Использование характеристик

Прочности и пластичности в технике

Предел прочности характеризует сопротивление материала значительным пластическим деформациям и позволяет оценить предельную растягивающую нагрузку, выдерживаемую материалом без разрушения. Этот параметр важен непосредственно для изделий, работающих «на растяжение», например, таких, как канатная проволока, крепежные болты и шпильки, тяги и т. п. В то же время, благодаря удобству и относительной простоте испытаний, предел прочности широко используется в технике для сравнительной оценки качества конструкционных материалов независимо от характера их нагружения в реальных деталях и конструкциях.

Предел текучести характеризует сопротивление материалов малой пластической деформации и позволяет оценить предельные напряжения, выдерживаемые материалом в изделиях без остаточных изменений их форм и размеров, что является обязательным условием работоспособности деталей и конструкций. Отношение s_т / s_в используют в технике также для оценки технологической пластичности материалов, т. е. возможности их обработки методами холодной пластической деформации (прокаткой, штамповкой, вытяжкой и т. п.).

Параметры пластичности (d, y) характеризуют предельную способность материалов к пластическому растяжению до разрыва. Обычно в технике эти параметры используют для оценки пригодности материалов к холодной обработке давлением, при этом высокие значения этих показателей благоприятны для изготовления изделий прессованием, прокаткой, вытяжкой и объемной штамповкой. Очень низкие значения этих параметров также показывают ненадежность материалов для эксплуатации при динамических (ударных) нагрузках и его повышенную чувствительность к дефектам поверхности деталей (рискам, микротрещинам, забоинам, грубому точению и т. п.). Такие дефекты могут быть допущены на пластичных материалах с высокими значениями d и y, но они крайне опасны для хрупких материалов с низкими значениями данных характеристик пластичности.

Контрольные вопросы

1. Где практически и с какой целью можно использовать результаты испытаний материалов на растяжение?

2. Какие образцы используют для испытаний на растяжение?

3. Каков принцип испытаний материалов на растяжение на разрывных машинах?

4. Какие основные характеристики прочности и пластичности материалов можно определить при испытаниях на растяжение?

5. Почему характеристики прочности отражают условные напряжения?

6. Что характеризуют значения пределов прочности и текучести и с какой целью их можно использовать?

7. Что характеризуют параметры пластичности и для каких целей они предназначены?

8. Как определить предел прочности по диаграмме растяжения?

9. Как определить предел текучести по диаграмме растяжения?

10. Как определить значения относительного удлинения и относительного сужения материала?

11. Покажите на диаграмме растяжения границу между упругой и пластической деформацией?

12. Можно ли по диаграмме растяжения оценить относительное удлинение материала и какая дополнительная информация для этого необходима?

Лабораторная работа 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МЕТАЛЛОВ

Общие сведения

Ударная вязкость характеризует способность металла работать при преднамеренных или случайных динамических (ударных) нагрузках, его склонность к хрупкому разрушению и чувствительность к концентраторам напряжения (поверхностным дефектам в виде надрезов, грубых рисок от механической обработки и др.).

В отличие от характеристик статической прочности, определяемых на разрывных машинах при скоростях деформирования 10^–5…10^–2 м/с, испытания на ударную вязкость проводят при скоростях деформирования (приложения нагрузки) до 4...7 м/с. Столь резкое повышение скорости и уменьшение времени приложения нагрузки изменяет характер протекающих в металле элементарных процессов, связанных с перемещением, размножением и взаимодействием точечных и линейных дефектов (дислокаций, вакансий) в кристаллической решетке в процессе деформации и вызывает соответствующее изменение свойств. Многие металлы, обладающие высокими прочностными свойствами при статическом (медленном) нагружении, не способны работать даже при небольших ударных нагрузках ввиду опасности их мгновенного хрупкого разрушения. Примером тому могут служить закаленные на высокую твердость (без отпуска) высокоуглеродистые инструментальные стали.

Ударную вязкость определяют при динамических испытаниях на изгиб образцов квадратного или прямоугольного сечения длиной 55 мм, шириной 10…8 мм, высотой 10…8 мм с концентраторами напряжений в виде поперечных надрезов следующих видов: U-образным с радиусом надреза
1 мм; V-образным с радиусом надреза 0,25 мм и углом 45°, Т-образным с предварительно нанесенной усталостной трещиной. Виды и размеры наиболее часто применяемых образцов приведены на рис. 2.1, а, б, в. Как правило, более острые надрезы применяют для материалов, используемых для изделий более ответственного назначения (по тяжести последствий разрушения).

Испытания проводят на маятниковых копрах (рис. 2.2) с предельной энергией до 300 Дж. Методика проведения испытаний регламентирована ГОСТ 9454–78.

За величину ударной вязкости KС принимают работу, затраченную на деформацию и разрушение образца K, отнесенную к площади его поперечного сечения в месте надреза до испытания F:

KС = K / F. (2.1)

R 0,25

R 1

Рис. 2.1. Образцы для испытаний на ударную вязкость

Стандартные размерности ударной вязкости Дж/см² и МДж/м². Тип концентратора напряжений указывается третьим индексом, добавляемым к обозначению KС, и, таким образом, обозначениями ударной вязкости служат символы KCU, KCV, KСТ, соответственно, для U-, V- и Т-образного надрезов
(см. рис. 2.1, а, б, в).

Рис. 2.2. Схема ударного испытания на изгиб на маятниковом копре

Схема испытания приведена на рис. 2.2. Образец кладут горизонтально в гнездо на опорах, обеспечив установку надреза строго в середине пролета между опорами. Удар наносят со стороны, противоположной надрезу, в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца. Маятник копра закрепляется в исходном верхнем положении. По шкале фиксируется угол подъема маятника α.

Затем крепящую защелку вынимают, маятник свободно падает под собственной тяжестью, ударяет по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь относительно вертикальной оси копра на угол β. Этот угол тем меньше, чем большая работа K затрачена маятником на деформацию и разрушение образца. Скорость маятника v _к, м/с, в момент удара по образцу зависит от высоты подъема Н и может быть определена по выражению

, (2.2)

где g – ускорение свободного падения.

Величина работы деформации и разрушения определяется разностью потенциальных энергий маятника в начальный (после подъема на угол α) и конечный (после взлета на угол β) моменты испытания:

K = Р (H – h), (2.3)

где Р – масса маятника, кг; Н и h – высоты подъема и взлета маятника, м.

Если длина маятника L, то h = L (1 – cos β), H = L (1 – cos α) и, следовательно, K = PL (cos β – cos α).

Эта формула и служит для расчета работы K по измеренным углам α и β (Р и L постоянны для данного копра). Шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника α фиксирован.

Значения ударной вязкости определяют делением полной работы деформации и разрушения K на площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания F.