§ 4. MEHANIČKA SVOJSTVA

Riža. 8. Vrste deformacija:
a - kompresija, b - napetost, c - torzija, d - posmik, e - savijanje

Riža. 9. Rastezljivi grafikon:
a - uvjetni dijagram u P-∆l koordinatama, b - uvjetni dijagram naprezanja i pravi dijagram naprezanja

Riža. 10. Određivanje tvrdoće metala metodama Brinell (a), Rockwell (b) i Vickers (c).

Svojstva metala često se procjenjuju samo prema njihovoj tvrdoći, vlačnoj čvrstoći i istezanju. Samo na temelju tih parametara donose se zaključci o sposobnostima metala ili se uspoređuju različite legure. Zapravo, ovi podaci su apsolutno nedovoljni da bi se odlučilo o prikladnosti materijala za određeni zadatak. Osim navedenih parametara, primjenjivost metala i legura određuju a) strukturna čvrstoća, b) stupanj ispoljenosti neelastičnih pojava, c) otpornost na trošenje, d) otpornost na koroziju i mnogi drugi.

Na ovoj stranici saznat ćemo što točno određuje najčešće parametre mehaničkih svojstava i razmotriti glavne pokazatelje strukturne čvrstoće. O pitanjima se raspravlja na drugim stranicama otpornost na trošenje I otpornost na koroziju.

Sadržaj:

1. Elastične i plastične deformacije

2. Pokazatelji elastičnog i plastičnog stanja

2.1. granice proporcionalnosti, elastičnosti i fluidnosti

2.2. karakteristike elastičnog stanja

2.3. vlačna čvrstoća

2.4. plastičnost i viskoznost

2.5. tvrdoća

3. Pokazatelji čvrstoće konstrukcije

3.1. otpornost na pukotine

3.2. zamorna čvrstoća

3.3. snaga udarca

3.4. granice puzanja i dugotrajne čvrstoće

1. ELASTIČNE I PLASTIČNE DEFORMACIJE

Mehanička svojstva metala i legura određena su načinom na koji percipiraju vanjska opterećenja, tj. oduprijeti se deformaciji i destrukciji. Kada se deformiraju, uočavaju se dvije različite vrste deformacija - elastične i plastične - koje se razlikuju i po vanjskim manifestacijama i po unutarnjim mehanizmima. Jasno je da se svojstva koja određuju elastično i plastično stanje metala moraju opisati različitim karakteristikama.

Elastične deformacije nastaju zbog promjena međuatomskih udaljenosti; one ne mijenjaju strukturu metala, njegova svojstva i reverzibilne su. Reverzibilnost znači da nakon uklanjanja tereta tijelo poprima prijašnji oblik i veličinu, tj. Nema zaostalih deformacija.

Plastične deformacije nastaju zbog nastanka i kretanja dislokacija; Nakon uklanjanja opterećenja ostaju deformacije, tj. plastične deformacije su nepovratne.

2. POKAZATELJI ELASTIČNOG I PLASTIČNOG STANJA

2.1. GRANICE PROPORCIONALNOSTI, ELASTIČNOSTI i FLUIDNOSTI.

Je li područje naprezanja pri kojem dolazi samo do elastične deformacije ograničeno granicom proporcionalnosti? PC. U tom području se u svakom zrnu odvijaju samo elastične deformacije, a za uzorak kao cjelinu je zadovoljen Hookeov zakon - deformacija je proporcionalna naprezanju (otuda i naziv granice).

Povećanjem naprezanja dolazi do mikroplastičnih deformacija pojedinih zrna. Pri takvim opterećenjima zaostala naprezanja su beznačajna (0,001% - 0,01%).

Naprezanje pri kojem se unutar navedenih granica pojavljuju zaostale deformacije naziva se uvjetna granica elastičnosti. Indeks u svojoj oznaci označava iznos zaostale deformacije (u postocima) za koju je određena granica elastičnosti, na primjer? 0,01.

Naprezanje pri kojem već dolazi do plastične deformacije u svim zrnima naziva se uvjetna granica tečenja. Najčešće se određuje pri vrijednosti zaostale deformacije od 0,2% i označava se? 0,2.

Formalno, razlika između granica elastičnosti i popuštanja povezana je s točnošću određivanja "granice" između elastičnog i plastičnog stanja, što odražava riječ "uvjetno". Je li to očito? PCtočno Granica proporcionalnosti ili elastičnosti određuje stupanj ispoljavanja neelastičnih svojstava i veličinu granice zamora.

Nepostojanje oštre granice između elastičnog i plastičnog stanja znači da u području naprezanja između? računalo i? 0,2, javljaju se i elastične i plastične deformacije.

Elastično stanje postoji sve dok su dislokacije u svim zrncima metala nepomične.

Prijelaz u plastično stanje opaža se u području opterećenja u kojem se kretanje dislokacija (i, posljedično, plastična deformacija) događa samo u pojedinačnim kristalnim zrncima, au ostatku se nastavlja javljati mehanizam elastične deformacije.

Plastično stanje se ostvaruje kada se kretanje dislokacija dogodi u svim zrncima uzorka.

Nakon restrukturiranja dislokacijske strukture (završetka plastične deformacije), metal se vraća u elastično stanje, ali s promijenjenim elastičnim svojstvima.

Date oznake granica odgovaraju jednoosnom naprezanju, čiji je dijagram prikazan na slici. Granice sličnog značenja određene su za kompresiju, savijanje i torziju.

Razmatrani dijagram tipičan je za metale u kojima je prijelaz iz elastičnog u plastično stanje vrlo gladak. Međutim, postoje metali s izraženim prijelazom u plastično stanje. Dijagrami naprezanja i deformacije takvih metala imaju vodoravni presjek, a karakterizirani su ne uvjetnom, već fizičkom granicom tečenja. Za primjer takvog dijagrama pogledajte web stranicuhttp://www.physics-words.com/130/207/2770120.html.. Nakon dostizanja fizičke granice tečenja, malo povećanje naprezanja dovodi do oštrog istezanja uzorka; čini se da metal teče, otuda i naziv granice.

2.2. KARAKTERISTIKE ELASTIČNOG STANJA

Najvažniji parametri elastičnog stanja – granica elastičnosti? y i moduli elastičnosti.

Granica elastičnosti određuje najveća dopuštena radna opterećenja, kod kojih metal doživljava samo elastične ili male dopuštene elastično-plastične deformacije. Vrlo grubo (i prema precjenjivanju) granica elastičnosti može se procijeniti granicom tečenja.

Moduli elastičnosti karakteriziraju otpornost materijala na opterećenje u elastičnom stanju. Youngov modul E određuje otpornost na normalna naprezanja (vlak, pritisak i savijanje), a modul smicanja G određuje otpornost na smična naprezanja (uvijanje). Što su moduli elastičnosti veći, to je strmiji elastični presjek na dijagramu deformacije (vidi sliku), to je manja veličina elastičnih deformacija pri jednakim naprezanjima i, prema tome, veća je krutost konstrukcije. Elastične deformacije ne mogu biti veće od ove vrijednosti? vi.

Dakle, moduli elastičnosti određuju najveće dopuštene radne deformacije(uzimajući u obzir granicu elastičnosti i krutost proizvoda. Moduli elastičnosti mjere se u istim jedinicama kao i naprezanje (MPa ili kgf/mm 2).

Strukturalni materijali moraju kombinirati visoke vrijednosti čvrstoće tečenja (izdržati velika opterećenja) i elastične module (osigurati veću krutost). Modul elastičnosti E ima istu vrijednost pri pritisku i napetosti. Međutim, granice tlačne i vlačne elastičnosti mogu se razlikovati. Stoga, uz istu krutost, rasponi elastičnosti tijekom kompresije i napetosti mogu biti različiti.

U elastičnom stanju metal ne doživljava makro plastične deformacije, međutim, u svojim pojedinačnim mikroskopskim volumenima lokalne mikro plastične deformacije. Oni su uzrok takozvanih neelasticnih pojava, koje bitno utjecu na ponasanje metala u elasticnom stanju. Kod statičkih opterećenja javlja se histereza, elastično naknadno djelovanje i relaksacija, a kod dinamičkih opterećenja unutarnje trenje.

Opuštanje– spontano smanjenje stresa u proizvodu. Primjer njegove manifestacije je slabljenje napetih veza tijekom vremena. Što je manja relaksacija, to su glumačka naprezanja stabilnija. Osim toga, opuštanje dovodi do pojave zaostale deformacije nakon uklanjanja opterećenja. Podložnost ovim fenomenima karakterizira otpornost na opuštanje. Mjeri se kao relativna promjena napona tijekom vremena. Što je veći, to je metal manje podložan opuštanju.

Unutarnje trenje određuje ireverzibilne gubitke energije pri promjenjivim opterećenjima. Gubici energije karakterizirani su dekrementom prigušenja ili koeficijentom unutarnjeg trenja. Metali s velikim dekrementom prigušenja učinkovito prigušuju zvuk i vibracije i manje su osjetljivi na rezonanciju (jedan od metala s najboljim prigušenjem je sivi lijev). Metali s niskim koeficijentom unutarnjeg trenja, naprotiv, imaju minimalan učinak na širenje vibracija (na primjer, zvonasta bronca). Ovisno o namjeni, metal mora imati visoko unutarnje trenje (amortizeri) ili, obrnuto, nisko (opruge mjernih instrumenata).

S povećanjem temperature, elastična svojstva metala se pogoršavaju. To se očituje u sužavanju elastičnog područja (zbog smanjenja granica elastičnosti), povećanju neelastičnih pojava i smanjenju modula elastičnosti.

Metali koji se koriste za izradu elastičnih elemenata i proizvoda stabilnih dimenzija moraju imati minimalne manifestacije neelastičnih svojstava. Ovaj zahtjev je bolje ispunjen kada granica elastičnosti značajno premašuje radno naprezanje. Osim toga, važan je omjer granica elastičnosti i fluidnosti. Što veći stav? y / ? 0,2, manja je manifestacija neelastičnih svojstava. Kada kažu da metal ima dobra elastična svojstva, to obično ne znači samo visoku granicu elastičnosti, već i veliku vrijednost? y / ? 0,2.

2.3. VLAČNA ČVRSTOĆA

Kod naprezanja koja prelaze granicu tečenja? 0,2, metal prelazi u plastično stanje. Izvana se to očituje smanjenjem otpornosti na strujno opterećenje i vidljivom promjenom oblika i veličine. Nakon uklanjanja opterećenja, metal se vraća u elastično stanje, ali ostaje deformiran za količinu zaostale deformacije, koja može daleko premašiti graničnu elastičnu deformaciju. Promjena dislokacijske strukture tijekom plastične deformacije povećava granicu tečenja metala - dolazi do njegovog deformacijskog otvrdnjavanja.

Obično se plastična deformacija proučava pod jednoosnom napetosti uzorka. U ovom slučaju, određuje se privremeni otpor? c, relativno produljenje nakon puknuća? i relativno suženje nakon rupture?. Slika napetosti kod naprezanja koja prelaze granicu tečenja svodi se na dvije opcije prikazane na slici.

U prvom slučaju (slika u umetku) uočava se jednoliko rastezanje cijelog uzorka - dolazi do jednolike plastične deformacije koja završava pucanjem uzorka pod naprezanjem? V. U ovom slučaju? ima smisla za uvjetnu vlačnu čvrstoću, ha? I? odrediti najveću jednoliku plastičnu deformaciju.

U drugom slučaju, uzorak se prvo ravnomjerno rasteže, a nakon što se postigne napetost? formira se lokalno suženje (vrat) i daljnje istezanje, sve do puknuća, koncentrira se u području vrata. U ovom slučaju? I? su zbroj jednolikih i koncentriranih deformacija (vidi sliku). Budući da se „trenutak“ određivanja vlačne čvrstoće više ne poklapa s „trenutkom“ pucanja uzorka? c ne određuje krajnju čvrstoću, već uvjetno naprezanje pri kojem završava jednolika deformacija. Međutim, veličina? B se često naziva uvjetna vlačna čvrstoća, bez obzira na prisutnost ili odsutnost vrata.

U svakom slučaju razlika (? in – ? 0,2) određuje interval uvjetnih naprezanja u kojem dolazi do jednolike plastične deformacije, a omjer? 0,2 / ? B karakterizira stupanj otvrdnjavanja. U žarenom metalu? 0,2/? B = 0,5-0,6. a nakon deformacijskog otvrdnjavanja (otvrdnjavanja) porast će na 0,9-0,95.

Riječ "uvjetno" u odnosu na? V znači da je manji od "pravog" napona S V koji djeluje u uzorku. Poanta je te napetosti? definira se kao omjer vlačne sile i površine početnog poprečnog presjeka uzorka (što je prikladno), a pravi napon S mora se odrediti u odnosu na površinu poprečnog presjeka u trenutku mjerenja (što je teže). Tijekom plastične deformacije uzorak postaje tanji i rastezanjem se povećava razlika između nominalnog i stvarnog naprezanja (osobito nakon grla). Ako izgradite vlačni dijagram za stvarna naprezanja, tada će vlačna krivulja prolaziti iznad krivulje nacrtane na slici i neće imati padajući dio.

Mogu li metali imati isto značenje? c, ali ako imaju različite vlačne dijagrame, slom uzorka će se dogoditi pri različitim stvarnim naprezanjima S B (stvarna čvrstoća će im biti različita).

Privremeni otpor? B se određuje pod opterećenjem koje djeluje desetke sekundi, stoga se često naziva kratkotrajna granica čvrstoće.

Plastična deformacija se također proučava pod pritiskom, savijanjem i torzijom; dijagrami deformacije su slični onima prikazanim na slici. Ali iz mnogo razloga, jednoosna napetost je poželjnija u većini slučajeva. Je li određivanje parametara jednoosne vlačne čvrstoće najmanje zahtjevno? u i?, uvijek se određuju tijekom masovnih tvorničkih ispitivanja, a njihove vrijednosti nužno su navedene u svim referentnim knjigama.

Opis metodologije ispitivanja vlačne čvrstoće za metale (i definicija svih pojmova) dan je u GOST 1497-73. Ispitivanje kompresije opisano je u GOST 25.503-97, i za torziju - u GOST 3565-80.

2.4. PLASTIČNOST I VISKOZNOST

Plastičnost je sposobnost metala da mijenja oblik bez narušavanja svoje cjelovitosti (bez pukotina, pukotina, a posebno razaranja). Ona se manifestira kada se elastična deformacija zamijeni plastičnom deformacijom, tj. pri naprezanjima većim od granice razvlačenja? V.

Je li mogućnost plastične deformacije karakteriziran omjerom? 0,2/? V. Na? 0,2/? B = 0,5-0,6, metal dopušta velike plastične deformacije (? i? iznose desetke postotaka). Naprotiv, na? 0,2/? Pri =0,95–0,98, metal se ponaša kao krt: područje plastične deformacije praktički je odsutno (? i ? su 1-3%).

Najčešće se plastična svojstva ocjenjuju vrijednošću relativnog istezanja pri prekidu?. Ali ova se vrijednost određuje pod statičkom jednoosnom napetosti i stoga ne karakterizira plastičnost pod drugim vrstama deformacija (savijanje, kompresija, torzija), visokim brzinama deformacije (kovanje, valjanje) i visokim temperaturama.

Kao primjer možemo navesti mesingove L63 i LS59-1, koji imaju praktički iste vrijednosti ?, ali značajno različita plastična svojstva. Urezana šipka od L63 se savija na mjestu reza, a od LS59-1 se lomi uz malu silu. Žica od L63 se lako spljošti bez pucanja, dok žica od LS59-1 puca nakon nekoliko udaraca. Mesing LS59-1 se lako valja toplo, a L63 se valja samo u uskom temperaturnom rasponu, izvan kojeg izradak puca.

Dakle, plastičnost ovisi o temperaturi, brzini i načinu deformacije. Na svojstva plastike snažno utječu mnoge nečistoće, često čak iu vrlo niskim koncentracijama.

U praksi se za određivanje plastičnosti koriste tehnološka ispitivanja u kojima se koriste metode deformiranja koje su usklađenije s odgovarajućim tehnološkim procesima.

Uobičajena procjena duktilnosti je kut savijanja, broj savijanja ili uvijanja koje poluproizvod može izdržati bez pukotina ili poderotina.

Test istiskivanja rupe iz trake (analogno štancanju i dubokom izvlačenju) provodi se sve dok se ne pojave poderotine i pukotine.

Dobra plastična svojstva važna su u procesima oblikovanja metala. Tijekom normalnog rada, metal je u elastičnom stanju i njegova plastična svojstva se ne pojavljuju. Stoga, na prvi pogled, nema smisla usredotočiti se na pokazatelje plastičnosti tijekom normalnog rada proizvoda.

Ali ako postoji mogućnost opterećenja koja prelaze granicu tečenja, tada je poželjno da materijal bude plastičan. Krhki metal kolabira odmah nakon što prijeđe određenu granicu, dok je duktilni materijal sposoban apsorbirati dovoljno viška energije bez kolapsa.

Pojmovi viskoznosti i plastičnosti često se poistovjećuju, ali ti pojmovi karakteriziraju različita svojstva:

Plastičnost - određuje sposobnost deformiranja bez razaranja; procjenjuje se u linearnim, relativnim ili konvencionalnim jedinicama.

Viskoznost - određuje količinu energije apsorbirane tijekom plastične deformacije, mjeri se pomoću energetskih jedinica

Količina energije potrebna za lom materijala jednaka je površini ispod krivulje naprezanje-deformacija na dijagramu pravo naprezanje-stvarna deformacija. To znači da ovisi i o maksimalnoj mogućoj deformaciji i o čvrstoći metala. Metoda za određivanje intenziteta energije tijekom plastične deformacije opisana je uGOST 23.218-84.

2.5. TVRDOĆA

Generalizirana karakteristika elastično-plastičnih svojstava je tvrdoća.

Tvrdoća je svojstvo površinskog sloja materijala da se odupire prodoru drugog, tvrđeg tijela, svojim koncentriranim udarom na površinu materijala. "Drugo, tvrđe tijelo" je utiskivač (čelična kugla, dijamantna piramida ili stožac) utisnut u metal koji se ispituje.

Naprezanja uzrokovana utiskivačem određena su njegovim oblikom i silom utiskivanja. Ovisno o veličini tih naprezanja, u površinskom sloju metala dolazi do elastičnih, elastično-plastičnih ili plastičnih deformacija. U prvom slučaju, uklanjanje tereta ne ostavlja trag na površini. Ako naprezanje prijeđe granicu elastičnosti metala, tada nakon uklanjanja opterećenja na površini ostaje otisak.

Što je udubljenje manje, veća je otpornost na utiskivanje i veća se tvrdoća uzima u obzir. Po veličini koncentrirane sile, koja još ne ostavlja otisak, moguće je odrediti tvrdoću na granici tečenja (GOST 22762-77).

Numeričko određivanje tvrdoće provodi se metodama po Vickersu, Brinellu i Rockwellu.

U Rockwell metodi (GOST 9013-59), tvrdoća se mjeri u HR jedinicama, koje odražavaju stupanj elastičnog oporavka udubljenja nakon uklanjanja opterećenja. Oni. Broj tvrdoće po Rockwellu određuje otpornost na elastične ili male plastične deformacije. Ovisno o vrsti metala i njegovoj tvrdoći, koriste se različite ljestvice. Najčešće korištena ljestvica je C. i broj tvrdoće H.R.C.

Zahtjevi za kvalitetu površine čeličnih dijelova nakon toplinske obrade često su formulirani u HRC jedinicama. HRC tvrdoća najbliže odražava razinu izvedbe čelika visoke čvrstoće, a s obzirom na jednostavnost Rockwellovih mjerenja, vrlo je široko korištena u praksi. Za detaljan opis Rockwellove metode s opisom različitih ljestvica i tvrdoće različitih klasa materijala, vidi http://www.fast-const.ru/articles.php?article_id=2

Tvrdoća po Vickersu i Brinellu definirana je kao omjer sile utiskivanja i površine kontakta utiskivača i metala pri maksimalnom prodiranju utiskivača. Oni. brojevi tvrdoće HV i HB imaju značenje prosječnog naprezanja na površini nerestauriranog otiska, mjere se u jedinicama naprezanja (MPa ili kgf/mm) i određuju otpornost na plastičnu deformaciju. Glavna razlika između ovih metoda povezana je s oblikom utiskivača.

Primjena dijamantne piramide uVickersova metoda (GOST 2999-75, GOST R ISO 6507-1) osigurava geometrijsku sličnost piramidalnih otisaka pod bilo kojim opterećenjem - omjer dubine i veličine otiska pri maksimalnom udubljenju ne ovisi o primijenjenoj sili. To omogućuje prilično strogu usporedbu tvrdoće različitih metala, uključujući rezultate dobivene pod različitim opterećenjima.

Kuglični utiskivačiBrinellova metoda (GOST 9012-59) ne pružaju geometrijsku sličnost sfernih otisaka. To dovodi do potrebe odabira vrijednosti opterećenja ovisno o promjeru kugličnog utiskivača i vrsti materijala koji se ispituje prema tablicama preporučenih parametara ispitivanja. Posljedica toga je dvosmislenost pri usporedbi HB tvrdoće za različite materijale.

Ovisnost utvrđene tvrdoće o veličini primijenjenog opterećenja (mala za Vickersovu metodu i vrlo jaka za Brinellovu metodu) zahtijeva obvezno navođenje uvjeta ispitivanja pri bilježenju broja tvrdoće (vidi GOST), iako se ovo pravilo često ne poštuje. .

Područje utjecaja utiskivača na metal usporedivo je s veličinom udubljenja, tj. tvrdoća karakterizira lokalna svojstva poluproizvoda ili proizvoda. Ako se površinski sloj (platiran ili kaljen) razlikuje po svojstvima od osnovnog metala, tada će izmjerene vrijednosti tvrdoće ovisiti o omjeru dubine udubljenja i debljine sloja - tj. ovisit će o načinu mjerenja i uvjetima. Rezultat mjerenja tvrdoće može se odnositi ili samo na površinski sloj ili na osnovni metal, uzimajući u obzir njegov površinski sloj.

Pri mjerenju tvrdoće, rezultirajuća otpornost na prodiranje indentera u metal određuje se bez uzimanja u obzir pojedinačnih strukturnih komponenti. Usrednjavanje se događa ako veličina otiska premašuje veličinu svih nehomogenosti. Tvrdoća pojedinih komponenti faze (mikrotvrdoća) određena je Vickersovom metodom (GOST 9450-76) s malim silama utiskivanja.

Ne postoji izravna veza između različitih ljestvica tvrdoće, niti postoje dobro utemeljene metode za pretvaranje brojeva tvrdoće iz jedne ljestvice u drugu. Postojeće tablice koje formalno povezuju različite ljestvice temelje se na usporednim mjerenjima i vrijede samo za određene kategorije metala. U takvim se tablicama brojevi tvrdoće obično uspoređuju s brojevima HV tvrdoće. To je zbog činjenice da Vickersova metoda omogućuje određivanje tvrdoće bilo kojeg materijala (u drugim metodama raspon izmjerene tvrdoće je ograničen) i osigurava geometrijsku sličnost otisaka.

Za grafički odnos između Rockwellove i Vickersove ljestvice, vidihttp://www.gordonengland.co.uk/hardness/hardness_conversion.gif.

za čelike -http://www.grantadesign.com/images/hardness.fe2.gif

Isto za legure obojenih metala -http://www.grantadesign.com/images/hardness.al1.gif

Tablični odnos između svih ljestvica za čelike dostupan je uhttp://www.freetechnicalcharts.com/images/Steel_hardness_conversion_chart.jpg

Također ne postoji izravna veza između tvrdoće i popuštanja ili čvrstoće, iako se u praksi često koristi odnos? v = k NV. Vrijednosti koeficijenta k određuju se na temelju usporednih ispitivanja za određene klase metala i variraju od 0,15 do 0,5 ovisno o vrsti metala i njegovom stanju (žareno, hladno obrađeno itd.).

Promjene elastičnih i plastičnih svojstava s promjenama temperature, nakon toplinske obrade, hladnog otvrdnjavanja itd. očituju se u promjenama tvrdoće. Tvrdoća se mjeri brže, lakše i omogućuje ispitivanje bez razaranja. Stoga je zgodno kontrolirati promjenu svojstava metala nakon raznih vrsta obrade upravo promjenom tvrdoće. Na primjer, otvrdnjavanje, povećanje? 0,2 i? 0,2/? c, povećava tvrdoću, a žarenjem je smanjuje.

U većini slučajeva, tvrdoća se određuje na sobnoj temperaturi pomoću utiskivača kraće od minute. Tvrdoća određena u ovom slučaju naziva se kratkotrajna tvrdoća. Na visokim temperaturama, kada se razvije fenomen puzanja (vidi dolje), određuje se dugotrajna tvrdoća - reakcija metala na produljeno izlaganje utisku (obično unutar jednog sata). Dugotrajna tvrdoća uvijek je manja od kratkotrajne i ta se razlika povećava s porastom temperature. Na primjer, u bakru, kratkotrajna i dugotrajna tvrdoća na 400 o C je 35HV i 25HV, a na 700 o C - 9HV odnosno 5HV.

Razmatrane metode su statične: utiskivač se uvodi polako, a maksimalno opterećenje djeluje dovoljno dugo da se završe procesi plastične deformacije (10 - 180 s). Kod dinamičkih (udarnih) metoda utjecaj utiskivača na metal je kratkotrajan, pa se deformacijski procesi odvijaju drugačije. U prijenosnim mjeračima tvrdoće koriste se različite varijante dinamičkih metoda.

Prilikom sudara s materijalom koji se proučava, energija utiskivača (udarac) troši se na elastičnu i plastičnu deformaciju. Što je manje energije potrošeno na plastičnu deformaciju uzorka, to bi trebala biti veća njegova "dinamička" tvrdoća, koja određuje otpornost materijala na elastično-plastičnu deformaciju pri udaru. Primarni podaci se pretvaraju u “statičke” brojeve tvrdoće (HR, HV, HB), koji se prikazuju na uređaju. Takav preračun moguć je samo na temelju usporednih mjerenja za određene skupine materijala.

Postoje i ocjene tvrdoće temeljene na otpornosti na abrazivno trošenje ili rezanje, koje bolje odražavaju odgovarajuća tehnološka svojstva materijala.

Iz navedenog proizlazi da tvrdoća nije primarno svojstvo materijala, već generalizirana karakteristika koja odražava njegova elastično-plastična svojstva. U isto vrijeme, izbor metode i uvjeti mjerenja mogu prvenstveno karakterizirati ili njegova elastična ili, obrnuto, plastična svojstva.

3. POKAZATELJI ČVRSTOĆE KONSTRUKCIJE

Kod jednoosne napetosti, dolazi li do sloma kada se postigne krajnja čvrstoća? c nakon završetka plastične deformacije. Međutim, u stvarnim uvjetima metali popuštaju pri naprezanjima koja čak i ne prelaze granicu tečenja? 0,2. Znači li to veličinu? ne određuje stvarnu čvrstoću metala i za njeno opisivanje potrebne su druge karakteristike.

Praksa pokazuje da je trajnost proizvoda određena 1) čvrstoćom konstrukcije, 2) otpornošću na habanje i 3)otpornost na koroziju odgovarajući materijal pod odgovarajućim radnim uvjetima. Upravo ta svojstva određuju izbor materijala u većini praktičnih primjena.

3.1. OTPORNOST NA PUKOTINE (ŽILAVOST NA LOM)

Metali uvijek sadrže koncentratore naprezanja. To su strukturne nehomogenosti (nečistoće, faze ojačavanja), nedostaci (unutarnje i površinske pukotine), značajke dizajna proizvoda (usjeci, nagle promjene u presjeku). Mehanizmi loma povezani su s mikroplastičnim deformacijama koje se razvijaju u blizini koncentratora naprezanja i dovode do nastanka pukotina tijekom vremena.

Na temelju brzine širenja pukotine razlikujemo duktilni i krti lom. Pri krtom lomu postiže brzinu od 1000 m/s, a pri duktilnom lomu stotinama puta manju. Duktilni lom zahtijeva znatno više energije jer područje deformacije pokriva područje metala daleko izvan pukotine. Kod krhkog loma, deformacija je lokalizirana u uskom području na vrhu pukotine, tako da je potrebno mnogo manje energije za njeno napredovanje.

Sve dok se pukotina sporo razvija, proizvod ostaje funkcionalan. Ali nakon što pukotina dosegne određenu kritičnu vrijednost, njezino daljnje širenje događa se vrlo brzo i dolazi do katastrofalnog razaranja strukture. Što se pukotina sporije razvija, veća je čvrstoća strukture. Za karakterizaciju čvrstoće konstrukcije koristi se nekoliko vrijednosti (GOST 25.506-85).

Najvažniji parametar strukturne čvrstoće materijala je kritični faktor intenziteta naprezanja na vrhu pukotine K 1C (ili lomna žilavost). Uzima u obzir duljinu pukotine i proces njenog razvoja. Poznavanje toga omogućuje izračunavanje najvećeg dopuštenog opterećenja u konstrukciji s pukotinom takvih dimenzija da njezin brzi razvoj do potpunog uništenja još nije započeo. U konstrukcijskim čelicima, legurama aluminija i titana, K 1C varira uvelike - od 15 do 200 MPa*m. Što je veća njegova vrijednost, veća je strukturna čvrstoća materijala.

PNe postoji jaka veza između lomne žilavosti K1C i parametara jednoosne vlačne čvrstoće (? 0,2, ? in, ?, ?). Istodobno, to značajno ovisi o strukturnim značajkama i prisutnosti nečistoća.

To se može ilustrirati primjerom aluminijskih legura iz obitelji B95. Kao i kod drugih legura za toplinsko ojačavanje, njihova struktura ovisi o režimu kaljenja i starenja. Mnogo je primjera gdje se preferira metal s manje sam snage, ali s većim značenjem K 1C.

3.2. ČVRSTOĆA NA UMOR

Pukotine u metalima nastaju i razvijaju se ne samo pod statičkim opterećenjem, već i pod utjecajem cikličkih naprezanja. Zamorna pukotina nastaje u površinskim slojevima (to je njezina posebnost) i polako se razvija dublje sa svakim ciklusom. Do loma dolazi kada zbog smanjenja poprečnog presjeka efektivna naprezanja premašuju razorna.

Akumulacija oštećenja znači da što je više ciklusa opterećenja, opterećenje mora biti manje da bi metal "radio" bez kolapsa. Proces postupnog nakupljanja oštećenja u metalu naziva seumor .

Sposobnost odupiranja umoru naziva seizdržljivost . Njegova najvažnija karakteristika je granica izdržljivosti. Pokazuje najveće ciklusno naprezanje pri kojem ne dolazi do loma uslijed zamora nakon određenog broja ciklusa. Češće koriste simetrične izmjenične cikluse (tlačna i vlačna naprezanja jednake amplitude djeluju naizmjenično); - 1 .

Ispitivanja čvrstoće na zamor regulirana su GOST 25.502.79 i GOST 25.505-85

Druga najvažnija karakteristika izdržljivosti je vijek trajanja od zamora. Određuje broj ciklusa koje metal može izdržati pri određenom naprezanju. Određuje se i vjerojatnost kvara pri zadanoj razini opterećenja i zadanom broju ciklusa (ili dopušteno naprezanje pri zadanoj vjerojatnosti kvara). Važna karakteristika otpornosti na zamor je brzina rasta pukotine od zamora (CFG) dl/dN i ciklička žilavost (ciklička otpornost na pukotine) K c 1s. Pri njihovom određivanju, duljina pukotine je fiksna kako se povećava broj ciklusa, a opterećenje se provodi na frekvencijama od 15-20 Hz.

Sposobnost metala da radi pod cikličkim opterećenjima značajno ovisi o uvjetima opterećenja.

A). Pri relativno malim naprezanjima (koja odgovaraju elastičnim deformacijama) vijek trajanja je dug - metal zadržava svoj integritet tijekom velikog broja ciklusa. Značajke više ciklusa određuju se korištenjem testne baze od 10 6 – 10 8 ciklusa na frekvencijama od 10-300 Hz.

B). Pod značajnim opterećenjima (u području elastično-plastičnih deformacija), vijek trajanja je mnogo manji. Parametri niskocikličnog zamora određuju se korištenjem ispitne baze do 5 * 10 4 na frekvencijama od 3 - 5 Hz.

U). Cikličke promjene temperature pod stalnim stresom (ili na pozadini cikličkih opterećenja) popraćene su elastično-plastičnim deformacijama. To dovodi dotoplinski zamor . Sposobnost materijala da se odupre razaranju u uvjetima toplinskog zamora naziva se toplinska otpornost. Indikator toplinske otpornosti je broj toplinskih ciklusa pri određenom opterećenju prije kvara (GOST 25.502.79).

Dobivanje karakteristika zamora je vrlo skup i dugotrajan proces. Stoga, da bi se približno odredila granica zamora, ona se često određuje preko drugih poznatih karakteristika, na primjer? -1 = k? V. Koeficijent k ima različite vrijednosti ne samo za različite legure, već i za različita stanja istog metala. Na primjer, za žarene aluminijske legure koje nisu termički kaljene k = 0,4-0,6, a za toplinski ojačane aluminijske legure k = 0,3.

Karakteristike izdržljivosti ovise o kombinaciji čvrstoće, plastičnih svojstava i strukturnih značajki. Na postojanost svih metala i legura negativno utječu nečistoće i uključci grube faze, osobito nemetalnih.

Budući da pukotine nastale zamorom nastaju na površini, stanje površine je od posebne važnosti za povećanje trajnosti pod cikličkim opterećenjem. Poliranje, površinsko otvrdnjavanje i odsutnost korozije povećavaju granicu izdržljivosti.

3.3. UDARNA VISKOZNOST

Kod statičkih ispitivanja brzina primjene opterećenja je 10 -5 – 10 -2 m/s. Njihovi rezultati ne odražavaju otpornost materijala na opterećenja koja djeluju mnogo većim brzinama. Stoga se otpornost metala na lom pod udarnim opterećenjima određuje u dinamičkim ispitivanjima pri brzinama deformacije od 3–5 m/s.

Glavna karakteristika dobivena tijekom ispitivanja na udar je čvrstoća na udar (mjerna jedinica - J/cm 2 ). Određuje energiju potrebnu za uništavanje uzorka. Mjeri se udarcem uzorka s prethodno napravljenim rezom (GOST 9454-78).

Energija udarca apsorbira se u određenom volumenu oko zareza. Ovaj volumen ovisi o čvrstoći i rastegljivosti metala; različit je za različite metale i teško ga je procijeniti. Stoga se energija loma ne odnosi na volumen deformiranog područja (što bi bilo točno), već na površinu poprečnog presjeka u usjeku (što je zgodno). Zbog toga je vrijednost udarne čvrstoće uvjetna, što se mora uzeti u obzir pri usporedbi pokazatelja za različite metale ili različite temperature

Ovisno o vrsti reza (glavčine) određuju se tri vrste udarne čvrstoće. Njegova oznaka sadrži slovo koje označava vrstu koncentratora: KST, KSU, KSV (posljednje slovo odgovara profilu reza). Vrijednost KSV koristi se za kontrolu materijala za kritične primjene, a KST se koristi za posebno kritične primjene. T-koncentrator je rez s prethodno unesenom pukotinom, pa se u ovom slučaju udarna energija troši samo na razvoj pukotine (a ne na njezino formiranje i razvoj), dakle KST< КСU, КСV. В справочниках часто встречается обозначение ударной вязкости? н, соответствующе КСU.

Pri određivanju dinamičke viskoznosti pri visokim ili niskim temperaturama dodatno se uvodi oznaka ispitne temperature, na primjer KCU -60. Na temelju takvih mjerenja i na temelju vrste loma uzorka određuje se još jedna karakteristika metala - temperatura prijelaza krto-duktilno T chr. Ovo je temperatura pri kojoj se način sloma mijenja iz duktilnog u lomljiv.

3.4. GRANICE PUZANJA I DUGOROČNE ČVRSTOĆE

Kod naprezanja ispod granice tečenja u metalima se uočava pojava puzanja. Puzanje je kontinuirana deformacija pod stalnim naprezanjem. Pri malim opterećenjima i niskim temperaturama je reverzibilan.

Puzanje postaje problem pri povišenim temperaturama (od oko 0,4-0,6 Tm) i opterećenjima iznad određene vrijednosti (ali manje od granice razvlačenja). Deformacija puzanja popraćena je promjenama strukture i, sukladno tome, mehaničkih svojstava. Za razliku od plastične deformacije, koja učvršćuje metal, deformacija puzanjem dovodi do njegovog omekšavanja. Uz stalno rastuću deformaciju i sve veću brzinu puzanja, u metalu se počinju javljati pukotine i s vremenom dolazi do njegovog razaranja.

Pojam toplinske otpornosti povezan je s pojavom puzanja. To je sposobnost rada pod opterećenjem s prihvatljivim deformacijama i bez razaranja na povišenim temperaturama.

Kvantitativna karakteristika otpornosti na toplinu je granica puzanja (GOST 3248-60) i dugotrajna granica čvrstoće (GOST 10145-81).

Granica puzanja koristi se na dva načina. U prvom, to je vlačno naprezanje, pri kojem deformacija u određenom vremenu dostiže zadanu vrijednost. U oznaci granice, gornji indeks označava postavljenu temperaturu, donji indeks (preko razlomka) označava dopušteno istezanje u% i vrijeme tijekom kojeg je postignuto, na primjer? 900 1/1000.

U drugoj izvedbi, indeks označava dopuštenu brzinu puzanja u stabilnom stanju.

Dugoročna granica čvrstoće je uvjetno maksimalno naprezanje pod čijim se utjecajem materijal na danoj temperaturi uništava nakon određenog vremenskog razdoblja. Oznaka sadrži dva indeksa: gornji označava zadanu temperaturu, donji označava zadanu trajnost (u satima), na primjer? 900 1000 . Ovo svojstvo određuje sposobnost materijala da se odupre razaranju pod produljenim izlaganjem temperaturi i opterećenju.

Čvrstoća puzanja i dugotrajna čvrstoća smanjuju se s povećanjem temperature i vremena zadržavanja. Treba ih smatrati ograničenjima radnog napona pri visokim temperaturama.

Otpornost na toplinu često se brka s otpornošću na toplinu - sposobnost izdržavanja visokih temperatura bez stvaranja kamenca. Otpornost na toplinu može se smatrati otpornošću na koroziju uzrokovanu visokim temperaturama. Njegove karakteristike i metode određivanja dane su u GOST 21910-76 i GOST 6130-71.

ZAKLJUČAK

Iz gornjeg materijala bi trebalo biti jasno da svaki materijal karakterizira toliki broj parametara da je nemoguće izvući zaključke na temelju nekoliko vrijednosti o cjelokupnom skupu svojstava metala i mogućnosti njegove upotrebe u određenim Uvjeti.

Da biste dobili potrebnu cjelovitost informacija o svojstvima, potrebno je koristiti referentnu literaturu, a ne GOST standarde, koji sadrže nekoliko lako mjerljivih veličina.

Hookeov zakon

Kao što je poznato, različiti metali i legure imaju različita mehanička i tehnološka svojstva, koja određuju kvalitetu strojnih dijelova, kao i obradivost metala. Ova svojstva metala otkrivaju se odgovarajućim ispitivanjima na napetost, pritisak, savijanje, tvrdoću itd.

Ispitivanje zatezanjem. Za određivanje vlačne čvrstoće metala izrađuje se uzorak 1 i ugrađuje u stezaljke (ili hvataljke) 2 stroja za vlačno ispitivanje. U te svrhe najčešće se koriste strojevi s hidrauličkim sustavom prijenosa sile ili pužnim sustavom.

Vlačna sila F (slika 51) stvara naprezanje u ispitnom uzorku i uzrokuje njegovo istezanje. Kada naprezanje premaši čvrstoću uzorka, on će puknuti.

Riža. 51

Rezultati ispitivanja obično se prikazuju u obliku grafikona. Na apscisnoj osi naneseno je opterećenje F, na ordinatnoj osi apsolutno izduženje?l.

Dijagram pokazuje da se uzorak u početku izdužuje proporcionalno opterećenju. Ravni presjek OA odgovara reverzibilnim, elastičnim deformacijama. Tijekom rasterećenja uzorak poprima svoje izvorne dimenzije (ovaj proces opisuje isti ravni dio krivulje). Zakrivljeni dio AC odgovara nepovratnim, plastičnim deformacijama. Nakon rasterećenja (isprekidana linija SV) uzorak se ne vraća na svoje početne dimenzije i zadržava neke zaostale deformacije.

Od točke C, uzorak se produljuje bez povećanja opterećenja. Horizontalni dio CM dijagrama naziva se područje prinosa. Naprezanje pri kojem raste deformacija bez povećanja opterećenja naziva se granicom tečenja.

Kao što studije pokazuju, fluidnost je popraćena značajnim međusobnim pomacima kristala, zbog čega se na površini uzorka pojavljuju linije, nagnute prema osi uzorka pod kutom od 45 °. Nakon što je prošao kroz stanje fluidnosti, materijal ponovno dobiva sposobnost otpornosti na istezanje (ojačava), a dijagram iza točke M se diže prema gore, iako mnogo šuplje nego prije. U točki D naprezanje uzorka doseže najveću vrijednost, a na uzorku se pojavljuje oštro lokalno suženje, tzv. vrat. Površina poprečnog presjeka vrata brzo se smanjuje i, kao rezultat, uzorak puca, što odgovara položaju točke K na dijagramu. Vlačna čvrstoća uzorka određena je formulom o fc = F D /. S, gdje je: S fc - vlačna čvrstoća;

F D je opterećenje pri kojem nakon određenog vremena dolazi do sloma vlačnog uzorka, N (kgf); S je površina poprečnog presjeka uzorka u njegovom izvornom položaju, m 2 (mm 2).

Obično se pri ispitivanju različitih metala i legura na napetost određuje relativno produljenje e - omjer povećanja duljine uzorka prije loma do početne duljine uzorka. Određuje li se formulom? = ?l/l 0 -100,

Gdje: ? - relativno proširenje;

L = l 1 - I 0 - apsolutno istezanje; l 0 - početna duljina uzorka; l 1 - duljina uzorka nakon ispitivanja. Eksperimentalno je utvrđeno da naprezanje u materijalu tijekom elastične deformacije raste proporcionalno relativnom produljenju uzorka. Ta se ovisnost naziva Huckov zakon.

Za jednostrano (uzdužno) rastezanje Hookeov zakon ima oblik o = E-?,

gdje je: o = F/s - normalni napon; F - vlačna sila; s - površina presjeka;

Relativno proširenje;

E je konstantna vrijednost ovisno o materijalu štapa.

Bilješka. U SI sustavu, mjerna jedinica za naprezanje je Pascal - naprezanje uzrokovano silom od 1 newtona (N) ravnomjerno raspoređenom po površini normalnoj na nju površine 1 m 2.

1 Pa = 0,102 10 -4 kgf/cm 2 ;

1 Pa = 0,102 10 -6 kgf/mm 2;

1 kgf/cm2 = 9,81 10 4 Pa;

1 kgf/mm 2 = 9,81 10 6 Pa.

Zbog činjenice da je paskal jedinica za naprezanje vrlo mala, potrebno je koristiti veću jedinicu - megapaskal 1 MP a = 10 6 Pa.

Gosstandart dopušta korištenje jedinice newton po kvadratnom milimetru (N/mm 2). Brojčane vrijednosti naprezanja izražene u N/mm 2 i MPa su iste. Jedinica N/mm 2 također je prikladna jer su dimenzije na crtežima dane u milimetrima.

Koeficijent proporcionalnosti E naziva se vlačni modul elastičnosti ili Youngov modul. Koje je fizikalno značenje modula elastičnosti? Okrenimo se dijagramu napetosti uzorka (vidi sliku 51, II). Modul elastičnosti na njoj proporcionalan je tangensu kuta nagiba a na apscisnu os. To znači da što je ravna linija OA strmija, materijal je tvrđi i otporniji na elastičnu deformaciju.

Za okarakteriziranje metala važno je znati ne samo relativno izduženje, već i relativno skupljanje površine poprečnog presjeka, što također omogućuje karakterizaciju plastičnosti materijala.

Naravno, kada se uzorak rasteže, površina poprečnog presjeka se smanjuje. Najmanji će biti na točki prekida. Relativno suženje određeno je formulom? = (S 0 - S 1) / S 0 100%,

Gdje: ? - relativno suženje;

S 0 - površina poprečnog presjeka uzorka prije ispitivanja; S 1 je površina poprečnog presjeka uzorka na mjestu puknuća (u vratu).

Što je veće relativno izduženje i relativno skupljanje poprečnog presjeka uzorka, to je materijal plastičniji.

Osim triju razmatranih karakteristika mehaničkih svojstava metala: vlačne čvrstoće (o pch), relativnog istezanja (e) i relativnog skupljanja (?), moguće je pomoću dijagrama snimljenog na stroju odrediti granicu elastičnosti. (o y) i granicu tečenja (o m),

Ispitivanje kompresije. Za ispitivanje metala na tlačnost (slika 53) najčešće se koriste preše kod kojih se tlačna sila stvara povećanjem hidrauličkog tlaka. Kada se uzorak izrađen od plastičnog materijala, kao što je niskougljični čelik, komprimira (slika 53, I), njegove poprečne dimenzije se povećavaju, dok se duljina značajno smanjuje. U ovom slučaju, cjelovitost uzorka nije povrijeđena (slika 54). Iz dijagrama kompresije (sl. 53, II) jasno je da se u početnoj fazi opterećenja deformacija povećava proporcionalno opterećenju, zatim se deformacija naglo povećava s blagim povećanjem opterećenja, zatim se povećanje deformacije postupno usporava. dolje zbog povećanja poprečnog presjeka uzorka.

Riža. 52

Riža. 53

Uzorci izrađeni od krhkih materijala uništavaju se pod pritiskom (slika 54, III). Na primjer, kada šipka od lijevanog željeza dosegne prekidno opterećenje, raspada se na dijelove koji se međusobno pomiču duž kosih platformi (slika 53, III).

Riža. 54

Za kompresiju je u potpunosti primjenjiv Hookeov zakon prema kojem se materijali odupiru kompresiji proporcionalno primijenjenoj sili do granice elastičnosti. Tlačni modul elastičnosti za većinu materijala jednak je vlačnom modulu elastičnosti. Jedina iznimka su neki krti materijali - beton, cigla itd. Analogija u prirodi tlačnog naprezanja s vlačnim naprezanjem omogućuje opis tih procesa istim matematičkim jednadžbama.

Test savijanja. Pri ispitivanju na savijanje uzorak (greda) se svojim krajevima postavlja na dva nosača i opterećuje po sredini (slika 55). Otpornost materijala na savijanje ocjenjuje se količinom otklona uzorka.

Riža. 55

Zamislimo sada zamišljena uzdužna vlakna u drvu. Tijekom deformacije savijanja, vlakna jedne zone su komprimirana, dok je druga rastegnuta (slika 55, II).

Između zona kompresije i napetosti nalazi se neutralni sloj, čija vlakna nisu podložna deformaciji, odnosno njihova se duljina ne mijenja. Od sl. 55 može se vidjeti da što su vlakna dalje od neutralnog sloja, to je veća deformacija kod njih. Dakle, možemo zaključiti da pri savijanju u presjecima grede pod utjecajem unutarnjih sila nastaju normalna tlačna i vlačna naprezanja čija veličina ovisi o položaju dotičnih točaka u presjeku. Najveća naprezanja obično se označavaju: u zoni kompresije - ? max, u rastezljivoj zoni - ? m ah. U točkama koje se nalaze na neutralnoj osi naponi su nula. Normalni naponi koji nastaju u točkama poprečnog presjeka različitih visina rastu proporcionalno udaljenosti od neutralnog sloja i mogu se izračunati pomoću formule? = (E z) / p,

Gdje: ? - normalan stres;

z je udaljenost od vlakana od interesa do neutralnog sloja; E - modul elastičnosti; p je radijus zakrivljenosti neutralnog sloja.

Ispitivanje smicanjem. Prilikom ispitivanja smicanja (slika 56), metalni uzorak 3, koji ima cilindrični oblik, umetne se u rupu uređaja koji se sastoji od vilice 1 i diska 2. Stroj izvlači disk iz vilice, kao zbog čega se srednji dio uzorka pomiče u odnosu na njegove vanjske dijelove. Radna površina S (rezna površina) jednaka je dvostrukoj površini poprečnog presjeka uzorka, jer se rez događa istovremeno duž dvije ravnine.

Riža. 56

Pri smicanju se sve točke deformabilnih presjeka ograničenih ravninama djelovanja sila pomiču za jednake udaljenosti, odnosno materijal u tim točkama doživljava istu deformaciju. To znači da će u svim točkama presjeka biti jednaka efektivna naprezanja.

Veličina naprezanja određuje se dijeljenjem rezultantne F unutarnjih (poprečnih) sila s površinom poprečnog presjeka štapa S. Budući da se vektor naprezanja nalazi u ravnini presjeka, u njemu se javlja tangencijalni napon, određuje se formulom r cf = F/2S, gdje je: r cf - vrijednost naprezanja rez;

F - rezultantna sila;

S je površina poprečnog presjeka uzorka. Smicanje je razaranje koje nastaje smicanjem jednog dijela materijala u odnosu na drugi, a koje nastaje pod utjecajem tangencijalnih naprezanja. Za posmične deformacije vrijedi Hookeov zakon: u elastičnoj zoni naprezanja su izravno proporcionalna relativnim deformacijama. Koeficijent proporcionalnosti je veličina modula posmične elastičnosti G. Relativni pomak (smični kut) označava se s y. Dakle, Hookeov zakon za posmično deformiranje ima oblik t = Gg, gdje je: r = F/S - posmično naprezanje; F - tangencijalna sila; S je područje pomicanja slojeva; y - kut smicanja;

G je modul smicanja, ovisno o materijalu tijela.

Test torzije. Prilikom ispitivanja uzoraka na torziju, jedan kraj cijevi 2 je fiksiran nepomično 1, drugi se okreće pomoću poluge 3 (Sl. 57). Torziju karakterizira međusobno okretanje poprečnih presjeka štapa, osovine, cijevi pod utjecajem momenata (parova sila) koji djeluju u tim presjecima. Ako se pravocrtne generatrise nanose na površinu štapa prije primjene torzijskih sila (slika 57, I), tada nakon uvijanja te generatrise poprimaju oblik spiralnih linija, a svaki presjek u odnosu na susjedni okreće se pod određenim kutom. (vidi sliku 57, II) . To znači da se posmična deformacija događa u svakom presjeku i nastaju posmična naprezanja. Je li stupanj pomaka materijala tijekom torzije određen kutovima uvijanja? i pomak y. Apsolutna vrijednost torzije određena je kutom uvijanja presjeka koji se razmatra u odnosu na fiksni presjek. Najveći kut uvijanja postiže se na najvećoj udaljenosti od fiksnog kraja štapa.

Riža. 57

Omjer kuta uvijanja? na duljinu odsječka I podložnog uvijanju naziva se relativni kut uvijanja Q = ? /Z

gdje je: Q - relativni kut uvijanja;

Kut uvijanja;

Ispitivanje tvrdoće. Pri određivanju tvrdoće materijala u tvorničkoj i laboratorijskoj praksi koriste se dvije metode: Brinellova metoda i Rockwellova metoda.

Brinellova metoda. Ova se metoda temelji na činjenici da se pri mjerenju tvrdoće metala čelična kuglica 1 promjera 2,5; 5 ili 10 mm utiskuje se u površinu ispitnog uzorka 2 pri zadanom opterećenju 3 od 625 N do 30 kN (62,5 do 3000 kgf). Nakon skidanja opterećenja mjeri se promjer d otiska koji je ostao na površini uzorka (slika 58), a koji je manji što je metal tvrđi.

Riža. 58

Bilješka. Čelična kugla mora biti izrađena od toplinski obrađenog čelika tvrdoće najmanje HB850. Hrapavost površine R z nije niža od parametra 0,100 prema GOST 2789-73. Na površini lopte ne smije biti nedostataka koji su vidljivi povećalom pri 5x povećanju.

Broj tvrdoće po Brinellu izračunava se pomoću formule

D - promjer kuglice, mm;

d - promjer otiska, mm.

Posebna tablica (GOST 9012-59) omogućuje određivanje tvrdoće najčešćih metala.

Treba napomenuti da postoji odnos između Brinellove tvrdoće čelika HB i njegove vlačne čvrstoće o fp za konvencionalne ugljične stilove, izražene formulom o f f = 0,36 nb.

Stoga, znajući Brinellovu tvrdoću čelika, moguće je izračunati vlačnu čvrstoću.

Ova formula je od velike praktične važnosti. Brinellova metoda obično određuje tvrdoću neočvrslog čelika, lijevanog željeza i obojenih metala. Tvrdoća kaljenih čelika mjeri se Rockwellovim aparatom.

Rockwellova metoda. Prilikom mjerenja tvrdoće metala ovom metodom, vrh standardnog tipa (dijamantni konus za tvrde metale ili čelična kugla za mekše) utiskuje se u ispitni uzorak pod djelovanjem dva uzastopna opterećenja: preliminarno (F 0) 100 N (10 kgf) i konačni (F 1) 1000 N (100 kgf) - za loptu i 1500 N (150 kgf) - za dijamantni konus.

Pod djelovanjem predopterećenja, konus prodire u metal do dubine h 0 (slika 59, I); kada se doda prethodnom glavnom opterećenju, dubina otiska se povećava na h (slika 59, II) i nakon uklanjanja glavnog opterećenja ostaje jednaka h 1 (slika 59, III).

Riža. 59

Dubina udubljenja h = h 1 - h 0, dobivena zbog glavnog opterećenja F 1, karakterizira Rockwellovu tvrdoću. Ispitivanja metodom Rockwell provode se posebnim uređajima opremljenim indikatorom koji pokazuje broj tvrdoće odmah nakon završetka ispitivanja.

Indikator ima dvije ljestvice: crnu (C) za ispitivanje dijamantnim konusom i crvenu (B) za ispitivanje kuglicom.

Tvrdoća po Rockwellu mjeri se proizvoljnim jedinicama.

Primjer oznake tvrdoće po Rockwellu: HRC50 (tvrdoća 50 na C skali).

Određivanje tvrdoće kalibriranim turpijama. HRC tvrdoća se može odrediti pomoću niza turpija toplinski obrađenih na različite tvrdoće rezanja. Obično se interval zareza kreće od 3 do 5 HRC jedinica. Kalibracija turpija provodi se standardnim pločicama čija je tvrdoća unaprijed točno određena na uređaju.

Tvrdoća ispitnog dijela određena je dvjema turpijama s minimalnim intervalom tvrdoće, od kojih jedna može samo kliziti duž dijela, a druga ga može malo ogrepsti. Ako turpija s HRC62 zagrebe metal, a s HRC59 samo klizi po površini dijela, tada je tvrdoća HRC60-61.

U praksi se ovom metodom utvrđuje tvrdoća alata (razvrtala, glodala i sl.) čiju je tvrdoću teško izmjeriti na bilo koji drugi način.

Postoje i druge metode za određivanje tvrdoće (Vickersova metoda, elektromagnetske metode i dr.), koje nisu obrađene u ovoj knjizi.

Kriteriji odabira materijala

Svojstva je kvantitativna ili kvalitativna karakteristika materijala koja određuje njegovu sličnost ili razliku s drugim materijalima.
Postoje tri glavne skupine svojstava: operativna, tehnološka i troškovna, koja su temelj izbora materijala i određuju tehničku i ekonomsku izvedivost njegove uporabe. Svojstva izvedbe su od najveće važnosti.
Operativno nazivamo svojstva materijala koja određuju performanse dijelova strojeva, uređaja i alata, njihovu snagu, brzinu, cijenu i druge tehničke i operativne pokazatelje.
Učinkovitost velike većine strojnih dijelova i proizvoda osigurava se razinom mehaničkih svojstava koja karakteriziraju ponašanje materijala pod utjecajem vanjskog opterećenja. Budući da su uvjeti opterećenja strojnih dijelova različiti, mehanička svojstva uključuju veliku skupinu pokazatelja.
Ovisno o promjenama tijekom vremena, opterećenja se dijele na statička i dinamička. Statičko opterećenje karakterizira niska stopa promjene veličine, a dinamička opterećenja se mijenjaju tijekom vremena velikim brzinama, na primjer, tijekom udarnog opterećenja. Osim toga, opterećenja se dijele na vlačna, tlačna, savojna, torzijska i posmična. Promjene opterećenja mogu se periodički ponavljati, zbog čega se nazivaju rekurentne ili cikličke. U uvjetima rada stroja učinci navedenih opterećenja mogu se manifestirati u različitim kombinacijama.
Pod utjecajem vanjskih opterećenja, kao i konstrukcijsko-faznih transformacija, u materijalu konstrukcija nastaju unutarnje sile koje se mogu izraziti kroz vanjska opterećenja. Unutarnje sile po jedinici površine poprečnog presjeka tijela nazivaju se naglašava. Uvođenje pojma naprezanja omogućuje izvođenje proračuna čvrstoće konstrukcija i njihovih elemenata.
U najjednostavnijem slučaju aksijalne napetosti cilindričnog štapa naprezanje σ definira se kao omjer vlačne sile P i početne površine poprečnog presjeka Fo, tj.

σ = P/Fo

Djelovanje vanjskih sila dovodi do deformacije tijela, tj. da promijeni svoju veličinu i oblik. Deformacija koja nestaje nakon rasterećenja naziva se elastična, a deformacija koja ostaje u tijelu plastična (rezidualna).
Učinkovitost pojedine skupine strojnih dijelova ovisi ne samo o mehaničkim svojstvima, već io otpornosti na djelovanje kemijski aktivne radne okoline, a zatim o fizičkim i kemijskim svojstvima materijala - otpornosti na toplinu i otpornost na koroziju - postaje odlučujuća.
Otpornost na toplinu karakterizira sposobnost materijala da se odupre kemijskoj koroziji u atmosferi suhih plinova na visokim temperaturama. U metalima je zagrijavanje popraćeno stvaranjem oksidnog sloja (kamenca) na površini.
Otpornost na koroziju– to je sposobnost metala da se odupre elektrokemijskoj koroziji, koja se razvija u prisutnosti tekućeg medija na površini metala i njegove elektrokemijske heterogenosti.
Za neke dijelove strojeva važna su fizikalna svojstva koja karakteriziraju ponašanje materijala u magnetskim, električnim i toplinskim poljima, kao i pod utjecajem visokih energetskih tokova ili zračenja. Obično se dijele na magnetske, električne, termofizičke i radijacijske.
Sposobnost materijala da se podvrgne različitim metodama tople i hladne obrade određena je tehnološka svojstva. To uključuje svojstva lijevanja, deformabilnost, zavarljivost i obradivost alatima za rezanje. Tehnološka svojstva omogućuju izvođenje oblikovne obrade i dobivanje preratka i strojnih dijelova.
U posljednju skupinu osnovnih svojstava spada trošak materijala kojim se ocjenjuje isplativost njegove uporabe. Njegov kvantitativni pokazatelj je veleprodajna cijena - cijena po jedinici mase materijala u obliku ingota, profila, praha, komada i zavarenih proizvoda, po kojoj proizvođač prodaje svoje proizvode poduzećima za izgradnju strojeva i instrumenata.

Mehanička svojstva utvrđena pod statičkim opterećenjem

Mehanička svojstva karakteriziraju otpornost materijala na deformaciju, razaranje ili osobitost njegovog ponašanja tijekom procesa razaranja. Ova skupina svojstava uključuje pokazatelje čvrstoće, krutosti (elastičnosti), duktilnosti, tvrdoće i viskoznosti. Glavnu skupinu takvih pokazatelja čine standardne karakteristike mehaničkih svojstava, koje se određuju u laboratorijskim uvjetima na uzorcima standardnih veličina. Pokazatelji mehaničkih svojstava dobiveni tijekom takvih ispitivanja ocjenjuju ponašanje materijala pod vanjskim opterećenjem bez uzimanja u obzir konstrukcije dijela i radnih uvjeta.
Prema načinu primjene opterećenja razlikuju se statička ispitivanja: vlačno, tlačno, savijanje, torzijsko, posmično ili posmično ispitivanje. Najčešći su testovi zatezanja (GOST 1497-84), koji omogućuju određivanje nekoliko važnih pokazatelja mehaničkih svojstava.

Ispitivanje zatezanjem. Kod istezanja standardnih uzoraka s površinom presjeka Fo i radnom (računskom) duljinom lo, konstruira se vlačni dijagram u koordinatama: opterećenje - istezanje uzorka (slika 1). Dijagram razlikuje tri dijela: elastična deformacija prije opterećenja Rupr.; jednolika plastična deformacija iz Rupr. do Pmax i koncentrirane plastične deformacije od Pmax do Pk. Ravni dio se održava do opterećenja koje odgovara granici proporcionalnosti Rpc. Tangens kuta nagiba ravnog presjeka karakterizira modul elastičnosti prve vrste E.

Riža. 1. Vlačni dijagram nodularnog metala (a) i dijagrami
uvjetna naprezanja žilavih (b) i krtih (c) metala.
Za usporedbu je dan pravi dijagram naprezanja (isprekidana linija).

Plastična deformacija iznad P kontrole. javlja se pri povećanom opterećenju, jer se metal ojača tijekom deformacije. Stvrdnjavanje materijala tijekom deformacije naziva se hladno otvrdnjavanje.

Stvrdnjavanje metala se povećava sve dok se uzorak ne slomi, iako se vlačno opterećenje smanjuje od P max do P k (slika 1, a). To se objašnjava pojavom lokalnog stanjenog vrata u uzorku, u kojem je uglavnom koncentrirana plastična deformacija. Unatoč smanjenju opterećenja, vlačno naprezanje u vratu raste sve dok uzorak ne slomi.
Kada se rasteže, uzorak se izdužuje i njegov presjek se kontinuirano smanjuje. Pravo naprezanje se određuje dijeljenjem opterećenja koje djeluje u određenom trenutku s površinom koju uzorak ima u tom trenutku (slika 1, b). Ta se naprezanja ne određuju u svakodnevnoj praksi, već se koriste uvjeti naprezanja pod pretpostavkom da je presjek F o uzorak ostaje nepromijenjen.

Naponi σ kontrola, σ t, σ v - standardne karakteristike čvrstoće. Svaki se dobiva dijeljenjem odgovarajućeg opterećenja P kontrola. R t i R max na početnu površinu presjeka F O .

Granica elastičnostiσ kontrola naziva se naprezanje pri kojem plastična deformacija doseže vrijednosti od 0,005; 0,02 i 0,05%. Odgovarajuće granice elastičnosti označene su saσ 0,005, σ 0,02, σ 0,05.

Uvjetna granica tečenja je naprezanje koje odgovara plastičnoj deformaciji jednakoj 0,2%; naznačeno jeσ 0,2 . Fizička granica razvlačenjaσ t određena iz dijagrama napetosti kada na njemu postoji plato popuštanja. Međutim, tijekom vlačnih ispitivanja većina legura nema plato razvlačenja na dijagramima. Odabrana plastična deformacija od 0,2% prilično točno karakterizira prijelaz s elastičnih na plastične deformacije.

Privremena otpornost karakterizira maksimalnu nosivost materijala, njegovu čvrstoću prije uništenja:

σ in = P max / F o

Plastičnost je karakterizirana relativnim izduženjem δ i relativnom kontrakcijom ψ:

gdje je lk konačna duljina uzorka; lo i Fo su početna duljina i površina poprečnog presjeka uzorka; Fk – površina presjeka na mjestu loma.
Za materijale niske plastičnosti, vlačna ispitivanja (slika 1c) uzrokuju značajne poteškoće. Takvi se materijali obično podvrgavaju ispitivanju savijanja.

Test savijanja. Tijekom ispitivanja savijanjem u uzorku se javljaju i vlačna i tlačna naprezanja. Na savijanje se ispituje lijevano željezo, alatni čelik, čelik nakon površinskog kaljenja i keramika. Utvrđene karakteristike su vlačna čvrstoća i progib.

Čvrstoća na savijanje izračunava se pomoću formule:

σ u = M / W,

gdje je M najveći moment savijanja; W – moment otpora presjeka, za sliku kružnog presjeka

W = πd 3 / 32

(gdje je d promjer uzorka), a za uzorke pravokutnog presjeka W = bh 2 /6, gdje su b, h širina i visina uzorka).
Ispitivanja tvrdoće . Tvrdoća se podrazumijeva kao sposobnost materijala da se odupre prodoru čvrstog tijela – utiskivača – u njegovu površinu. Kao utiskivač koristi se kuglica od kaljenog čelika ili dijamantni vrh u obliku stošca ili piramide. Pri utiskivanju površinski slojevi materijala doživljavaju značajnu plastičnu deformaciju. Nakon skidanja tereta na površini ostaje otisak. Osobitost nastale plastične deformacije je da se u blizini vrha pojavljuje složeno stanje naprezanja, blizu sveukupne neravnomjerne kompresije. Iz tog razloga, ne samo plastični, već i krti materijali doživljavaju plastičnu deformaciju.
Dakle, tvrdoća karakterizira otpornost materijala na plastičnu deformaciju. Isti otpor se procjenjuje privremenim otporom, pri utvrđivanju kojeg dolazi do koncentrirane deformacije u području vrata. Stoga su za brojne materijale numeričke vrijednosti tvrdoće i vlačne čvrstoće proporcionalne. U praksi se široko koriste četiri metode mjerenja tvrdoće: tvrdoća po Brinelu, tvrdoća po Vickersu, tvrdoća po Rockwellu i mikrotvrdoća.
Pri određivanju tvrdoće po Brinellu (GOST 9012-59), kaljena kuglica promjera 10 utiskuje se u površinu uzorka; 5 ili 2,5 mm pri opterećenjima od 5000N do 30000N. Nakon uklanjanja opterećenja na površini se formira otisak u obliku kuglaste rupe promjera d.
Pri mjerenju tvrdoće po Brinellu koriste se unaprijed sastavljene tablice koje pokazuju broj tvrdoće HB Ovisno o promjeru udubljenja i odabranom opterećenju, što je manji promjer udubljenja, to je tvrdoća veća.
Brinellova metoda mjerenja koristi se za čelike s tvrdoćom < 450 HB, obojeni metali s tvrdoćom < 200 NV. Za njih je utvrđena korelacija između vlačne čvrstoće (u MPa) i broja tvrdoće HB:
σ u » 3,4 NV – za toplo valjane ugljične čelike;
σ u » 4,5 NV – za legure bakra;
σ u » 3,5 HB – za aluminijske legure.
Standardnom metodom mjerenja po Vickersu (GOST 2999-75), tetraedarska dijamantna piramida s kutom vrha od 139° utisnuta je u površinu uzorka. Otisak se dobiva u obliku kvadrata čija se dijagonala mjeri nakon skidanja tereta. Broj tvrdoće HV određuje se pomoću posebnih tablica na temelju vrijednosti dijagonale utiskivanja pri odabranom opterećenju.

Vickersova metoda koristi se uglavnom za materijale visoke tvrdoće, kao i za ispitivanje tvrdoće dijelova malih presjeka ili tankih površinskih slojeva. U pravilu se koriste mala opterećenja: 10,30,50,100,200,500 N. Što je tanji presjek dijela ili sloja koji se proučava, to je manje opterećenje odabrano.
Brojevi tvrdoće po Vickersu i Brinellu za materijale tvrdoće do 450 HB praktički su isti.
Mjerenje tvrdoće po Rockwellu (GOST 9013-59) je najuniverzalnije i najmanje radno intenzivno. Broj tvrdoće ovisi o dubini udubljenja vrha, koji se koristi kao dijamantni stožac s vršnim kutom od 120 0 ili čelična kuglica promjera 1,588 mm. Za razne kombinacije opterećenja i vrhova uređaj Rockwell ima tri mjerne skale: A.B.C. Tvrdoća po Rockwellu označava se brojevima koji označavaju razinu tvrdoće i slovima HR koji označavaju ljestvicu tvrdoće, na primjer: 70HRA, 58HRC, 50HRB. Brojevi tvrdoće po Rockwellu nemaju točan odnos s brojevima tvrdoće po Brinellu i Vickersu.
Ljestvica A (vrh - dijamantni konus, ukupno opterećenje 600N). Ova ljestvica se koristi za posebno tvrde materijale, za tanke listove ili tanke (0,6-1,0 mm) slojeve. Granice za mjerenje tvrdoće na ovoj ljestvici su 70-85.
Skala B (vrh - čelična kugla, ukupno opterećenje 1000N). Ova skala određuje tvrdoću relativno mekih materijala (<400НВ). Пределы измерения твердости 25-100.

Ljestvica C (vrh - dijamantni konus, ukupno opterećenje 1500N). Ova ljestvica se koristi za tvrde materijale (> 450HB), kao što su kaljeni čelici. Granice mjerenja tvrdoće na ovoj ljestvici su 20-67. Određivanje mikrotvrdoće (GOST 9450-76) provodi se utiskivanjem dijamantne piramide u površinu uzorka pod malim opterećenjima (0,05-5N), nakon čega slijedi mjerenje dijagonale udubljenja. Ovom metodom ocjenjuje se tvrdoća pojedinačnih zrna, strukturnih komponenti, tankih slojeva ili tankih dijelova.

Mehanička svojstva određena pri dinamičkim opterećenjima

Kada dijelovi stroja rade, moguća su dinamička opterećenja, pod kojima mnogi metali teže krhkom lomu. Opasnost od uništenja povećavaju rezovi – koncentratori naprezanja. Kako bi se procijenila osjetljivost metala na krti lom pod utjecajem ovih čimbenika, provode se ispitivanja dinamičkog udarnog savijanja na njihajućim udarnim izvijačima (slika 2). Standardni uzorak se stavi na dvije spore i udari se po sredini, čime se uzorak uništi. Rad se određuje pomoću ljestvice klatna DO, potrošeno na uništavanje, i izračunajte glavnu karakteristiku dobivenu kao rezultat ovih ispitivanja - udaraljke viskoznost:

KS = K / S 0 1, [MJ/m 2 ],

Gdje S 0 1, površina poprečnog presjeka uzorka na mjestu zareza.

Riža. 2. Shema klatnog zabijača (a) i ispitivanja udarom (b):
1 – uzorak; 2 – visak; 3 – vaga; 4 – strelica skale; 5-kočnica.

U skladu s GOST 9454-78 ispituju se tri vrste uzoraka: U-oblika (polumjer zareza r=1 mm); U obliku slova V (r=0,25 mm) i u obliku slova T (pukotina od zamora nastala na dnu zareza. Prema tome, udarna čvrstoća se označava sa: KCU, KCV, KCT. Udarna čvrstoća od svih karakteristika mehaničkih svojstava najosjetljivija je na temperaturu Stoga se ispitivanje udarne čvrstoće pri niskim temperaturama koristi za određivanje praga hladna krtost– temperatura ili temperaturno područje u kojem se smanjuje udarna čvrstoća. Hladna lomljivost- sposobnost metalnog materijala da izgubi viskoznost i postane krt kada temperatura padne. Hladna krtost očituje se u željezu, čeliku, metalima i legurama koje imaju kubičnu (BCC) ili heksagonalnu tijesno pakiranu (HC) rešetku. Nema ga u metalima s čelično centriranom kubičnom (fcc) rešetkom.

Mehanička svojstva određena pri promjenjivim cikličkim opterećenjima

Mnogi dijelovi stroja (osovine, klipnjače, zupčanici) doživljavaju ponovljena ciklička opterećenja tijekom rada. Procesi postupnog nakupljanja oštećenja u materijalu pod utjecajem cikličkih opterećenja, koji dovode do promjene njegovih svojstava, stvaranja pukotina, njihovog razvoja i uništenja, nazivaju se umor, i sposobnost da se odupre umoru - izdržljivost(GOST 23207-78). Sposobnost materijala da rade u uvjetima cikličkog opterećenja ocjenjuje se prema rezultatima ispitivanja uzoraka na umor (GOST 25.502-79). Izvode se na posebnim strojevima koji stvaraju opetovano opterećenje u uzorcima (napetost - kompresija, savijanje, torzija). Uzorci se ispituju uzastopno na različitim razinama naprezanja, određujući broj ciklusa do kvara. Rezultati ispitivanja prikazani su u obliku krivulje zamora, koja je ucrtana u koordinatama: maksimalno ciklusno naprezanje σ max / ili σ u ) – broj ciklusa. Krivulje umora omogućuju određivanje sljedećih kriterija izdržljivosti:

- ciklička snaga, koji karakterizira nosivost materijala, tj. najveći napon koji može podnijeti za određeno vrijeme rada.- ciklička trajnost– broj ciklusa (ili radnih sati) koje materijal može izdržati prije stvaranja zamorne pukotine određene duljine ili prije zamornog sloma pri danom naprezanju.

Osim utvrđivanja razmatranih kriterija za izdržljivost visokog ciklusa, za neke posebne slučajeve testovi za umor niskog ciklusa. Izvode se na visokim naponima (iznad σ 0,2 ) i niske frekvencije opterećenja (obično ne više od 6 Hz). Ovi testovi simuliraju radne uvjete konstrukcija (kao što su zrakoplovi) koje doživljavaju rijetka, ali značajna ciklička opterećenja.

Mehanička svojstva materijala

skup pokazatelja koji karakteriziraju otpornost materijala na opterećenje koje na njega djeluje, njegovu sposobnost deformacije u ovom slučaju, kao i značajke njegovog ponašanja tijekom procesa uništenja. U skladu s ovim M. s. m. mjere se naponima (obično in kgf/mm 2 ili Mn/m 2), deformacije (u %), specifični rad deformacije i razaranja (obično u kgf․m/cm 2 ili Mj/m 2), brzina razvoja procesa razaranja pod statičkim ili opetovanim opterećenjem (najčešće u mm za 1 sek ili za 1000 ciklusa ponavljanja opterećenja, mm/kciklus). M. s. m određuju se tijekom mehaničkih ispitivanja uzoraka različitih oblika.

Općenito, materijali u konstrukcijama mogu biti izloženi opterećenjima vrlo različite prirode ( riža. 1 ): rad na istezanju , kompresije, savijanja, torzije, smicanja itd. ili biti podložni kombiniranom djelovanju nekoliko vrsta opterećenja, kao što su napetost i savijanje. Uvjeti rada materijala također se razlikuju po temperaturi, okolišu, brzini primjene opterećenja i zakonu njegove promjene tijekom vremena. U skladu s tim postoje mnogi pokazatelji M. s. m. i mnoge mehaničke metode ispitivanja. Za metale i inženjersku plastiku, najčešći testovi su rastezanje, tvrdoća i udarno savijanje; krhki strukturni materijali (na primjer, keramika, metal-keramika) često se ispituju na kompresiju i statičko savijanje; Osim toga, tijekom ispitivanja smicanja važno je procijeniti mehanička svojstva kompozitnih materijala.

Dijagram deformacije. Opterećenje primijenjeno na uzorak uzrokuje njegovu deformaciju (vidi Deformacija). Odnos između opterećenja i deformacije opisuje se tzv. dijagram deformacije ( riža. 2 ). U početku, deformacija uzorka (uz napetost - povećanje duljine Δ l) proporcionalna je rastućem opterećenju R, zatim u točki n ova proporcionalnost je narušena, međutim, da bi se povećala deformacija, potrebno je daljnje povećanje opterećenja R; na Δ l > Δ l c deformacija se razvija bez primjene vanjske sile, uz postupno smanjenje opterećenja. Izgled dijagrama deformacije se ne mijenja ako se naprezanje iscrta duž ordinatne osi

(F 0 I l 0- odnosno početnu površinu poprečnog presjeka i procijenjenu duljinu uzorka).

Otpornost materijala mjeri se naprezanjima koja karakteriziraju opterećenje po jedinici površine poprečnog presjeka uzorka

V kgf/mm 2. napon

kod koje se krši rast deformacije proporcionalan opterećenju, naziva se granica proporcionalnosti. Pod opterećenjem R P n rasterećenje uzorka dovodi do nestanka deformacije koja je nastala u njemu pod djelovanjem primijenjene sile; takva se deformacija naziva elastična. Malo prekomjerno opterećenje u odnosu na P n možda neće promijeniti prirodu deformacije - i dalje će zadržati svoju elastičnu prirodu. Najveće opterećenje koje uzorak može podnijeti bez pojave zaostale plastične deformacije tijekom rasterećenja određuje granicu elastičnosti materijala:

Elastična svojstva. U elastičnom području naprezanje i deformacija povezani su koeficijentom proporcionalnosti. Kod rastezanja σ = Eδ, gdje je E- tzv modul normalne elastičnosti, brojčano jednak tangensu kuta nagiba ravnog dijela krivulje σ = σ(δ) na os deformacije ( riža. 2 ). Pri ispitivanju cilindričnog ili ravnog uzorka na vlačnost, jednoosno (σ 1 > 0; (σ 2 = σ 3 = 0) stanje naprezanja odgovara troosnom deformiranom stanju (povećanje duljine u smjeru djelovanja primijenjenih sila i smanjenje u linearnim dimenzijama u dva druga međusobno okomita smjera): δ 1 >0; δ 2 = δ 3

u području elastičnosti za osnovne konstrukcijske materijale fluktuira u prilično uskim granicama (0,27-0,3 za čelike, 0,3-0,33 za aluminijske legure). Poissonov omjer jedna je od glavnih računskih karakteristika. Poznavanje μ i E, moguće je izračunati modul smicanja

Otpornost na plastičnu deformaciju. Pod opterećenjima R > R in Uz sve veću elastičnu deformaciju javlja se i zamjetna ireverzibilna plastična deformacija koja ne nestaje tijekom rasterećenja. Napon pri kojem zaostala relativna deformacija (tezno istezanje) doseže zadanu vrijednost (prema GOST - 0,2%) naziva se uvjetna granica tečenja i označava se

U praksi je točnost suvremenih metoda ispitivanja takva da se σ p i σ e određuju s određenim tolerancijama, redom, za odstupanje od zakona proporcionalnosti [povećanje ctg(90 - α) za 25-50 %] i za iznos zaostale deformacije (0,003-0,05%) i govoriti o uvjetnim granicama proporcionalnosti i elastičnosti. Vlačna krivulja konstrukcijskih metala može imati maksimum (točka na riža. 2 ) ili odlomiti kada se postigne maksimalno opterećenje R in’ . Stav

karakterizira privremenu otpornost (vlačna čvrstoća) materijala. Ako postoji maksimum na vlačnoj krivulji u području opterećenja koje leži na krivulji lijevo V, uzorak se jednoliko deformira po cijeloj izračunatoj duljini l 0, postupno smanjujući promjer, ali zadržavajući početni cilindrični ili prizmatični oblik. Tijekom plastične deformacije metali se ojačavaju, stoga, unatoč smanjenju poprečnog presjeka uzorka, daljnja deformacija zahtijeva primjenu sve većeg opterećenja. σ in, kao i konvencionalni σ 0,2, σ n i σ e, karakterizira otpornost metala na plastičnu deformaciju. U desnom dijelu dijagrama deformacije mijenja se oblik vlačnog uzorka: počinje razdoblje koncentrirane deformacije, izraženo u pojavi "vrata". Smanjenje presjeka u vratu „pretiče“ ojačanje metala, što uzrokuje pad vanjskog opterećenja u području P u - P k.

Za mnoge konstrukcijske materijale otpornost na plastičnu deformaciju u elastično-plastičnom području tijekom napetosti i tlačenja gotovo je ista. Neki metali i legure (na primjer, legure magnezija, čelici visoke čvrstoće) karakteriziraju primjetne razlike u ovoj karakteristici pri napetosti i kompresiji. Osobito se često (pri praćenju kvalitete proizvoda, standardnih uvjeta toplinske obrade iu drugim slučajevima) procjenjuje otpornost na plastičnu deformaciju na temelju rezultata ispitivanja tvrdoće utiskivanjem tvrdog vrha u obliku lopte (tvrdoća po Brinellu ili Rockwellu), stošca. (tvrdoća po Rockwellu) ili piramida (tvrdoća po Vickersu). Ispitivanja tvrdoće ne zahtijevaju narušavanje cjelovitosti dijela i stoga su najrašireniji način praćenja mehaničkih svojstava. Tvrdoća po Brinellu (HB) pri utiskivanju kuglice s promjerom D pod opterećenjem R karakterizira prosječno tlačno naprezanje, konvencionalno izračunato po jedinici površine sferičnog otiska promjera d:

Karakteristike plastičnosti. Vlačna plastičnost konstrukcijskih materijala ocjenjuje se istezanjem

(Gdje h 0 I h k- početna i konačna visina uzorka), tijekom torzije - najveći kut uvijanja radnog dijela uzorka Θ, radostan odnosno relativni pomak γ = Θ r(Gdje r- radijus uzorka). Konačna ordinata dijagrama deformacije (točka k na riža. 2 ) karakterizira otpornost metala na uništavanje S k, koji je određen

(Fk- stvarna površina na mjestu puknuća).

Karakteristike razaranja. Uništenje se ne događa trenutno (u trenutku k), ali se razvija tijekom vremena, a početak razaranja može odgovarati nekoj međutočki na nalazištu VC, a cijeli proces završava kada opterećenje postupno padne na nulu. Položaj točke k na dijagramu deformacije uvelike je određen krutošću ispitnog stroja i inercijom mjernog sustava. Ovo čini veličinu S k u velikoj mjeri uvjetno.

Mnogi konstrukcijski metali (čelici, uključujući legure kroma i nikla visoke čvrstoće, otporne na toplinu, mekane legure aluminija, itd.) nakon značajne plastične deformacije popuštaju pri zatezanju s stvaranjem vrata. Često (na primjer, kod aluminijskih legura visoke čvrstoće) površina loma se nalazi pod kutom od približno 45° u odnosu na smjer vlačne sile. Pod određenim uvjetima (na primjer, kod ispitivanja hladno krhkih čelika u tekućem dušiku ili vodiku, kada su izloženi vlačnim naprezanjima i korozivnom okruženju za metale sklone naponskoj koroziji), dolazi do loma duž presjeka okomitih na vlačnu silu (izravni lom), bez makroplastične deformacije.

Čvrstoća materijala ostvarenih u konstrukcijskim elementima ne ovisi samo o mehaničkim svojstvima samog metala, već i o obliku i veličini dijela (tzv. efekti oblika i mjerila), elastičnoj energiji akumuliranoj u opterećenoj konstrukciji, priroda djelujućeg opterećenja (statičko, dinamičko, povremeno promjenjivo u veličini), sheme za primjenu vanjskih sila (jednoosne, dvoosne vlačne, s superponiranim savijanjem itd.), radna temperatura, okoliš. Ovisnost čvrstoće i duktilnosti metala o obliku karakterizira tzv. osjetljivost na zareze, obično se procjenjuje omjerom vlačnih čvrstoća zarezanih i glatkih uzoraka

(za cilindrične uzorke rez se obično izrađuje u obliku kružnog udubljenja, za trake - u obliku središnje rupe ili bočnih izreza). Za mnoge konstrukcijske materijale taj je omjer pod statičkim opterećenjem veći od jedinice, što je povezano sa značajnom lokalnom plastičnom deformacijom na vrhu zareza. Što je oštriji rez, to je manja lokalna plastična deformacija i veći udio izravnog loma u neuspjelom dijelu. Dobro razvijen izravni lom može se dobiti na sobnoj temperaturi u većini konstrukcijskih materijala u laboratorijskim uvjetima, ako se uzorci masivnog presjeka (što su deblji to je materijal plastičniji) podvrgnu istezanju ili savijanju, čime se tim uzorcima daje poseban uski utor s umjetno stvorenom pukotinom ( riža. 3 ). Kada se široki, ravni uzorak rasteže, plastična deformacija je teška i ograničena je na malo područje veličine 2 r y(na riža. 3 , b zasjenjeno), neposredno uz vrh pukotine. Izravni lom obično je karakterističan za pogonske kvarove konstrukcijskih elemenata.

Pokazatelji poput kritičnog faktora intenziteta naprezanja za ravninsku deformaciju, koje je predložio američki znanstvenik J.R. Irwin kao konstante za uvjete krhkog loma, postali su široko rasprostranjeni. K 1C i žilavosti loma

U ovom slučaju, proces uništavanja se razmatra u vremenu i pokazateljima K 1C(G 1C) odnose se na kritični trenutak kada je poremećen održivi razvoj pukotine; pukotina postaje nestabilna i spontano se širi kada je energija potrebna za povećanje njezine duljine manja od energije elastične deformacije koja dolazi do vrha pukotine iz susjednih elastično napregnutih zona metala.

Prilikom dodjele debljine uzorka t i veličine pukotina 2 l tr na temelju sljedećeg zahtjeva

Faktor intenziteta naprezanja DO uzima u obzir ne samo vrijednost opterećenja, već i duljinu pokretne pukotine:

(λ uzima u obzir geometriju pukotine i uzorka), izraženo u kgf/mm 3/2 ili Mn/m 3/2. Po K 1C ili G 1C može se prosuditi o osjetljivosti konstrukcijskih materijala na krti lom u radnim uvjetima.

Za procjenu kvalitete metala vrlo su česta ispitivanja udarom savijanja na prizmatičnim uzorcima s zarezom na jednoj strani. U ovom slučaju procjenjuje se udarna čvrstoća (vidi udarnu čvrstoću) (in kgf․m/cm 2 ili Mj/m 2) - rad deformacije i razaranja uzorka, konvencionalno pripisan presjeku na mjestu zareza. Ispitivanja udarnim savijanjem na uzorcima s umjetno stvorenom zamornom pukotinom na dnu zareza postala su široko rasprostranjena. Rad uništavanja takvih uzoraka a onaj općenito je u zadovoljavajućem skladu s takvim karakteristikama razaranja kao što su K 1C, a još bolje sa stavom

Vremenska ovisnost čvrstoće. Povećanjem trajanja opterećenja smanjuje se otpornost na plastičnu deformaciju i otpornost na lom. Na sobnoj temperaturi u metalima, to postaje posebno vidljivo kada su izloženi korozivnom (stresna korozija) ili drugom aktivnom (Rehbinderov učinak) okruženju. Pri visokim temperaturama uočava se fenomen puzanja (vidi Puzanje), tj. povećanje plastične deformacije tijekom vremena pri konstantnom naprezanju ( riža. 4 , A). Otpornost na puzanje metala ocjenjuje se uvjetnom granicom puzanja - najčešće naprezanjem pri kojem plastična deformacija prelazi 100 h doseže 0,2%, a označava se σ 0,2/100. Što je temperatura viša t, što je pojava puzanja izraženija i otpornost na razaranje metala se više smanjuje tijekom vremena ( riža. 4 , b). Posljednje svojstvo karakterizira tzv. granica dugotrajne čvrstoće, odnosno naprezanja, koja pri određenoj temperaturi uzrokuju razaranje materijala u određenom vremenu (npr. σ t 100, σ t 1000 itd.). Kod polimernih materijala ovisnost čvrstoće i deformacije o temperaturi i vremenu je izraženija nego kod metala. Kada se plastika zagrijava, opaža se visoko elastična, reverzibilna deformacija; počevši od određene više temperature, razvija se ireverzibilna deformacija povezana s prijelazom materijala u viskozno tečno stanje. Puzanje je također povezano s drugim važnim mehaničkim svojstvom materijala - sklonošću popuštanju naprezanja, tj. postupnom opadanju naprezanja u uvjetima kada opća (elastična i plastična) deformacija održava konstantnu određenu vrijednost (na primjer, u zategnutim vijcima) . Relaksacija naprezanja uzrokovana je povećanjem udjela plastične komponente ukupne deformacije i smanjenjem njezinog elastičnog dijela.

Ako se na metal primijeni opterećenje, koje se povremeno mijenja prema nekom zakonu (na primjer, sinusoidalno), tada s povećanjem broja ciklusa N opterećenje njegova snaga opada ( riža. 4 , c) - metal se "umori". Kod konstrukcijskog čelika takav pad čvrstoće opaža se do N= (2-5) ․10 6 ciklusa. U skladu s tim, govori se o granici zamora konstrukcijskog čelika, pod kojom se obično misli na amplitudu naprezanja

ispod koje čelik ne popušta pod opetovanim različitim opterećenjima. Na |σ min | = |σ max | granica zamora se označava simbolom σ -1. Krivulje zamora aluminijskih, titanovih i magnezijevih legura obično nemaju horizontalni presjek, pa je otpornost na zamor ovih legura karakterizirana tzv. ograničeno (odgovara datom N) granice umora. Otpornost na zamor također ovisi o učestalosti primjene opterećenja. Otpornost materijala u uvjetima niske frekvencije i visokih vrijednosti ponovljenog opterećenja (spori ili niskociklični zamor) nije jasno povezana s granicama zamora. Za razliku od statičkog opterećenja, kod opetovanih promjenljivih opterećenja uvijek se javlja osjetljivost na zarez, tj. granica zamora u prisutnosti zareza niža je od granice zamora glatkog uzorka. Radi praktičnosti, osjetljivost na zarez tijekom zamora izražava se omjerom

karakterizira asimetričnost ciklusa). U procesu zamora razlikujemo razdoblje koje prethodi nastanku izvora zamornog sloma i nakon njega, ponekad dosta dugo, razdoblje razvoja zamorne pukotine. Što se pukotina sporije razvija, materijal u strukturi djeluje pouzdanije. Brzina širenja pukotine od zamora dl/dN je povezan s faktorom intenziteta naprezanja funkcijom snage:

Lit.: Davidenkov N.N., Dinamičko ispitivanje metala, 2. izdanje, L. - M., 1936; Ratner S.I., Otkazivanje pri ponovljenim opterećenjima, M., 1959; Serensen S.V., Kogaev V.P., Shneiderovich R.M., Proračuni nosivosti i čvrstoće strojnih dijelova, 2. izdanje, M., 1963.; Primijenjena pitanja lomne žilavosti, trans. s engleskog, M., 1968.; Fridman Ya., Mehanička svojstva metala, 3. izd., M., 1974.; Metode ispitivanja, kontrole i istraživanja inženjerskih materijala, ur. A. T. Tumanova, sv. 2, M., 1974.

S. I. Kiškina.

Riža. 3. Uzorak s pukotinom od zamora posebno stvorenom na vrhu zareza za određivanje K1C. Ekscentrična (a) i aksijalna (b) ispitivanja zatezanjem.

Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija. 1969-1978 .

Pogledajte što su "mehanička svojstva materijala" u drugim rječnicima:

Mehanička svojstva materijala, kao što su čvrstoća, otpornost na lom, tvrdoća itd., u mnogim su slučajevima odlučujuća za odluku o upotrebi materijala. Metode ispitivanja mehaničkih svojstava Treba napomenuti sljedeće... Wikipedia

Reakcija materijala na primijenjene mehaničke sile. opterećenja. Osnovni, temeljni mehaničke karakteristike svojstva su napon i deformacija. Karakteristike naprezanja sila koje se pripisuju jediničnom presjeku uzorka materijala ili proizvoda, konstrukcije izrađene od... ... Fizička enciklopedija

Materijali kao što su čvrstoća, otpornost na lom, tvrdoća itd. u mnogim su slučajevima odlučujući za odluku o upotrebi materijala. Metode za ispitivanje mehaničkih svojstava Treba napomenuti sljedeće glavne metode... ... Wikipedia

Mehanička svojstva- odražavaju sposobnost materijala da se odupre sili, toplini, skupljanju ili drugim unutarnjim naprezanjima bez narušavanja uspostavljene strukture. Mehanička svojstva uključuju deformativna svojstva: čvrstoću, tvrdoću, habanje,... ...

Mehanička svojstva stijena- – svojstva koja karakteriziraju pojavu, raspodjelu i promjenu mehaničkih naprezanja i deformacija u stijeni pod utjecajem mehaničkih opterećenja. [GOST R 50544 93] Naslov termina: Svojstva naslova stijene Enciklopedije... Enciklopedija pojmova, definicija i objašnjenja građevinskih materijala

Svojstva materijala- Pojmovi rubrike: Svojstva materijala Agregacija materijala Aktivacija materijala Djelovanje tvari Analiza materijala ... Enciklopedija pojmova, definicija i objašnjenja građevinskih materijala

SVOJSTVA MATERIJALA- skup pokazatelja koji karakteriziraju sve aspekte materijala. Razlikuju se sljedeća svojstva materijala (npr. za metale): mehanička, fizikalna (gustoća, toplinska, električna, magnetska i slična svojstva), kemijska... ... Metalurški rječnik