Определение упругости, пластичности и прочности материалов

Упругость, пластичность и прочность определяют при испытаниях металлов на растяжение. Для проведения испытаний изготовляют образцы плоской или круглой формы. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате получают диаграмму растяжения (рис.5). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения удлинения (деформации), а по оси ординат – усилие (напряжение), приложенное к образцу.

Рис.5. Диаграмма растяжения образца (L– длина образца; Р – усилие растяжения)

Напряжением называется нагрузка на единицу площади поперечного сечения образца.

Пользуясь записанной на машине диаграммой растяжения, можно определить важнейшие характеристики механических свойств металлов. Точка А диаграммы показывает максимальную нагрузку, которую выдерживает образец, не теряя своих упругих свойств. Если к образцу приложить такую или меньшую нагрузку, а затем снять ее, то остаточного удлинения он не получит. При делении нагрузки Р_Р в точке А на площадь поперечного сечения образца получим предел упругости. Таким образом, пределом упругости называют максимальное напряжение, до которого металл сохраняет свои упругие свойства. Предел упругости обозначают и выражают в килограмм-силах на квадратный миллиметр (кгс / мм²):

.

Выше точки А значение удлинения начинает возрастать быстрее, чем значение усилия, поэтому кривая диаграммы начинает изгибаться, склоняться к горизонтальной линии, образуя площадку текучести (Б-В). Если нагрузку в точке В разделить на площадь поперечного сечения образца, то получим предел текучести :

.

При дальнейшем увеличении растягивающего усилия (выше значения предела текучести) образец будет все больше удлиняться, а диаметр его – уменьшаться. Когда усилие достигнет наибольшего значения, в образце начнет образовываться шейка, т.е. в каком-то сечении диаметр его уменьшается больше, чем в других местах. Образец в шейке будет наиболее тонким, и в дальнейшем здесь произойдет его разрыв.

Если максимальную нагрузку (точка Г), которую выдержал образец до разрыва, разделить на первоначальную площадь его поперечного сечения, то получим предел прочности. Таким образом, предел прочности – это напряжение при максимальной нагрузке, которую выдержал образец во время испытания. Предел прочности обозначается и выражается в килограмм-силах на квадратный миллиметр (кгс/мм²):

.

Кроме показателей прочности при испытании на растяжение определяют и показатели пластичности, характеризующие способность металла деформироваться не разрушаясь. Этой характеристикой является относительное удлинение; для ее получения обе половинки разорванного образца складывают вместе и измеряют длину его рабочей части L_к.

Относительное удлинение обозначается греческой буквой d и выражается в процентах. Его определяют по формуле:

,

где ­– первоначальная длина образца; – его длина после испытания.

 

Содержание отчета

1. Выберите на свое усмотрение любую деталь машины, механизма, узла или бытового изделия, укажите необходимый материал и способ изготовления этой детали: наименование детали _____, выбранный материал ______, способ (технология) изготовления детали ______.

2. Результат определения ударной вязкости: ширина образца________ мм, толщина в месте надреза____ мм, Fo=_____мм², А_Н_____, =__________.

Заключение по материалу ________________________________________

3. Расшифровка твердости материалов

Значения	Твердость материалов для варианта №__
Метод определения Твердость, единиц Индентор (конус, шарик) Режим определения: Р, кгс D, мм t, с Металл (ориентировочно)

4. Результаты замера твердости образцов:

Метод определения твердости ________, нагрузка _____ кгс, индентор (шарик, конус)________.

Метод определения	Образец №___	Диаметр отпечатка при измерениях, мм	Твердость
первое	второе	третье	среднее

 

5. Диаграмма испытания образцов на растяжение

Выполнил_____________, Дата__________.

 

 

Работа 2. Диаграмма состояний системы железо-углерод.

Термообработка сталей

Цели работы:

1. Изучить диаграмму состояний системы железо – углерод. Используя диаграмму Fe – C, схематично построить кривую нагрева (1…15) или охлаждения (16…30) для марки стали по варианту:

1 и 16 – сталь 40; 2 и 17 – сталь 50; 3 и 18 – сталь 45;

4 и 19 – сталь 55; 5 и 20 – сталь 65; 6 и 21 – сталь 70;

7 и 22 – сталь У7; 8 и 23 – сталь У13; 9 и 24 – сталь У8;

10 и 25 – сталь 35; 11 и 26 – сталь 30; 12 и 27 – сталь У9;

13 и 28 – сталь У8А; 14 и 29 – сталь 60; 15 и 30 – сталь 80.

2. Изучить назначение и особенности технологии отжига, отпуска, закалки и нормализации стали. Обосновать режим термообработки для стали (по варианту пункта 1)..

3. Выявить влияние температуры закалки на твердость стали.

4. Выявить влияние температуры отпуска закаленной стали на твердость.

5. Изучить влияние тепловых процессов на твердость зон сварного шва.

Оборудование: Муфельная печь, твердомер Роквелла, образцы металлов и сварного шва, штангенциркуль.

Введение

Основными конструкционными материалами являются стали и чугуны. Они представляют собой сплав железа и углерода с добавлением других химических элементов (кремния, марганца, хрома, никеля и др.) и относятся к черным металлам. Железоуглеродистый сплав, содержащий до 2% углерода С, называют сталью, а содержащий 3…4,5% С – чугуном.

Механические и технологические свойства чугуна и стали зависят от способа их получения, химического состава и вида последующей обработки; при этом основные свойства черных металлов определяются содержанием в них углерода, входящего в различные структуры.

 

2.1. Диаграмма состояний Fe – C

На диаграмме Fe – C, как на географической карте показаны следующие области: существовани я стали и чугуна, железа и цементита; различных состояний железа (a-Fe, b-Fe, g-Fe); различных фаз: твердых растворов (феррит и аустенит), химических соединений (цементит) и механических смесей (ледебурит + перлит, перлит + цементит и др.); твердого (ниже линии солидуса COSFCF) и жидкого (выше линии ликвидуса ABCD) состояний сплавов (рис.6).

В сплавах железа с углеродом встречаются следующие структурные составляющие: феррит, цементит, аустенит, перлит, ледебурит и графит.

Феррит – твердый раствор углерода (около 0,002 %) в a- железе, т.е. в объемно-центрированной кубической решетке. Феррит характеризуется незначительной твердостью (НВ 85) и низкой прочностью, но высокой пластичностью. Микроструктура феррита состоит из светлых зерен различных размеров.

Рис. 6. Диаграмма железо-углерод.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа – Fe₃C). Цементит содержит (по массе) 6,67 % углерода, он хрупок, а твердость его очень высокая, достигающая до НВ 700. Под микроскопом сетка цементита светлая и блестящая. Цементит присутствует в структурах сталей и чугунов в различных формах: в виде сетки по границам зерен, в виде игл по кристаллическим плоскостям, или в виде отдельных светлых выделений.

Аустенит – твердый раствор углерода (до 2% С) в g - железе, т.е. в гранецентрированной кубической решетке. Сталь аустенитной структуры обладает большой пластичностью. Твердость аустенита НВ 170…220.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита, в нем содержится 0,8% С. Твердость перлита НВ 220.

Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита, содержит 4,3% С, его твердость НВ 600.

Графит – это свободный углерод. Он присутствует в чугунах в виде включений различной формы – пластинчатый графит, шаровидный графит и др. С изменением формы графитных включений меняются механические и технологические свойства сплава.

При охлаждении сплава железа с углеродом и переходе его из жидкого состояния в твердое происходят превращения кристаллической структуры и изменения свойств сплава. Это наглядно иллюстрирует диаграмма, приведенная на рис.6.

Диаграмма состояний системы железо-углерод дает большой объем практической информации инженеру, занимающемуся вопросами использования сталей и сплавов в промышленности и строительстве, изготовления и ремонта деталей, их термообработкой и сваркой:

-о поведении сплавов при нагреве и охлаждении;

-о структуре, фазах и фазовых превращениях для конкретных сплавов;

-по обоснованию режимов термообработки (отпуск, закалка и др.) деталей;

-по обоснованию температуры нагрева заготовок при ковке и штамповке;

-по качеству сварки и по объяснению металлургических процессов и фазовых превращениях при сварке металлов и сплавов.

Характерными точками диаграммы являются:

A – температура плавления чистого железа;

D – температура плавления цементита Fe₃C;

S – эвтектоидная точка (для сталей);

C – эвтектическая точка (для чугунов).

E – делит железоуглеродистые сплавы на две группы: стали (содержание углерода до 2,1%) и чугуны (содержание углерода свыше 2,1 %);

Диаграмма построена путем исследования процессов охлаждения и нагрева железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода от 0% (чистое железо) до 6,67 % (цементит). Рассмотрим построение диаграмм нагрева и охлаждения для чистого железа (0 % углерода).

Чистое железо представляет собой очень мягкий и ковкий металл серебристо-белого цвета, не окисляющийся на воздухе, плавящийся при температуре 1539 °С, а испаряющийся – при 3200 °С.

При охлаждении и нагреве с чистым железом происходят следующие превращения. На рис. 7 представлена кривая изменения структуры железа при его охлаждении.

Свыше 1539 °С железо находится в жидком состоянии, а ниже – металл кристаллизуется, т.е. возникает кристаллическая объемно-центрированная кубическая решетка, но с большими, чем у a- железа (при температуре ниже 768°С) размерами; эта структура называется.

При температуре ниже 1392 °С s- железо превращается в g- железо, т.е. решетка становится гранецентрированной в диапазоне до температуры 910°С, ниже которой структура металла вновь становится объемно-центрированной, но при температуре ниже 768 °С (рис.7) железо приобретает магнитные свойства, т.е. b- железо превращается в a- железо.

Выше температурной кривой ABCD сплавы железа с углеродом находятся в жидком состоянии. Когда их температура будет соответствовать температуре точек, лежащих на этой же кривой, начнется процесс кристаллизации. При температуре, которой соответствует линия ABC, из жидких сплавов, содержащих до 4,3 % С, будут выпадать кристаллы аустенита, а по линии CD – кристаллы первичного цементита. С понижением температуры количество твердых кристаллов будет увеличиваться вследствие уменьшения количества жидкого сплава, и, приближаясь к температуре точек, лежащих на кривой AHJE, сплавы, содержащие до 2 % С, будут иметь структуру, состоящую из кристаллов чистого аустенита. Цементит называется вторичным из-за того, что он получен не из жидкого сплава, а из твердого раствора.

При этих перестройках, кроме превращения при температуре 768 °С, выделяется энергия на создание и перекристаллизацию кристаллической решетки, поэтому, хотя тепло подводится, но снижения температур нет (будут ступеньки постоянных температур). При нагреве железа структурные изменения происходят в обратном направлении, затрачивается энергия на разрушение и перекристаллизацию кристаллической решетки, поэтому так же будут иметь место ступени на диаграмме.

Сплав с 4,3 % С при 1130 °С сразу же, минуя промежуточные состояния, переходит из жидкого состояния в твердое кристаллическое (ледебурит). Сплавы с 4,3…6,67 % С ниже температурной кривой CF состоят из кристаллов первичного цементита и ледебурита.

При охлаждении сплавов до значений температурной кривой GOS из аустенита начинает выделяться феррит. Выделение его продолжается до достижения температуры 727 °С (прямая PS), при которой оставшийся аустенит, обогащенный углеродом, переходит в перлит.

При температуре ниже 727 °С сплавы имеют структуру, состоящую из зерен перлита и феррита. С увеличением процентного содержания углерода количество перлита возрастает, и при 0,8 % С сплавы имеют структуру чистого перлита.

При охлаждении сплавов на уровне температурной кривой SE из аустенита начинается выделение вторичного цементита, продолжающееся до 723 °С (линии SK), при этом весь оставшийся аустенит с содержанием 0,8 % С переходит в перлит.

При температуре ниже 727 °С образуется структура, состоящая из зерен перлита и цементита.

Аустенит чугунов (сплавы с 2…4,3 % С) при 727 °С превращается в перлит, а при более низкой температуре приобретает структуру, состоящую из кристаллов перлита, вторичного цементита и ледебурита. Структура чугуна, содержащего 4,3…6,67 % С ниже линии SK, состоит из кристаллов ледебурита и первичного цементита.

Все описанные выше изменения структуры сплавов железа с углеродом обратимы. При нагревании их до 727 °С перлит превращается в обогащенный аустенит, а при дальнейшем повышении температуры нагрева феррит и вторичный цементит растворяются в аустените. Выше кривой GOSE диаграммы сплав снова состоит из кристаллов чистого аустенита.