Определение механических свойств сплавов методами статических испытаний

Всероссийский конкурс на лучший научно-практический проект

«Гений ХХI века»

(вписать полное название конкурса)

Секция: Машиностроение

Тема: Определение механических свойств сплавов методами статических испытаний

Автор: Ильин Андрей Сергеевич

Научный руководитель: Савельева Людмила Николаевна

Место выполнения работы: Сафоновский филиал областного государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения «Смоленская академия профессионального образования»

2015

3

Введение

Основными конструкционными материалами в машиностроении, транспорте, в строительстве и других отраслях хозяйства, являются стали и сплавы, из которых изготавливают различные детали машин и механизмов. К ним предъявляют высокие требования, как к качеству металла, так и к надежности изделий.

Детали обладают такими механическими свойствами, как прочность, упругость, выносливость, вязкость, пластичность и т.д. Механические свойства влияют на обрабатываемость сплавов, следовательно, от них зависит качество деталей. Для того, чтобы знать, удовлетворяют ли детали тем требованиям, которые к ним предъявляются, проводят статические испытания материалов.

Основой инженерных расчетов на надежность и прочность механизмов или сооружений являются механические характеристики материалов, они используются не только для оценки качества, но и указывают на то, какую роль играет изменение технологии металлургического производства на долговечность и надежность металлоконструкций.

Главным, при выборе методов механических испытаний металлов, является возможность приблизить служебные условия работы металла в изделии. Это не всегда удается, так как ограничивается либо аппаратурой, которая применяется для выполнения испытаний, либо формой образцов, вернее способом их изготовления, а также невозможностью воспроизвести точно служебные условия работы металла (нагружения). Следует отметить, что среди этих форм нагружения, происходят периодические изменения нагрузки, в условиях ползучести, длительной прочности и усталости.

Проблема повышения долговечности машин является определяющей потому, что выбор качественных материалов способен увеличить ресурс и эффективность работы машин, поэтому для современного представления природы разрушений нужны разработки прочностных характеристик свойств материалов.

Процесс разрушения характеризуется определенными стадиями, которые следуют постепенно одна за другой. На каждой стадии сопротивление разрушению оценивают показателями, которые характеризуют стадии этого процесса при циклических, динамических и статических нагружениях.

Новые методы определения механических характеристик – есть развитие и совершенствование существующих стандартных методов испытаний. Эта связь позволяет переходить от сложных механических испытаний к более простым.

4

Цель работы:

- Экспериментально и теоретически изучить методы определения механических характеристик материалов различной структуры и состава, для того, чтобы обеспечить единый подход к изучению процесса разрушения в условиях статических нагружениях и определению безопасных условий эксплуатации против хрупкого разрушения;

- в связи с развитием методов испытаний, с применением программ для обработки экспериментальных данных, усовершенствовать экспериментальную базу для исследования механических характеристик и свойств материалов;

- провести исследования и обобщить связь критериев достоверности при определении критического коэффициента интенсивности напряжения (Кк) образцов из различных сплавов на растяжение при их статическом нагруженни, а также использовать данные для построения обобщающих диаграмм.

Методы исследования:

Выполнение работы осуществлялось с применением комплекса исследований, включающих аналитические и лабораторные испытания.

Были использованы следующие методики: стандартные механические испытания образцов для определения механических характеристик различных сплавов на растяжение при статическом нагружении; определение твердости по Бринеллю, статистическая обработка экспериментальных данных.

Объекты исследования: AlMgSi0.5 - алюминиевый деформируемый сплав, кислородосодержащая медь E-Cu58, CuZn39Pb3- латунь, 9 SMn 28 - автоматная сталь.

Образцы для испытания: головки с резьбой М10, длинной 30 мм и диаметром 6 мм.

5

1 Статические испытания на растяжение

Статические испытания на растяжение являются наиболее распространенными. Достоинства таких испытаний состоят в том, что сама методика эксперимента, применяемое оборудование сравнительно просты, по сравнению с большинством других испытаний, кроме того, однородность напряженного состояния образца позволяет обнаружить начало пластической деформации образца, что для определения других механических характеристик очень важно.

Испытания проводились на универсальной установке для статических испытаний материалов WP300. Ее конструкция позволяет проводить эксперименты, требующие наличия растягивающих или сжимающих усилий. Установка небольшого веса и компактных размеров, что позволяет устанавливать ее на обыкновенных столах.

Рисунок 1- Универсальная установка WP300

6

2а) 2б)

Рисунок 2а, 2б – Установка образцов в испытательную машину

2в) 2г)

Рисунок 2в, 2г – Обработка результатов

7

Рисунок 3 – Образцы для испытаний

Рисунок 4 – Диаграмма растяжения испытуемого образца на экране ПК

Нагрузки, необходимые для проведения испытаний, обеспечиваются за счет подаваемого масла под давлением в силовой гидроцилиндр и контролируются по динамометру часового типа.

8

К элементам базиса установки крепятся вспомогательные приборы и приспособления, что позволяет быстро трасформировать ее при необходимости.

Испытания на растяжение являются важными механическими испытаниями материалов, ибо они позволяют определять такую важную характеристику материалов – сопротивление растяжению.

При таких испытаниях определяют степень удлинения образца при разрыве, что является показателем прочности материала.

В ходе испытания на образец подается одноосная растягивающая нагрузка, нормальное напряжение при этом в поперечном сечении образца распределяется равномерно.

Для определения сопротивления материала, нагрузку на образец плавно увеличивают до момента его разрыва. Значение максимальной силы, которая прикладывается к образцу во время испытания, является показателем сопротивления материала. Сопротивление растяжению рассчитывают как отношение максимально приложенной силы к значению начального поперечного сечения образца :

Rm = Fв / Ао, (1)

где Fв - значение максимальной силы, которая прикладывается к образцу во время испытания;

Rm - сопротивление растяжению;

Ао - значение начального поперечного сечения образца.

Максимальное значение приложенной к образцу нагрузки определяется по указателю максимальной силы на динамометре (красная стрелка), либо на экране ПК.

Относительное удлинение при разрыве показывает удлинение образца (в процентах) прежде, чем он разорвется:

А = (Lu – Lo / Lo) х 100% , (2)

где А - относительное удлинение при разрыве;

Lu – длина образца после разрыва;

Lо – длина образца до испытания.

Для измерения удлинений на испытательных образцах ставят две контрольные метки. После разрыва, концы образцов плотно соединяют друг с другом и замеряют расстояние между этими метками.

9

2 Проведение оценки результатов испытания на растяжение

Испытания проводятся на образцах из различных материалов: алюминия, меди, латуни и стали.

Диаметр образцов равен 6 мм, а их начальное поперечное сечение равно:

Ао = 36 х 3,14 / 4 = 28,26 (кв.мм)

Начальная длина всех образцов равна 30 мм.

Таблица 1- Сводные результаты проведения эксперимента

Исходя из измеренных величин, сопротивление растяжению и относительное удлинение при разрыве, рассчитаны формулам (1) и (2):

Данные, полученные в результате испытания, сравниваются с данными, приводимыми в справочной литературе:

Таблица 2 – Параметры прочности материалов

Соответствие теоретических данных и данных, полученных экспериментальным путем, можно считать удовлетворительными. Параметры прочности материалов превысили минимальные требования к ним.

10

3 Построение диаграммы «деформация – напряжение»

Зависимость деформации образцов и соответствующих в нем напряжений представлены в виде диаграмм «деформация-напряжение», на основании которых получены данные о механических свойствах исследуемого материала.

При анализе диаграмм, полученных для разных материалов, можно сравнить показатели их прочности. Диаграмма позволяет исследовать сопротивление растяжению (Rm), предел пропорциональности (Rр) – максимальную величину деформации, при которой еще выполняется закон Гука.

Упругой деформацией называется период деформирования от начала испытания до момента достижения предела пропорциональности. При снятии нагрузки в этом интервале деформация тела полностью исчезает. При превышении предела пропорциональности, деформация более не является пропорциональной нагрузке.

Важнейшим показателем механических свойств материала является критическая точка (Rе), с которой материал подвергается непрерывной пластической деформации, деформация сохраняется даже при снижении нагрузки.

У материалов, например, таких как отожженная сталь, после критической точки начинается площадка текучести металла – образец продолжает удлиняться без дальнейшего увеличения нагрузки.

Результаты испытаний приведены в таблицах.

Таблица 3 - Результаты испытаний материала - алюминий AlMgSi0.5

Рисунок 5 - Диаграмма зависимости удлинения от нагрузки для образцов, выполненных из алюминия AlMgSi0.5

Таблица 4 - Результаты испытаний материала - медь E-Cu58

12

Рисунок 6 - Диаграмма зависимости удлинения от нагрузки для образцов, выполненных из меди E-Cu58

Таблица 5 - Результаты испытаний материала - латунь CuZn39Pb3

13

Рисунок 7 - Диаграмма зависимости удлинения от нагрузки для образцов, выполненных из латуни CuZn39Pb3

Таблица 6 - Результаты испытаний материала - сталь 9 SMn 28

14

Рисунок 8 - Диаграмма зависимости удлинения от нагрузки для образцов, выполненных из стали 9 SMn 28

15

В начале испытания сила и удлинение образца изменяются по линейной зависимости, т.е. справедлив закон Гука. При растягивающей силе в образце возникают остаточные деформации. При некотором значении растягивающей силы F, происходит удлинение без увеличения нагрузки. Эта стадия испытания называется текучестью металла, а соответствующий участок диаграммы - площадкой текучести.

Материал, по окончании стадии текучести, начинает сопротивляться деформации, величина силы и удлинение не линейны: удлинение растет быстрее нагрузки. Данный участок диаграммы называют зоной упрочнения. При некоторой силе (F), на образце появляется шейка, сопротивление образца падает и происходит разрыв.

Для того, чтобы исключить влияние абсолютных размеров образца, диаграмму перестраивают: все ординаты делят на начальную площадь поперечного сечения (А), а все абсциссы — на начальную расчетную длину, получают условную диаграмму растяжения в координатах: относительное удлинение, нормальное напряжение. Диаграмма носит название условной потому, что напряжения и деформации отнесены к начальным площади и длине образца.

На условной диаграмме растяжения отмечены точки

— предел пропорциональности;

— предел упругости;

— предел текучести;

— предел прочности (или Временное сопротивление).

Предел прочности - отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к начальной площади его поперечного сечения.

В момент разрыва образца истинное, т. е. отнесенное к действительной, а не к начальной площади сечения образца, среднее напряжение в наиболее тонком месте шейки существенно выше предела прочности понятия «предел прочности» и «временное сопротивление» не совсем тождественны. Первое из них относится к случаю, когда образец разрушается без образования шейки, что характерно для хрупких материалов. Второе относится к пластическим материалам, на образцах из которых перед разрушением появляется шейка.

Числовые значения пределов пропорциональности и упругости для большинства материалов почти совпадают, но физический смысл этих характеристик, конечно, различен.

Определение пределов пропорциональности и упругости связано с необходимостью проведения весьма точных и трудоемких экспериментов. Поэтому при промышленных испытаниях в подавляющем большинстве случаев ограничиваются определением пределов текучести и прочности. Пластичность материала оценивают значением относительного остаточного удлинения при разрыве.

После разрыва замеряют диаметр образца в тонком месте шейки и вычисляют его площадь сечения (А), определяют относительное остаточное уменьшение площади начального сечения образца при разрыве: эта механическая характеристика служит для оценки пластичности материала.

Полная деформация образца состоит из двух частей — упругой, которая исчезает после снятия нагрузки, и остаточной (пластической).

Упругая деформация при напряжениях, больших предела пропорциональности, может быть определена по закону Гука, так как линия разгрузки — прямая. Эта линия параллельна начальному участку диаграммы и указывает на то, что модуль упругости при разгрузке имеет то же значение, что и при нагружении (в пределах справедливости закона Гука).

Если образец повторно нагрузить, а образец был предварительно растянут до возникновения в нем напряжений, больших предела текучести, то линия нагрузки практически совпадает с линией разгрузки, а часть диаграммы, лежащей левее точки, от которой производилась разгрузка, не повторяется. То есть, в результате вытяжки материала за предел текучести, свойства его изменяются: предел пропорциональности повышается а пластичность.

уменьшается. Явление - наклеп. В результате наклепа материал упрочняется.

Можно судить и о пластичности металла по диаграмме растяжения, она характеризует относительное удлинение после разрыва и относительное сужение площади сечения у образца.

Модуль упругости определяет жесткость материала, физический смысл его сводится к тому, что он характеризует сопротивляемость металла упругой деформации.

Модуль упругости определяется силами межатомной связи и не зависит от структуры металла. Все другие механические свойства изменяются в зависимости от структуры в широких пределах.

Нужно сказать, что закон пропорциональности между напряжением и деформацией справедлив лишь в первом приближении. При точных измерениях в упругой области наблюдаются отклонения от закона пропорциональности. Это называют неупругостъю. Ее проявление состоит в том, что деформация, оставаясь обратимой, отстает по фазе от действующего напряжения, поэтому при нагрузке-разгрузке на диаграмме растяжения вместо прямой линии получается петля гистерезиса, так как эти линии не совпадают между собой.

17

4 Определение твердости по Бринеллю

Твердость – сопротивление материала внедрению в него другого, более твердого тела. Твердость измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания наконечника определенной формы под воздействием определенной нагрузки.

Образец при испытаниях на твердость подвергается объемной нагрузке и находится под проникающим в него телом. На прочных и на хрупких материалах от внедрения в образец индентора возникают отчетливые отпечатки. Этим отличаются друг от друга испытания на твердость и на растяжение.

Так как индентор оказывает на образец небольшое давление, то свойства материала могут быть определены без разрушения образца, это является принципиальным отличием испытаний материалов на определение твердости от испытаний на растяжение.

При проведении испытаний на твердость по Бринеллю в роли индентора применяется полированный закаленный стальной шарик. Шарик вдавливают в образец с заданным усилием. Данное усилие зависит от диаметра шарика и от испытуемого материала. Через некоторое время измеряют диаметр отпечатка, оставленного шариком.

Твердость по шкале Бринелля выражают в Н/мм ² и рассчитывают по формуле:

НВ = F /A ⁽³⁾

где:

F – сила, прилагаемая к индентору, Н;

А – площадь поверхности отпечатка оставленного шариком, мм;

Если отпечаток от шарика не круглый, следует рассчитать среднее значение его диаметра d = (d1 + d2) /2

Диаметр щариков индентора стандартизован и имеет значения 10, 5, 2,5 или 1 мм.

Время воздействия: индентор должен воздействовать на образец под нагрузкой как минимум 10-15 с, а на медленно деформирующиеся образцы 30с и более. Возрастание нагрузки до максимума должно продолжаться не менее 5 с.

Коэффициент нагрузки: для того чтобы получить четкий отпечаток шарика, диаметр отпечатка должен находиться в пределах 0,2-0,7 D. В связи с этим, при испытаниях различных материалов, рекомендуется применять и

18

различные нагрузки на единицу площади образца, то есть нагрузка и площадь диаметра шарика должны иметь определенное соотношение. Это соотношение называют коэффициентом нагрузки х:

Х =F/ D^{2 (4)}

где Х - коэффициентом нагрузки;

F - нагрузка;

D – диаметр щарика.

Таблица 7- зависимость нагрузки от коэффициента нагрузки х для шарика В =10мм

Таблица 8 - Результаты измерений

Полученные значения твердости близки к результатам, которые приводятся в справочных источниках.

19

Заключение

Полученные обобщенные результаты при испытаниях позволяют сравнить и проверить требования, заложенные в нормативных документах, получить важный материал в практическом отношении, подчеркнуть преемственность и взаимосвязь методов с существующими стандартными методами испытаний по изучению характеристик механических свойств материалов.

При рассмотрении и анализе полученных данных в исследовательской работе, особое внимание было уделено вопросам, которые обеспечивают возможность получения сопоставимых результатов. Доказано, что характеристики различаются по значению пластических деформаций в зоне разрушения, степенью разрушающих напряжений, полученные результаты указывают на то, что характеристики, определяемые по стандарту, используются для сравнения химического состава материалов, технологических процессов изготовления, обработки и контроля качества металлов и сплавов при металловедческих исследованиях. Такая систематизация экспериментальных данных необходима для накопления банка данных и их последующего статистического анализа.

Лабораторные исследования позволяют также приобрести практические навыки анализа результатов испытания материалов и определения основных показателей их механических свойств, изучить устройство и работу универсальной машины для испытания образцов материалов, проанализировать полученные данные свойств сплавов.

Полученные исследования могут быть использованы для суждения о сопротивлении материала, сопоставления материалов при обосновании их выбора для машин и конструкций; контроля качества материалов; оценки долговечности элементов конструкций на основании данных об их напряженном состоянии.

Показано, что метод измерения твердости обусловлен не только простотой измерения, но и тем, что величина твердости дает представления о комплексе механических свойств металла, определяемых другими видами испытаний, в частности, испытаниями на растяжения.

Экспериментально установлено, что использование методов и технических средств определения твердости НВ по глубине отпечатка под нагрузкой позволяет существенно повысить производительность процесса измерения твердости по Бринеллю и создает условия для его автоматизации.

Результаты исследовательской работы войдут в практическое пособие для методических указаний к лабораторным работам, которые используются при чтении лекций по разделам дисциплины «Техническая механика», выполнении самостоятельных работ и лабораторного практикума.

21

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гудков А. А., Славский Ю. И. Методы измерения твердости металлов и сплавов. М., Металлургия, 1982, 168 с.

2. Гудков А. А., Славский Ю. И., СавилЬва Т. П. Стандартизация методов измерения твердости металлопродукции. Анализ отечественного и зарубежного опыта. М., Изд. стандартов, 1985, 56 с

3. Гудков А. X., Бирун Н. А., Минашин А. В., Чеботарев В. И. Новые стандарты на методы измерения твердости // М., Стандарты и качество, 1979, №11, стр. 22-24.

4. Гудков А. А., Минашин А. В., Пирусский М. В. Развитие методов определения вязкости разрушения низколегированных сталей при статическом нагружении. // Тез. докл. Всесоюзного симпозиума по механике разрушения (Киев, 24 - 26 сентября 1978 г.). Киев, ИПП АН УССР, 1

5. Гудков А. А., Курчанова Е. А., Минашин А. В. ГОСТ 9651-73. Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах // Экспресс-стандарт. Качество. Стандарты. Метрология (Госстандарт СССР ВНИИКИ). М., 1973, вып. 51, с. 2-3.

6. Качалов J1. М. Основы механики разрушения. — М. : Наука, 1974. - 312 с.

7.Морозов Е. М., Никишов Г. П. Метод конечных элементов в механике разрушения.— М.: Наука, 1980. — 254 с.

8. Партой В. 3. Морозов Е. М. Механика упруго-пластического разрушения. М.: Наука, 1974. — 416 с.

9.Тимошук Л. Т. Механические испытания металлов. — М.: Металлургия, 1971. — 224 с.

10. Тимошук Л. Т., Гудков А. А., Зотеев В. С. Поведение материалов при ползучести в нестационарных условиях // Специальные стали и сплавы. Сб. трудов ЦНИИЧМ. М„ Металлургия, 1967, вып. 52, с. 157-159.

11. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Изд. 3-е,-переработанное и дополненное. В двух частях. Часть первая. Деформация и разрушение, — М.: Машиностроение, 1974, — 472 с.

12.Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Изд.'3-е, переработанное и дополненное. В двух частях. Часть вторая. Механические испытания. Конструкционная прочность. — М.: Машиностроение, 1974. — 368 с.

13. Черпанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. — М.: Наука, 1974. —

640 с.

22