Embedded Files
Механічні властивості металів, як і інші властивості, є вихідними даними при проектуванні та створенні різних машин, механізмів і споруд.
До механічних властивостей відносять твердість, в’язкість, пружність, пластичність, лінійне розширення, крихкість, міцність, втому.
Твердість - це здатність металу чинити опір пластичній деформації або крихкому руйнуванню в поверхневому шарі при місцевій контактній силовій дії.
Існують різні методи визначення твердості: втискування, подряпанням, пружна віддача. Найпоширенішим методом є втискування в метал сталевої кульки (твердість за Брінеллем), втискування конуса (за Роквеллом ), втискування піраміди (за Віккерсом).
Способи визначення твердості в металі в залежності, від тимчасового характеру прикладання навантаження і вимірювання опору вдавленням індентора ( більш твердого тіла ), поділяють на статичні та динамічні (ударні).
Найбільш поширеними є статичні методи, при яких навантаження до індентора прикладають плавно і поступово, а час витримки під навантаженням регламентується стандартами на відповідні методи.
Конкретний спосіб визначення твердості вибирається виходячи з властивостей матеріалу, завдань вимірювання, умов його проведення, наявної апаратури і ін.
Всі методи визначення твердості матеріалів (помольних куль) можна розділити на кілька основних груп:
Статичні. Подібні методи характеризуються тим, що навантаження поступово зростає. Час витримки може бути різним – все залежить від особливостей застосовуваного методу.
Динамічні характеризуються тим, що навантаження на зразок подається з певною кінетичної енергією. При цьому показник твердості є менш точним, так як при динамічному навантаженні виникає певна віддача через пружності матеріалу. Результати подібних випробувань часто називають твердістю матеріалів при ударі.
Кінетичні засновані на безперервній реєстрації показників під час проведення випробувань, що дозволяє отримати не тільки кінцевий, але і проміжний результат. Для цього застосовується спеціальне обладнання.
Крім цього, класифікація методів визначення твердості проводиться за принципом прикладеного навантаження. Виділяють наступні способи випробування зразка:
Вдавлювання є на сьогоднішній день найбільш поширеним способом визначення розглянутого показника.
Пружність - це властивість матеріалу поновлювати свою форму та об’єм після зняття дії зовнішніх сил, які викликають їх зміну.
Пружність твердих тіл характеризується лінійним співвідношенням між напруженням і деформацією, що називають лінійною пружністю. Класичним прикладом цьому є сталева пружина. Цю ідею започаткував Роберт Гук у 1675 році.
Всі реальні тіла можна вважати пружними тільки при досить малих деформаціях. Коли деформації перевищують деяку граничну величину, яка для різних тіл неоднакова, то властивості тіл значно відрізняються від властивостей абсолютно пружних тіл.
На практиці важливо знати поведінку матеріалів при значних деформаціях, за яких умов вони почнуть руйнуватися. Ці відомості в основному дістають експериментально. Звичайно матеріали випробовують на розтяг (або стиск). Для цього вимірюють видовження зразка і напруження, що виникає в ньому.
Якщо при першому деформуванні тіла напруження було більше за границю пружності, то після припинення дії зовнішньої сили тіло не повертається в початковий стан. Якщо повторно деформувати тіло, то границя пружності його збільшується. Зростання границі пружності тіла внаслідок його повторних деформацій називають явищем наклепу. Це явище широко застосовується в техніці для підвищення твердості тіл.
Пружність і пластичність твердих тіл залежить від температури, тиску і ряду інших умов, в яких перебувають тіла. Так, сталь пружна при звичайних умовах і пластична при високих температурах і тисках; свинець пластичний при кімнатній температурі і стає пружним при низьких температурах. Характер деформації тіл залежить також від тривалості дії зовнішньої сили.
В'язкість - це здатність матеріалу поглинати механічну енергію і при цьому проявляти значну пластичність аж до руйнування. В’язкість оцінюють за допомогою приладу, який називається маятниковим копром. Зразок стандартної форми вільно встановлюють на опори копра. Маятник масою піднімають на висоту та відпускають. Маятник при падінні руйнує зразок, який по інерції піднімається на деяку висоту
Ударна в'язкість - це здатність матеріалу чинити опір ударним навантаженням. За цією характеристикою оцінюють опір матеріалу проти крихкого руйнування. При ударних навантаженнях напруження, що виникають у матеріалах, діють миттєво, тому їх важко визначити. Для проведення випробовування беруть стандартний зразок, на якому роблять надріз. Випробовування зразків проводять на спеціальних установках — копрах маятникового типу. Визначення її проводиться на спеціальному пристосуванні - маятниковому копрі. Зразок матеріалу з надрізом посередині відчувають, вдаряючи по ньому ножем маятника.
Випробування цього показника металу може проводитися при температурі від -100 ° С до 1200 ° С, залежно від металу і мети випробування. Ударна в'язкість металів є показником надійності того чи іншого матеріалу, вказує на його можливості чинити опір руйнуванню, викликаному розтягуючою напругою між атомами.
Визначення її проводиться на спеціальному пристосуванні - маятниковому копрі. Зразок матеріалу з надрізом посередині відчувають, вдаряючи по ньому ножем маятника. Випробування цього показника металу може проводитися при температурі від -100 ° С до 1200 ° С, залежно від металу і мети випробування. Ударна в'язкість металів є показником надійності того чи іншого матеріалу, вказує на його можливості чинити опір руйнуванню, викликаному розтягуючою напругою між атомами.
Пластичність - це властивість матеріалу деформуватися без руйнування під впливом зовнішніх сил та зберігати нову форму після зняття дії цих сил. Пластичні властивості зразка, що випробовується, визначають при випробовуваннях на розтягування. Під дією навантаження зразки видовжуються, при цьому поперечний переріз їх відповідно зменшується. Чим більше видовжується зразок при випробовуваннях, тим більш пластичний матеріал. Характеристиками пластичності матеріалів є відносне видовження та звуження зразків.
Крихкість - це здатність матеріалів руйнуватися при прикладанні різкого динамічного зусилля. У таких крихких матеріалів явище пластичної деформації не спостерігається, тобто руйнування зразка виникає за умови рівності границі текучості та границі міцності при розтягуванні. Значення відносного видовження та відносного звуження для крихких матеріалів близькі до нуля.
До крихких матеріалів відносять скло, кераміку, порцеляну, хром, марганець, кобальт, вольфрам та ін.
Відносна частка пружною і пластичної деформації при крихкому руйнуванні залежить від властивостей матеріалу (характеру міжатомних або міжмолекулярних зв'язків, мікро- і кристалічної структури) і від умов його роботи. Додаток напруг, що розтягують по трьох головних осях (тривісний напружений стан), концентрація напружень в місцях різкої зміни перетину деталі, зниження температури і збільшення швидкості навантаження, а також підвищення запасу пружної енергії навантаженої конструкції сприяють переходу матеріалу в крихке стан. Наприклад, істотно пружний матеріал - мармур, крихке руйнується при розтягуванні, в умовах несиметричного по трьох головних осях стискування поводиться як пластичний матеріал; чим вище концентрація напружень, тим сильніше виявляється Х. матеріалу, і т.д. Тому Х. слід розглядати у зв'язку з умовами роботи матеріалу.
Схильність матеріалу до крихкого руйнування оцінюють зазвичай за температурними залежностями роботи руйнування або характеристик пластичності, що дозволяють визначити критичну температуру крихкості Ткр. т. е. температуру переходу з пластичного стану в крихке. Чим вище Ткр. тим більше матеріал схильний до крихкого руйнування.
Міцність - це здатність матеріалу чинити опір дії зовнішніх сил без руйнування.
Метали, що застосовуються в машинобудуванні та інструментальному виробництві, мають різноманітні цінними властивостями, але найголовніші з них - міцність і твердість.
Якщо метал не рветься при розтягуванні і не руйнується при ударі, кажуть, що метал міцний. Але в техніці не можна покладатися тільки на загальне враження про те, міцний або недостатньо міцний метал, з яким мають справу. Міцність матеріалу повинна бути точно виміряна, причому повинні бути окремо визначені його здатність чинити опір розриву і його здатність, протистояти ударним навантаженням. Щоб визначити міцність металу, виготовлені з нього зразки піддають розтягуванню на спеціальних машинах до тих пір, поки вони не розірвуться. Простеживши за дії якої сили розірвався зразок і вивчивши зміна його розмірів в місці розриву, можна отримати повну і точну характеристику міцності металу, з якого зразок виготовлений.
Залежне від характеру дії зовнішніх сил розрізняють міцність на розтягування, стиснення, згин, кручення, повзучість і втому. Найпоширенішим і найважливішим видом є випробовування за допомогою статичної дії (розтягування) на матеріал на спеціальних випробувальних установках, які називаються розривними машинами. Для випробовування на розтягання виготовляють зразки у вигляді круглих стержнів або пластин чітко визначених розмірів. Зразки закріплюють у затискачах розривної машини та прикладають до них розтяжне навантаження.
Питома міцність - це відношення границі міцності матеріалу до його щільності. Наприклад, питома міцність алюмінієвих сплавів, титану вища ніж сталі.
Втома - це руйнування матеріалу під дією невеликих повторних або знакозмінних навантажень (вібрацій). Такі навантаження зазнають, наприклад, контакти, пружини. Під дією багаторазових повторно-змінних (які змінюються тільки за значенням) та знакозмінних навантажень (стискування та розтягування) метал руйнується при напруженнях, значно менших ніж границя міцності, тобто настає втома. Витривалість — це властивість металу витримувати, без руйнування, велику кількість повторних або знакозмінних напружень.
Випробовування на витривалість виконують на спеціальних машинах, де зразки обертаються з одночасним прикладанням згинальних навантажень, які створюють розтягування та стискування.
Руйнування відбувається шляхом зародження і поширення тріщини, котра стає його причиною після досягнення деякого критичного розміру і стає нестійкою й швидко збільшується. Кількість циклів навантажування, при якому настає руйнування, залежить від рівня діючого напруження — зі збільшенням змінних напружень зменшується кількість циклів, необхідних для зародження та розвитку тріщини. Навантаження і деформації, при яких зазвичай відбувається втомне руйнування, є набагато нижчими від тих, які призводять до руйнування в статичних умовах. Коли величини навантажень і переміщень такі, що руйнування відбувається більше ніж через 10 000 циклів, явище зазвичай називається багатоцикловою втомою. Коли ж величини навантажень і переміщень такі, що руйнування відбувається менше ніж через 10 000 циклів, явище називається малоцикловою втомою.
Коли циклічні навантаження і деформації виникають в деталі в результаті дії циклічно змінного температурного поля, явище зазвичай називається термічною втомою.
Руйнування, що носить назву поверхнева втома, зазвичай відбувається за наявності обертових контактуючих поверхонь.
Втома в техніці – це прояв прогресуючого руйнування у твердому тілі при циклічному навантаженні, як у випадку металевої смуги, яка розривається після багаторазового вигину назад і вперед. Втомне руйнування починається з одного або декількох тріщин на поверхні, які поширюються всередину в ході багаторазового докладання зусиль, поки раптово не відбудеться повний розрив, коли маленька зачеплена частина занадто слабка, щоб витримати навантаження. Конструкційні та машинні деталі, схильні до вібрації та іншим циклічним навантаженням, повинні бути спроектовані так, щоб уникнути втомного руйнування.
Як виявити втому металу?
Як виявити втому металу?
Всі метали в кінцевому підсумку деформуються, особливо коли вони відчувають великі навантаження, як при польоті літака. Ця деформація називається металевою напругою або втомою і є важливою частиною технічного обслуговування.
Cпособи, за допомогою яких фахівці повинні визначати втому металу:
Візуальний огляд: сьогодні методи визначення втоми металу є набагато складнішими та неруйнівними здебільшого. Проте, візуальний огляд все ще може бути одним з інструментів для виявлення тріщин або інших розривів металу.
Слуховий огляд: часто стукіт може підказати, що втома металу на горизонті. Однак потрібен проникливий і досвідчений фахівець, щоб виявити потенційну проблему таким чином.
Ультразвук: дуже високі частоти можуть бути використані для виявлення тріщин всередині матеріалів. Цей метод є неруйнівним методом діагностики металу, який отримав свій початок у медичній сфері.
Радіологія: рентгенівські промені та інші види рентгенографії можуть бути використані для виявлення підповерхневих тріщин, не завдаючи шкоди. Використовуючи цей неруйнівний метод, радіограф міг би утримувати слабке джерело випромінювання, прикріплений до полюса, протягом всього часу дії на частини випробуваної площини.
Видимі барвники: цей метод використовує флуоресцентні барвники для виявлення поверхневих тріщин.
Магнітні порошки: нарешті, цей метод працює тільки на деталях на основі заліза.
Повзучість - це здатність матеріалу до повільної і безперервної пластичної деформації при дії постійного навантаження або напруження.
Повзучість зростає з підвищенням температури, що необхідно враховувати при проектуванні машин і механізмів, призначених для роботи в умовах великих навантажень при високій температурі.
У вуглецевих сталях і чавуні повзучість починає проявлятись при температурах 300…400 °C, в легованих сталях при температурах, вищих за 500 °C. За порівняно невисоких температур повзуть легкі алюмінієві і магнієві сплави, які широко застосовуються в авіації. Повзучість властива також пластмасам, текстилеві, гумі, склу тощо.
Методи визначення механічних властивостей металів поділяють на такі групи:
· статичні, коли навантаження зростає повільно і плавно (випробування на розтяг, стиск, згин, крутіння, твердість);
· динамічні, коли навантаження зростає з великою швидкістю (випробування на ударний згин);
· циклічні, коли навантаження багаторазово змінюється (випробування на втому);
· технологічні — для оцінки поведінки металу при обробці тиском (випробування на згин, перегин, видавлювання).
Механічні випробування призначені для експериментального визначення механічних характеристик матеріалів. За їх допомогою вирішуються наступні основні задачі:
- визначення загальноприйнятих стандартних характеристик механічних властивостей, що використовуються для порівняльної оцінки механічної поведінки різних матеріалів;
- визначення властивостей матеріалів в умовах, максимально наближених до умов роботи виготовлених з них виробів та конструкцій. Згідно з сучасними уявленнями, рівень механічних характеристик визначається трьома групами факторів:
- матеріалом – його хімічним і фізичним складом, структурою;
- тілом – його розмірами та формою (наявністю розрізів, станом поверхні, тощо);
- умовами навантаження – запасом пружної енергії, швидкістю і повторюваністю навантаження, тощо.
В деяких випадках вплив двох останніх чинників є незначним і тоді головним чином проявляються властивості матеріалу (наприклад, при співставленні твердості вдавлюванням).
Але в більшості випадків необхідне врахування всіх факторів.
Найбільш часто матеріали випробовуються за простими механічними схемами: розтяг, стиск, згин, закрут.
Одновісний розтяг – найрозповсюдженіша схема механічних випробувань. За результатами випробувань на одновісний розтяг будується первинна діаграма в координатах “навантаження – видовження ”, які є основою для розрахунку стандартних (паспортних) механічних характеристик матеріалів.
Стиск використовується для випробувань малопластичних матеріалів. Найбільш часто використовується одновісний стиск, під час якого стискаюче напруження прикладається до осі циліндричного зразка та будується діаграма в координатах “ навантаження – скорочення ”.
Згин – одна з найпростіших схем навантаження. Використовують два методи випробувань: навантаження зразка через жорстку траверсу двома однаковими силами, прикладеними на рівній відстані від опор (4-точковий згин) та навантаження зосередженою силою, що прикладена по середині пробігу зразка між опорами (3-точковий згин). Первинна діаграма будується в координатах “ навантаження – стріла прогину ”.
Закрут – здійснюється двома різними по величині та протилежно спрямованими крутильними моментами, які прикладаються до кінців зразка перпендикулярно до його повздовжньої осі. Діаграму кручення будують в координатах “ крутильний момент – кут закручування ”.
Інструментом для проведення механічних випробувань є випробувальна машина.
Предметом випробування є зразок для механічних випробувань. Результатами випробувань є діаграми в координатах: “ навантаження – видовження ” (первинна), “ напруження – відносна деформація ” (умовна) та істинна діаграма зміцнення.
Page updated
Google Sites
Report abuse