Механические свойства металлов.

19

апреля

Новости
Механические свойства металлов.

Основными механическими свойствами металлов и сплавов являются упругость, пластичность, прочность, твердость, ударная вязкость и выносливость (или сопротивление усталости). Для определения механических свойств металлов проводят механические испытания.

Основной характеристикой металла как конструкционного материала является способность выдерживать нагрузки без разрушения или без недопустимого изменения размеров. Поведение металлов под воздействием нагрузок различно. Одни металлы хорошо сопротивляются действию сжимающих усилий, но плохо выдерживают растягивающие усилия, а другие, хорошо сопротивляясь плавным нагрузкам, разрушаются даже при небольших мгновенно приложенных нагрузках.

Воздействие нагрузок на металл приводит к деформации, т. е. к изменению его формы и размеров. После удаления сравнительно небольшой нагрузки металл частично возвращается к своей первоначальной форме и размерам. Эту часть деформации называют упругой, а свойство материала к восстановлению своего исходного состояния называют упругостью. Большие усилия приводят к безвозвратному изменению формы и размеров. Такую деформацию называют пластической, а способность материала деформироваться, т. е. изменять свою форму без разрушения,, называют пластичностью.

Упругость и пластичность определяют эксплуатационные качества металла и способность его к обработке. Неспособность металлов к пластическому деформированию при обычных температурах называют хрупкостью. Например, при воздействии нагрузки на некоторые стали и чугуны они разрушаются внезапно, без изменения формы.

Каждое изделие из металла или другого материала должно обладать комплексом определенных механических свойств (прочностью, пластичностью, упругостью и др.) вытекающих из условий его службы. Эти свойства определяются путем испытания либо самого изделия, либо образца, изготовленного из того же материала, что и изделие.

Испытание на растяжение — очень важный вид механических испытаний, так как по его результатам можно судить о прочности, упругости и пластичности металла.

Прочность металла характеризуется максимальной нагрузкой, которую выдерживает металл в момент наступления разрушения.

Отношение этой нагрузки Pβ к первоначальному поперечному сечению F0 нагружаемого материала называется временным сопротивлением разрыву (sβ):

1. sβ=Pβ/F0

Нагрузку, отнесенную к площади поперечного сечения, называют напряжением. В этом смысле временное сопротивление разрыву является напряжением, отвечающим наибольшей нагрузке.

Кроме того, металл характеризуется пределом текучести (sт), пределом упругости (sу), относительным удлинением (d) и относительным сужением (y).

Предел текучести представляет собой наименьшее напряжение, когда деформация материала происходит без заметного увеличения действующей нагрузки. Если Рg — соответствующая этому нагрузка, то

2. sт=Pт/F0

Предел упругости — это максимальное напряжение, которое может выдерживать материал, не обнаруживая признаков пластической (остаточной) деформации при нагружении. Он вычисляется по формуле

3. sу=Pу/F0

где Pу — предельная нагрузка, не вызывающая остаточной деформации.

В практике пользуются значениями условных пределов текучести и упругости. Условный предел текучести s0,2 представляет собой напряжение, при котором материал деформируется на 0,2%. Аналогично условный предел упругости s0,01 — это напряжение, возникающее при деформации на 0,01%. Указанные проценты являются наиболее распространенными, однако они могут быть и другими.

Относительное удлинение — это отношение увеличения; длины образца после разрыва его нагрузкой к его начальной длине:

4. Механические свойства металлов.




где i1 — длина образца после разрыва, мм; i0 — длина образца до разрыва, мм.

Относительное сужение представляет собой отношение площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади поперечного сечения:

5. Механические свойства металлов.





где F1 — площадь поперечного сечения материала в месте разрушения, мм2.

Определение пластичности по результатам испытания на растяжение сложно и занимает много времени. Поэтому на практике пользуются более простыми методами — проводят технологические пробы. С помощью технологических проб выявляют способность металла к тем или иным деформациям, которым он будет подвергаться в процессе обработки или в готовом изделии. При технологических пробах замеряют только деформацию, а о результатах испытания судят по состоянию поверхности испытуемого образца после испытания. Отсутствие трещин, отслаивания, надрывов, излома показывает, что материал выдержал пробу. Наиболее распространенными технологическими пробами являются проба на перегиб, проба на скручивание, проба на навивку проволоки.

Проба на перегиб — это то число повторно-переменных изгибов зажатого в тиски образца проволоки полностью на себя и обратно (180°), которое он выдерживает до разрушения. При этом образец зажимают в тисках губками (валиками), имеющими радиус закругления, установленный в зависимости от диаметра самой проволоки (2,5; 5,0; 7,5 и 10 мм).

Проба на скручивание — это число скручиваний образца проволоки вокруг своей оси, которое он выдерживает до разрушения. Как правило, длину образца принимают равной 100 диаметрам проволоки (применяют, однако, и другие длины).

При очень тонких диаметрах проволоки (обычно от 0,75 мм и ниже) испытания на перегиб (а иногда и на скручивание) заменяют испытаниями образца на разрыв после завязывания на нем узла, при котором усилие, приведшее к разрыву, относят в процентах к усилию при разрыве без узла.

Проба на навивку. Проволоку испытывают на хрупкость путем навивки ее вокруг образца, диаметр которого равен диаметру испытуемой проволоки. Этим образцом обычно является сама же проволока.

Прочность проволоки можно характеризовать еще твердостью и пределом выносливости (усталости), т. е. напряжением, ниже которого образец не разрушается при заданном числе знакопеременных нагрузок (обычно 107 циклов).

Изменение структуры металла при волочении существенно отражается на свойствах проволоки. Для получения требуемых свойств проволоки иногда приходится проводить после волочения термическую обработку, рихтовку, обкатку или другие операции.

При волочении плотность металла, как показали исследования, несколько уменьшается. Удельное электросопротивление в процессе волочения у проволоки из чистых металлов возрастает, а у проволоки из нихрома, например, снижается. Наиболее характерные магнитные свойства изменяются следующим образом: коэрцитивная сила (напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания металла) растет, магнитное насыщение уменьшается.

Коррозионная стойкость металла, подвергнутого волочению, снижается. Чем тоньше проволока, тем больше ее поверхность и тем более она подвержена коррозии. С увеличением деформации обжатия при волочении возрастает растворимость протянутой проволоки в кислотах.

Если отметить по вертикальной линии (ось ординат) значения sβ, получающиеся после определенного обжатия, а по горизонтальной линии (ось абсцисс) — в процентах значения общих (суммарных) обжатий, т. е. обжатий за все переходы, через все волоки, начиная от исходной заготовки и кончая проволокой готового размера Q, то получим картину изменения прочности сталей, которая будет характеризоваться кривыми, показанными на рис. 1. Легко заметить, что с увеличением содержания углерода в стали прочность проволоки после термической обработки и волочения возрастает. Аналогично изменяется временное сопротивление проволоки из других металлов и сплавов.

Механические свойства металлов.

















Значения относительного удлинения (d) и относительного сужения (y) проволоки в процессе волочения уменьшаются, за исключением проволоки из стали, подвергнутой патентированию. У патентированной проволоки относительное сужение первоначально возрастает, а затем (после 75%-ной общей деформации) уменьшается.

Пределы упругости и текучести холоднотянутого металла неустойчивы вследствие наличия в нем значительных внутренних напряжений, они зависят от природы металла и условий его волочения. Изменение этих характеристик аналогично изменению временного сопротивления, т. е. они увеличиваются с повышением суммарных обжатий.

Твердость волоченой стали с увеличением обжатий возрастает. С достаточной надежностью твердость проволоки можно определять по значениям временного сопротивления разрыву, применяя соответствующие переводные коэффициенты.

Числа перегибов с повышением общей деформации (т. е. деформации за все переходы через все волоки) первоначально увеличиваются до некоторого максимума, после чего способность к деформации при перегибе быстро падает. При содержании углерода в стали 0,7 % числа перегибоз у проволоки, протянутой из патентированной заготовки, повышаются, при более высоком содержании углерода значения их понижаются. Наиболее высокие показатели чисел перегибов у проволоки, изготовленной из стали с 0,5 % С после патентирования исходной-заготовки. Низкие результаты по числу перегибов у проволоки со структурой грубого пластинчатого перлита, протянутой после отжига. Увеличение единичных (частных) обжатий (обжатий за один переход или протяжку через волоку) снижает число перегибов проволоки.

Числа скручиваний у проволоки, изготовленной из технически чистого железа, при увеличении общей деформации резко падают, а у проволоки из средне- и высокоуглеродистой стали, протянутой из патентированной заготовки, сначала возрастают, а затем незначительно понижаются. Числа скручиваний проволоки из стали того же состава, отожженной в заготовке, с увеличением деформации существенно снижаются, наиболее значительно при первых переходах.

С увеличением общей деформации временное сопротивление разрыву sβ непрерывно возрастает, и напряжение разрыва с узлом sβ узл, характеризующего хрупкость, при определенной общей деформации (критическом наклепе) начинает резко падать. Начало падения sβ и отношения sβ узл/sβ можно рассматривать как критическую точку перехода проволоки из вязкого состояния в хрупкое. Положение этой точки может изменяться в зависимости от размера единичных обжатий, вида термической обработки и т. д. При производстве высокопрочной проволоки, когда применяют высокие общие обжатия, наблюдается появление так называемой местной хрупкости — перехода металла из вязкого состояния в хрупкое. При чрезмерно высоких обжатиях или неудовлетворительной термической обработке возникает хрупкость по всему мотку.

Предел выносливости при повторно-переменном перегибе протянутой из патентированной заготовки проволоки возрастает с увеличением общей деформации до 80 %, а затем падает. Установлено, что наиболее высокий предел усталости при повторно-переменном изгибе имеет проволока из стали 50.



Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.

Информация

Комментировать статьи на нашем сайте возможно только в течении 1 дней со дня публикации.