирамида

7. HV

твердость по Бринеллю

индентор – алмазный конус

8. HRC

твердость по Роквеллу

индентор – стальной шарик

9. HRA

твердость по Виккерсу

индентор – стальной шарик

10. HRB

твердость по Роквеллу

индентор – алмазный конус

Приложение 4

Задания для самопроверки

Сопоставьте понятия(расставьте цифры во втором и третьем столбцах около определений, свойств или обозначений величин соответствующих содержанию первого столбца):

Вариант №2

Приложение 4

Задания для самопроверки

Сопоставьте понятия (расставьте цифры во втором столбце около определений или обозначений величин соответствующих содержанию первого столбца):

Вариант №3

1. Твердость

ψ, δ

2. Прочность

НВ, HV, HRC, HRA,HRB

3. Пластичность

σ_в

4. Упругость

σ_упр

5. Ударная вязкость

КС

6. НВ

твердость по Роквеллу

7. HV

твердость по Бринеллю

8. HRC

твердость по Роквеллу

9. HRA

твердость по Виккерсу

10. HRB

твердость по Роквеллу

Приложение 4

Задания для самопроверки

Сопоставьте понятия (расставьте цифры во втором столбце около определений или обозначений величин соответствующих содержанию первого столбца):

Вариант №4

индентор – алмазный конус

8. HRC

индентор – стальной шарик

9. HRA

индентор – стальной шарик

10. HRB

индентор – алмазный конус

Тестирование механических свойств | Лаборатория тестирования Inc.

Специалисты по металлу

Механические свойства металлов и сплавов определяют диапазон полезности и ожидаемые услуги от материала. Испытания механических свойств предоставляют информацию о прочности, пластичности, ударной вязкости, твердости и вязкости разрушения. Испытания на механические свойства проводятся в различных условиях, таких как:

• Напряжение
• Повышенная температура
• Напряжение
• Удлинение
• Сжатие
• Нагрузка
• Удар
• Усталость

Испытание металлов

Laboratory Testing может выполнять широкий спектр услуг по испытанию механических свойств металлов.Список услуг включает в себя испытательную нагрузку, разрыв под напряжением, испытание на ползучесть, предел текучести, изгиб, развальцовку, сплющивание, испытание на удар по Шарпи, водородное охрупчивание, магнитную проницаемость, вязкость разрушения, рост усталостной трещины и другие.

Лаборатория испытаний механических свойств LTI предоставляет услуги, аккредитованные PRI Nadcap, которые выполняются в соответствии с военными, коммерческими и потребительскими требованиями. Вы можете рассчитывать на то, что лабораторные испытания предоставят надежные результаты и информацию о ваших металлах.

Наши обширные возможности тестирования включают:

• Испытание на растяжение от 10 фунтов.до 600000 фунтов.
• Испытание на разрыв под напряжением и ползучесть при температуре 2000 ° F
• Испытания на ударную вязкость с V-образным надрезом по Шарпи
• Испытания на усталость и трещиностойкость при температурах от -323 ° F до + 2250 ° F и нагрузках до 110000 фунтов-силы.

Материал может быть подвергнут термообработке в наших печах в соответствии с вашими требованиями перед испытанием для определения возможностей.

Испытание механических свойств на образцах LTI

Для удобства и быстрого выполнения работ наш механический цех готовит прецизионные образцы для испытания механических свойств с использованием новейшего оборудования с ЧПУ.LTI находится в списке квалифицированных производителей NIST (Национального института стандартов и технологий) для образцов для проверки на ударную вязкость с V-образным надрезом по Шарпи. Сообщите нам свои спецификации, и LTI подготовит образцы для ваших внутренних разрушающих испытаний.

Дополнительные услуги по механическим испытаниям

.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Прочность, твердость, вязкость, эластичность, пластичность, хрупкость и пластичность и пластичность — это механические свойства, используемые для измерения того, как металлы ведут себя под нагрузкой. Эти свойства описаны в терминах типов силы или напряжения, которые должен выдерживать металл, и как им сопротивляться.

Общие типы напряжений: сжатие, растяжение, сдвиг, кручение, удар, 1-2 или сочетание этих стрессов, например усталость.(См.

Напряжения сжатия возникают в материале, когда силы сжимают или раздавливают материал. Колонна, поддерживающая верхнюю балку, находится в сжатии, а внутренние напряжения, которые развиваются внутри колонны, — это сжатие.

Напряжения растяжения (или растяжения) возникают, когда материал подвергается растягиванию нагрузка; например, при использовании троса для подъема груза или при использовании его в качестве парень, чтобы закрепить антенну. «Прочность на разрыв» определяется как сопротивление продольное напряжение или растяжение и может измеряться в фунтах на квадратный дюйм поперечное сечение.Напряжения сдвига возникают в материале, когда внешние силы наносятся по параллельным линиям в противоположных направлениях. Срезающие силы могут отделить материал, сдвинув его часть в одном направлении, а остальные — в противоположное направление.

Некоторые материалы одинаково сильны при сжатии, растяжении и сдвиге. Однако многие материалы показывают заметные различия; например, затвердевший бетон имеет максимальная сила сжатия 2000 фунтов на квадратный дюйм и только 400 фунтов на квадратный дюйм при растяжении.Углеродистая сталь имеет максимальную прочность на растяжение и сжатие 56000 фунтов на квадратный дюйм, но максимальная прочность на сдвиг всего 42000 фунтов на квадратный дюйм; поэтому при работе с максимальная сила, всегда следует указывать тип нагрузки.

Материал, который постоянно подвергается нагрузке, обычно в какой-то момент выходит из строя. ниже его максимальной прочности на растяжение, сжатие или сдвиг. Например, тонкий стальной стержень можно сломать вручную, несколько раз согнув его вперед-назад в том же месте; однако, если та же сила применяется в установившемся движении (не согнутый вперед-назад) шток не сломается.Склонность материала к выход из строя после многократного изгиба в одной и той же точке называется утомлением.

Таблица 1-2.-Механические свойства металлов / сплавов

Прочность

Прочность — это свойство, которое позволяет металлу сопротивляться деформации при нагрузка. Предел прочности — это максимальная нагрузка, которую может выдержать материал. Предел прочности на разрыв — это измерение сопротивления разрыву, когда помещен в растягивающую нагрузку.

Усталостная прочность — это способность материала противостоять различным видам быстро меняющиеся напряжения и выражаются величиной переменных напряжение за указанное количество циклов.

Ударная вязкость — это способность металла противостоять внезапно приложенным нагрузкам. и измеряется в фут-фунтах силы.

Твердость

Твердость — это свойство материала сопротивляться постоянному вдавливанию. Поскольку существует несколько методов измерения твердости, твердость материал всегда указывается с точки зрения конкретного теста, который использовался для измерить это свойство.Роквелл, Викерс или Бринелл — вот некоторые из методов тестирование. Из этих тестов наиболее часто используется метод Роквелла. Основа принцип, используемый в тесте Роквелла, согласно которому твердый материал может проникать через более мягкий. Затем мы измеряем степень проникновения и сравниваем ее со шкалой. Для черных металлов, которые обычно тверже цветных, алмаз используется наконечник, а его твердость обозначается цифрой

.

Номер Роквелла «C». На более мягких цветных металлах металлический шарик используется, а твердость обозначается числом «B» по Роквеллу.Чтобы получить представление о свойство твердости, сравните свинец и сталь. Свинец можно поцарапать заостренная деревянная палка, а сталь не может, потому что она тверже свинца.

Полное объяснение различных методов, используемых для определения твердости материалы доступны в коммерческих книгах или книгах, находящихся в вашей базовой библиотеке.

Прочность

Прочность — это свойство, которое позволяет материалу выдерживать удары и деформироваться без разрыва.Прочность можно рассматривать как комбинацию прочность и пластичность. В Таблице 1-2 показан порядок некоторых наиболее распространенных материалы для прочности, а также других свойств.

Эластичность

Когда к материалу прилагается нагрузка, эта нагрузка заставляет материал деформировать. Эластичность — это способность материала возвращаться к своей первоначальной форме. после снятия нагрузки. Теоретически предел упругости материала — это предел, до которого материал может быть загружен и при этом восстановить свою первоначальную форму после снятия нагрузки.

Пластичность

Пластичность — это способность материала постоянно деформироваться без разрыв или разрыв. Это свойство противоположно силе. Осторожно легирование металлов, сочетание пластичности и прочности используется для изготовление крупных конструктивных элементов. Например, если участник моста конструкция становится перегруженной, пластичность позволяет перегруженному элементу течь позволяя распределять нагрузку на другие части конструкции моста.

Хрупкость

Хрупкость противоположна свойству пластичности. Хрупкий металл тот, который ломается или раскалывается прежде, чем деформируется. Белый чугун и стекло хорошие образцы хрупкого материала. Как правило, хрупкие металлы содержат прочность на сжатие, но низкая прочность на разрыв. Например, вы бы не выбрать чугун для изготовления опорных балок моста.

Пластичность и пластичность

Пластичность — это свойство, которое позволяет материалу растягиваться, сгибаться или скручиваться. без трещин и поломок.Это свойство позволяет материалу быть вытянутым в тонкую проволоку. Для сравнения, пластичность — это свойство, которое позволяет материалу деформироваться под действием сжимающих сил без развития дефектов. Податливый материал — это материал, который можно штамповать, ковать, ковать, прессовать или свернутые в тонкие листы.

.

Механические свойства и характеристики поведения металлов

В части VIII этой серии обсуждались некоторые из конкретных механических свойств металлов — пластичность, относительное удлинение, предел текучести и растяжения, а также твердость — и способы определения этих свойств. В этой статье описаны другие важные механические свойства, а также несколько поведенческих характеристик.

Рисунок 1 Распределение деформации и толщины

Деформация

Деформация может быть определена просто как измеримая деформация металла.Другими словами, металл необходимо «растянуть», чтобы изменить свою форму. Деформации могут быть положительными (растяжение металла или растяжение) или отрицательными (сдвигание металла или сжатие). Деформации также могут быть постоянными (пластическими) или восстанавливаемыми (упругими). Результат упругого деформирования обычно называют пружинящим возвратом или упругим восстановлением.

Помните, каждый тип металла хочет вернуться к своей первоначальной форме при деформации. Величина возвратной пружины металла зависит от его механических свойств.Когда инженеры ссылаются на участки детали, которые подвергаются «высокой деформации», они обычно имеют в виду участки, подвергшиеся значительному растяжению или сжатию. На рис. 1 показано имитационное изображение растянутой детали. Каждый цвет представляет разный тип и степень напряжения. Некоторые штаммы положительные, а другие отрицательные.

Напряжение

Напряжение — это просто результат деформации металла. Под воздействием напряжения металл претерпевает внутренние изменения, вызывающие его упругое возвратное движение или неравномерную деформацию.Захваченные напряжения внутри детали часто приводят к потере плоскостности или других геометрических характеристик. Все вырезанные или формованные детали подвергаются нагрузкам.

Распределение растяжения

Рисунок 2 Распределение растяжения / Испытание на растяжение

Распределение растяжения — очень важное механическое свойство. Характеристики распределения растяжения металла определяют, какая площадь поверхности растянутого металла постоянно деформируется.Распределение растяжения определяется в первую очередь путем проверки толщины металла, когда он деформируется при растяжении во время процесса испытания на растяжение. Чем равномернее распределение толщины, тем лучше распределение растяжения. Распределение растяжения также частично выражается в значении металла n. На рис. 2 показаны различные результаты распределения растяжения. Красные области образца тестового купона представляют собой растянутые области.

n Значение

Чтобы понять значение n, также известное как показатель рабочего или деформационного упрочнения, вы должны понимать, что каждый раз, когда металл подвергается остаточной деформации, происходит деформационное упрочнение.То же самое происходит, когда вы сгибаете плечики вперед и назад. По мере того как вы сгибаете вешалку, ее становится все труднее и труднее гнуть. Также становится труднее гнуть его в одном и том же месте. Это увеличение прочности является результатом деформационного или деформационного упрочнения. Однако, если вы продолжите гнуть вешалку в том же месте, она рано или поздно выйдет из строя.

Как ни парадоксально это может показаться, материалы должны подвергаться механическому упрочнению для достижения хорошей растяжимости и распределения растяжения. Ключ к успеху — то, как они работают.Значение n материала может быть определено в основном как растяжимость металла; тем не менее, это также выражение характеристик распределения материала при растяжении.

Возможно, одно из наиболее важных механических свойств, которые следует учитывать, если штампованная деталь требует большого растяжения. Значение n выражается численно в числах от 0,100 до 0,300 и обычно выражается двумя или тремя десятичными знаками. Чем выше число, тем выше растяжимость и распределение металла при растяжении.Более прочные металлы, такие как пружинная сталь, имеют очень низкие значения n, в то время как металлы, такие как те, которые используются для изготовления масляных поддонов и других деталей глубокой формы, обычно имеют более высокие значения n.

Значение n металла также является ключевым механическим значением, используемым при создании диаграмм пределов деформации. (Это будет обсуждаться в следующих частях этой серии.)

r Значение

Значение r металла определяется металлургически как коэффициент пластической деформации. Чтобы понять эту концепцию, вы должны четко понимать разницу между растяжкой и рисованием.Растяжение — это процесс формования металла, при котором металл подвергается растяжению. Это приводит к увеличению площади поверхности. Такие элементы, как большинство автомобильных капотов и крыльев, изготавливаются с использованием этого процесса.

Вытяжка — это перемещение металла в полость или над пуансоном посредством пластического течения или подачи металла. Такие предметы, как большие банки, масляные поддоны и детали глубокой формы, обычно изготавливаются с использованием этого процесса.

Рисунок 3 Значение коэффициента пластической деформации

Значение r металла можно определить просто как способность металла течь.Он также выражается численно с помощью значения от 1 до 2, которое обычно выражается двумя десятичными знаками. Чем больше значение r, тем более растянутый металл (, рисунок 3 ).

Значение r металла неоднородно по всему листу. Большинство металлов имеют разные значения r в зависимости от направления прокатки металла. Для определения значения r металла требуется испытание на растяжение в трех различных направлениях — с направлением прокатки, против направления прокатки и под углом 45 градусов к направлению прокатки.Результаты теста обычно усредняются и выражаются в виде шкалы r или среднего значения r.

Рисунок 4 Серьга, вызванная различиями в значении r металла

Различия в коэффициенте пластической деформации приводят к образованию серьги металла при вытяжке. Например, при рисовании круглой оболочки из круглой заготовки результатом будет почти квадратное дно на фланце чашки. Этот эффект (, рис. 4 ) вызван разной величиной потока металла относительно его поверхности.

Топография поверхности

Топография поверхности металла, определяемая просто как чистовая обработка поверхности металла, создается в основном в процессе прокатки металла.Рельеф поверхности — важная характеристика металла. При вытяжке металлы часто требуют отделки поверхности, способной удерживать смазку. Топография поверхности определяется с помощью измерительного инструмента, называемого профилометром.

На этом мы завершаем обсуждение характеристик листового металла. Следующая статья из этой серии будет посвящена резке металла.

.

Mechanical Properties — Nanoscience Instruments

Измерение и понимание механической реакции имеет решающее значение для исследования материалов, разработки продуктов и управления технологическими процессами. Механический отклик этих материалов зависит от сценариев применения, а также от химического состава материала. Основными параметрами, которые считаются для измерения этих механических свойств, являются нагрузка (P), скорость нагружения () или скорость деформации (), время нагружения (t).

Традиционно механические свойства определялись по кривой зависимости деформации от нагрузки, создаваемой приложенной нагрузкой, но наноиндентирование оказалось гораздо более продвинутым, обеспечивая множество свойств, таких как твердость, модуль упругости, по результатам одного испытания менее чем за секунду.Некоторые общие термины, используемые в механических испытаниях, — это напряжение, деформация, предел текучести. Напряжение (σ) — это мгновенная нагрузка, приложенная к образцу, деленная на его площадь поперечного сечения до любой деформации. Деформация (ε) — это изменение расчетной длины образца, деленное на его исходную расчетную длину. Предел текучести (σ _y ) — это напряжение в точке, где материал больше не реагирует упруго, называемое пределом текучести.

На основе фундаментальных данных определены механические свойства:

• Модуль упругости
• Твердость
• Комплексный модуль упругости вязкоупругих материалов
• Вязкость разрушения

Схема кривой напряжения-деформации с упругими и пластическими областями до разрушения.

Модуль упругости

Два механических свойства, модуль упругости и твердость, можно определить с помощью наноиндентирования.

Модуль упругости (E), часто называемый модулем Юнга, представляет собой отношение напряжения (σ) к деформации (ε), когда деформация является полностью упругой. В упругой области напряжение и деформация пропорциональны закону Гука: σ = Eε

Модуль упругости является внутренним свойством материала. На фундаментальном уровне E — это мера прочности связи между атомами.Чем больше модуль, тем жестче материал и меньше деформация. Эластичный отклик непостоянен, поэтому при снятии приложенной нагрузки образец возвращается к своей исходной форме.

Твердость

Твердость (H) — это мера сопротивления материала деформации за счет вдавливания на поверхности. Пластическая деформация вызывается движением дислокаций в атомной структуре материала. Предел текучести материала можно изменить, подавляя движение дислокаций через дефекты, сплавы или границы зерен.

Твердость материала может быть увеличена различными способами, включая межузельное упрочнение или упрочнение замещения, когда атомы либо добавляются между атомами, либо замещаются в атомной решетке:

Межузельное упрочнение и упрочнение замещения.

Испытание на микротвердость и наноиндентирование — стандартные методы определения твердости. Дополнительным преимуществом наноиндентирования является обеспечение модуля упругости.

Твердость материала — самый важный параметр при проектировании контактов.Чем тверже материал, тем мягче изнашивается при контакте друг с другом. В механике твердость определяется как сопротивление материала остаточной деформации во время приложения нагрузки.

Традиционно твердость измеряется по относительной шкале, такой как твердость по шкале Мооса или Виккерса. Каждому материалу присваивается числовое значение от 1 до 10 в зависимости от его относительной твердости по шкале Мооса. Последние достижения в области технологии наноиндентирования позволяют измерять твердость различных материалов и определять ее в терминах площади отпечатка на материале при заданной приложенной нагрузке.Твердость H по методу наноиндентирования рассчитывается как:

В наноиндентировании H (твердость) равна P (приложенная нагрузка), деленная на A (площадь вдавливания).

Здесь P — приложенная нагрузка, A — площадь вдавливания. Существуют различные шкалы измерения, основанные на материалах, таких как твердость по Шору, твердость по Виккерсу, твердость по Моосу и твердость по Кнупу, чтобы упомянуть несколько. Все они представляют относительную твердость материала по отношению к стандартному образцу. Наноиндентирование устраняет неоднозначность в различных масштабах, обеспечивая физическое измерение с точки зрения абсолютной твердости.

В отличие от модуля упругости, который является внутренним свойством материалов, твердость демонстрирует размерную зависимость в материалах, у которых приповерхностная твердость отличается от объемной твердости. Непрерывное измерение жесткости — превосходный метод измерения зависимости от глубины для изучения размерного эффекта твердости различных материалов. Зависимость твердости от размера можно понять, сравнив два сплава, состоящих из одного и того же материала, но с разными размерами зерен.Более мелкие зерна приводят к большей твердости большинства материалов из-за компактности набивки.

Вязкоупругость

Динамический механический анализ (DMA) используется для полимеров и резиновых материалов с фиксированной геометрией. Колебание применяется во время развертки частоты при повышении температуры. Затем определяется комплексный модуль упругости, модуль накопления и потери, как функция частоты и температуры.

Модуль упругости (E ’) — это мера эластичности полимерного материала.Модуль потерь (E ”) — это мера способности полимера преобразовывать механическую энергию в тепло. Коэффициент потерь, обозначаемый как tan δ, представляет собой отношение E ”к E’.

Когда размер или функция образца требует небольшого объема, для определения E ’и E” используется тест динамического наноиндентирования, аналогичный DMA. Наноиндентирование можно использовать для характеристики более широкого частотного диапазона, чем прямой доступ к памяти. Меньший размер образца может быть нагрет меньше.

Поперечное сечение шины с трехмерными картами накопления и модуля потерь по данным наноиндентирования.

Вязкость разрушения

Вязкость разрушения — это свойство сопротивления материала хрупкому разрушению. Поскольку во время обработки материала или детали невозможно избежать появления дефектов, вязкость разрушения является важным свойством материала. Материалы с высокой вязкостью разрушения будут склонны к вязкому разрушению. Материалы с низкой вязкостью разрушения обычно имеют хрупкое разрушение.

Модели могут использоваться для расчета вязкости разрушения и соотнесения с данными наноиндентирования при высоких нагрузках.Обычно эти методы учитывают размер дефекта, геометрию компонента и состояние нагрузки. Вязкость разрушения используется для оценки способности компонента с уже существующими дефектами противостоять разрушению.

Раскрашенное СЭМ-изображение трещин в стали с плазменным напылением. .