Лекции по "Материаловеденю"

Совокупность таких механических свойств можно называть конструктивной прочностью. В качестве критериев оценки конструктивной прочности принимают разные сочетания механических свойств.

Часть критериев оценки свойств определяются на образцах, тогда как часть - на готовых деталях и конструкциях. Преимущества испытания образцов состоят в постоянстве напряженного состояния в образцах одного типа, возможности точного выявления влияния разных параметров (химического состава материала, термической обработки и т. п.) на его свойства; преимущества испытаний готовых деталей — в непосредственной оценке их конструктивной прочности.

Испытания на растяжение при комнатной температуре. При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.9) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца — получают так называемые диаграммы деформации.

В практике испытания  материалов действительно определяемую (фиксируемую) диаграмму в координатах  усилие—удлинение заменяют обычно диаграммой напряжение —удлинение. Последняя диаграмма не соответствует истинному ходу испытания. Действительно, в этом случае нагрузку, измеряемую при непрерывно изменяющемся сечении, относят к начальному сечению образца, т. е. сечению, которое в момент изменения уже не существует. Таким образом определяют условные напряжения. Если нагрузку относят к действительному сечению, то получают значения истинных напряжений. Диаграммы истинных напряжений дают представление о физических процессах, протекающих в материале, и имеют особое значение для прочностных расчетов и технологии обработки металлов давлением.

Рис. 3.9 - Диаграмма усилие (напряжение) — удлинение

Деформация образца  при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному  механизму. Накопление дислокаций в  результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие в конечном счете к полному разрушению образца в целом.

Согласно ГОСТ 1497—84, для  испытания на растяжение используют разрывные и универсальные испытательные машины, соответствующие требованиям ГОСТ 7855—84. Образцы для испытания применяют пропорциональные цилиндрические или плоские диаметром или толщиной в рабочей части >3 мм.

1. На рис. 3.10 показано определение предела пропорциональности графическим способом. В этом случае из начала координат диаграммы растяжения, записанной от электрического силоизмерителя и измерителя деформации, проводят прямую, совпадающую с начальным линейным участком этой диаграммы. Затем на произвольном уровне проводят прямую А В, параллельную оси абсцисс, и на ней откладывают отрезок kn, равный половине отрезка mk. Через точку п и начало координат проводят прямую Оn. и параллельно ей - касательную CD к диаграмме растяжения. Точка касания определяет нагрузку Р_пц в ньютонах, отвечающую пределу пропорциональности:

s_пц = Р_пц/F₀, МПа,

где F₀ — начальное поперечное сечение образца.

2. Предел упругости s_0,05 — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Определяют предел упругости расчетным (по разгрузке и нагрузке) и графическим способами. При использовании способа нагрузки с допуском на величину полного удлинения (упругого + остаточного) образец после установки на него тензометра нагружают равными ступенями до нагрузки, соответствующей напряжению 70—80 % от предполагаемого предела упругости s_0,05. Дальнейшее нагружение проводят более мелкими ступенями с выдержкой не более 7 с.

Вычисляют величину допуска  на полное удлинение суммированием определенного среднего упругого удлинения и рассчитанного остаточного удлинения.

Определяют нагрузку Р_0,05, соответствующую установленному допуску на полное удлинение образца.

Графическим способом предел упругости s_0,05 определяют по начальному участку диаграммы растяжения, записанной от электрических силоизмерителя и измерителя деформации (рис. 3.11). Удлинение определяется на участке, равном базе измерителя деформации.

Для определения нагрузки Р_0,05 вычисляют соответствующее остаточное удлинение с учетом базы измерителя деформации. Найденное значение увеличивают пропорционально масштабу диаграммы по оси абсцисс вправо от начала координат О. Из точки Е проводят прямую ЕР, параллельную прямой ОА. Точка пересечения Р с диаграммой растяжения определяет искомую нагрузку Р_0,05.

Рис. 3.10 - Схема определения  предела пропорциональности s_пц при растяжении

Рис. 3.11 - Схема определения  предела упругости s_0,05 при растяжении

Предел упругости s_0,05 вычисляют по формуле, МПа:

s_0,05 = Р_0,05/F₀

3. Модуль упругости Е — отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации; модуль упругости определяют расчетным способом с помощью тензометров и графическим способом по начальному участку диаграммы растяжения, записанной от электрических силоизмерителя и измерителя деформации. Модуль упругости вычисляют по формуле, МПа:

Е = DРl₀/Dl_срF₀,

где DР— приращение нагрузки; Dl_ср — среднее приращение удлинения; l₀ — начальная расчетная длина образца; F₀ — начальная площадь поперечного сечения.

4. Предел текучести (условный) — напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

Для определения s_0,2 графическим методом сначала вычисляют величину остаточного удлинения с учетом установленного допуска исходя из рабочей длины образца. Найденное значение увеличивают пропорционально масштабу диаграммы растяжения и полученный отрезок длины откладывают по оси удлинения от точки О до точки Е (рис. 3.12).

Рис. 3.12 - Схема определения предела текучести

s_0,2 при растяжении

Из точки Е проводят прямую параллельно прямой ОА. Точка пересечения Р с диаграммой растяжения определяет нагрузку Р_0,2, соответствующую условному пределу текучести s_0,2, МПа:

s_0,2 = Р_0,2/F₀

Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.

5. Временное сопротивление (предел прочности) s_В — напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_max предшествующей разрыву образца. Временное сопротивление вычисляют по формуле, МПа:

s_В = Р_max/F₀

6. Относительное удлинение  (после разрыва) — одна из  характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения  расчетной длины образца после  разрушения l_к начальной расчетной длине l₀, %:

d = [(l_к – l₀)/l] 100

7. Относительное равномерное удлинение d_р — отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.

8. Относительное сужение  после разрыва y, как и относительное удлинение — характеристика пластичности материала и определяется как отношение разности F₀ и минимальной F_к площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения F₀, выраженное в процентах.

Весьма часто для  определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом — измерением твердости.

Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т. е. по сути дела твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.13, а, фото), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D. Число твердости по Бринеллю НВ есть нагрузка Р, деленная на сферическую поверхность отпечатка (с диаметром d).

При методе Виккерса (рис. 3.13, б) вдавливается алмазная пирамида и, измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (HV).

При методе Роквелла (рис. 3.13, в, фото) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик), числом твердости называется величина, обратная глубине вдавливания (h). Имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом при Р = 150 кгс получаем твердость HRC, то же при Р = 60 кгс - HRA и при вдавливании стального шарика при Р = 100 кгс - HRB.

Метод НВ и HRB применяют  для мягких материалов, а HRC — для  твердых, а метод HRA и HV для тонких слоев (листов).

Описанные методы твердости характеризуют среднюю твердость сплава. Для того, чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100-400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка. Полученная характеристика (Н) называется микротвердостыо и характеризует твердость определенной структурной составляющей.

Рис. 3.13 - Схемы испытания  на твердость: а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

Динамические  испытания металлов осуществляют для определения условий возникновения хрупкого состояния и оценки поведения материалов в условиях повышенной скорости деформирования.

Основной вид динамических испытаний - ударное нагружение надрезанных  образцов в условиях изгиба. Динамическое нагружение ударом осуществляется на маятниковых копрах, а также падающим грузом. При этом определяют работу, затраченную на деформацию и разрушение образца.

Обычно в этих испытаниях, определяют удельную работу, затраченную  на деформацию и разрушение образца. Ее рассчитывают по формуле КС = K/S₀, где К — полная работа деформации и разрушения образца, Дж; S₀ — поперечное сечение образца в месте надреза, м² или см². Ширина образцов всех типов измеряется до испытаний. Высоту образцов с U- и V-образным надрезом измеряют до испытаний, а Т-образного уже после испытаний. Соответственно удельная работа деформации разрушения обозначается KCU, KCV и КСТ.

Рис. 3.14 - Схема маятникового копра для испытания на ударную  вязкость

                                         3.4. Способы упрочнения металлов

3.4.1. Наклеп

Вернемся к рассмотрению зависимости между напряжением  и деформацией (рис. 3.2). Если нагрузка не превысила точки А (условный предел текучести), то после ее устранения изменений в металле не произойдет, но если нагрузка превысила предел текучести и напряжения, например, были равны s₁, то после снятия нагрузки останется деформация, равная а. Если затем опять нагружать металл, то способность его к пластической деформации уменьшится, предел текучести повысится до значения s₁; т. е. чтобы вызвать пластическую деформацию, следует приложить большие напряжения. Это значит, что металл стал прочнее. Упрочнение металла под действием пластической деформации называется наклепом, деформационным упрочнением или нагартовкой.

Известно, что пластическая деформация осуществляется путем перемещения  дислокации. Пара движущихся дислокации порождает сотни и сотни новых, в результате этого плотность дислокаций повышается, образуются малоподвижные пороги и барьеры при пересечении дислокаций, измельчается зерно, что и приводит к упрочнению (повышению предела прочности) (рис. 3.15).

Плотность дислокации r .10 -12, см

Рис. 3.15 - Изменение прочности  в зависимости от плотности дислокации (высокопрочная сталь)

График изменения механических свойств в зависимости от степени  пластической деформации меди и алюминия показан на рис. 3.16. По мере увеличения степени деформации (уменьшения поперечного  сечения) предел прочности (s_В) растет, а относительное удлинение (e) падает. Пластическая деформация вносит существенные изменения в строение металла.

Кристаллическая структура  пластически деформированного металла  характеризуется не только искажением кристаллической решетки, но и определенной ориентировкой зерен - текстурой.

Беспорядочно ориентированные  кристаллы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей прочности  вдоль направления деформации. С  увеличением деформации степень  текстурованности возрастает и при  больших степенях деформации достигает 100 %, т. е. все зерна оказываются одинаково ориентированными.

Не следует думать, что в результате деформации зерно  измельчается. В действительности оно  только деформируется, сплющивается и  из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сечения.

Степень деформации, % а)                                                 б)

Рис. 3.16 - Изменение механических свойств меди (а) и алюминия (б) в  зависимости от степени пластической деформации

Многочисленные сдвиги демонстрируют смещение одной части  кристалла относительно другой, протекающие по описанному выше дислокационному механизму. Они хорошо видны на полированном (до деформации) металле и часто именуются линиями Чернова - Людерса.

Таким образом, пластическая деформация вызывает изменение внутреннего  строения зерна и его формы, а после определенной ее величины и уменьшение плотности из-за образования несплошностей (пор).

3.4.2. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизационные процессы)

Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. Самопроизвольно должны происходить явления. возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.