Лекция 2. Механические испытания материалов.
Испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84) Прочность – свойство материалов в определённых условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать те или иные внешние воздействия. Упругость – свойство тела восстанавливать свою форму и объём после прекращения действия внешних сил или других причин (например, нагревания), вызвавших деформацию тела. Пластичность – свойство твёрдых тел необратимо деформироваться (т.е. изменять форму и размеры) под действием механических нагрузок.
Схемы цилиндрического образца на различных стадиях растяжения Испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84) а – образец до испытания ( l 0 и d 0 — начальные расчетные длина и диаметр); б – образец, растянутый до максимальной нагрузки; в – образец после разрыва ( l к – конечная расчетная длина; d к – минимальный диаметр в месте разрыва) а б в
Схема машины для испытания на растяжение Испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84) 1 – основание; 2 – винт грузовой ; 3 – нижний захват (активный); 4 – образец; 5 – верхний захват (пассивный); 6 – силоизмерительный датчик; 7 – пульт управления с электроприводной аппаратурой; 8 – индикатор нагрузок; 9 – рукоятки управления; 10 – диаграммный механизм; 11 – кабель
Образцы для испытаний растяжением до и после испытаний Испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84)
Схемы машинных (первичных) диаграмм растяжения пластичных материалов: а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести Испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84) Характеристики прочности Характеристики пластичности Физический предел текучести σ т = P т / F 0 Условный предел текучести σ 0.2 = P 0.2 / F 0 Временное сопротивление (предел прочности) σ В = P max / F 0 МПа Относительное конечное удлинение к = ( Δ l к / l 0 ) ·100 = [( l к – l 0 )/ l 0 ]·100, % Относительное конечное сужение к = ( Δ F к / F 0 ) ·100 = [( F 0 – F к )/ F 0 ] ·100, %
Примеры реальных диаграмм растяжения стали 40Х (шпильки крепления крышки турбины гидроагрегата Саяно-Шушенской ГЭС): а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести Испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84) а) б)
Значения механических свойств некоторых металлов и сплавов, определенные растяжением цилиндрических образцов Испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84) Материал σ т (σ 0,2 ), МПа σ в, МПа к, % к, % Алюминий А95 40 110 24 - Медь М1 90 250 60 - Сталь 20 271 430 33 67 Сталь 15ГС 334 547 33 71 Сталь 45 390 668 25 49 Сталь 35ХВФЮА 759 1038 16 51
Испытания на твердость Твёрдость – это свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении более твердого тела (индентора) в его поверхность. Метод Бринелля (ГОСТ 9012–59) D = 1 ; 2; 2,5; 5 или 10 мм Для сталей P = 30D 2 Пример записи числа твердости по Бринеллю: 225 HB 2,5/187,5/10 Твердость, кГс / мм 2 Время под нагрузкой, с Нагрузка, кГс Диаметр индентора, мм
Испытания на твердость Метод Виккерса (ГОСТ 2999–75) Пример записи числа твердости по Виккерсу: 135 HV 2 /10 Твердость, кГс / мм 2 Время под нагрузкой, с Нагрузка, кГс P = 1 ; 2; 3; 5; 10; 20; 30 или 50 кГс
Испытания на твердость Метод Роквелла (ГОСТ 9013–59) Шкала Индентор Р 0, кГс Р, кГс Р общ, кГс Формула расчета Пример записи А конус 10 50 60 HRA = 100 – ( h 2 – h 1 )/0,002 61 HRA В шар D = 1,588 мм 90 100 HRB = 130 – ( h 2 – h 1 )/0,002 44 HRB С конус 140 150 HRC = 100 – ( h 2 – h 1 )/0,002 37 HRC
Испытания на ударную вязкость (ГОСТ 9454–78) Схема образцов для испытаний на ударный изгиб а образец с U -образным надрезом; б с V -образным надрезом; в с усталостной трещиной
Испытания на ударную вязкость (ГОСТ 9454–78) Схема испытания на ударный изгиб а схема маятникового копра ( 1 корпус; 2 маятник; 3 образец); б – расположение образца Работа К, МДж, затраченная на ударный излом образца К = G ( h 1 – h 2 ), G – вес маятника; h 1, h 2 – высота подъема маятника до испытания и после него. Ударная вязкость: KCU, KCV, KCT = K / F F - площадь поперечного сечения образца в надрезе
Испытания на ударную вязкость (ГОСТ 9454–78) Образцы на ударный изгиб до и после испытаний
Основы теории кристаллизации
Энергетические предпосылки процесса кристаллизации Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояния в зависимости от температуры: Т 0 – равновесная (теоретическая) температура кристаллизации; Т д – действительная температура кристаллизации Влияние скорости охлаждения на действительную температуру кристаллизации: t – время
Механизм кристаллизации Основные стадии процесса кристаллизации Скорость роста кристаллов и скорость зарождения центров кристаллизации в зависимости от степени переохлаждения а б в г д е
Величина зерна. Модифицирование. Уравнение Холла-Петча : σ 0 – предел текучести монокристалла; К – константа для данного материала; D – средний размер зёрен. Способы получения мелкозернистой структуры при кристаллизации Регулирование скорости охлаждения Введение модификаторов (модифицирование) Объемного действия Поверхностные (ПАВ)
Кристаллизация в условиях направленного теплоотвода Схема роста зерен при наличии направленного теплоотвода и схематичное изображение дендрита
Строение металлического слитка Зона I – зона мелкого зерна. Зона II – зона столбчатых кристаллов. Зона III – зона крупных равноосных кристаллов. Зона IV – Дефектная часть слитка.
