Лабораторная работа 1. Механические свойства конструкционных материалов
advertisement
Лабораторная работа №1. Механические свойства конструкционных материалов 1.1. Цель и задачи работы Знакомство с основными характеристиками, определяющими механические свойства, приобретение знаний о важнейших количественных параметрах, характеризующих эти свойства, освоение метода определения механических свойств металла. Изучение принципа работы и устройства разрывной машины, получение представления об операциях обработки диаграмм растяжения. Для успешного выполнения работы следует изучить темы: «Свойства металлов и сплавов и методы их определения» [1], «Деформация и механические свойства» [2, 3, 4]. 1.2. Условия работы и методы испытания материалов В широком смысле под механическими свойствами понимают параметры, которые дают информацию о поведении материала под действием внешних нагрузок. Количественные величины этих параметров обусловлены природой взаимодействия молекул и атомов в твердом теле, фазовым составом сплавов, их структурой. Изменения термодинамических параметров (температуры, давления, скорости нагружения) приводят к изменению сил взаимодействия, фазового состава и структуры, и, следовательно, к изменению свойств материалов. Механические свойства позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материала, произвести сопоставимую оценку различных материалов, осуществить контроль качества и пригодность металла в заводских и лабораторных условиях. Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин, приборов, конструкций. К испытаниям механических свойств предъявляется ряд требований. Температурно-силовые условия проведения испытаний должны быть по возможности приближены к служебным условиям работы материалов в реальных изделиях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно простыми и пригодными для массового контроля качества. Большое разнообразие условий эксплуатации материалов, повышение и расширение спектра требований к ним привело к разработке широкого круга методов определения свойств. В зависимости от скорости нагружения испытания являются статическими, когда нагружение производится медленно, нагрузка возрастает плавно или остается постоянной длительное время, либо динамическими, если нагрузка возрастает мгновенно (ударно). При повторно-переменных испытаниях изменяется величина и направление нагрузки. Испытания могут проводиться при комнатных, повышенных, отрицательных (криогенных) температурах. Различны и схемы нагружения образцов: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез. Каждая схема нагружения характеризуется коэффициентом «жесткости», представляющим собой отношение максимальных нормальных напряжений к максимальным касательным, которые возникают при испытаниях: 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝛼= 𝜏𝑚𝑎𝑥 (1) где max – максимальные нормальные напряжения, ηmax - максимальные сдвиговые (касательные) напряжения. Таблица 1. Значения коэффициента «жесткости» для различных видов испытаний №п/п Вид испытаний Коэффициент «жесткости», α 1 2 3 4 5 Растяжение Изгиб Кручение Сжатие Твердость 2,0 1,35 1,27 0,54 0,22 Нормальные напряжения приводят к хрупкому разрушению материала, а касательные ответственны за пластичность. Поэтому, чем больше коэффициент «α» тем более хрупко разрушается материал при испытаниях. При выборе способа испытания материалов учитывается коэффициент «жесткости». Мягкие и пластичные материалы (большинство цветных металлов и сплавов, малоуглеродистые стали для общего машиностроения, применяемые в сыром, незакаленном состоянии) испытываются на статическое растяжение и, по необходимости, динамический изгиб (ударную вязкость). Стали среднеуглеродистые, применяемые в термически обработанном (закалка + отпуск на среднюю твердость) состоянии, часто работают на знакопеременные нагрузки. Поэтому, кроме прочностных испытаний на растяжение и динамических - на ударную вязкость, эти стали часто испытываются на повторнопеременное нагружение - усталость. Для высокоуглеродистых инструментальных сталей, закаливаемых на высокую твердость, испытания на статическое растяжение являются «жесткими». Результаты испытаний имеют большой разброс, что создает определенные методические затруднения. Поэтому эти стали подвергают более «мягкому» способу нагружения: на статический изгиб и статическое сжатие. Проводятся и динамические испытания - на ударную вязкость. Определение твердости является самым «мягким» видом испытания, пригодным для любых материалов. Методическая простота испытаний на твердость и доступность оборудования сделали этот вид испытаний универсальным. Наряду с вышеперечисленными методами испытаний твердость определяется для всех материалов в любом состоянии: упрочненном и неупрочненном. 1.3. Механические свойства конструкционных материалов К основным механическим свойствам конструкционных материалов и сплавов, определяющим работоспособность и область их применения, относят: твердость, прочность, упругость, пластичность, вязкость, выносливость. Приведем краткие определения этих понятий. Твердость – сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела. Прочность – сопротивление материала разрушению при воздействии внешних напряжений. Упругость – способность материала восстанавливать свои размеры и форму при снятии внешних напряжений. Не всегда упругость считают отдельной самостоятельной характеристикой материала. Часто упругость считают элементом прочностной характеристики материала. Пластичность - способность материала приобретать остаточную (пластическую) деформацию при нагружении, менять размер и форму, не разрушаясь. Вязкость - это сопротивление материала динамическому, ударному воздействию нагрузки. Динамические испытания на ударный изгиб позволяют выявить склонность стали к хрупкому разрушению. Выносливость или сопротивление усталости - это способность металла сопротивляться процессу постепенного возникновения и развития трещин под влиянием многократных повторных силовых воздействий, величина которых намного меньше предельной прочностной нагрузки, за счет чего при таком разрушении не возникает видимой пластической деформации. Все вышеназванные свойства имеют и количественные параметры. Эти параметры могут быть получены с использованием различных схем нагружения. Например, прочность можно оценить при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Естественно, что количественные параметры, полученные с использованием различных схем нагружения, будут существенно отличаться. Предел прочности для серых чугунов, определенный при растяжении, в два раза меньше предела прочности, полученного при изгибе, и в четыре раза меньше, определенного при сжатии. Имеет значение и скорость приложения нагрузки. С увеличением скорости предел прочности растет, для малоуглеродистой стали предел прочности при ударном нагружении на 30% выше, чем при статическом. Чтобы оценить пригодность какого-либо материала, выполнить приемо-сдаточные испытания, а особенно при арбитражных спорах, нужно провести количественную оценку его свойств в условиях, идентичных для подобного класса материалов. Соответствующие виды и способы испытаний оговорены в ГОСТах на каждый класс материалов. Уровень свойств стандартных широко используемых в практике материалов приводится в ГОСТах, справочной литературе или учебниках по материаловедению. 1.4. Определение количественных характеристик механических свойств Самым распространенным материалом в инженерном применении является конструкционная сталь. Поставляемая металлургами в виде проката (прутки, балки, трубы, листы и т.д.) и поковок, сталь используется для строительства мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, строительных конструкций, для изготовления различных машин, станков, изделий широкого потребления и т.д. Как уже упоминалось, основными методами оценки свойств конструкционных сталей являются испытания на статическое растяжение, твердость, динамический изгиб и реже знакопеременные усталостные нагружения. 1.4.1. Испытания на статическое растяжение Металлические материалы в конструкциях во многих случаях работают под статическими нагрузками. Поэтому для оценки механических свойств широко используются статические испытания. Статическими называют такие испытания, при которых материал подвергают воздействию постоянной или медленно возрастающей силы. Испытания на одноосное растяжение – наиболее широко используемый вид испытания для оценки механических свойств металлов и сплавов. Одноосное растяжение сравнительно легко подвергается анализу, позволяет по результатам одного опыта определять сразу несколько важных механических характеристик металла, являющихся критерием его качества и необходимых для конструкторских расчетов. Методы испытания на растяжение стандартизированы. Имеются стандарты на испытания при комнатной температуре (ГОСТ 1497-84), при повышенных до 1200 0 С (ГОСТ 9651-84) и пониженных до минус 100 0С (ГОСТ 11150-84) температурах. Для испытания на растяжение применяют образцы цилиндрические или плоские, диаметром или толщиной в рабочей части 3,0 мм и более (рис. 1). а б Рис. 1. Образцы для испытания на растяжение: а – пропорциональный плоский (тип 1); б – пропорциональный цилиндрический (тип 3) l - рабочая длина образцов, l0 - начальная расчетная длина, b0 - начальная ширина образца, а0 – начальная толщина образца, d0 - начальный диаметр рабочей части Начальная расчетная длина l0 =5,65 𝑆0 или l0 =11,3 𝑆0 , предпочтительнее применение коротких образцов. S0 – начальная площадь поперечного сечения в рабочей части. Для литых образцов и образцов из хрупких материалов допускается l0 =2,82 𝑆0 или l0 =2,5d0, d0 – начальный диаметр рабочей части. Типы и размеры образцов приведены в ГОСТ 1497-84. Рабочая длина образцов l должна составлять: oт l0 + 0,5d0 до l0 + 2d0 – для цилиндрических образцов; от l0 + 1,5 𝑆0 до l0 + 2,5 𝑆0 – для плоских образцов. Испытания на растяжение при комнатной температуре проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 на разрывных машинах. В зависимости от принципа действия нагружающего механизма испытательные машины подразделяют на механические и гидравлические. Основной характеристикой разрывной машины является развиваемое ею максимальное усилие. Более мощные машины (усилие > 20 т) выполняются, как правило, гидравлическими. На рис. 2. показан принцип работы гидравлической машины. Машина работает по принципу гидравлического пресса, по давлению в цилиндре определяют растягивающую силу, а смещение поршня дает возможность определить изменение размера образца. Рис 2. Схема гидравлической разрывной машины Зависимость между усилием и изменением длины образца записывается автоматически с помощью диаграммного аппарата испытательной машины в виде кривой «растягивающая сила Р – абсолютное удлинение образца Δℓ». Это так называемая «первичная машинная диаграмма», которая является результатом влияния двух переменных: механических свойств материала и величины испытуемого образца. Для различных металлов и сплавов многообразие кри вых растяжения можно свести к трем типам (рис. 3). Рис. 3. Типы первичных кривых растяжение Диаграмма первого типа (I) характерна для образцов, разрушающихся без заметной пластической деформации. Диаграмма типа II получается при растяжении образцов, равномерно деформирующихся вплоть до разрушения. Диаграмма III типа характерна для образцов, разрушающихся после образования шейки в результате сосредоточенной деформации. В зависимости от типа диаграммы меняется набор характеристик, которые можно по ней рассчитывать, а также их физический смысл. Чтобы исключить влияние размеров образцов, от «первичной машинной» диаграммы переходят к «условной» в координатах «напряжение ζ - относительная деформация или удлинение ε». Координаты точек на этой диаграмме определяют по формулам: 𝜎= Р 𝑆0 , = ∆𝑙 (2) 𝑙0 где S0 и ℓ0 - исходное первоначальное сечение и первоначальная расчетная длина образца. Диаграмма растяжения (рис. 4.) состоит из трех участков: упругой деформации (прямолинейный участок до точки У), равномерной пластической деформации (участок УВ) и сосредоточенной деформации шейки образца (участок ВС). Прямолинейный участок упругой деформации характеризует жесткость материала. Чем меньшую упругую деформацию претерпевает материал под действием нагрузки, тем выше его жесткость, которая характеризуется модулем упругости: (3) 𝐸 = , [ГПа] Модуль упругости структурно нечувствительная характеристика, определяется силами межатомного взаимодействия в кристаллической решетке и является константой материала. Рис 4. Диаграмма стального образца. растяжения По условной диаграмме растяжения «ζ - ε» определяются следующие прочностные характеристики: 1. Предел пропорциональности σп - величина напряжения, соответствующая началу отклонения кривой от линейного хода (от закона Гука: ζ = Еε). 2. Предел упругости σу – напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций определенной заданной величины (0,01%; 0,03%;0,05%), причем допуск на остаточную деформацию указывается в индексе (ζ0,05). 3. Предел текучести σт (физический) – напряжение, соответствующее наименьшему напряжению площадки текучести, когда образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки. Если площадка текучести отсутствует на диаграмме, то определяется предел текучести условный, соответствующий остаточной деформации, составляющей 0,2% первоначальной длины образца - ζ0,2. 4. Предел прочности или временное сопротивление разрыву σВ – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. Величина пластической деформации к моменту разрушения характеризует пластичность материала. Для оценки пластичности стали используются две характеристики – относительное удлинение после разрыва δ и относительное сужение после разрыва Ψ. Относительное удлинение после разрыва представляет собой отношение приращение расчетной длины образца к его первоначальной длине, выраженное в процентах: 𝑙к − 𝑙0 (4) 𝛿 %𝐸𝐿 = ∙ 100% 𝑙0 где ℓ0 и ℓк - первоначальная и конечная (после разрушения) длина образца. На практике для определения ℓк разрушенные части образца прикладывают друг к другу и измеряют расстояние между рисками или кернами, наносимыми на образец перед испытаниями и задающими расчетную длину. Не имея образца, относительное удлинение можно примерно оценить по диаграмме. Для этого из конечной точки кривой, соответствующей моменту разрушения образца, провести прямую, параллельную прямолинейному участку диаграммы. Отрезок абсциссы, отсеченной этой прямой, будет соответствовать конечному относительному остаточному удлинению образца εк. Этот результат нужно выразить в процентах: (5) 𝛿 %𝐸𝐿 = к ∙ 100% Относительное сужение после разрыва Ψ представляет собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади сечения образца: 𝑆0 − 𝑆𝑘 (6) 𝛿 %𝑅𝐴 = ∙ 100% 𝑆0 Величина Ψ определяется для цилиндрических образцов; для образцов плоских (при испытании полосовой или тонколистовой стали) это оценка приблизительная. По диаграмме растяжения Ψ определить невозможно. Условно принято считать металл надежным в эксплуатации при δ ≥ 15% и Ψ ≥ 45%. Сталь перед испытаниями может быть подвергнута различным видам обработки (холодная вытяжка, горячая прокатка, нормализация, отжиг и т.д.), поэтому одна и та же марка будет иметь различные прочностные и пластические свойства, поскольку они являются структурно-чувствительными. В процессе нагружения образца при достижении предела текучести начинается смещение атомов со своих первоначальных равновесных положений. Но это частичное смещение атомов относительно своих мест не приводит к разрушению материала. Наоборот, происходит его упрочнение, наклеп. Кривая деформации поднимается вверх, но уже более медленно, чем на первом участке, до величины ζв и далее падает с появлением шейки – местного утонения образца. Начало появления шейки считается началом разрушения образца (хрупкие материалы разрушаются без шейки). Способность материала дополнительно упрочняться за счет пластической деформации оценивается модулем пластичности D. Чем меньше модуль пластичности, тем более хрупко разрушается материал, а хрупкие разрушения опасны своей внезапностью и непредсказуемостью. Определить величину модуля пластичности можно, упростив диаграмму растяжения (рис. 5). Соедините предел текучести и предел прочности на кривой растяжения. Тангенс угла наклона прямой АВ равен модулю пластичности: 𝐵 − 𝑇 (7) 𝐷 = 𝑡𝑔 = ∙ 100% 𝑞 По кривой растяжения можно определить еще одну характеристику, называемую вязкостью материала. Но эта вязкость будет статической в отличие от ударной вязкости, определяемой при ударном изгибе. Статическая вязкость при растяжении равняется удельной работе разрушения и характеризуется площадью под упрощенной кривой диаграммы «ζ - ε»: 𝐵 + 𝑇 (8) = ∙𝑞 2 1.4.2. Испытания на твердость Из всех видов механических испытаний твердость материала как сопротивление вдавливанию определяется чаще всего и практически для любых материалов. Это объясняется тем, что испытание на твердость не приводит к разрушению изделий, не ограничивает величину детали или изделия, отличается простотой, скоростью, а также портативностью применяемых приборов. При определении твердости существуют разные методы воздействия твердого тела на поверхность испытуемого материала: метод вдавливания, метод царапанья, упругой отдачи. Поскольку более распространен метод вдавливания, приведем важнейшие способы определения твердости этим способом. Рис. 5. Упрощенное изображение диаграммы растяжения, поясняющие формулы 7 и 8 1.4.2.1. Твердость по Бринелю Испытание на твердость по Бринелю проводится путем вдавливания стального закаленного шарика диаметром 10 мм, 5 мм или 2,5 мм под действием нагрузки, величина которой определяется толщиной образца и уровнем измеряемой твердости (табл. 2). После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток, который измеряют с использованием особой лупы с делениями. Твердость определяется по формуле: Р 2𝑃 кгс (8) НВ = = , 2 𝑆 𝜋𝐷 𝐷 − 𝐷2 − 𝑑 2 мм где Р – усилие, действующее на шарик, кг; S- площадь поверхности отпечатка,мм; D- диаметр шарика, мм.; d – диаметра отпечатка, мм; НВ – твердость по Бринелю. Чтобы ускорить и упростить испытание для различных значений диаметра отпечатка и нагрузки Р в специальных таблицах подсчитаны величины НВ. Образец для испытания на твердость должен быть плоскопараллельным, очищенным от окалины и других загрязнений. С целью повышения точности измерений количество отпечатков должно быть не менее 2, каждый отпечаток промеряется в двух перпендикулярных направлениях, и результат определяется как среднеарифметический. При этом расстояние открая образца до центра отпечатка должно быть не менее 2,5d, а расстояние между отпечатками > 4d. Диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D < d < 0,6D. Число твердости при стандартных условиях (шарик 10 мм, нагрузка 3000 кг, выдержка под нагрузкой 10 с) записывают так: НВ400 (твердость 400 единиц по Бринелю). Если условия испытания другие, то обозначение твердости дополняется этими условиями. Например, НВ5/250/30-200 означает: число твердости 200 при испытании шариком 5 мм под нагрузкой 250 кг в течение 30 с. Твердость испытываемых методом Бринеля материалов не должна превышать НВ450 во избежание деформирования стального шарика и искажения результатов испытания. Такими материалами являются цветные металлы и сплавы, а также сырые незакаленные стали и чугуны. 1.4.2.2. Твердость по Роквеллу Если использование метода Бринеля ограничено средней твердостью (до 450 НВ), то метод Роквелла позволяет измерить твердость до 1000 НВ, что намного расширяет круг испытуемых материалов и делает этот метод более универсальным. Мягкие материалы испытываются стальным шариком D = 1,58 мм, твердые алмазным конусом с углом 120°. Для этого предусмотрены разные нагрузки: шарик нагружается средней нагрузкой - 100 кг, а конус - двумя нагрузками 150 и 60 кг. Большая нагрузка предусмотрена для измерения твердых и относительно прочных материалов, таких как закаленные стали. Твердые и хрупкие материалы, например, твердые сплавы, испытываются при малой нагрузке. В соответствии с этими нагрузками прибор имеет три шкалы измерения: А,B,C. В отличие от метода Бринеля твердость по Роквеллу измеряется не в кг/мм2, а в условных единицах, соответствующих разности между глубиной отпечатка от предварительной нагрузки 10 кг и окончательной нагрузки. За единицу измерения принята величина, отвечающая осевому перемещению шарика или конуса на глубину 0,002 мм. Таблица 2. Условия испытания материалов по методу Бринеля Это перемещение измеряется автоматически на приборе, и стрелка индикатора сразу показывает отсчет твердости по соответствующей шкале. Запись чисел твердости производится с обозначением шкалы, например, НRС60, НRВ90, НRА70. Твердость по Роквеллу безразмерная величина. При необходимости твердость по Роквеллу может быть переведена на твердость по Бринелю с использованием соответствующих переводных таблиц. Метод Роквелла вследствие относительной простоты и высокой скорости, широкого диапазона материалов по твердости, высокой точности и небольшого отпечатка на испытуемом материале получил широкое применение. Рекомендуемые условия испытания приведены в таблице 3. Расстояние между центрами отпечатков либо до края образца не должно быть меньше 3мм. Таблица 3. Условия испытания по методу Роквелла 1.4.2.3. Твердость по Виккерсу и микротвердость Испытания по Виккерсу и определение микротвердости идентичны. Нагружение проводится алмазной четырехгранной пирамидой с углом при вершине 136°. По нагрузке, приходящейся на единицу площади отпечатка, определяется число твердости: 𝑃 кг (9) Н𝑉 = 1,8544 2 , 2 𝑑 мм где Р - нагрузка на пирамиду, кг, d - диагональ отпечатка, мм. Разница между этими методиками состоит в величинах используемых нагрузок. В методе Виккерса используются нагрузки 5 - 100 кг, а при микроиспытаниях 5 - 500 г. Определение твердости по Виккерсу проводится на твердомере Виккерса, микроиспытания на приборе ПМТ-3.Толщина испытуемых образцов должна быть не менее 1,5 диагоналей. Чтобы отпечаток имел правильную форму, образец должен быть обязательно плоскопараллельным, его поверхность должна быть шлифованной и полированной, так как отпечаток измеряется с использованием микроскопа ввиду его малых размеров. Оба метода не имеют ограничений по измеряемой твердости. Метод Виккерса применяется для измерения твердости и толщины упрочненных поверхностных слоев методами цементации, азотирования и цианирования конструкционных сталей. Более тонкие слои, полученные азотированием и цианированием инструментальных сталей, борированием, хромированием инструмента и т.д. испытываются на микротвердомере. Метод микротвердости используется для измерения твердости отдельных структурнофазовых составляющих. Твердость при микроиспытаниях на приборе ПМТ-3 обозначается Нμ. Следует отметить, что до твердости НВ400 числа твердости по Бринелю и Виккерсу совпадают, при более высокой твердости величина НV превышает НВ, и чем выше твердость, тем больше расхождение. 1.4.3. Связь между твердостью и прочностью материалов Статистическая обработка экспериментальных результатов позволила определить зависимость между твердостью по Бринелю и пределом прочности для сырых незакаленных сталей и других металлов и сплавов. Эта зависимость описывается простым уравнением: (10) 𝐵 = 𝐾 ∙ 𝐻𝐵 Таблица 4. Значения коэффициентов «K» для различных материалов № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 Материалы Чугуны Алюминиевые сплавы литейные Алюминиевые сплавы деформируемые Стальное литье Малоуглеродистые кованые и горячекатаные стали Высокопрочные стали Аустенитные стали и медные сплавы Титановые сплавы Значение «К» 0,15 0,25 0,38 0,32-0,36 0,36 0,33 0,45 0,30 Из таблицы видно, что значение коэффициента K в значительной степени зависит для одного и того же материала от структурного строения. Деформация алюминиевых сплавов ведет к увеличению коэффициента в 1,5 раза. Не меньший разбег коэффициента можно получить при изменении структуры стали. Если технологические процессы получения и обработки материалов надежно устойчивы, то для каждой группы материалов можно подобрать переходный коэффициент и оценивать прочность по измерению твердости. В иностранной литературе прочность, полученную таким способом, предложено называть «прочностью по Бринелю». Такое определение прочности возможно только для пластичных вязких материалов. Для хрупких эта методика не применима. Порядок выполнения работы Для выполнения экспериментальной части студент получает готовые диаграммы растяжения (рис. 1), полученные на машине Р-10. 1. По полученной на разрывной машине «первичной» диаграмме в координатах «усилие Р - абсолютное удлинение Δℓ» построить условную диаграмму растяжения в координатах «напряжение ζ - относительное удлинение ε˝. Для этого на кривой выбрать несколько точек, для них определить по первичной машинной диаграмме координаты Р и Δℓ, а затем данные по усилию разделить на исходное поперечное сечение образца S0 = 45 мм2, а по удлинению разделить на расчетную исходную длину l0 = 80 мм: Р 𝐹 ∆𝑙 ∆𝑙 (11) 𝜎= = , = = 𝑆0 45 𝑙0 80 По полученным данным строго в масштабе построить диаграмму «ζ - ε». 2. По построенной вновь диаграмме определить следующие параметры: модуль упругости Е (из закона Гука ζ = εЕ ), физический ζт или условный ζ0,2 предел текучести, предел прочности ζв, модуль пластичности D по наклону прямой соединяющей ζт (ζ0,2) - ζв и статическую вязкость материала «» (формула 8). 3. Построить диаграмму истинных напряжений. Для этого на первичной кривой растяжения находят точку в, отвечающую максимальной нагрузке, и из этой точки проводят прямую, параллельную прямолинейному участку кривой до пересечения с осью удлинения (рис. 6); Полученный отрезок Δlв разделить на 6-8 частей, соответствующих абсолютным удлинениям Δl1, Δl2 …, Δln, и из полученных точек провести прямые, параллельные упругому участку кривой, до пересечения с кривой растяжения. Проекции точек пересечения на ось ординат дадут в масштабе величины нагрузок Р1, Р2 …, Рn, соответствующие удлинениям Δl1, Δl2 …, Δln. Подставить значения Δl1, Δl2 …, Δln в формулу для величины относительного сужения 𝑙𝑖 (12) = ∙ 100% 𝑙0 + 𝑙𝑖 найти соответствующие им значение ψ. Истинное напряжение рассчитать по формуле 𝑃𝑖 𝑙𝑖 (13) 𝑡𝑟𝑢𝑒 = 𝑆0 𝑙0 Рис. 6 Кривая растяжения в координатах Р-Δl Формула выведена из условия постоянства объема при пластической деформации S0 .l0=Si .li, где S0, Si – площади в начальный и рассматриваемый момент испытания; l0, li – расчетные длины в начальный и рассматриваемый момент испытания. li = l0 +Δli По полученным значениям truei и ψi строят участок кривой истинных напряжений. За пределом прочности (точка в) наступает местная деформация и такой подсчет вести нельзя. Поэтому при окончательном построении диаграммы истинных напряжений для пластичных металлов используется правило Кербера (c=2в): на ординате, соответствующей ψ=100 %, откладывают величину, равную 2в; из полученной точки А проводят прямую, касательную к точке в (строится прямолинейный участок кривой): Рис. 7 Диаграмма истинных напряжений Наносится точка K (координаты последней точки в момент разрыва к и ψк) 𝑃𝐾 (14) 𝐾 = 𝑆𝐾 где Рк – сила в момент разрушения образца, Н (кгс); Sк – площадь сечения шейки после разрушения образца, мм2; Точку K соединяют с прямолинейным участком кривой (рис. 7), в результате получается кривая истинных напряжений, построенная в координатах -ψ. 3. По кривой измерения твердости (рис. 2), полученной методом Виккерса на монокристаллах аустенитной нержавеющей стали 18Х16Н10Г (варианты 1-6, ориентация оси растяжения [012]; варианты 7-13 – ось [011]; варианты 14 – 20 – ось [001]), определите модуль Юнга, модуль сдвига, по результатам измерения твердости НV и значения коэффициента «К» оцените прочность 𝐵 . Пересчитайте твердость HV в твердость НВ, НRA, HRB, HRC. Результаты сведите в таблицу. Содержание отчета 1. Указать цель работы; 2. Записать кратко основные теоретические сведения; 3. На первичной кривой растяжения сделать необходимые построения; 4. Привести основные формулы и вычисления; 5.Представить таблица с экспериментальными результатами, полученными по первичной диаграмме «усилие P – абсолютное удлинение Δℓ». 6. Представить таблицу с расчетными данными «ζ –ε». 7. Построить в масштабе диаграмму растяжения в координатах «ζ – ε». 8.Результаты представить в виде таблицы с механическими характеристиками, полученными по диаграмме растяжения, с указанием размерности. 9. Представить диаграмму истинных напряжений; 10. Представить таблицу с расчетными данными твердости G, 𝐵 , НВ, НRA, HRB, HRC. 11. Сделать выводы по работе. 12. Ответить на контрольные вопросы. Контрольные вопросы 1. Для чего проводят испытания на растяжение? 2. Чем объясняется распространенность испытаний на одноосное растяжение? 3. Какие испытания называют статическими? 4. Виды образцов при испытании на растяжение, их параметры? 5. Что называют первичной кривой растяжения? 6. Типы первичных диаграмм растяжения? 7. В чем заключается графический способ определения предела пропорциональности? 8. Что называют пределом пропорциональности? 9. Что называют пределом упругости? 10.Как определяют предел упругости? 11.Как определяют по диаграмме растяжение условный предел текучести? 12.Что называют условным пределом текучести? 13.Что называют физическим пределом текучести? 14.Что называют временным сопротивлением разрыву? 15.Как определяют истинное сопротивление разрыву? 16.Чем отличаются истинные напряжения от условных? 17.Дать определение основных механических свойств – твердости, прочности, пластичности. 18.Какие величины относят к характеристикам прочности? 19.Какие величины относят к характеристикам пластичности? 20.Единицы измерения пределов пропорциональности, упругости, текучести, прочности? 21.Как определяют относительное удлинение, относительное сужение? 22. Отчего зависит выбор способа испытания материалов (растяжение, изгиб, сжатие)? 23.Что представляет собой коэффициент «жесткости» механических испытаний? 24.Чем отличаются диаграммы растяжения при наличии физического и условного пределов текучести? 25.Какие механические характеристики материала можно получить по диаграмме растяжения «ζ - ε»? 26. Дать определение микротвердости. 27.Какова размерность числа микротвердости? 28.Какова форма индентора при определении микротвердости? 29.В каком интервале может изменяться нагрузка при определении микротвердости? 30.В каких пределах колеблется обычно величина диагонали отпечатка при определении микротвердости? 31.Какова глубина вдавливания индентора при определении микротвердости? 32. Какие существуют методы удаления поверхностного слоя металлографических шлифов? 33.Каким должно быть расстояние между центрами соседних отпечатков при измерении микротвердости? 34.Дайте определение твердости. 35.Какие методы определения твердости существуют? 36.Как влияет качество поверхности образца на результат измерения твердости? 37.Что такое число твердости по Бринеллю? 38.Какую форму имеет индентор при определении твердости по Бринеллю? 39.Какая размерность числа твердости по Бринеллю? 40. Возможно ли методом Бринелля испытывать материалы с твердостью более 450 НВ? 41. Основной недостаток метода Бринелля. 42.Почему при измерении твердости предусматривается размещение отпечатков на расстоянии не менее 4 диаметров отпечатка друг от друга? 43.Как определяют число твердости по Роквеллу? 44. Какой вид имеют инденторы при определении твердости по Роквеллу? 45.Преимущества метода определения твердости по Роквеллу? Рекомендуемая литература 1.Жадан В.Т., Гринберг Б.Г., Никонов В.Я. Технология металлов и других конструкционных материалов. Высшая школа. 1970 г. 2.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.-М.: Машиностроение. 1983 г. 3.Гуляев А.П., Материаловедение.- М.: Металлургия. 1986 г. 4.Фридман Я.Б., Механические свойства металлов, т.2. - Машиностроение. 1974 г. Варианты заданий Вариант 1 (сплав АМг3) Рис.1.1 Рис. 1.2 Вариант 2 (сплав BT5) Рис.2.1 Рис.2.2 Вариант 3 (сплав Ст2) Рис. 3.1 Рис. 3.2 Вариант 4 (сплав Ст4) Рис.4.1. Рис. 4.2. Вариант 5 (сплав Д16) Рис. 5.1. Рис. 5.2 Вариант 6 (сплав Х18Н10Т) Рис. 6.1. Рис.6.2. Вариант 7 (сталь 80) Рис.7.1. Рис.7.2. Вариант 8 (сплав 14Г) Рис. 8.1. Рис. 8.2. Вариант 9 (сплав 15ХГСНД) Рис. 9.1 Рис. 9.2 Вариант 10 (сталь 45) Рис. 10.1 Рис.10.2 Вариант 11 (сплав 45Х) Рис. 11.1 Рис.11.2 Вариант 12 (сплав 30ХГС) Рис. 12.1 Рис. 12.2 Вариант 13 (сплав АМг3) Рис. 13.1 Рис. 13.2 Вариант 14 (сплав BT5) Рис. 14.1 Рис. 14.2 Вариант 15 (сплав Ст2) Рис. 15.1 Рис. 15.2 Вариант 16 (сплав Ст4) Рис. 16. 1 Рис. 16.2 Вариант 17 (сплав Д16) Рис. 17.1 Рис. 17.2 Вариант 18 (сплав Х18Н10Т) Рис. 18.1 Рис. 18.2 Вариант 19 (сталь 80) Рис. 19.1 Рис. 19.2 Вариант 20 (сплав 14Г) Рис. 20.1 Вариант 21 (сплав 15ХГСНД) Рис. 21.1 Вариант 22 (сталь 45) Рис. 22.1 Вариант 23 (сплав 45Х) Рис. 23.1 Вариант 24 (сплав 30ХГС) Рис. 24.1
