Mechanické vlastnosti čo. Technické schopnosti človeka a jeho profesie

Téma 3: Štúdium vlastností konštrukčných materiálov.

Klasifikácia metód materiálového výskumu

Základné vlastnosti kovov a metódy ich štúdia.

Kovy sú jednou z tried konštrukčných materiálov, ktoré sa vyznačujú určitým súborom vlastností:

• „kovový lesk“ (dobrá odrazivosť);
• plast;
• vysoká tepelná vodivosť;
• vysoká elektrická vodivosť.

Tieto vlastnosti sú spôsobené štrukturálnymi vlastnosťami kovov. Podľa teórie kovového stavu je kov látka pozostávajúca z kladných jadier, okolo ktorých rotujú elektróny v orbitáloch. Na poslednej úrovni je počet elektrónov malý a sú slabo viazané na jadro. Tieto elektróny majú schopnosť pohybovať sa v celom objeme kovu, t.j. patria k celému súboru atómov.

Metódy výskumu.

Kovy a zliatiny majú rôzne vlastnosti. Použitím jednej metódy štúdia kovov je nemožné získať informácie o všetkých vlastnostiach. Používa sa niekoľko metód analýzy.

1. Stanovenie chemického zloženia.

2. Používajú sa metódy kvantitatívnej analýzy.

3. Ak sa nevyžaduje veľká presnosť, použije sa spektrálna analýza.

Spektrálna analýza na základe rozkladu a štúdia spektra elektrického oblúka alebo iskry umelo vybudenej medzi medená elektróda a skúmaný kov.

Oblúk sa zapáli a lúč svetla vstupuje do okuláru cez hranoly, aby analyzoval spektrum. Farba a koncentrácia čiar spektra umožňujú určiť obsah chemické prvky. Používajú sa stacionárne a prenosné steeloskopy.

4. Presnejšie informácie o zložení poskytuje röntgenová spektrálna analýza.

Vykonáva sa na mikroanalyzátoroch. Umožňuje určiť zloženie fáz zliatiny a charakteristiky difúznej mobility atómov.

Všeobecné charakteristiky mechanické vlastnosti.

Ide o súbor ukazovateľov, ktoré charakterizujú odolnosť materiálu voči zaťaženiu, ktoré naň pôsobí, jeho schopnosť deformácie v tomto prípade, ako aj vlastnosti jeho správania počas procesu ničenia. V súlade s tým sa merajú napätia (zvyčajne v kgf/mm 2 alebo Mn/m2), deformácií (v %), špecifickej práce deformácie a deštrukcie (zvyčajne v kgf․m/cm2 alebo Mj/m2), rýchlosť rozvoja procesu deštrukcie pri statickom alebo opakovanom zaťažení (najčastejšie v mm za 1 sek alebo pre 1000 cyklov opakovania záťaže, mm/kcyklus). M. s. m sa stanovujú pri mechanických skúškach vzoriek rôznych tvarov.

Vo všeobecnosti môžu byť materiály v konštrukciách vystavené zaťaženiu veľmi odlišného charakteru: práca v ťahu , stlačenie, ohyb, krútenie, šmyk atď. alebo vystavené kombinovanému pôsobeniu niekoľkých druhov zaťaženia, ako je ťah a ohyb. Prevádzkové podmienky materiálov a teplota sú tiež rôzne, životné prostredie, rýchlosť aplikácie záťaže a zákon jej zmeny v čase. V súlade s tým existuje mnoho ukazovateľov M. s. m. a mnoho mechanických testovacích metód. Pre kovy a technické plasty sú najbežnejšie skúšky ťahom, tvrdosťou a rázovým ohybom; krehké konštrukčné materiály (napríklad keramika, kovokeramika) sa často testujú na tlak a statický ohyb; Okrem toho počas šmykových skúšok je dôležité hodnotiť mechanické vlastnosti kompozitných materiálov.

3) Štandardné testovacie metódy podľa definície fyzikálne a mechanické vlastnosti a technologické ukazovatele materiálov a hotových strojárskych výrobkov, štandardné metódy ich navrhovania.

Počas prevádzky sú časti stroja vystavené rôzne druhy zaťaženie Aby bolo možné určiť vlastnosti zliatin pri rôznych podmienkach zaťaženia, testujú sa v ťahu, tlaku, ohybe, krútení atď.

Správanie kovov pod vplyvom vonkajšieho zaťaženia je charakterizované ich mechanickými vlastnosťami, ktoré umožňujú určiť limity zaťaženia pre každý konkrétny materiál, vykonať porovnateľné hodnotenie rôznych materiálov a vykonať kontrolu kvality kovu v továrni a laboratóriu. podmienky.

Existuje množstvo požiadaviek na testovanie mechanických vlastností. Teplotné a výkonové podmienky skúšania by mali byť čo najbližšie prevádzkovým podmienkam materiálov v skutočných strojoch a konštrukciách. Skúšobné metódy musia byť zároveň celkom jednoduché a vhodné na hromadnú kontrolu kvality hutníckych výrobkov. Keďže je potrebné mať možnosť porovnávať kvalitu rôznych konštrukčných materiálov, metódy skúšania mechanických vlastností musia byť prísne regulované normami.

Výsledky zisťovania mechanických vlastností sa využívajú vo výpočtovej konštrukčnej praxi pri navrhovaní strojov a konštrukcií. Najbežnejšie typy mechanických testov sú:

1. Statické krátkodobé skúšky s jedným zaťažením na jednoosové napätie - tlak, tvrdosť, ohyb a krútenie.

2. Dynamické skúšky so stanovením rázovej húževnatosti a jej zložiek - špecifická práca pri iniciácii a rozvoji trhlín.

3. Testy premenlivého zaťaženia na určenie medze únosnosti materiálu.

4. Skúšky tepelnej únavy.

5. Skúšky na dotvarovanie a dlhodobú pevnosť.

6. Skúšky odolnosti proti šíreniu trhlín s určením parametrov lomovej húževnatosti.

7. Skúšanie materiálov v podmienkach komplexného namáhania, ako aj testovanie dielov, zostáv a hotových konštrukcií v plnom rozsahu.

3.2. Vlastnosti materiálov

Mechanické vlastnosti sa prejavuje ako schopnosť materiálu odolávať všetkým druhom vonkajších mechanických vplyvov.

Charakterizujú mechanické vplyvy podľa smeru, trvania A rozsah. V smere možno mechanické nárazy považovať za lineárne(napätie a stlačenie) a rohu(ohyb a krútenie). Podľa dĺžky trvania sa delia na statické A dynamický, podľa rozsahu - na objemové a povrchové.

Mechanické vlastnosti určujú zmenu tvaru, veľkosti a spojitosti látok a materiálov pod mechanickými vplyvmi a následne aj výsledok takmer akéhokoľvek mechanického vplyvu na látky a materiály, ku ktorému dochádza pri ich výrobe a prevádzke (použití).

Medzi hlavné mechanické vlastnosti látok a materiálov patrí pružnosť, tuhosť, pružnosť, ťažnosť, pevnosť, krehkosť, húževnatosť a tvrdosť.

Elasticita- vlastnosť materiálov samovoľne obnoviť svoj tvar a objem (pevné látky) alebo len objem (kvapaliny a plyny) po zániku vonkajších vplyvov. Elasticita je spôsobená interakciou medzi atómami (molekulami) látky a ich tepelným pohybom.

Ako miera schopnosti materiálov alebo výrobkov meniť veľkosť a tvar pri danom type zaťaženia sú pojmy „elasticita"A „tuhosť“.

Elasticita - schopnosť materiálu alebo výrobku podliehať významným zmenám veľkosti a tvaru bez deštrukcie s relatívne malou pôsobiacou silou.

Tvrdosť - schopnosť materiálu alebo výrobku meniť menej veľkosti a tvaru pri danom type zaťaženia. Čím väčšia tuhosť, tým menšia zmena.

Elasticita- schopnosť pevných materiálov zachovať si zmenený tvar a objem bez mikroskopických diskontinuít po odstránení mechanických zaťažení, ktoré tieto zmeny spôsobili.

Plastická deformácia je spojená s porušením niektorých medziatómových väzieb a tvorbou nových. Zohľadnenie plasticity umožňuje určiť bezpečnostné rezervy, deformovateľnosť a stabilitu a rozširuje možnosti vytvárania štruktúr s minimálnou hmotnosťou.

Mechanická pevnosť pevné látky - vlastnosť odolávať deštrukcii, oddeleniu na časti), ako aj nevratnej zmene tvaru pri mechanickom namáhaní. Pevnosť pevných látok je v konečnom dôsledku určená interakčnými silami medzi ich štruktúrnymi jednotkami (atómami, iónmi atď.).

Krehkosť- vlastnosť pevných látok zrútiť sa pod mechanickými vplyvmi bez výraznejších predbežných zmien tvaru a objemu.

Viskozita (vnútorné trenie)- schopnosť materiálov odolávať vonkajším silám, ktoré spôsobujú:

IN pevné látky- šírenie existujúcej ostrej trhliny (zlomeniny);

V kvapalinách a plynoch - prúdenie.

Tvrdosť - vlastnosť materiálov odolávať povrchová vrstva kontakt (stlačenie alebo poškriabanie). Zvláštnosťou tejto vlastnosti je, že sa realizuje len v malom objeme látky. Tvrdosť je komplexná vlastnosť materiálu, ktorá odráža jeho pevnosť a ťažnosť.

Pri absencii mechanických vplyvov sú atómy v kryštáli v rovnovážnych polohách. Pri mechanických vplyvoch dochádza k deformácii hmotného predmetu.

Deformácia- zmena vzájomnej polohy mnohých častíc látky, ktorá vedie k zmene tvaru a veľkosti telesa alebo jeho častí a spôsobuje zmenu interakčných síl medzi nimi. Všetky látky sú deformovateľné.

Ak pôsobí tlakové zaťaženie, častice štruktúry látky (napríklad atómy) sa priblížia na takú vzdialenosť, pri ktorej vnútorné odpudivé sily vyrovnajú vonkajšie tlakové sily. Pri natiahnutí sa vzdialenosť medzi konštrukčnými časticami zväčšuje, kým príťažlivé sily nevyrovnajú vonkajšie zaťaženie.

V pevných látkach sa podľa mechanizmu výskytu rozlišuje elastická a plastická deformácia. Elastická deformácia nazývaná deformácia, ktorej vplyv na tvar, štruktúru a vlastnosti materiálu sa po doznení vonkajších síl eliminuje a plast - tá časť deformácie, ktorá zostane po odstránení zaťaženia, nevratne mení štruktúru materiálu a jeho vlastnosti.

Všetky skutočné pevné látky aj pri malých deformáciách majú plastické vlastnosti, čo predurčuje zmiešané mechanizmy deformácie - elastoplastická deformácia. V rôznych častiach a štruktúrach teda plastické deformácie spravidla pokrývajú malý objem materiálu, zvyšok má iba elastické deformácie. Ak veľkosť deformácie jednoznačne závisí od času, napríklad pri konštantnom zaťažení rastie, ale je vratná, ide o tzv. viskoelastické.

Plastická deformácia v pevných látkach môže byť uskutočnená napríklad kĺzaním, ku ktorému dochádza v kryštálovej mriežke látky pozdĺž rovín a smerov s najhustejším zložením atómov. Vytvárajú sa klzné roviny a klzné smery ležiace v týchto rovinách posuvný systém. Napríklad v kovoch môže súčasne fungovať jeden alebo niekoľko klzných systémov.

Znázornenie procesu kĺzania ako súčasného pohybu jednej časti kryštálu vzhľadom na druhú je čisto schematické (obrázok), pretože takýto pohyb by si vyžadoval hodnoty vonkajšieho zaťaženia stotisíckrát väčšie ako tie, pri ktorých sa proces vyskytuje v reality.

V reálnych materiáloch k sklzu dochádza jednak v dôsledku pohybu dislokácií v jednej rovine sklzu, jednak pri prechode do iných. Dislokácie pohybujúce sa v deformovanej kryštalickej látke vytvárajú veľké množstvo dislokovaných atómov a voľných miest.

Väčšina Práca (až 95%) vynaložená na deformáciu sa premieňa na teplo (dochádza k zahrievaniu), zvyšok energie sa akumuluje vo forme zvýšenej hustoty mriežkových defektov (vakancií a hlavne dislokácií). O akumulácii energie svedčí aj nárast zvyškových napätí v dôsledku deformácie. V tomto smere je stav plasticky deformovaného materiálu nestabilný a môže sa meniť napríklad pri tepelnom spracovaní.

Najjednoduchšie prvky deformácie sú:

relatívne predĺženie δ - pomer prírastku dĺžky (/,-/ 0) vzorky pod vplyvom zaťaženia k jej počiatočnej hodnote / 0:

δ = (/,-/ 0)/ / 0

relatívna kontrakcia ψ - pomer zmenšenia plochy prierezu vzorky pod vplyvom zaťaženia (S 0 - S 1) na pôvodnú hodnotu S 0:

a= (So-Si)/So

Odolnosť proti deformácii je určená odolnosťou proti šmyku jednej atómovej vrstvy voči druhej, susednej. Na odhadnutie veľkosti tohto odporu sa používa koncept „ napätie“.

Napätie - miera vnútorných síl vznikajúcich pri deformácii materiálu, charakterizujúca zmenu interakčných síl medzi časticami látky pri jej deformácii. Napätie sa nemeria priamo, ale iba vypočítava cez veľkosť síl pôsobiacich na teleso alebo sa určuje nepriamo – účinkami jeho pôsobenia, napríklad piezoelektrickým javom.

Napätie je vektorová veličina; veľkosť priemetu tohto vektora do normály a dotyčnice sa nazýva normálne A šmykové napätie...

Sklzový systém pri plastickej deformácii v konkrétnej kryštalickej látke je charakterizovaný hodnotou minimálneho šmykového napätia, ktoré je potrebné na spustenie sklzu. Toto kritické šmykové napätie m 0, ktorá nezávisí od orientácie roviny sklzu vzhľadom na pôsobiace zaťaženie a je jednou zo základných charakteristík kryštalického materiálu.

Ak sklz v danom systéme začína, keď šmykové napätie dosiahne kritickú hodnotu m 0, potom pokračujúca deformácia vyžaduje kontinuálne zvyšovanie šmykového napätia, t.j. deformácia je sprevádzaná nepretržitým tvrdnutím ( spevnenie kmeňom, alebo kalenie).

Otužovanie- zmena štruktúry a vlastností so zvýšením hustoty porúch kryštálovej mriežky v látkach v dôsledku plastickej deformácie. Pri kalení za studena sa ťažnosť a húževnatosť znižujú, ale tvrdosť a pevnosť sa zvyšujú. Kalenie sa používa na povrchové vytvrdzovanie výrobky, ale treba si uvedomiť, že kovy opracované za studena sú náchylnejšie na koróziu a sú náchylné na korózne praskanie.

Napätia charakterizujú podľa zdroja výskytu A vo vzťahu k času expozície.

Podľa zdroja napätia sa delia na mechanický - pod mechanickým vplyvom, tepelný- v dôsledku teplotného spádu, napríklad pri rýchlom ohreve alebo ochladzovaní medzi povrchovou a vnútornou vrstvou, a štrukturálne (fáza) - počas rôznych fyzikálno-chemických procesov prebiehajúcich v látke, napríklad zmena objemu jednotlivých kryštalitov počas fázových premien.

Veľkosť mechanické namáhanie vo vzorke materiálu je σ priamo úmerné veľkosti vonkajšej sily F, Pa:

σ = F/S,

Kde S- vzorová plocha, m2.

Základné mechanické vlastnosti odolnosti materiálu voči deformácii a lomu: Youngov modul, Poissonov koeficient, šmykový modul, limit proporcionality, limit pružnosti, a tiež výnosové limity A silu.

Medzi hlavné mechanické vlastnosti patrí pevnosť, ťažnosť, tvrdosť, rázová húževnatosť a elasticita. Väčšina ukazovateľov mechanických vlastností sa určuje experimentálne naťahovaním štandardných vzoriek na testovacích strojoch.

Pevnosť- schopnosť kovu odolávať deštrukcii pri pôsobení vonkajších síl.

Plastové- schopnosť kovu nevratne meniť svoj tvar a veľkosť vplyvom vonkajších a vnútorných síl bez deštrukcie.

Tvrdosť- schopnosť kovu odolávať prieniku do neho o viac ako pevný. Tvrdosť sa určuje pomocou tvrdomerov vložením kalenej oceľovej guľôčky do kovu (na prístroji podľa Brinella) alebo zavedením diamantovej pyramídy do dobre pripraveného povrchu vzorky (na prístroji Rockwell). Čím menšia je veľkosť vtlačenia, tým väčšia je tvrdosť testovaného kovu. Napríklad uhlíková oceľ má pred kalením tvrdosť 100. . . 150 HB (Brinell) a po vytvrdnutí - 500. . . 600 NV.

Nárazová sila- schopnosť kovu odolávať nárazovým zaťaženiam. Toto množstvo, označené KS(J/cm 2 alebo kgf m/cm), určený pomerom mechanickej práce A, vynaložené na zničenie vzorky počas nárazového ohýbania na plochu prierezu vzorky .

Elasticita- schopnosť kovu obnoviť svoj tvar a objem po ukončení pôsobenia vonkajších síl. Táto veličina je charakterizovaná modulom pružnosti E(MPa alebo kgf/mm 2), čo sa rovná pomeru napätia a to elastická deformácia ním spôsobená. Ocele a zliatiny na výrobu pružín a listových pružín musia mať vysokú elasticitu.

Mechanické vlastnosti kovov

Mechanickými vlastnosťami sa rozumejú vlastnosti, ktoré určujú správanie sa kovu (alebo iného materiálu) pod vplyvom aplikovaných vonkajších mechanických síl. Mechanické vlastnosti zvyčajne zahŕňajú odolnosť kovu (zliatiny) voči deformácii (pevnosť) a odolnosť voči lomu (ťažnosť, húževnatosť a schopnosť kovu nezrútiť sa v prítomnosti trhlín).

Výsledkom mechanických skúšok sú číselné hodnoty mechanických vlastností, t.j. hodnoty napätia alebo deformácie, pri ktorých dochádza k zmenám fyzikálnych a mechanických stavov materiálu.

Oceňovanie majetku

Pri hodnotení mechanických vlastností kovových materiálov sa rozlišuje niekoľko skupín kritérií.

1. Kritériá určené nezávisle dizajnové prvky a charakter produktovej služby. Tieto kritériá sa zisťujú štandardnými skúškami hladkých vzoriek na ťah, tlak, ohyb, tvrdosť (statické skúšky) alebo rázový ohyb vzoriek s vrubom (dynamické skúšky).
2. Pevnosť a plastické vlastnosti zisťované pri statických skúškach na hladkých vzorkách sú síce dôležité (sú zahrnuté vo výpočtových vzorcoch), ale v mnohých prípadoch necharakterizujú pevnosť týchto materiálov v reálnych prevádzkových podmienkach strojných častí a konštrukcií. Môžu byť použité len pre obmedzený počet výrobkov jednoduchého tvaru pracujúcich pri podmienkach statického zaťaženia pri teplotách blízkych normálu.
3. Kritériá na posúdenie konštrukčnej pevnosti materiálu, ktoré najviac korelujú s úžitkovými vlastnosťami daného výrobku a charakterizujú vlastnosti materiálu v prevádzkových podmienkach.

Konštrukčná pevnosť kovov

Kritériá konštrukčnej pevnosti kovových materiálov možno rozdeliť do dvoch skupín:

• kritériá, ktoré určujú spoľahlivosť kovových materiálov proti náhlemu zničeniu (lomová húževnatosť, práca absorbovaná pri šírení trhlín, životnosť atď.). Tieto techniky využívajúce základné princípy lomovej mechaniky sú založené na statických alebo dynamických skúškach vzoriek s ostrými trhlinami, ktoré sa vyskytujú v reálnych strojných častiach a konštrukciách v prevádzkových podmienkach (zárezy, priechodné otvory, nekovové inklúzie, mikrodutiny atď.). ). Trhliny a mikro-diskontinuity výrazne menia správanie kovu pri zaťažení, pretože sú koncentrátormi napätia;
• kritériá, ktoré určujú trvanlivosť výrobkov (odolnosť proti únave, odolnosť proti opotrebovaniu, odolnosť proti korózii atď.).

Kritériá hodnotenia

Kritériá na posúdenie pevnosti konštrukcie ako celku (konštrukčná pevnosť), stanovené počas skúšobných, plnohodnotných a prevádzkových skúšok. Tieto testy odhaľujú vplyv na pevnosť a trvanlivosť konštrukcie takých faktorov, ako je rozloženie a veľkosť zvyškových napätí, chyby vo výrobnej technológii a dizajne kovových výrobkov atď.

Riešiť praktické problémy metalurgovia musia určiť štandardné mechanické vlastnosti a kritériá konštrukčnej pevnosti.

Kritériá výberu materiálu

Vlastnosti– je kvantitatívna resp charakteristika kvality materiál, ktorý určuje jeho zhodu alebo rozdiel s inými materiálmi.
Existujú tri hlavné skupiny vlastností: prevádzkové, technologické a nákladové, ktoré sú základom výberu materiálu a určujú technickú a ekonomickú realizovateľnosť jeho použitia. Výkonnostné vlastnosti sú mimoriadne dôležité.
Operatívne nazývame vlastnosti materiálu, ktoré určujú výkon častí strojov, zariadení a nástrojov, ich výkon, rýchlosť, cenu a ďalšie technické a prevádzkové ukazovatele.
Výkon drvivej väčšiny strojných dielov a výrobkov je zabezpečený úrovňou mechanických vlastností, ktoré charakterizujú správanie sa materiálu pod vplyvom vonkajšieho zaťaženia. Pretože stavy zaťaženia strojových častí sú rôzne, mechanické vlastnosti zahŕňajú veľkú skupinu indikátorov.
V závislosti od zmien v čase sa zaťaženia delia na statické a dynamické. Statické zaťaženie sa vyznačuje nízkou rýchlosťou zmeny svojej veľkosti a dynamické zaťaženie sa v priebehu času mení vysokou rýchlosťou, napríklad pri nárazovom zaťažení. Okrem toho sa zaťaženia delia na ťahové, tlakové, ohybové, torzné a šmykové. Zmeny zaťaženia sa môžu periodicky opakovať, preto sa nazývajú rekurentné alebo cyklické. V podmienkach prevádzky stroja sa účinky uvedených zaťažení môžu prejavovať v rôznych kombináciách.
Vplyvom vonkajších zaťažení, ako aj štrukturálnych fázových premien vznikajú v materiáli konštrukcií vnútorné sily, ktoré sa môžu prejaviť vonkajším zaťažením. Vnútorné sily na jednotku plochy prierezu telesa sa nazývajú zdôrazňuje. Zavedenie pojmu namáhanie umožňuje vykonávať výpočty pevnosti konštrukcií a ich prvkov.
V najjednoduchšom prípade axiálneho napätia valcovej tyče napätie σ je definovaný ako pomer ťahovej sily P k počiatočnej ploche prierezu Fo, t.j.

σ = P/Fo

Pôsobením vonkajších síl dochádza k deformácii telesa, t.j. zmeniť jeho veľkosť a tvar. Deformácia, ktorá po vyložení zmizne, sa nazýva elastická a deformácia, ktorá zostane v tele, sa nazýva plastická (reziduálna).
Výkon samostatná skupina strojných súčiastok závisí nielen od mechanických vlastností, ale aj od odolnosti voči vplyvu chemicky aktívneho pracovného prostredia, ak sa takýto vplyv stane významným, potom sú rozhodujúce fyzikálne a chemické vlastnosti materiálu - tepelná odolnosť a odolnosť proti korózii .
Tepelná odolnosť charakterizuje schopnosť materiálu odolávať chemickej korózii v atmosfére suchých plynov pri vysoká teplota. V kovoch je zahrievanie sprevádzané tvorbou oxidovej vrstvy (okuje) na povrchu.
Odolnosť proti korózii– je to schopnosť kovu odolávať elektrochemickej korózii, ktorá sa vyvíja v prítomnosti tekutého média na povrchu kovu a jeho elektrochemickej heterogenite.
Pre niektoré časti strojov sú dôležité fyzikálne vlastnosti, ktoré charakterizujú správanie materiálov v magnetických, elektrických a tepelných poliach, ako aj pod vplyvom vysokých energetických tokov alebo žiarenia. Zvyčajne sa delia na magnetické, elektrické, termofyzikálne a radiačné.
Schopnosť materiálu podrobiť sa rôznym metódam spracovania za tepla a za studena je určená technologické vlastnosti. Patria sem vlastnosti odlievania, deformovateľnosť, zvárateľnosť a opracovateľnosť reznými nástrojmi. Technologické vlastnosti umožňujú vykonávať tvarovo meniace spracovanie a získavať polotovary a časti strojov.
Do poslednej skupiny základných vlastností patrí cena materiálu, ktorá hodnotí výhodnosť jeho použitia. Jeho kvantitatívnym ukazovateľom je veľkoobchodná cena - náklady na jednotku hmotnosti materiálov vo forme ingotov, profilov, prášku, kusových a zváraných prírezov, za ktoré výrobca predáva svoje výrobky strojárskym a prístrojovým podnikom.

Mechanické vlastnosti stanovené pri statickom zaťažení

Mechanické vlastnosti charakterizujú odolnosť materiálu voči deformácii, deštrukcii alebo zvláštnosť jeho správania počas procesu deštrukcie. Do tejto skupiny vlastností patria ukazovatele pevnosti, tuhosti (elasticity), ťažnosti, tvrdosti a viskozity. Hlavnú skupinu takýchto indikátorov tvoria štandardné charakteristiky mechanických vlastností, ktoré sa zisťujú v laboratórnych podmienkach na vzorkách štandardné veľkosti. Ukazovatele mechanických vlastností získané pri takýchto skúškach hodnotia správanie materiálov pri vonkajšom zaťažení bez zohľadnenia konštrukcie dielu a prevádzkových podmienok.
Podľa spôsobu pôsobenia zaťaženia sa rozlišujú statické skúšky: ťahom, tlakom, ohybom, krútením, šmykom alebo šmykom. Najbežnejšie sú ťahové skúšky (GOST 1497-84), ktoré umožňujú určiť niekoľko dôležitých ukazovateľov mechanických vlastností.

Skúška ťahom. Pri naťahovaní štandardných vzoriek s plochou prierezu Fo a pracovnou (vypočítanou) dĺžkou lo sa zostrojí ťahový diagram v súradniciach: zaťaženie - predĺženie vzorky (obr. 1). Diagram rozlišuje tri úseky: pružná deformácia pred zaťažením Rupr.; rovnomerná plastická deformácia z Rupr.

na Pmax a sústredenú plastickú deformáciu z Pmax na Pk. Priamy úsek sa udržiava až do zaťaženia zodpovedajúceho limitu proporcionality Rpc. Tangenta uhla sklonu priameho úseku charakterizuje modul pružnosti prvého druhu E. Ryža. 1.
Ťahový diagram tvárneho kovu (a) a diagramy
podmienené napätia tvárnych (b) a krehkých (c) kovov.

Plastická deformácia nad P kontrolou. dochádza pri zvyšujúcom sa zaťažení, pretože kov sa počas deformácie spevňuje. Kalenie materiálu počas deformácie sa nazýva kalenie za studena.

Kalenie kovu sa zvyšuje, až kým sa vzorka nerozbije, aj keď zaťaženie v ťahu klesá od P max do P k (obr. 1, a). Vysvetľuje sa to objavením sa lokálneho stenčujúceho sa hrdla vo vzorke, v ktorom sa sústreďuje hlavne plastická deformácia. Napriek poklesu zaťaženia sa ťahové napätie v hrdle zvyšuje, až kým vzorka nezlyhá.
Pri naťahovaní sa vzorka predlžuje a jej prierez sa neustále zmenšuje. Skutočné napätie sa určí vydelením zaťaženia pôsobiaceho v určitom okamihu plochou, ktorú má vzorka v danom okamihu (obr. 1, b). V každodennej praxi sa tieto napätia neurčujú, ale používajú sa napäťové podmienky za predpokladu, že prierez F o vzorka zostáva nezmenená.

Napätia σ riadenie, σ t, σ v - štandardné pevnostné charakteristiky. Každý sa získa vydelením zodpovedajúceho zaťaženia P regulácie. Rt a R max na počiatočnú plochu prierezu F O .

Elastický limitσ ovládanie nazývané napätie, pri ktorom plastická deformácia dosahuje hodnoty 0,005; 0,02 a 0,05 %. Zodpovedajúce elastické limity sú označenéσ 0,005, σ 0,02, σ 0,05.

Podmienený limit klznosť je napätie, ktoré zodpovedá plastickej deformácii rovnajúcej sa 0,2 %; je to určenéσ 0,2 . Fyzikálna medza klzuσ t určené z diagramu napätia, keď sa na ňom nachádza medza prieťažnosti. Počas skúšok ťahom však väčšina zliatin nemá na diagramoch medzu klzu. Zvolená plastická deformácia 0,2 % celkom presne charakterizuje prechod od elastických k plastickým deformáciám.

Dočasná odolnosť charakterizuje maximálnu nosnosť materiálu, jeho pevnosť pred zničením:

σ in = P max / F o

Plasticita je charakterizovaná relatívnym predĺžením δ a relatívnou kontrakciou ψ:

kde lk je konečná dĺžka vzorky; l® a Fo sú počiatočná dĺžka a plocha prierezu vzorky; Fк – plocha prierezu v mieste prasknutia.
Pri materiáloch s nízkou plasticitou spôsobujú skúšky ťahom (obr. 1c) značné ťažkosti. Takéto materiály sa zvyčajne podrobujú skúškam na ohyb.

Ohybový test. Počas skúšky ohybom vznikajú vo vzorke ťahové aj tlakové napätia. Liatina je testovaná na ohyb, nástrojové ocele, oceľ po povrchovom kalení a keramika. Stanovenými charakteristikami sú pevnosť v ťahu a priehyb.

Pevnosť v ohybe sa vypočíta podľa vzorca:

σ u = M / W,

kde M je najväčší ohybový moment; W – moment odporu prierezu, pre zobrazenie kruhového prierezu

W = πd 3/32

(kde d je priemer vzorky) a pre vzorky pravouhlého prierezu W = bh 2 /6, kde b, h sú šírka a výška vzorky).
Skúšky tvrdosti . Tvrdosťou sa rozumie schopnosť materiálu odolávať prenikaniu pevného telesa – indentora – do jeho povrchu. Ako indentor sa používa kalená oceľová gulička alebo diamantový hrot v tvare kužeľa alebo pyramídy. Pri prehĺbení dochádza k výraznej plastickej deformácii povrchových vrstiev materiálu. Po odstránení záťaže zostane na povrchu odtlačok. Zvláštnosťou vyskytujúcej sa plastickej deformácie je, že v blízkosti hrotu sa objavuje komplexný stav napätia, v blízkosti všestranného nerovnomerného stlačenia. Z tohto dôvodu dochádza k plastickej deformácii nielen plastov, ale aj krehkých materiálov.
Tvrdosť teda charakterizuje odolnosť materiálu voči plastickej deformácii. Rovnaký odpor sa posudzuje aj dočasným odporom, keď sa zisťuje, ktorá sústredená deformácia nastáva v oblasti krku. Preto sú pre množstvo materiálov číselné hodnoty tvrdosti a pevnosti v ťahu úmerné. V praxi sa široko používajú štyri metódy merania tvrdosti: tvrdosť podľa Brinella, tvrdosť podľa Vickersa, tvrdosť podľa Rockwella a mikrotvrdosť.
Pri stanovení tvrdosti podľa Brinella (GOST 9012-59) sa do povrchu vzorky vtlačí kalená guľôčka s priemerom 10; 5 alebo 2,5 mm pri zaťažení od 5000N do 30000N. Po odstránení záťaže sa na povrchu vytvorí odtlačok v tvare guľového otvoru s priemerom d.
Pri meraní tvrdosti podľa Brinella sa používajú vopred zostavené tabuľky s uvedením čísla tvrdosti HB V závislosti od priemeru vtlačenia a zvoleného zaťaženia platí, že čím menší je priemer vtlačenia, tým vyššia je tvrdosť.
Metóda merania podľa Brinella sa používa pre ocele s tvrdosťou < 450 HB, neželezné kovy s tvrdosťou < 200 NV. Pre nich bola stanovená korelácia medzi pevnosťou v ťahu (v MPa) a číslom tvrdosti HB:
σ v » 3,4 НВ – pre uhlíkové ocele valcované za tepla;
σ v » 4,5 HB – pre zliatiny medi;
σ v » 3,5 HB – pre hliníkové zliatiny.
Pri štandardnej Vickersovej meracej metóde (GOST 2999-75) sa do povrchu vzorky vtlačí štvorstenná diamantová pyramída s vrcholovým uhlom 139°. Odtlačok sa získa vo forme štvorca, ktorého uhlopriečka sa meria po odstránení záťaže. Číslo tvrdosti HV sa určuje pomocou špeciálnych tabuliek na základe hodnoty uhlopriečky vtlačenia pri zvolenom zaťažení.

Vickersova metóda sa používa najmä pre materiály s vysokou tvrdosťou, ako aj pre skúšanie tvrdosti dielov malých profilov alebo tenkých povrchových vrstiev. Spravidla sa používajú malé zaťaženia: 10,30,50,100,200,500 N. Čím tenší je prierez skúmanej časti alebo vrstvy, tým menšie zaťaženie sa zvolí.
Čísla tvrdosti podľa Vickersa a Brinella pre materiály s tvrdosťou do 450 HB sú prakticky rovnaké.
Meranie tvrdosti podľa Rockwella (GOST 9013-59) je najuniverzálnejšie a najmenej náročné na prácu. Číslo tvrdosti závisí od hĺbky vtlačenia hrotu, ktorý sa používa ako diamantový kužeľ s vrcholovým uhlom 120 0 alebo oceľová guľa s priemerom 1,588 mm. Pre rôzne kombinácie záťaže a hrotov má prístroj Rockwell tri meracie stupnice: A.B.C. Tvrdosť podľa Rockwella je označená číslami označujúcimi úroveň tvrdosti a písmenami HR označujúcimi stupnicu tvrdosti, napríklad: 70HRA, 58HRC, 50HRB. Čísla tvrdosti podľa Rockwella nemajú presný vzťah s číslami tvrdosti podľa Brinella a Vickersa.
Mierka A (hrot - diamantový kužeľ, celkové zaťaženie 600N). Táto stupnica sa používa pre obzvlášť tvrdé materiály, pre tenké plechové materiály alebo tenké (0,6-1,0 mm) vrstvy. Hranice pre meranie tvrdosti na tejto stupnici sú 70-85.
Mierka B (hrot - oceľová guľa, celkové zaťaženie 1000N). Táto stupnica určuje tvrdosť relatívne mäkkých materiálov (<400НВ). Пределы измерения твердости 25-100.

Mierka C (hrot - diamantový kužeľ, celkové zaťaženie 1500N). Táto stupnica sa používa pre tvrdé materiály (> 450HB), ako sú kalené ocele. Hranice merania tvrdosti na tejto stupnici sú 20-67.

Stanovenie mikrotvrdosti (GOST 9450-76) sa uskutočňuje vtlačením diamantovej pyramídy do povrchu vzorky pri malom zaťažení (0,05-5N), po čom nasleduje meranie uhlopriečky vtlačenia. Táto metóda hodnotí tvrdosť jednotlivých zŕn, štruktúrnych komponentov, tenkých vrstiev alebo tenkých častí.

Pri prevádzke častí stroja je možné dynamické zaťaženie, pri ktorom má veľa kovov tendenciu podliehať krehkému lomu. Riziko zničenia zvyšujú rezy - koncentrátory stresu. Na posúdenie náchylnosti kovu ku krehkému lomu pod vplyvom týchto faktorov sa vykonávajú dynamické rázové ohybové skúšky na kyvadlových rázových unášačoch (obr. 2). Štandardná vzorka umiestnené na dve spóry a zasiahnuté do stredu, čo viedlo k zničeniu vzorky. Práca sa určuje pomocou stupnice kyvadlového pilota TO vynaložené na zničenie a vypočítať hlavnú charakteristiku získanú ako výsledok týchto testov - perkusie viskozita:

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

Kde S 0 1, plocha prierezu vzorky v mieste zárezu.

Ryža. 2. Schéma kyvadlového baranidla (a) a nárazová skúška (b):
1 – vzorka; 2 – kyvadlo; 3 – mierka; 4 – šípka mierky; 5-brzdový.

V súlade s GOST 9454-78 sa testujú tri typy vzoriek: v tvare U (polomer zárezu r=1 mm); V tvare V (r=0,25 mm) a v tvare T (únavová trhlina vytvorená na dne zárezu. Podľa toho sa rázová húževnatosť označuje: KCU, KCV, KCT. Rázová húževnatosť všetkých charakteristík mechanických vlastností je najcitlivejšia na teplotu zníženie Preto sa na stanovenie prahu používa testovanie rázovej húževnatosti pri nízkych teplotách studená krehkosť– teplota alebo teplotný rozsah, v ktorom sa znižuje rázová húževnatosť. Studená krehkosť- schopnosť kovového materiálu pri poklese teploty strácať viskozitu a krehnúť. Krehkosť za studena sa prejavuje v železe, oceli, kovoch a zliatinách, ktoré majú kubickú (BCC) alebo šesťhrannú uzavretú (HC) mriežku. Chýba v kovoch s plošne centrovanou kubickou (fcc) mriežkou.

Mechanické vlastnosti stanovené pri premenlivom cyklickom zaťažení

Mnohé časti stroja (hriadele, ojnice, ozubené kolesá) zažívajú počas prevádzky opakované cyklické zaťaženie. Procesy postupného hromadenia poškodenia v materiáli pod vplyvom cyklického zaťaženia, vedúce k zmene jeho vlastností, tvorbe trhlín, ich rozvoju a deštrukcii, sa nazývajú únava, a schopnosť odolávať únave - výdrž(GOST 23207-78). Schopnosť materiálov pracovať v podmienkach cyklického zaťaženia sa posudzuje podľa výsledkov únavových skúšok vzoriek (GOST 25.502-79). Vykonávajú sa na špeciálnych strojoch, ktoré vytvárajú opakované zaťaženie vzoriek (ťah - stlačenie, ohyb, krútenie). Vzorky sa testujú postupne na rôzne úrovne napätí, určujúcich počet cyklov pred poruchou. Výsledky testu sú znázornené vo forme krivky únavy, ktorá je vynesená v súradniciach: maximálne napätie cyklu σ max / alebo σ v ) – počet cyklov. Krivky únavy vám umožňujú určiť nasledujúce kritériá vytrvalosti:

- cyklická pevnosť, ktorý charakterizuje nosnosť materiálu, t.j. najväčšie napätie, ktoré môže vydržať po určitú dobu prevádzky.- cyklická trvanlivosť– počet cyklov (alebo prevádzkových hodín), ktoré môže materiál vydržať pred vytvorením únavovej trhliny určitej dĺžky alebo pred únavovým porušením pri danom napätí.

Okrem stanovenia uvažovaných kritérií pre vytrvalosť pri vysokom cykle sa v niektorých špeciálnych prípadoch testuje na únava s nízkym cyklom. Vykonávajú sa pri vysokých napätiach (nad σ 0,2 ) a nízkou frekvenciou zaťaženia (zvyčajne nie viac ako 6 Hz). Tieto testy simulujú prevádzkové podmienky konštrukcií (ako sú lietadlá), ktoré sú vystavené zriedkavým, ale významným cyklickým zaťaženiam.

Mechanickými vlastnosťami sa rozumejú vlastnosti, ktoré určujú správanie sa kovu (alebo iného materiálu) pod vplyvom aplikovaných vonkajších mechanických síl. Mechanické vlastnosti zvyčajne zahŕňajú odolnosť kovu (zliatiny) voči deformácii (pevnosť) a odolnosť voči lomu (ťažnosť, húževnatosť a schopnosť kovu nezrútiť sa v prítomnosti trhlín).

Výsledkom mechanických skúšok sú číselné hodnoty mechanických vlastností, t.j. hodnoty napätia alebo deformácie, pri ktorých dochádza k zmenám fyzikálnych a mechanických stavov materiálu.

Pri hodnotení mechanických vlastností kovových materiálov sa rozlišuje niekoľko skupín kritérií.

1. Kritériá určené bez ohľadu na konštrukčné prvky a povahu služby produktov. Tieto kritériá sa zisťujú štandardnými skúškami hladkých vzoriek na ťah, tlak, ohyb, tvrdosť (statické skúšky) alebo rázový ohyb vzoriek s vrubom (dynamické skúšky).

Pevnosť a plastické vlastnosti zisťované pri statických skúškach na hladkých vzorkách sú síce dôležité (sú zahrnuté vo výpočtových vzorcoch), ale v mnohých prípadoch necharakterizujú pevnosť týchto materiálov v reálnych prevádzkových podmienkach strojných častí a konštrukcií. Môžu byť použité len pre obmedzený počet výrobkov jednoduchého tvaru pracujúcich pri podmienkach statického zaťaženia pri teplotách blízkych normálu.

2. Kritériá hodnotenia konštrukčnej pevnosti materiálu, ktoré sú v najväčšej korelácii s úžitkovými vlastnosťami daného výrobku a charakterizujú vlastnosti materiálu v prevádzkových podmienkach.

Kritériá konštrukčnej pevnosti kovových materiálov možno rozdeliť do dvoch skupín:

a) kritériá, ktoré určujú spoľahlivosť kovových materiálov proti náhlemu zničeniu (lomová húževnatosť, práca absorbovaná pri šírení trhlín, životnosť atď.). Tieto techniky využívajúce základné princípy lomovej mechaniky sú založené na statických alebo dynamických skúškach vzoriek s ostrými trhlinami, ktoré sa vyskytujú v reálnych strojných častiach a konštrukciách v prevádzkových podmienkach (zárezy, priechodné otvory, nekovové inklúzie, mikrodutiny atď.). ). Trhliny a mikro-diskontinuity výrazne menia správanie kovu pri zaťažení, pretože sú koncentrátormi napätia;

b) kritériá, ktoré určujú trvanlivosť výrobkov (odolnosť proti únave, odolnosť proti opotrebovaniu, odolnosť proti korózii atď.).

3. Kritériá na posúdenie pevnosti konštrukcie ako celku (konštrukčná pevnosť), stanovené počas skúšobných testov, skúšok v plnom rozsahu a prevádzkových skúšok. Tieto testy odhaľujú vplyv na pevnosť a trvanlivosť konštrukcie takých faktorov, ako je rozloženie a veľkosť zvyškových napätí, chyby vo výrobnej technológii a dizajne kovových výrobkov atď.

Na riešenie praktických problémov v metalurgii je potrebné určiť štandardné mechanické vlastnosti a kritériá konštrukčnej pevnosti.