Testy chemiczne zwykle składają się ze standardowych metod jakościowych i ilościowych Analiza chemiczna określa się skład materiału i stwierdza się obecność lub brak niepożądanych zanieczyszczeń i domieszek. Często uzupełnia się je oceną odporności materiałów, w szczególności powłok, na korozję pod wpływem odczynników chemicznych. Po wytrawieniu makro powierzchnia materiały metalowe, zwłaszcza stale stopowe, są poddawane selektywnej ekspozycji na roztwory chemiczne w celu ujawnienia porowatości, segregacji, linii poślizgu, wtrąceń, a także struktury ogólnej. Obecność siarki i fosforu w wielu stopach można wykryć za pomocą stykowych odbitek, w których metalowa powierzchnia jest dociskana do uczulonego papieru fotograficznego. Za pomocą specjalnych roztworów chemicznych ocenia się podatność materiałów na sezonowe pękanie. Test iskier pozwala szybko określić rodzaj badanej stali.
Metody analizy spektroskopowej są szczególnie cenne, ponieważ pozwalają na szybkie jakościowe oznaczenie niewielkich ilości zanieczyszczeń, których nie można wykryć innymi metodami chemicznymi. Wielokanałowe fotoelektryczne przyrządy rejestrujące, takie jak kwantometry, polichromatory i kwantyzatory, automatycznie analizują widmo próbki metalu, po czym urządzenie wskaźnikowe wskazuje zawartość każdego obecnego metalu.
metody mechaniczne.
Testy mechaniczne są zwykle przeprowadzane w celu określenia zachowania materiału w określonym stanie naprężenia. Takie testy dostarczają ważnych informacji o wytrzymałości i ciągliwości metalu. Oprócz standardowych rodzajów testów można użyć specjalnie zaprojektowanego sprzętu, który odtwarza pewne specyficzne warunki pracy produktu. Testy mechaniczne można przeprowadzać w warunkach stopniowego przykładania naprężeń (obciążenie statyczne) lub obciążenia udarowego (obciążenie dynamiczne).
Rodzaje naprężeń.
W zależności od charakteru oddziaływania naprężenia dzieli się na rozciągające, ściskające i ścinające. Momenty skręcające powodują szczególny rodzaj naprężeń ścinających, natomiast momenty zginające powodują kombinację naprężeń rozciągających i ściskających (zwykle w obecności ścinania). Wszystkie te różne rodzaje naprężeń można utworzyć w próbce przy użyciu standardowego sprzętu, który pozwala określić maksymalne dopuszczalne naprężenia i naprężenia niszczące.
Próby rozciągania.
To jeden z najczęstszych rodzajów testów mechanicznych. Starannie przygotowana próbka jest umieszczana w uchwytach potężnej maszyny, która przykłada do niej siły rozciągające. Rejestrowane jest wydłużenie odpowiadające każdej wartości naprężenia rozciągającego. Na podstawie tych danych można skonstruować wykres naprężenie-odkształcenie. Przy niskich naprężeniach dany wzrost naprężenia powoduje tylko niewielki wzrost odkształcenia, odpowiadający sprężystemu zachowaniu metalu. Nachylenie linii naprężenie-odkształcenie służy jako miara modułu sprężystości aż do osiągnięcia granicy sprężystości. Powyżej granicy sprężystości zaczyna się plastyczny przepływ metalu; wydłużenie gwałtownie wzrasta, aż materiał ulegnie uszkodzeniu. Wytrzymałość na rozciąganie to maksymalne naprężenie, jakie metal może wytrzymać podczas testu.
Próba udarności.
Jednym z najważniejszych rodzajów badań dynamicznych jest próba udarności, która jest przeprowadzana na wahadłowych próbnikach udarności z karbami lub bez. W zależności od ciężaru wahadła, jego początkowej wysokości i wysokości podnoszenia po zniszczeniu próbki oblicza się odpowiednią pracę udarową (metodą Charpy'ego i Izoda).
Testy zmęczeniowe.
Badania takie mają na celu zbadanie zachowania się metalu pod wpływem cyklicznego obciążenia oraz określenie granicy zmęczeniowej materiału, tj. naprężenie poniżej którego materiał nie ulegnie uszkodzeniu po określonej liczbie cykli ładowania. Najczęściej używana maszyna do badania zmęczenia przy zginaniu. W tym przypadku zewnętrzne włókna cylindrycznej próbki poddawane są działaniu cyklicznie zmieniających się naprężeń, czasem rozciągających, czasem ściskających.
Testy głębokiego rysowania.
Próbka metalowa blacha jest zaciśnięty między dwoma pierścieniami, w który wciska się przebijak kulkowy. Głębokość wgniecenia i czas do zniszczenia są wskaźnikami plastyczności materiału.
Testy pełzania.
W takich testach oceniany jest łączny wpływ przedłużonego przyłożenia obciążenia i podwyższonej temperatury na zachowanie plastyczne materiałów przy naprężeniach nie przekraczających granicy plastyczności wyznaczonej w testach krótkotrwałych. Wiarygodne wyniki można uzyskać tylko przy użyciu sprzętu, który dokładnie kontroluje temperaturę próbki i dokładnie mierzy bardzo małe zmiany wymiarowe. Czas trwania prób pełzania wynosi zwykle kilka tysięcy godzin.
Oznaczanie twardości.
Twardość mierzy się najczęściej metodami Rockwella i Brinella, w których miarą twardości jest głębokość wgłębienia „wgłębnika” (końcówki) o określonym kształcie pod działaniem znanego obciążenia. W skle- skoskopie Shora twardość określa się na podstawie odbicia bijaka zakończonego diamentem, spadającego z pewnej wysokości na powierzchnię próbki. Twardość jest bardzo dobrym wskaźnikiem stanu fizycznego metalu. Po twardości danego metalu często można z całą pewnością ocenić jego strukturę wewnętrzną. Badania twardości są często przeprowadzane przez wydziały kontrola techniczna w produkcjach. W przypadkach, gdy jedną z operacji jest obróbka cieplna, często zapewnia się pełną kontrolę twardości wszystkich produktów wychodzących linia automatyczna. Taka kontrola jakości nie może być przeprowadzona innymi mechanicznymi metodami testowymi opisanymi powyżej.
Testy na przerwę.
W takich testach próbka szyjkowa jest łamana ostrym uderzeniem, a następnie pęknięcie jest badane pod mikroskopem, ujawniając pory, wtrącenia, linie włosów, kłaczki i segregację. Badania takie pozwalają w przybliżeniu oszacować wielkość ziarna, grubość utwardzonej warstwy, głębokość nawęglania lub odwęglenia oraz inne elementy struktury brutto w stalach.
Metody optyczne i fizyczne.
Badanie mikroskopowe.
Mikroskopy metalurgiczne i (w mniejszym stopniu) polaryzacyjne często zapewniają wiarygodne wskazanie jakości materiału i jego przydatności do danego zastosowania. W tym przypadku możliwe jest określenie cech strukturalnych, w szczególności wielkości i kształtu ziaren, zależności fazowych, obecności i rozmieszczenia rozproszonych materiałów obcych.
kontrola radiograficzna.
Twarde promieniowanie rentgenowskie lub promieniowanie gamma jest kierowane na badaną część z jednej strony i rejestrowane na kliszy fotograficznej znajdującej się z drugiej strony. Powstałe w ten sposób promienie rentgenowskie lub gammagram ujawniają niedoskonałości, takie jak pory, segregacja i pęknięcia. Naświetlając w dwóch różnych kierunkach, można określić dokładną lokalizację wady. Ta metoda jest często wykorzystywana do kontroli jakości spoin.
Magnetyczna kontrola proszku.
Ta metoda kontroli jest odpowiednia tylko dla metali ferromagnetycznych - żelaza, niklu, kobaltu - i ich stopów. Najczęściej stosuje się go do stali: niektóre rodzaje defektów powierzchniowych i wewnętrznych można wykryć, nakładając proszek magnetyczny na wstępnie namagnesowaną próbkę.
Kontrola ultradźwiękowa.
Jeśli do metalu zostanie wysłany krótki impuls ultradźwiękowy, zostanie on częściowo odbity od wady wewnętrznej - pęknięcia lub wtrącenia. Odbite sygnały ultradźwiękowe są rejestrowane przez przetwornik odbiorczy, wzmacniane i prezentowane na ekranie oscyloskopu elektronicznego. Ze zmierzonego czasu ich przybycia na powierzchnię można obliczyć głębokość defektu, od którego odbił się sygnał, jeśli znana jest prędkość dźwięku w danym metalu. Kontrola odbywa się bardzo szybko i często nie wymaga wyłączania części z eksploatacji.
Metody specjalne.
Istnieje szereg specjalistycznych metod kontroli, które mają ograniczone zastosowanie. Należą do nich np. metoda odsłuchu stetoskopem, polegająca na zmianie charakterystyki wibracyjnej materiału w obecności wad wewnętrznych. Czasami przeprowadzane są cykliczne testy lepkości w celu określenia zdolności tłumienia materiału, tj. jego zdolność do pochłaniania wibracji. Szacuje się ją na podstawie pracy przeliczonej na ciepło na jednostkę objętości materiału w jednym pełny cykl odwrócenie napięcia. Ważne jest, aby inżynier zajmujący się projektowaniem konstrukcji i maszyn narażonych na drgania znał zdolność tłumienia materiałów budowlanych.
BADANIE METALU
Celem badania materiałów jest ocena jakości materiału, określenie jego właściwości mechanicznych i użytkowych oraz identyfikacja przyczyn utraty wytrzymałości.
Metody chemiczne. Badania chemiczne zwykle polegają na tym, że standardowe metody jakościowej i ilościowej analizy chemicznej określają skład materiału oraz stwierdzają obecność lub brak niepożądanych zanieczyszczeń i domieszek. Często uzupełnia się je oceną odporności materiałów, w szczególności powłok, na korozję pod wpływem odczynników chemicznych. W makrotrawieniu powierzchnia materiałów metalicznych, zwłaszcza stali stopowych, poddawana jest selektywnemu działaniu roztworów chemicznych, ujawniając porowatość, segregację, linie poślizgu, wtrącenia, a także strukturę zgrubną. Obecność siarki i fosforu w wielu stopach można wykryć za pomocą stykowych odbitek, w których metalowa powierzchnia jest dociskana do uczulonego papieru fotograficznego. Za pomocą specjalnych roztworów chemicznych ocenia się podatność materiałów na sezonowe pękanie. Test iskier pozwala szybko określić rodzaj badanej stali. Metody analizy spektroskopowej są szczególnie cenne, ponieważ pozwalają na szybkie jakościowe oznaczenie niewielkich ilości zanieczyszczeń, których nie można wykryć innymi metodami chemicznymi. Wielokanałowe fotoelektryczne przyrządy rejestrujące, takie jak kwantometry, polichromatory i kwantyzatory, automatycznie analizują widmo próbki metalu, po czym urządzenie wskaźnikowe wskazuje zawartość każdego obecnego metalu.
Zobacz też CHEMIA ANALITYCZNA.
metody mechaniczne. Testy mechaniczne są zwykle przeprowadzane w celu określenia zachowania materiału w określonym stanie naprężenia. Takie testy dostarczają ważnych informacji o wytrzymałości i ciągliwości metalu. Oprócz standardowych rodzajów testów można użyć specjalnie zaprojektowanego sprzętu, który odtwarza pewne specyficzne warunki pracy produktu. Testy mechaniczne można przeprowadzać w warunkach stopniowego przykładania naprężeń (obciążenie statyczne) lub obciążenia udarowego (obciążenie dynamiczne).
Rodzaje naprężeń. W zależności od charakteru oddziaływania naprężenia dzieli się na rozciągające, ściskające i ścinające. Momenty skręcające powodują specjalny rodzaj naprężeń ścinających, a momenty zginające - kombinację naprężeń rozciągających i ściskających (zwykle w obecności ścinania). Wszystkie te różne rodzaje naprężeń można utworzyć w próbce przy użyciu standardowego sprzętu, który pozwala określić maksymalne dopuszczalne naprężenia i naprężenia niszczące.
Próby rozciągania. To jeden z najczęstszych rodzajów testów mechanicznych. Starannie przygotowana próbka jest umieszczana w uchwytach potężnej maszyny, która przykłada do niej siły rozciągające. Rejestrowane jest wydłużenie odpowiadające każdej wartości naprężenia rozciągającego. Na podstawie tych danych można skonstruować wykres naprężenie-odkształcenie. Przy niskich naprężeniach dany wzrost naprężenia powoduje tylko niewielki wzrost odkształcenia, odpowiadający sprężystemu zachowaniu metalu. Nachylenie linii naprężenie-odkształcenie służy jako miara modułu sprężystości aż do osiągnięcia granicy sprężystości. Powyżej granicy sprężystości zaczyna się plastyczny przepływ metalu; wydłużenie gwałtownie wzrasta, aż materiał ulegnie uszkodzeniu. Wytrzymałość na rozciąganie to maksymalne naprężenie, jakie metal może wytrzymać podczas testu. Zobacz też WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE.
Próba udarności. Jednym z najważniejszych rodzajów badań dynamicznych jest próba udarności, która jest przeprowadzana na wahadłowych próbnikach udarności z karbami lub bez. W zależności od ciężaru wahadła, jego początkowej wysokości i wysokości podnoszenia po zniszczeniu próbki oblicza się odpowiednią pracę udarową (metodą Charpy'ego i Izoda).
Testy zmęczeniowe. Badania takie mają na celu zbadanie zachowania się metalu pod wpływem cyklicznego obciążenia oraz określenie granicy zmęczeniowej materiału, tj. naprężenie poniżej którego materiał nie ulegnie uszkodzeniu po określonej liczbie cykli ładowania. Najczęściej używana maszyna do badania zmęczenia przy zginaniu. W tym przypadku zewnętrzne włókna cylindrycznej próbki poddawane są działaniu cyklicznie zmieniających się naprężeń - czasem rozciągających, czasem ściskających.
Testy głębokiego rysowania. Próbkę blachy zaciska się między dwoma pierścieniami i wciska się w nią przebijak kulkowy. Głębokość wgniecenia i czas do zniszczenia są wskaźnikami plastyczności materiału.
Testy pełzania. W takich testach oceniany jest łączny wpływ przedłużonego przyłożenia obciążenia i podwyższonej temperatury na zachowanie plastyczne materiałów przy naprężeniach nie przekraczających granicy plastyczności wyznaczonej w testach krótkotrwałych. Wiarygodne wyniki można uzyskać tylko przy użyciu sprzętu, który dokładnie kontroluje temperaturę próbki i dokładnie mierzy bardzo małe zmiany wymiarowe. Czas trwania prób pełzania wynosi zwykle kilka tysięcy godzin.
Oznaczanie twardości. Twardość mierzy się najczęściej metodami Rockwella i Brinella, w których miarą twardości jest głębokość wgłębienia „wgłębnika” (końcówki) o określonym kształcie pod działaniem znanego obciążenia. W skle- skoskopie Shora twardość określa się na podstawie odbicia bijaka zakończonego diamentem, spadającego z pewnej wysokości na powierzchnię próbki. Twardość jest bardzo dobrym wskaźnikiem stanu fizycznego metalu. Po twardości danego metalu często można z całą pewnością ocenić jego strukturę wewnętrzną. Próby twardości są często przyjmowane przez działy kontroli technicznej w produkcji. W przypadkach, gdy jedną z operacji jest obróbka cieplna, często zapewnia się pełną kontrolę twardości wszystkich produktów opuszczających linię automatyczną. Taka kontrola jakości nie może być przeprowadzona innymi mechanicznymi metodami testowymi opisanymi powyżej.
Testy na przerwę. W takich testach próbka szyjkowa jest łamana ostrym uderzeniem, a następnie pęknięcie jest badane pod mikroskopem, ujawniając pory, wtrącenia, linie włosów, kłaczki i segregację. Badania takie pozwalają w przybliżeniu oszacować wielkość ziarna, grubość utwardzonej warstwy, głębokość nawęglania lub odwęglenia oraz inne elementy struktury brutto w stalach.
Metody optyczne i fizyczne. Badanie mikroskopowe. Mikroskopy metalurgiczne i (w mniejszym stopniu) polaryzacyjne często zapewniają wiarygodne wskazanie jakości materiału i jego przydatności do danego zastosowania. W tym przypadku możliwe jest określenie cech strukturalnych, w szczególności wielkości i kształtu ziaren, zależności fazowych, obecności i rozmieszczenia rozproszonych materiałów obcych.
kontrola radiograficzna. Twarde promieniowanie rentgenowskie lub promieniowanie gamma jest kierowane na badaną część z jednej strony i rejestrowane na kliszy fotograficznej znajdującej się z drugiej strony. Powstałe w ten sposób promienie rentgenowskie lub gammagram ujawniają niedoskonałości, takie jak pory, segregacja i pęknięcia. Naświetlając w dwóch różnych kierunkach, można określić dokładną lokalizację wady. Ta metoda jest często wykorzystywana do kontroli jakości spoin.
Magnetyczna kontrola proszku. Ta metoda kontroli jest odpowiednia tylko dla metali ferromagnetycznych - żelaza, niklu, kobaltu - i ich stopów. Najczęściej stosuje się go do stali: niektóre rodzaje defektów powierzchniowych i wewnętrznych można wykryć, nakładając proszek magnetyczny na wstępnie namagnesowaną próbkę.
Kontrola ultradźwiękowa. Jeśli do metalu zostanie wysłany krótki impuls ultradźwiękowy, zostanie on częściowo odbity od wady wewnętrznej - pęknięcia lub wtrącenia. Odbite sygnały ultradźwiękowe są rejestrowane przez przetwornik odbiorczy, wzmacniane i prezentowane na ekranie oscyloskopu elektronicznego. Ze zmierzonego czasu ich przybycia na powierzchnię można obliczyć głębokość wady, od której sygnał został odbity, jeśli znana jest prędkość dźwięku w danym metalu. Kontrola odbywa się bardzo szybko i często nie wymaga wyłączania części z eksploatacji.
Zobacz też ULTRADŹWIĘK.
Metody specjalne. Istnieje szereg specjalistycznych metod kontroli, które mają ograniczone zastosowanie. Należą do nich np. metoda odsłuchu stetoskopem, polegająca na zmianie charakterystyki wibracyjnej materiału w obecności wad wewnętrznych. Czasami przeprowadzane są cykliczne testy lepkości w celu określenia zdolności tłumienia materiału, tj. jego zdolność do pochłaniania wibracji. Szacuje się ją na podstawie pracy przeliczonej na ciepło na jednostkę objętości materiału dla jednego pełnego cyklu odwrócenia naprężeń. Ważne jest, aby inżynier zajmujący się projektowaniem konstrukcji i maszyn narażonych na drgania znał zdolność tłumienia materiałów budowlanych.
Zobacz też ODPORNOŚĆ MATERIAŁÓW.
LITERATURA
Pawłow P.A. Stany mechaniczne i wytrzymałość materiałów. L., 1980 Metody badań nieniszczących. M., 1983 Żukowc I.I. Badania mechaniczne metali. M., 1986
Encyklopedia Colliera. - Społeczeństwo Otwarte. 2000 .
Zobacz, co „METAL TESTING” znajduje się w innych słownikach:
próby gięcia metali- - [A.S. Goldberg. Angielsko-rosyjski słownik energetyczny. 2006] Tematy ogólnie energia EN test zginania i rozciągania …
badanie olejów smarowych na zawartość metali- — Tematy Przemysł naftowy i gazowniczy EN Test metalu oleju smarowego … Podręcznik tłumacza technicznego
naturalne testowanie- badania terenowe Badania korozji metali wykonywane w atmosferze, morzu, glebie itp. [GOST 5272 68] Tematy korozja metali Synonimy testy polowe ... Podręcznik tłumacza technicznego
Gdy na próbkę metalu działa siła lub układ sił, reaguje on na to, zmieniając swój kształt (odkształca). Różne cechy, które decydują o zachowaniu i stanie końcowym próbki metalu, w zależności od rodzaju i ... ... Encyklopedia Colliera
testy- 3.3 testy: Eksperymentalne określenie cech ilościowych lub jakościowych obiektu podczas jego eksploatacji pod różnymi wpływami na niego. Źródło … Słownik-odnośnik terminów dokumentacji normatywnej i technicznej
próby zginania udarowego- próby zginania próbek karbowanych na wahadłowych próbnikach udarności przy początkowej prędkości uderzenia 3-6 m/s (GOST 9454); próbki prostokątne są używane głównie o długości 55 mm, wysokości 10 mm i szerokości 2 10 mm z ... ...
statyczne próby rozciągania- badania (GOST 1497) próbek cylindrycznych lub płaskich na krótkotrwałe rozciąganie z prędkością ruchu aktywnego uchwytu maszyny ≤ 0,110; mm / min, aż do osiągnięcia granicy plastyczności i Encyklopedyczny Słownik Metalurgii
testy korozyjne- badania w celu uzyskania danych porównawczych odporności korozyjnej materiałów i powłok w różnych środowiskach (GOST 9905), a także badania kinetyki i mechanizmu korozji. Badania przeprowadzane są na próbkach arkuszy (5 10x25x40 ... ... Encyklopedyczny słownik metalurgii
test kawitacji- [testy kawitacyjne] badania szacunkowej charakterystyki odporności metali i stopów na efekty kawitacji z jak najpełniejszą imitacją rzeczywistych parametrów produktów (właściwości środowiskowe, temperatura i żywotność testowa itp.) ... .. . Encyklopedyczny słownik metalurgii
próby zginania- 1. badanie gładkich wąskich próbek, zwykle ze statycznym skoncentrowanym (trzypunktowym) zginaniem w celu określenia właściwości mechanicznych metali i stopów w granicach: proporcjonalności (σpcizg), warunkowej elastyczności (σ0,05izg) i płynności ... . ... Encyklopedyczny słownik metalurgii
Książki
- Metaloznawstwo i obróbka cieplna metali. Podręcznik , Yu.M. Lakhtin , Uwzględniono strukturę krystaliczną metali, odkształcenie plastyczne i rekrystalizację. Przedstawione nowoczesne metody badania właściwości mechanicznych i kryteria oceny projektu… Branża: Przemysł metalurgiczny. obróbka metalu Wydawca: Sojusz,
Badania chemiczne zwykle polegają na tym, że standardowe metody jakościowej i ilościowej analizy chemicznej określają skład materiału oraz stwierdzają obecność lub brak niepożądanych zanieczyszczeń i domieszek. Często uzupełnia się je oceną odporności materiałów, w szczególności powłok, na korozję pod wpływem odczynników chemicznych. W makrotrawieniu powierzchnia materiałów metalicznych, zwłaszcza stali stopowych, poddawana jest selektywnemu działaniu roztworów chemicznych, ujawniając porowatość, segregację, linie poślizgu, wtrącenia, a także strukturę zgrubną. Obecność siarki i fosforu w wielu stopach można wykryć za pomocą stykowych odbitek, w których metalowa powierzchnia jest dociskana do uczulonego papieru fotograficznego. Za pomocą specjalnych roztworów chemicznych ocenia się podatność materiałów na sezonowe pękanie. Test iskier pozwala szybko określić rodzaj badanej stali.
Metody analizy spektroskopowej są szczególnie cenne, ponieważ pozwalają na szybkie jakościowe oznaczenie niewielkich ilości zanieczyszczeń, których nie można wykryć innymi metodami chemicznymi. Wielokanałowe fotoelektryczne przyrządy rejestrujące, takie jak kwantometry, polichromatory i kwantyzatory, automatycznie analizują widmo próbki metalu, po czym urządzenie wskaźnikowe wskazuje zawartość każdego obecnego metalu.
metody mechaniczne.
Testy mechaniczne są zwykle przeprowadzane w celu określenia zachowania materiału w określonym stanie naprężenia. Takie testy dostarczają ważnych informacji o wytrzymałości i ciągliwości metalu. Oprócz standardowych rodzajów testów można użyć specjalnie zaprojektowanego sprzętu, który odtwarza pewne specyficzne warunki pracy produktu. Testy mechaniczne można przeprowadzać w warunkach stopniowego przykładania naprężeń (obciążenie statyczne) lub obciążenia udarowego (obciążenie dynamiczne).
Rodzaje naprężeń.
W zależności od charakteru oddziaływania naprężenia dzieli się na rozciągające, ściskające i ścinające. Momenty skręcające powodują szczególny rodzaj naprężeń ścinających, natomiast momenty zginające powodują kombinację naprężeń rozciągających i ściskających (zwykle w obecności ścinania). Wszystkie te różne rodzaje naprężeń można utworzyć w próbce przy użyciu standardowego sprzętu, który pozwala określić maksymalne dopuszczalne naprężenia i naprężenia niszczące.
Próby rozciągania.
To jeden z najczęstszych rodzajów testów mechanicznych. Starannie przygotowana próbka jest umieszczana w uchwytach potężnej maszyny, która przykłada do niej siły rozciągające. Rejestrowane jest wydłużenie odpowiadające każdej wartości naprężenia rozciągającego. Na podstawie tych danych można skonstruować wykres naprężenie-odkształcenie. Przy niskich naprężeniach dany wzrost naprężenia powoduje tylko niewielki wzrost odkształcenia, odpowiadający sprężystemu zachowaniu metalu. Nachylenie linii naprężenie-odkształcenie służy jako miara modułu sprężystości aż do osiągnięcia granicy sprężystości. Powyżej granicy sprężystości zaczyna się plastyczny przepływ metalu; wydłużenie gwałtownie wzrasta, aż materiał ulegnie uszkodzeniu. Wytrzymałość na rozciąganie to maksymalne naprężenie, jakie metal może wytrzymać podczas testu.
Próba udarności.
Jednym z najważniejszych rodzajów badań dynamicznych jest próba udarności, która jest przeprowadzana na wahadłowych próbnikach udarności z karbami lub bez. W zależności od ciężaru wahadła, jego początkowej wysokości i wysokości podnoszenia po zniszczeniu próbki oblicza się odpowiednią pracę udarową (metodą Charpy'ego i Izoda).
Testy zmęczeniowe.
Badania takie mają na celu zbadanie zachowania się metalu pod wpływem cyklicznego obciążenia oraz określenie granicy zmęczeniowej materiału, tj. naprężenie poniżej którego materiał nie ulegnie uszkodzeniu po określonej liczbie cykli ładowania. Najczęściej używana maszyna do badania zmęczenia przy zginaniu. W tym przypadku zewnętrzne włókna cylindrycznej próbki poddawane są działaniu cyklicznie zmieniających się naprężeń, czasem rozciągających, czasem ściskających.
Testy głębokiego rysowania.
Próbkę blachy zaciska się między dwoma pierścieniami i wciska się w nią przebijak kulkowy. Głębokość wgniecenia i czas do zniszczenia są wskaźnikami plastyczności materiału.
Testy pełzania.
W takich testach oceniany jest łączny wpływ przedłużonego przyłożenia obciążenia i podwyższonej temperatury na zachowanie plastyczne materiałów przy naprężeniach nie przekraczających granicy plastyczności wyznaczonej w testach krótkotrwałych. Wiarygodne wyniki można uzyskać tylko przy użyciu sprzętu, który dokładnie kontroluje temperaturę próbki i dokładnie mierzy bardzo małe zmiany wymiarowe. Czas trwania prób pełzania wynosi zwykle kilka tysięcy godzin.
Oznaczanie twardości.
Twardość mierzy się najczęściej metodami Rockwella i Brinella, w których miarą twardości jest głębokość wgłębienia „wgłębnika” (końcówki) o określonym kształcie pod działaniem znanego obciążenia. W skle- skoskopie Shora twardość określa się na podstawie odbicia bijaka zakończonego diamentem, spadającego z pewnej wysokości na powierzchnię próbki. Twardość jest bardzo dobrym wskaźnikiem stanu fizycznego metalu. Po twardości danego metalu często można z całą pewnością ocenić jego strukturę wewnętrzną. Próby twardości są często przyjmowane przez działy kontroli technicznej w produkcji. W przypadkach, gdy jedną z operacji jest obróbka cieplna, często zapewnia się pełną kontrolę twardości wszystkich produktów opuszczających linię automatyczną. Taka kontrola jakości nie może być przeprowadzona innymi mechanicznymi metodami testowymi opisanymi powyżej.
Testy na przerwę.
W takich testach próbka szyjkowa jest łamana ostrym uderzeniem, a następnie pęknięcie jest badane pod mikroskopem, ujawniając pory, wtrącenia, linie włosów, kłaczki i segregację. Badania takie pozwalają w przybliżeniu oszacować wielkość ziarna, grubość utwardzonej warstwy, głębokość nawęglania lub odwęglenia oraz inne elementy struktury brutto w stalach.
Metody optyczne i fizyczne.
Badanie mikroskopowe.
Mikroskopy metalurgiczne i (w mniejszym stopniu) polaryzacyjne często zapewniają wiarygodne wskazanie jakości materiału i jego przydatności do danego zastosowania. W tym przypadku możliwe jest określenie cech strukturalnych, w szczególności wielkości i kształtu ziaren, zależności fazowych, obecności i rozmieszczenia rozproszonych materiałów obcych.
kontrola radiograficzna.
Twarde promieniowanie rentgenowskie lub promieniowanie gamma jest kierowane na badaną część z jednej strony i rejestrowane na kliszy fotograficznej znajdującej się z drugiej strony. Powstałe w ten sposób promienie rentgenowskie lub gammagram ujawniają niedoskonałości, takie jak pory, segregacja i pęknięcia. Naświetlając w dwóch różnych kierunkach, można określić dokładną lokalizację wady. Ta metoda jest często wykorzystywana do kontroli jakości spoin.
Magnetyczna kontrola proszku.
Ta metoda kontroli jest odpowiednia tylko dla metali ferromagnetycznych - żelaza, niklu, kobaltu - i ich stopów. Najczęściej stosuje się go do stali: niektóre rodzaje defektów powierzchniowych i wewnętrznych można wykryć, nakładając proszek magnetyczny na wstępnie namagnesowaną próbkę.
Kontrola ultradźwiękowa.
Jeśli do metalu zostanie wysłany krótki impuls ultradźwiękowy, zostanie on częściowo odbity od wady wewnętrznej - pęknięcia lub wtrącenia. Odbite sygnały ultradźwiękowe są rejestrowane przez przetwornik odbiorczy, wzmacniane i prezentowane na ekranie oscyloskopu elektronicznego. Ze zmierzonego czasu ich przybycia na powierzchnię można obliczyć głębokość defektu, od którego odbił się sygnał, jeśli znana jest prędkość dźwięku w danym metalu. Kontrola odbywa się bardzo szybko i często nie wymaga wyłączania części z eksploatacji.
Metody specjalne.
Istnieje szereg specjalistycznych metod kontroli, które mają ograniczone zastosowanie. Należą do nich np. metoda odsłuchu stetoskopem, polegająca na zmianie charakterystyki wibracyjnej materiału w obecności wad wewnętrznych. Czasami przeprowadzane są cykliczne testy lepkości w celu określenia zdolności tłumienia materiału, tj. jego zdolność do pochłaniania wibracji. Szacuje się ją na podstawie pracy przeliczonej na ciepło na jednostkę objętości materiału dla jednego pełnego cyklu odwrócenia naprężeń. Ważne jest, aby inżynier zajmujący się projektowaniem konstrukcji i maszyn narażonych na drgania znał zdolność tłumienia materiałów budowlanych.
Odpowiedzi na egzaminy z TCM.
1. Budowa materiałów konstrukcyjnych.
Metale- ciała krystaliczne, których atomy są ułożone w porządku geometrycznym, tworząc kryształy, w przeciwieństwie do ciał amorficznych (na przykład żywicy), których atomy są w stanie nieuporządkowanym.
Znajdując się w metalach w ścisłej kolejności, atomy w płaszczyźnie tworzą siatkę atomową, aw przestrzeni - atomową sieć krystaliczną. Linie na tych diagramach są warunkowe; w rzeczywistości nie istnieją żadne linie, a atomy wibrują wokół punktów równowagi, tj. miejsc sieci z dużą częstotliwością. Ogniwa elementarne takich sieci krystalicznych pokazano na ryc. 1. Wszystkie ciała krystaliczne tworzą siedem odmian sieci krystalicznych, z których najbardziej typowe dla metali są sześcienne skoncentrowane na ciele (bcc), sześcienne skoncentrowane na powierzchni (fcc) i gęsto upakowane sześciokątne (hcp) (ryc. 1)
W celi sześcienny skoncentrowany na ciele atomy sieci znajdują się na wierzchołkach sześcianu i pośrodku sześcianu; chrom, wanad, wolfram, molibden itp. mają taką sieć. sześcienny skoncentrowany na twarzy atomy sieci znajdują się na wierzchołkach i pośrodku każdej ściany sześcianu; aluminium, nikiel, miedź, ołów itp. mają taką siatkę. sześciokątny atomy sieci znajdują się na wierzchołkach sześciokątnych podstaw pryzmatu, pośrodku tych podstaw i wewnątrz pryzmatu; magnez, tytan, cynk itp. mają sześciokątną siatkę W prawdziwym metalu sieć krystaliczna składa się z ogromnej liczby komórek.
Wymiary sieci krystalicznej charakteryzują jej parametry mierzone w angstremach - A (1A = 10 -8 cm lub lA = 0,1 Nm). Parametr sieci sześciennej charakteryzuje się długością krawędzi sześcianu, oznaczoną literą a i mieści się w zakresie 0,28-0,6 Nm (2,8 - 6A). Aby scharakteryzować sześciokątną siatkę, brane są dwa parametry - bok sześciokąta a i wysokość pryzmatu Z. Kiedy postawa s/a -- 1,633, wtedy atomy są najgęściej upakowane, dlatego taka sieć nazywa się sześciokątne ciasno upakowane.
Rys.1. Struktura atomowo-krystaliczna metali.
2. Rodzaje sieci krystalicznych.
O właściwościach kryształu decyduje nie tylko rodzaj sieci krystalicznej, ale także charakter wzajemnego oddziaływania atomów, jonów i elektronów. Kiedy para metalu przechodzi w ciecz, a następnie w stan stały, jej atomy zbliżają się do siebie tak bardzo, że elektrony walencyjne są w stanie przemieszczać się z jednego atomu do drugiego i poruszać się swobodnie, a więc w całej objętości metalu, zapewniając wysoką przewodnictwo elektryczne i cieplne. Między elektronami a jonami dodatnimi powstają siły oddziaływania elektrycznego.
 |
Ryż. 2. Schematy sieci krystalicznych:
a – sześcienny skoncentrowany na ciele; b - sześcienny skupiony na twarzy; c - sześciokątne ciasno upakowane.
W zależności od temperatury i ciśnienia wiele metali może tworzyć różne rodzaje sieci krystalicznych. Ta zdolność metali nazywana jest polimorfizmem lub alotropią. Przemiany polimorficzne są charakterystyczne dla takich metali szeroko stosowanych w inżynierii mechanicznej jak Fe, Ti, Mn, Co, Sn. Polimorficzne modyfikacje pierwiastków są zwykle oznaczane, zaczynając od najniższej temperatury, literami α, β, γ, δ itp. Na przykład: żelazo po podgrzaniu do temperatury 910 ° C tworzy modyfikację α-Fe o sieć bcc, w zakresie °С - γ-Fe z siecią fcc i powyżej 1400 °С - δ-Fe z siecią bcc. W takim przypadku następuje znacząca zmiana właściwości materiału. Zjawisko to jest szeroko stosowane w inżynierii w celu poprawy skrawalności metali podczas ich obróbki cieplnej i innych procesów.
Aby scharakteryzować kształt i wielkość komórki elementarnej sieci krystalicznej, stosuje się sześć głównych parametrów (ryc. 2): odległości wzdłuż osi współrzędnych - a, b, c zwany okresem sieci, a między tymi segmentami trzy kąty - α, β, γ. Oprócz głównych parametrów w krystalografii przyjmuje się inne, które dodatkowo charakteryzują sieć krystaliczną.
3. Anizotropia kryształów i jej wpływ na właściwości materiałów.
W różnych płaszczyznach sieci krystalicznej znajdują się atomy o różnej gęstości i dlatego wiele właściwości kryształów w różnych kierunkach jest odmiennych. Taka różnica nazywa się anizotropia.
Wszystkie kryształy są anizotropowe. W przeciwieństwie do kryształów ciała amorficzne (na przykład żywica) w różnych kierunkach mają w zasadzie tę samą gęstość atomów, a zatem te same właściwości, tj. izotropowy.
W metalach składających się z dużej liczby różnie zorientowanych małych kryształów anizotropowych (polikryształu) właściwości są takie same we wszystkich kierunkach (uśrednione). Ta pozorna niezależność właściwości od kierunku nazywa się quasi-izotropia*.
Jeśli ta sama orientacja kryształów powstaje w strukturze metalu, pojawia się anizotropia.
Podczas przejścia metalu ze stanu ciekłego do stanu stałego zachodzi tak zwany proces. krystalizacja. Podstawy teorii krystalizacji zostały opracowane przez założyciela nauki o metalach - metaloznawstwa D. K. Chernova, który ustalił, że krystalizacja składa się z dwóch procesów: zarodkowania najmniejszych cząstek kryształów (jąder krystalizacji) i wzrostu kryształów z nich centrach (ryc. 3).
Rys.3. Kolejne etapy procesu krystalizacji.
Wzrost kryształów polega na tym, że do ich jąder przyłączanych jest coraz więcej nowych atomów ciekłego metalu. Początkowo kryształy rosną swobodnie, zachowując prawidłowy kształt geometryczny, ale dzieje się tak tylko do momentu spotkania rosnących kryształów. W miejscu kontaktu kryształów zatrzymuje się wzrost ich poszczególnych ścianek i nie wszystkie, ale tylko niektóre z kryształowych ścianek się rozwijają. W rezultacie kryształy nie mają prawidłowego kształtu geometrycznego. Takie kryształy nazywają się krystality lub ziarna. Wielkość ziarna zależy od liczby centrów krystalizacji i szybkości wzrostu kryształów. Im więcej centrów krystalizacji, tym więcej kryształów powstaje w danej objętości, a każdy kryształ (ziarno) jest mniejszy. Na powstawanie centrów krystalizacji wpływa szybkość chłodzenia. Im wyższa szybkość chłodzenia metalu, tym więcej pojawia się w nim centrów krystalizacji, a ziarna stają się mniejsze (rys. 4). Potwierdza się to w praktyce w cienkich odcinkach odlewów, które stygną szybciej, metal zawsze okazuje się drobniej uziarniony niż w grubych masywnych odlewach, które stygną wolniej. Jednak nie zawsze jest możliwe kontrolowanie szybkości chłodzenia.
Anizotropia jest nieodłączna we wszystkich kryształach, tj. nierówne właściwości w kierunkach, określone przez różne odległości między atomami w komórce kryształu. Anizotropia jest najbardziej wyraźna w metalach o asymetrycznej strukturze krystalicznej. Kierunek działania sił w krysztale znacząco wpływa na takie wskaźniki właściwości fizycznych, jak charakterystyka wytrzymałościowa, moduł sprężystości, współczynnik rozszerzalności cieplnej, współczynniki przewodności cieplnej i elektrycznej, współczynnik załamania światła itp. Anizotropia jest również charakterystyczna dla warstw powierzchniowych kryształów. Właściwości takie jak napięcie powierzchniowe, potencjały elektronowe, zdolność adsorpcji, aktywność chemiczna różnią się znacznie dla różnych powierzchni kryształów.
Rys.4. Wpływ szybkości chłodzenia na występowanie centrów krystalizacji i wielkość powstałych ziaren.
1 - powolne chłodzenie, 2 - przyspieszone chłodzenie, 3 - szybkie chłodzenie.
4. Wady sieci krystalicznych.
Struktura i właściwości prawdziwych kryształów różnią się od idealnych pokazanych na ryc. 1, ze względu na obecność w nich wad, które dzielą się na powierzchniowe i wewnętrzne. Prawdziwy monokryształ ma wolną (zewnętrzną) powierzchnię, na której już z powodu napięcia powierzchniowego sieć będzie zniekształcona. To zniekształcenie może również rozciągać się na obszar przylegający do powierzchni.
Rys.5. Wady sieci krystalicznej :
a- punkt; b- liniowy; w - dwuwymiarowy (planarny)
Wady struktury wewnętrznej dzielą się na zerowymiarowe (punktowe), jednowymiarowe - liniowe i dwuwymiarowe, tj. rozwinięte w dwóch kierunkach. Do defektów punktowych zalicza się: wakaty w przypadku, gdy poszczególne miejsca sieci krystalicznej nie są zajęte przez atomy; atomy przemieszczone, gdy pojedyncze atomy znajdują się w miejscach międzywęzłowych lub atomy zanieczyszczeń, których liczba jest bardzo duża nawet w czystych metalach. W pobliżu takich defektów sieć będzie odkształcona sprężyście w odległości jednego lub dwóch jej okresów (ryc. 5, a). Chociaż względna koncentracja defektów punktowych może być niewielka, powodują one niezwykle duże zmiany właściwości fizycznych materiału. Na przykład tysięczne procenta atomowego zanieczyszczeń w czystych kryształach półprzewodnikowych zmienia opór elektryczny 10 5 -10 8 razy.
Defekty liniowe są małe w dwóch wymiarach sieci krystalicznej i dość duże w trzecim. Takie defekty obejmują przemieszczenia płaszczyzn atomowych lub dyslokacje i łańcuchy wakatów (ryc. 5, b). Najważniejszą właściwością takich defektów jest ich ruchliwość wewnątrz kryształu oraz aktywne oddziaływanie między sobą iz innymi defektami.
Gęstość dyslokacji w kryształach jest wysoka: w kryształach niezdeformowanych ich liczba na 1 cm 3 sięga 10 6 -10 8 ; podczas deformacji plastycznej pojawiają się nowe dyslokacje, a liczba ta wzrasta tysiące razy. Defekty dwuwymiarowe są charakterystyczne dla materiałów polikrystalicznych, tj. dla materiałów składających się z dużej liczby małych kryształów różnie zorientowanych w przestrzeni.
Granica kryształów skondensowanych podczas krzepnięcia to cienka strefa, do 10 średnic atomowych, z naruszeniem porządku w układzie atomów. W ciele polikrystalicznym granice poszczególnych kryształów mają zakrzywione interfejsy, a same kryształy mają nieregularny kształt. Dlatego też, w przeciwieństwie do kryształów poprawnie ograniczonych, nazywane są krystalitami lub ziarnami. Podczas krzepnięcia ziarna polikrystaliczne wyrastają z różnych ośrodków krystalizacji i orientacja osi sieci krystalicznych sąsiednich ziaren jest różna. Ziarno metalu składa się z oddzielnych bloków zorientowanych względem siebie pod niewielkim kątem. Granice między nimi to zwykle skupiska dyslokacji (ryc. 5, w). Defekty powierzchni są małe tylko w jednym kierunku; w pozostałych dwóch mogą osiągnąć wielkość krystalitu.
5. Wpływ defektów sieci krystalicznych na właściwości materiałów.
Wpływ wad konstrukcyjnych na właściwości materiałów jest ogromny. Na przykład wytrzymałość na ścinanie prawdziwych kryształów z powodu obecności defektów strukturalnych zmniejsza się o trzy do czterech rzędów wielkości w porównaniu z tą samą charakterystyką idealnego kryształu. Wpływ wad strukturalnych na właściwości wytrzymałościowe metali nie jest jednoznaczny. Z tego pokazanego na ryc. Zależność 6 pokazuje, że siła praktycznie pozbawionych wad kryształów (tzw. „wąsów”) jest bardzo wysoka. Rosnąca ilość P wady strukturalne w 1 cm 3 prowadzą do gwałtownego spadku wytrzymałości (gałąź ALE). Kropka R do charakteryzuje wytrzymałość metali, które potocznie nazywane są „czystymi”. Dalszy wzrost defektów, np. przez wprowadzenie domieszek lub metodami specjalnej deformacji sieci krystalicznej, zwiększa rzeczywistą wytrzymałość metali (gałęzi W). Aby stworzyć jak najtrwalsze materiały, starają się uzyskać optymalną ilość defektów. Największe utwardzenie uzyskuje się przy gęstości przemieszczenia 10 12 -10 18 na 1 cm 3 .
Ryż. 6. Zależność siły ciało krystaliczne na gęstość defektów strukturalnych
Oprócz wpływania na właściwości wytrzymałościowe, wady sieci odgrywają rolę duża rola w procesach dyfuzji i samodyfuzji, które w dużej mierze determinują szybkości reakcji chemicznych w ciele stałym, a także przewodnictwo jonowe kryształów. Defekty w sieci krystalicznej, rozłożone w niezbędny sposób w objętości kryształu, umożliwiają tworzenie w jednej próbce obszarów o różnych typach przewodności, co jest niezbędne przy wytwarzaniu niektórych elementów półprzewodnikowych.
6. Rodzaje sieci krystalicznych stopu.
W technologii znacznie częściej stosuje się nie czyste metale, ale stopy składające się z dwóch lub więcej pierwiastków, zwanych komponentami. Jako składniki stopów mogą występować zarówno czyste pierwiastki, jak i związki chemiczne. Powszechne stosowanie stopów jako materiałów inżynierskich można wytłumaczyć tym, że mają one różnorodny zestaw właściwości, które można celowo zmieniać w zależności od liczby i rodzaju komponentów, a także za pomocą obróbki cieplnej lub innego rodzaju obróbki.
Ryż. 7. Rodzaje sieci krystalicznych stopów.
a- stały roztwór substytucyjny; b- stałe rozwiązanie śródmiąższowe; w - związek chemiczny
a b
siła a.
gdzie R F0
7. Pojęcie faz, rodzaje faz.
Podczas stapiania składniki tworzą w stopie fazy - jednorodne objętości oddzielone od siebie granicami - granice, podczas przejścia, przez które właściwości mogą się gwałtownie zmieniać. W stopach powstają następujące główne fazy: roztwory stałe, związki chemiczne i mieszaniny mechaniczne.
Roztwory stałe są najczęstszą fazą w stopach metali. Charakterystyczną cechą ich struktury jest zachowanie sieci krystalicznej metalu rozpuszczalnika. Rozpuszczone metale mogą być w nim rozprowadzane w postaci substytucyjnego roztworu stałego (ryc. 7, a) w przypadku, gdy oba składniki mają ten sam rodzaj sieci, wystarczająco bliskie promienie atomowe i właściwości fizykochemiczne lub w postaci śródmiąższowego roztworu stałego (rys. 7, b), jeśli promień atomowy rozpuszczonego składnika jest wystarczająco mały.
Związki chemiczne powstają zwykle między metalami i niemetalami i mają właściwości wtrąceń niemetalicznych, a także między metalami. W tym przypadku powstaje nowy typ sieci krystalicznej, który różni się od sieci składników składowych i ma inne właściwości (ryc. 7, c). W przypadku stopowania składników o bardzo różnych promieniach atomowych i właściwościach elektrochemicznych praktycznie nie występuje wzajemna rozpuszczalność. W tym przypadku powstaje mechaniczna mieszanina kryształów składowych.
Z reguły w wieloskładnikowych stopach metali występują jednocześnie trzy rodzaje faz. Ukierunkowana zmiana kombinacji składników w stopach może zmienić liczbę defektów strukturalnych, a tym samym kontrolować właściwości fizyczne i mechaniczne.
Wybierając materiał na konstrukcję, wychodzą z zestawu właściwości, które dzielą się na mechaniczne, fizykochemiczne, technologiczne i eksploatacyjne. Główne właściwości mechaniczne to wytrzymałość, ciągliwość, udarność, wytrzymałość zmęczeniowa, pełzanie, twardość i odporność na zużycie. Pod siła zrozumieć zdolność materiału do opierania się deformacji lub zniszczeniu pod wpływem obciążeń statycznych lub dynamicznych. Pod obciążeniami statycznymi wykonywane są próby rozciągania, ściskania, zginania i skręcania. Wskaźnikiem wytrzymałości jest wytrzymałość na rozciąganie próbki badanego metalu, pokazana na ryc. 9, a.
gdzie R jest ładunkiem wymaganym do zniszczenia próbki standardowej, MN; F0 to pole przekroju próbki w mm.
8. .Właściwości mechaniczne materiały konstrukcyjne.
Metody badania właściwości mechanicznych metali.
W zależności od sposobu przyłożenia obciążenia metody badania właściwości mechanicznych metali dzielą się na trzy grupy:
statyczny, gdy obciążenie rośnie powoli i płynnie (testy rozciągania, ściskania, zginania, skręcania, ścinania, twardości);
dynamiczny, gdy obciążenie wzrasta z dużą prędkością, wstrząs (test udarowy);
testowanie przy wielokrotnych obciążeniach zmiennych gdy obciążenie podczas testu zmienia się wielokrotnie pod względem wielkości lub amplitudy i znaku (test zmęczeniowy).
Konieczność testowania w różnych warunkach zależy od różnicy warunków pracy części maszyn, narzędzi i innych wyrobów metalowych.
Próba rozciągania. Do prób rozciągania zgodnie z normą stosuje się próbki cylindryczne lub płaskie o określonym kształcie i rozmiarze. Próby rozciągania próbek wykonujemy na maszynach rozciągających z napędem mechanicznym lub hydraulicznym. Maszyny te są wyposażone w specjalne urządzenie, na którym podczas badania automatycznie rejestrowany jest wykres naprężeń (rozciąganie).
Biorąc pod uwagę, że na charakter wykresu naprężeń ma wpływ wielkość próbki, wykres jest budowany (rys. 8) we współrzędnych naprężenie σ (w N / m 2 lub kgf / mm 2) - wydłużenie względne δ (w % ). W próbie rozciągania określane są następujące cechy właściwości mechanicznych: granice proporcjonalności, sprężystość, plastyczność, wytrzymałość, rzeczywista odporność na rozdarcie, wydłużenie względne i zwężenie.
 |
Ryż. 8. Schemat rozciągania.
Granica proporcjonalności(warunkowe) σ pc jest takim naprężeniem, gdy odchylenie od liniowej zależności między obciążeniem a wydłużeniem osiąga taką wartość, przy której styczna kąta utworzonego przez styczną do krzywej obciążenie-odkształcenie z osią obciążenia wzrasta np. o 25 lub 50% w stosunku do wartości początkowej:
gdzie R pr- obciążenie odpowiadające granicy proporcjonalności (warunkowo).
elastyczny limit(warunkowy) pakiet σ zwane naprężeniem, przy którym wydłużenie szczątkowe osiąga 0,05% obliczonej wartości próbki i jest określone wzorem:
gdzie P0.05- obciążenie odpowiadające granicy sprężystości (warunkowe).
Siła uzysku(fizyczny) σ t zwane najmniejszym naprężeniem, przy którym próbka ulega odkształceniu (płynie) bez zauważalnego wzrostu obciążenia:
gdzie R t- obciążenie odpowiadające granicy plastyczności (fizyczne).
Siła uzysku(warunkowy) σ 0,2 nazwany naprężeniem, przy którym wydłużenie szczątkowe osiąga 0,2% szacowanej długości próbki:
gdzie P 0,2- obciążenie odpowiadające granicy plastyczności (warunkowo).
Wytrzymałość na rozciąganie(tymczasowa odporność) σ w nazywane napięciem odpowiadającym maksymalnemu obciążeniu R w, przed zniszczeniem próbki:
Prawdziwa odporność na zniszczenie S K zwane napięciem określonym przez współczynnik obciążenia R do w momencie rozerwania próbki do pola przekroju F K próbka w szyi po zerwaniu:
Wydłużenie względneδ jest stosunkiem wydłużenia bezwzględnego, tj. przyrostem szacowanej długości próbki po zerwaniu ( l do - l 0), do pierwotnej szacowanej długości l 0 , wyrażone w procentach:
,
gdzie ja k jest długością próbki po zerwaniu.
Wydłużenie względne charakteryzuje się plastyczność metal jest właściwością materiałów stałych do zmiany kształtu i wymiarów bez zniszczenia pod wpływem obciążenia lub naprężenia, stabilnie zachowując wynikowy kształt i wymiary po zakończeniu tego wpływu.
Rys.9. Testy określające właściwości mechaniczne:
a - wytrzymałość na rozciąganie i właściwości plastyczne; b - siła uderzenia; c - twardość (wg Brinella)
Wytrzymałość na obciążenia dynamiczne określa się na podstawie danych z badań: dla udarności - przez zniszczenie przez uderzenie standardowej próbki o koprę (rys. 9b), dla wytrzymałości zmęczeniowej - poprzez określenie zdolności materiału do wytrzymania, bez zapadania się, duża liczba powtarzalnie zmiennych obciążeń, na pełzanie - poprzez określenie zdolności nagrzanego materiału do powolnego i ciągłego odkształcania się pod stałymi obciążeniami. Najczęściej stosowane testy udarności to:
gdzie ALE- praca poświęcona zniszczeniu próbki, MJ; A \u003d PH - Ph, tutaj R- ciężar wahadła, MN; F- powierzchnia przekroju zniszczonej próbki, m 2 .
Test twardości.twardość nazwał zdolność metalu do opierania się wprowadzeniu do niego innego, bardziej solidnego ciała. Najczęściej stosowaną metodą badania metali jest oznaczanie twardości. Aby określić twardość, nie jest wymagane wytwarzanie specjalnych próbek, tj. test przeprowadza się bez niszczenia części.
Istnieją różne metody określania twardości – wgniecenia, zarysowania, odrzut sprężysty, a także metoda magnetyczna. Najpopularniejsza jest metoda wciskania stalowej kulki, diamentowego stożka lub diamentowej piramidy w metal. Do badania twardości stosuje się specjalne urządzenia, proste w konstrukcji i łatwe w użyciu.
Twardość Brinella Kulka ze stali hartowanej o średnicy 10, 5 lub 2,5 mm jest wciskana z określoną siłą w powierzchnię badanego metalu. W rezultacie na metalowej powierzchni powstaje odcisk (dziura). Średnicę nadruku mierzy się specjalną lupą z podziałkami. Numer twardości Brinella zapisywany jest łacińskimi literami HB, po których następuje numeryczny wskaźnik twardości. Na przykład twardość to HB 220. Metoda Brinella nie jest zalecana dla metali o twardości większej niż HB 450, ponieważ kulka może się odkształcić i wynik będzie nieprawidłowy. Niemożliwe jest również testowanie cienkich materiałów, które są przeciskane podczas wciskania kulki.
Twardość Rockwella - test twardości poprzez wciśnięcie stożka lub kulki w powierzchnię badanego metalu. Wciskany jest stożek diamentowy o kącie 120° lub kulka ze stali hartowanej o średnicy 1,59 mm. Badanie kulkowe służy do określania twardości materiałów miękkich, a stożkiem diamentowym do badania materiałów twardych. Numer twardości Rockwella zapisywany jest literami łacińskimi HRC, po których zapisywana jest wartość liczbowa twardości. Na przykład twardość HRC 230.
Twardość Vickersa - próba twardości piramidy. Czterostronna piramida diamentowa jest wciśnięta w metalową powierzchnię. W zależności od obciążenia na jednostkę powierzchni odcisku określa się liczbę twardości, oznaczoną jako HV 140.
Test mikrotwardości. Test ten służy do określenia twardości mikroskopijnie małych objętości metalu, np. twardości poszczególnych składników strukturalnych stopów. Mikrotwardość określa się na specjalnym urządzeniu składającym się z mechanizmu ładującego z końcówką diamentową oraz mikroskopu metalograficznego. Powierzchnia próbki jest przygotowywana w taki sam sposób jak do mikrobadań (szlifowanie, polerowanie, trawienie). Czworościenna piramida diamentowa (o kącie wierzchołkowym 136°, takim samym jak piramida Vickersa) jest wciskana w badany materiał pod bardzo lekkim obciążeniem. Twardość zależy od wartości N/m2 lub kgf/mm2.
odporność na zużycie- zdolność materiału do przeciwstawiania się niszczeniu powierzchni pod wpływem tarcia zewnętrznego.
Do właściwości fizykochemicznych materiały obejmują temperaturę topnienia, gęstość, przewodność elektryczną i cieplną, współczynniki rozszerzalności liniowej i objętościowej, zdolność do chemicznej interakcji z agresywnymi mediami, a także właściwości antykorozyjne. Właściwości te są w dużej mierze zdeterminowane składem chemicznym składników stopu oraz ich strukturą.
Właściwości technologiczne
Właściwości odlewnicze
Plastyczność
Spawalność
obrabialność
Wydajność projektu jest zdeterminowana właściwościami eksploatacyjnymi lub usługowymi materiałów użytych do ich produkcji. W zależności od warunków pracy i środowiska pracy, oprócz właściwości wytrzymałościowych, materiały do budowy maszyn mogą podlegać wymogom odporności cieplnej, tj. zachowania wysokich właściwości mechanicznych w wysokich temperaturach; odporność na korozję podczas pracy w różnych agresywnych środowiskach; zwiększona odporność na zużycie, niezbędna, gdy części są narażone na ścieranie podczas eksploatacji itp. W niektórych przypadkach materiały muszą mieć możliwość tworzenia trwałych połączeń poprzez spawanie lub lutowanie z innymi materiałami, w szczególności z ceramiką, grafitem itp.
9. Właściwości techniczne materiałów konstrukcyjnych.
Właściwości technologiczne metale i stopy charakteryzują się zdolnością do poddania się różnym metodom obróbki na gorąco i na zimno. Najważniejsze z nich to właściwości odlewnicze, ciągliwość, spawalność i skrawalność narzędziem skrawającym.
Właściwości odlewnicze scharakteryzować zdolność metalu lub stopu do wypełnienia formy, zapewnienia odlewu o danej wielkości i konfiguracji bez porów i pęknięć we wszystkich jego częściach.
Plastyczność- jest to zdolność metalu lub stopu do odkształcania się przy minimalnym oporze pod wpływem przyłożonego obciążenia zewnętrznego i przybierania określonego kształtu. Plastyczność zależy od wielu czynników zewnętrznych, w szczególności od temperatury ogrzewania i schematu stanu naprężenia.
Spawalność zwany zdolnością materiału do tworzenia trwałych połączeń z zestawem właściwości zapewniających wykonanie konstrukcji. W zależności od stopnia spawalności materiały dzieli się na dobrze i słabo spawalne. Spawalność zależy zarówno od materiału spawanych elementów, jak i od wybranego proces technologiczny spawalniczy.
obrabialność nazwał właściwość obrabianego metalu. Kryteriami skrawalności są warunki skrawania i jakość obrabianej powierzchni.
O wyborze materiału na konstrukcję często decydują właściwości technologiczne. Opracowane materiały mogą być wprowadzone do produkcji tylko wtedy, gdy ich właściwości technologiczne spełniają niezbędne wymagania. Wskaźniki właściwości technologicznych określane są specjalnymi badaniami ciągliwości, skrawalności, spawalności, a także próbek odlewniczych.
Wydajność projektu jest zdeterminowana właściwościami eksploatacyjnymi lub usługowymi materiałów użytych do ich produkcji. W zależności od warunków pracy i środowiska pracy, oprócz właściwości wytrzymałościowych, materiały do budowy maszyn mogą podlegać wymogom odporności cieplnej, tj. zachowania wysokich właściwości mechanicznych w wysokich temperaturach; odporność na korozję podczas pracy w różnych agresywnych środowiskach; zwiększona odporność na zużycie, niezbędna, gdy części są narażone na ścieranie podczas eksploatacji itp. W niektórych przypadkach materiały muszą mieć możliwość tworzenia trwałych połączeń poprzez spawanie lub lutowanie z innymi materiałami, w szczególności z ceramiką, grafitem itp.
Dlatego przy wyborze materiału do stworzenia struktury technologicznej należy wziąć pod uwagę jego wytrzymałość, cechy technologiczne i operacyjne.
10. Stopy odlewnicze.
Stopy odlewnicze i ich zastosowania Stopy odlewnicze otrzymuje się przez stapianie dwóch lub więcej metali i niemetali. Takie stopy muszą mieć dobrą przewodność elektryczną i cieplną, zwiększoną ciągliwość itp. Praktyczne znaczenie stopów odlewniczych przesądza o ich przewyższaniu czystymi metalami w niektórych właściwościach (wytrzymałość, twardość, zdolność do odwzorowywania zarysów form odlewniczych, skrawalność z cięciem). narzędzie itp.). Ważne miejsce w przemyśle odlewniczym zajmują stopy o specjalnym właściwości fizyczne(na przykład przewodność elektryczna, przepuszczalność magnetyczna itp.).
Stopy w zależności od składu chemicznego różnią się między sobą temperaturą topnienia, aktywnością chemiczną, lepkością w stanie stopionym, wytrzymałością, ciągliwością i innymi właściwościami. Do produkcji odlewów kształtowych stosuje się żeliwa szare, o wysokiej wytrzymałości, ciągliwe i inne, stale węglowe i stopowe, stopy aluminium, magnezu, miedzi, tytanu itp.
Żeliwo szare(skład w %: 2,8-3,5°C; 1,8-2,5 Si; 0,5-0,8 Mn; do 0,6 P i do 0,12 S) ma dość wysoką wytrzymałość, dużą lepkość cykliczną, jest łatwy w obróbce i tani. Wadą żeliwa szarego jest niska udarność i kruchość. Wytrzymałość żeliwa szarego wynika z lamelarnego kształtu wtrąceń grafitu oraz wytrzymałości metalowej podstawy. Z żeliwa szarego wykonuje się łoża maszyn, obudowy i pokrywy przekładni, koła pasowe i inne odlewy.
Ciągliwy metal(skład w %: 3,2-3,6 C; 1,6-2,9 Si; 0,4-0,9 Mn; nie więcej niż 0,15 P; nie więcej niż 0,02 S; nie mniej niż 0,04 Mg) ma wysoką wytrzymałość, ciągliwość i jest dobrze przetworzony . Wysokie właściwości mechaniczne tych żeliw uzyskuje się przez obróbkę roztopionego żeliwa magnezem lub cerem, w którym grafit przyjmuje kształt kulisty. Żeliwo o wysokiej wytrzymałości jest używane do produkcji krytycznych części o dużej wytrzymałości: wały korbowe, bębny wagonów kopalnianych, korbowody itp.
żeliwo(skład w %: 2,4-2,8 C; 0,8-1,4 Si; mniej niż 1 Mn; nie mniej niż 0,2 P; nie mniej niż 0,1 S) przewyższa żeliwa szare wytrzymałością i ma wysoką ciągliwość. Żeliwo sferoidalne uzyskuje się przez wyżarzanie odlewów z żeliwa białego (w żeliwie białym węgiel jest prawie całkowicie związany w postaci Fe 3 C) przez 30-60 godzin w temperaturze 900-1050 ° C. Podczas wyżarzania grafit powstaje w postaci płatków (rys. 6f). W zależności od warunków wyżarzania żeliwo ciągliwe może być ferrytyczne (KCh 37-12), ferrytyczno-perlityczne (KCh 45-6) i perlityczne (KCh 63-2). Żeliwo sferoidalne służy do produkcji korpusów narzędzi pneumatycznych, piast, wsporników, ogniw łańcuchowych i innych części.
stale węglowe(skład w %: 0,12-0,6 C; 0,2-0,5 Si; 0,5-0,8 Mn; do 0,05 P i do 0,05 S) mają wyższe właściwości mechaniczne niż żeliwa szare i ciągliwe. Stale węglowe są wykorzystywane do produkcji różnych cylindrów, łożów walcowni, kół zębatych i innych produktów.
Stale stopowe różnią się od stopów węgla składem stopowym, tj. dodatkowo dodanymi pierwiastkami (chrom, nikiel, molibden, tytan itp.) lub zwiększoną zawartością manganu i krzemu. Pierwiastki stopowe nadają stali wysoką odporność na korozję, odporność na ciepło i inne specjalne właściwości. Stale stopowe są używane do produkcji łopatek turbin, kolektorów wydechowych, różnych złączy i innych podobnych części.
Stopy aluminium mają niską gęstość, dużą wytrzymałość i ciągliwość, są łatwe w obróbce. Najczęściej spotykane stopy aluminium z krzemem (siluminami), które charakteryzują się podwyższoną odpornością na korozję, dobrą spawalnością i innymi właściwościami. Stopy aluminium są używane do produkcji bloków cylindrów, skrzynek narzędziowych i narzędziowych itp.
stopy magnezu mają niską gęstość, wysoką wytrzymałość, dobrą obrabialność. Wadą stopów magnezu jest ich niska odporność na korozję. Aby poprawić właściwości mechaniczne, prawie wszystkie stopy magnezu są poddawane obróbce (modyfikacji) heksachloroetanem, kredą i innymi substancjami. Stopy magnezu są używane do produkcji obudów pomp, urządzeń i narzędzi oraz innych części.
stopy miedzi(brąz i mosiądz) posiadają stosunkowo wysokie właściwości mechaniczne i przeciwcierne, wysoką odporność na korozję, dobrą skrawalność. Do produkcji odlewów stosuje się brązy cynowe i bezcynowe oraz mosiądz. Brązy bezcynowe są stosowane jako zamienniki brązów cynowych.
Pod względem właściwości mechanicznych, korozyjnych i przeciwciernych brązy bezcynowe przewyższają brązy cynowe. Stopy miedzi są wykorzystywane do produkcji okuć, łożysk, śmigieł, kół zębatych itp.
Stopy aluminium, magnezu i miedzi są szeroko stosowane w oprzyrządowaniu.
11. Żeliwa.
ŻELIWO
Żeliwo nazywane jest stopami żelaza z węglem o zawartości powyżej 2% C (dokładniej powyżej 2,14% C)
W zależności od stanu węgla w żeliwie występują:
żeliwo białe, w którym cały węgiel jest związany z cementytem. W żeliwach białych węgiel tworzy z żelazem związek chemiczny Fe 3 C, a wolny węgiel występuje w postaci grafitu.
żeliwo szare, w której cały węgiel jest w stanie wolnym w postaci grafitu, lub część węgla (duża) jest w postaci grafitu, a część w stanie związanym w postaci cementytu. Forma grafitu jest płytkowa.
ciągliwy metal, taki sam jak żeliwo szare, ale kształt grafitu jest sferoidalny.
żeliwo, taki sam jak żeliwo szare, ale kształt grafitu jest łuszczący się.
Jak widać z powyższej klasyfikacji żeliwa, charakterystyczną cechą żeliwa szarego, sferoidalnego i ciągliwego jest obecność w strukturze wolnego węgla - grafitu. W zależności od kształtu i położenia wtrąceń grafitu osłabiają się one w mniejszym lub większym stopniu metalowa podstawa w którym się znajdują.
Aby ustalić kompleks właściwości mechanicznych metali, próbki z badanego materiału poddaje się testom statycznym i dynamicznym.
Testy statyczne to testy, w których obciążenie przykładane do próbki rośnie powoli i płynnie.
4.2.1. Testy statyczne obejmują testy rozciągania, ściskania, skręcania, zginania i twardości. W wyniku statycznych prób rozciągania przeprowadzonych na maszynach rozciągających otrzymuje się wykres rozciągania (rys. 4.6 a) oraz wykres naprężeń warunkowych (rys. 4.6 b) metalu ciągliwego.
Ryż. 4.6. Zmiana odkształcenia w zależności od naprężenia: a - wykres naprężenia tworzywo sztuczne,; b - wykres naprężeń warunkowych tworzywa sztucznego
Z wykresu widać, że bez względu na to, jak małe przyłożone naprężenie powoduje odkształcenie, a odkształcenia początkowe są zawsze sprężyste, a ich wielkość jest bezpośrednio zależna od naprężenia. Na krzywej pokazanej na wykresie (rys. 4.6) odkształcenie sprężyste charakteryzuje linia OA i jej kontynuacja.
Powyżej punktu A proporcjonalność między naprężeniem a odkształceniem jest zerwana. Naprężenie powoduje nie tylko odkształcenia sprężyste, ale także plastyczne.
Pokazano na ryc. 4.6 zależność między naprężeniem przyłożonym z zewnątrz a wywołanym przez nie względnym odkształceniem charakteryzuje właściwości mechaniczne metali:
Nachylenie prostej OA (rys. 4.6a) pokazuje twardość metalu lub opis, w jaki sposób obciążenie przyłożone z zewnątrz zmienia odległości międzyatomowe, co w pierwszym przybliżeniu charakteryzuje siły przyciągania międzyatomowego; nachylenie prostej OA jest proporcjonalne do moduł sprężystości (E), które jest liczbowo równe napięciu podzielonemu przez względne odkształcenie sprężyste (E = s / e);
Napięcie s PTS (rys. 4.6b), które nazywa się granica proporcjonalności, odpowiada początkowi odkształcenia plastycznego. Im dokładniejsza jest metoda pomiaru odkształcenia, tym dolny punkt A leży;
Kontrola napięcia (rys. 4.1b), która nazywa się elastyczny limit, i przy której odkształcenie plastyczne osiąga z góry określoną małą wartość ustaloną przez warunki. Często używaj wartości trwałego odkształcenia 0,001; 0,005; 0,02 i 0,05%. Odpowiednie granice sprężystości oznaczono s 0,005, s 0,02 itd. Granica sprężystości jest ważną cechą materiałów sprężynowych stosowanych na elastyczne elementy urządzeń i maszyn;
Napięcie s 0,2, które nazywa się warunkowa granica plastyczności co odpowiada odkształceniu plastycznemu 0,2%. Fizyczna granica plastyczności s t jest określana z wykresu rozciągania, gdy ma plateau plastyczności. Jednak podczas prób rozciągania większości stopów na wykresach nie ma plateau plastyczności, wybrane odkształcenie plastyczne 0,2% dość dokładnie charakteryzuje przejście od odkształceń sprężystych do plastycznych, a naprężenie s 0,2 można łatwo określić podczas badań, niezależnie od tego, czy czy nie, na wykresie widać plateau plastyczności rozciąganie. Dopuszczalne napięcie, które jest używane w obliczeniach, jest zwykle wybierane mniej niż s 0,2 przez 1,5 razy;
Maksymalne napięcie s w, które nazywa się chwilowy opór, charakteryzuje maksymalną nośność materiału, jego wytrzymałość przed zniszczeniem i jest określona wzorem
s w \u003d P max / F o
Dopuszczalne napięcie, które jest używane w obliczeniach, jest wybierane mniej niż s 2,4 razy.
Plastyczność materiału charakteryzuje się wydłużeniem względnym d i względnym zwężeniem y:
d \u003d [(l k - l o) / l o] * 100,
y \u003d [(F o - F k) / F o] * 100,
gdzie l o i F o są początkową długością i polem przekroju próbki;
l do - ostateczna długość próbki;
F k - pole przekroju w miejscu pęknięcia.
4.2.2. Twardość- zdolność materiałów do opierania się odkształceniom plastycznym lub elastycznym, gdy wprowadza się do nich bardziej solidne ciało, co nazywa się wgłębnik.
Istnieją różne metody określania twardości.
Twardość Brinella definiuje się jako stosunek obciążenia, gdy stalowa kulka jest wciskana w badany materiał do pola powierzchni powstałego sferycznego wgłębienia (ryc. 4.7a).
HB=2P/pD,
D to średnica kulki, mm;
d – średnica otworu, mm
Ryż. 4.7. Schematy badań twardości: a - według Brinella; b - według Rockwella; c - według Vickersa
twardość Rockwella określa głębokość wnikania w badany materiał stożka diamentowego o kącie wierzchołka 120° lub utwardzonej kulki o średnicy 1,588 mm (rys. 4.7.b).
Stożek lub kula jest wciskana dwoma kolejnymi obciążeniami:
Wstępne P o \u003d 10 n;
Ogólne R \u003d R o + R 1, gdzie R 1 jest głównym obciążeniem.
Twardość jest podawana w konwencjonalnych jednostkach:
Dla skal A i C HR = 100 - (h - h o) / 0,002
Dla skali B HR = 130 - (h - h o) / 0,002
Do określenia twardości stosuje się stożek diamentowy przy obciążeniu 60 N (HRA), stożek diamentowy przy obciążeniu 150 N (HRC) lub kulkę stalową o średnicy 1,588 mm (HRB).
Twardość Vickersa mierzony dla części o małej grubości i cienkich warstwach powierzchniowych otrzymanych metodą obróbki chemiczno-termicznej.
Twardość tę określa się jako stosunek obciążenia podczas wgniatania w badany materiał diamentowej czworościennej piramidy o kącie między powierzchniami 136 o do pola powierzchni powstałego odcisku piramidy (rys. 4.7.c):
HV \u003d 2P * sin a / 2 / d 2 \u003d 1,854 P / d 2,
a \u003d 136 o - kąt między twarzami;
d jest średnią arytmetyczną długości obu przekątnych, mm.
Wartość HV znajduje się na podstawie znanego d zgodnie ze wzorem lub z tabel obliczeniowych zgodnie z GOST 2999-75.
mikrotwardość, biorąc pod uwagę strukturalną niejednorodność metalu, służy do pomiaru małych obszarów próbki. W tym przypadku piramida jest wciskana jak przy określaniu twardości Vickersa, przy obciążeniu P = 5-500 N, a średnia arytmetyczna długości obu przekątnych (d) jest mierzona w mikronach. Mikroskop metalograficzny służy do pomiaru mikrotwardości.
4.2.3. Charakteryzuje się odporność materiału na zniszczenie pod obciążeniem dynamicznym siła uderzenia. Jest on definiowany (GOST 9454-78) jako specyficzna praca niszczenia próbki pryzmatycznej z koncentratorem (wycięciem) pośrodku za pomocą jednego uderzenia wahadłowego testera udarowego (ryc. 4.8): KS = K / S o (K jest dziełem niszczenia; S o jest polem przekroju próbki w miejscu koncentratora).
Ryż. 4.8. Schemat testu udarności
Udarność (MJ/m2) oznacza KCU, KCV i KCT. Litery KS oznaczają symbol udarności, litery U, V, T - typ koncentratora: U-kształtny o promieniu nacięcia r n = 1 mm, V-kształtny o r n = 0,25 mm; T to pęknięcie zmęczeniowe powstałe u podstawy karbu; KCU jest głównym kryterium udarności; KCV i KCT są używane w szczególnych przypadkach.
Praca poświęcona zniszczeniu próbki jest określona wzorem
I n \u003d P * l 1 (cos b - cos a),
gdzie P jest masą wahadła, kg;
l 1 jest odległością od osi wahadła do jego środka ciężkości;
b - kąt po uderzeniu;
a - kąt przed uderzeniem
4.2.4.Cykliczna trwałość charakteryzuje zachowanie materiału w warunkach powtarzających się cykli naprężeń. Cykl naprężeń - suma zmian napięcia pomiędzy jego dwiema wartościami granicznymi s max i s min w okresie T (rys. 4.9).
Ryż. 4.9. Sinusoidalny cykl napięcia
Istnieją cykle symetryczne (R = -1) i asymetryczne (R jest bardzo zróżnicowane). Różne rodzaje cykle charakteryzują różne tryby pracy części maszyn.
Procesy stopniowej akumulacji uszkodzeń w materiale pod wpływem cyklicznych obciążeń, prowadzące do zmiany jego właściwości, powstawania pęknięć, ich rozwoju i zniszczenia, nazywane są zmęczeniem, a zdolność do opierania się zmęczeniu nazywa się wytrzymałością (GOST 23207-78).
Na zmęczenie części maszyn wpływa szereg czynników (rys. 4.10).
Ryż. 4.10. Czynniki wpływające na siłę zmęczenia
Awaria zmęczeniowa w porównaniu do awarii obciążenia statycznego ma szereg cech:
Występuje przy naprężeniach mniejszych niż przy obciążeniu statycznym, niższych granicach plastyczności lub wytrzymałości na rozciąganie;
Destrukcja zaczyna się na powierzchni (lub w jej pobliżu) lokalnie, w miejscach koncentracji naprężeń (deformacji). Miejscowa koncentracja naprężeń powstaje w wyniku uszkodzenia powierzchni w wyniku cyklicznych obciążeń lub nacięć w postaci śladów obróbki, narażenia na działanie środowiska;
Pękanie przebiega kilkuetapowo, charakteryzując procesy kumulacji uszkodzeń w materiale, powstawania pęknięć zmęczeniowych, stopniowego rozwoju i zlewania się części z nich w jedno pęknięcie główne oraz szybkie ostateczne zniszczenie;
Złamanie ma charakterystyczną strukturę złamania, odzwierciedlającą kolejność procesów zmęczeniowych. Złamanie składa się z miejsca złamania (miejsca powstawania mikropęknięć) i dwóch stref - zmęczenia i złamania (ryc. 4.11).
Ryż. 4.11. Schemat pęknięcia zmęczeniowego pęknięcia: 1 – miejsce inicjacji pęknięcia; 2 – strefa zmęczenia; 3 - strefa dolomy
4.3. Wytrzymałość konstrukcyjna metali i stopów
Wytrzymałość strukturalna metale i stopy to zespół właściwości wytrzymałościowych, które są w największym stopniu skorelowane z właściwościami użytkowymi danego produktu.
Odporność materiału kruche złamanie jest najważniejsza cecha, który decyduje o niezawodności konstrukcji.
Przejście do kruchego pękania wynika z wielu czynników:
rodzaj stopu (rodzaj sieci, skład chemiczny, wielkość ziarna, zanieczyszczenie stopu);
Cecha konstrukcyjna (obecność koncentratorów naprężeń);
Warunki pracy (warunki temperaturowe, obecność obciążenia na metalu).
Istnieje kilka kryteriów oceny wytrzymałości strukturalnej metali i stopów:
Kryteria określające niezawodność metale przeciwko nagłym pęknięciom (krytyczna temperatura łamliwości; odporność na pękanie; praca absorbowana podczas propagacji pęknięć; przeżywalność pod obciążeniem cyklicznym);
Kryteria określające trwałość materiał (wytrzymałość zmęczeniowa; wytrzymałość styku; odporność na zużycie; odporność na korozję).
Do oceny niezawodności materiału stosuje się również następujące parametry: 1) udarność KCV i KCT; 2) próg temperatury kruchości na zimno t 50 . Są to jednak parametry tylko jakościowe, nieprzydatne do obliczeń wytrzymałościowych.
Parametr KCV ocenia przydatność materiału na zbiorniki ciśnieniowe, rurociągi i inne konstrukcje o podwyższonej niezawodności.
Bardziej orientacyjny jest parametr KCT, wyznaczony na próbkach z pęknięciem zmęczeniowym u podstawy karbu. Charakteryzuje pracę powstawania pęknięć podczas zginania udarowego i ocenia zdolność materiału do spowalniania rozpoczętego pękania. Jeśli materiał ma KCT = 0, oznacza to, że proces jego niszczenia przebiega bez kosztów pracy. Taki materiał jest kruchy, zawodny operacyjnie. Odwrotnie, im większy parametr KCT wyznaczony w temperaturze pracy, tym większa niezawodność materiału w warunkach eksploatacyjnych. KCT jest brane pod uwagę przy wyborze materiału na konstrukcje o szczególnie krytycznym użytkowaniu ( samolot, wirniki turbin itp.).
Próg kruchości na zimno charakteryzuje wpływ spadku temperatury na skłonność materiału do pękania kruchego. Określa się ją na podstawie wyników prób udarności próbek z karbem w malejącej temperaturze.
Na przejście od ciągliwego do kruchego pęknięcia wskazują zmiany w strukturze pęknięcia i gwałtowny spadek udarności (rys. 4.12), obserwowany w zakresie temperatur (t in - t x) (temperatury graniczne przełomu ciągliwego i kruchego).
Ryż. 4.12. Wpływ temperatury badania na udział procentowy elementu ciągliwego w pęknięciu (B) i udarność materiału KCV, KCT
Struktura przełomu zmienia się od włóknistej matowej z ciągliwym pęknięciem (t > tc) do krystalicznie błyszczącej z kruchym pęknięciem (t< t х). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (t в – t н) либо одной температурой t 50 , при которой в изломе образца имеется 50 % волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается наполовину.
Przydatność materiału do pracy w danej temperaturze ocenia się na podstawie temperaturowego marginesu lepkości równego różnicy pomiędzy temperaturą pracy a t 50 . Jednocześnie im niższa temperatura przejścia kruchego w stosunku do temperatury pracy, tym większy margines temperaturowy lepkości i wyższa gwarancja na kruche pękanie.
4.4. Sposoby na zwiększenie wytrzymałości metali
Zwyczajowo rozróżnia się siłę techniczną i teoretyczną. Wytrzymałość techniczna jest określona przez wartość właściwości: granica sprężystości (s 0,05); granica plastyczności (s 0,2); wytrzymałość na rozciąganie (s w); moduł sprężystości (E); granica wytrzymałości (s R).
Pod pojęciem wytrzymałości teoretycznej rozumiemy odporność na odkształcenia i zniszczenie, jaką materiały powinny mieć według obliczeń fizycznych, biorąc pod uwagę siły oddziaływania międzyatomowego oraz założenie, że dwa rzędy atomów są jednocześnie przemieszczane względem siebie pod wpływem ścinania stres.
Na podstawie struktury krystalicznej i sił międzyatomowych można w przybliżeniu określić teoretyczną wytrzymałość metalu według następującego wzoru:
t teor » G / 2p,
gdzie G jest modułem ścinania.
Teoretyczna wartość wytrzymałości, obliczona według podanego wzoru, jest 100 - 1000 razy większa od wytrzymałości technicznej. Wynika to z wad struktury krystalicznej, a przede wszystkim z istnienia dyslokacji. Wytrzymałość metali nie jest liniową funkcją gęstości dyslokacji (ryc. 4.13).
Ryż. 4.13. Schemat zależności odporności na odkształcenia od gęstości i innych wad w metalach: 1 - wytrzymałość teoretyczna; 2-4 - wytrzymałość techniczna (2 - wiskery; 3 - czyste metale nieutwardzone; 4 - stopy utwardzane przez stapianie, hartowanie, obróbkę cieplną lub termomechaniczną)
Jak widać na rysunku 4.13, minimalna wytrzymałość jest określona przez pewną krytyczną gęstość dyslokacji a, w przybliżeniu równy 106 – 108 cm -2 . Ta wartość dotyczy metali wyżarzanych. Wartość s 0,2 dla metali wyżarzanych wynosi 10 -5 - 10 -4 G . Jeśli a> 10 12 - 10 13 cm -2, wówczas mogą powstać pęknięcia.
Jeżeli gęstość dyslokacji (liczba defektów) jest mniejsza niż wartość a(ryc. 4.13), wtedy opór na odkształcenia gwałtownie wzrasta, a wytrzymałość szybko zbliża się do teoretycznej.
Wzrost siły osiąga się:
Tworzenie metali i stopów o bezawaryjnej strukturze tj. uzyskiwanie wąsów („wąsy”);
Zwiększenie gęstości defektów, w tym dyslokacji, a także przeszkód strukturalnych utrudniających ruch dyslokacji;
Tworzenie materiałów kompozytowych.
4.5. Wpływ nagrzewania na strukturę i właściwości odkształconego metalu (rekrystalizacja)
Odkształcenie plastyczne (ryc. 4.14) prowadzi do powstania niestabilnego stanu materiału z powodu zwiększonej energii wewnętrznej (naprężenia wewnętrzne). Odkształceniu metalu towarzyszy jego twardnienie lub tzw utwardzony . Spontanicznie powinny wystąpić zjawiska, które przywracają metal do bardziej stabilnego stanu strukturalnego.
Ryż. 4.14. Wpływ nagrzewania na właściwości mechaniczne i strukturę ciężko obrabianego metalu
Spontaniczne procesy, które doprowadzają plastycznie odkształcony metal do bardziej stabilnego stanu, obejmują usuwanie zniekształceń sieci krystalicznej, inne procesy wewnątrzziarniste i tworzenie nowych ziaren. Aby złagodzić naprężenia sieci krystalicznej, nie jest wymagana wysoka temperatura, ponieważ w tym przypadku występuje niewielki ruch atomów. Już lekkie podgrzanie (dla żelaza 300-400 o C) usuwa zniekształcenia sieci, czyli zmniejsza gęstość dyslokacji w wyniku ich wzajemnej anihilacji, scalania bloków, zmniejszenia naprężeń wewnętrznych, zmniejszenia liczby wakatów itp. .
Nazywa się korekcją zniekształconej sieci podczas nagrzewania zdeformowanego metalu powrót lub wakacje. W tym przypadku twardość metalu spada o 20-30% w porównaniu z oryginałem, a ciągliwość wzrasta.
Równolegle z powrotem w temperaturze 0,25 - 0,3 T pl występuje poligonizacja (zbiór dyslokacji w ścianach) i powstaje struktura komórkowa.
Rekrystalizacja jest jednym ze sposobów łagodzenia naprężeń wewnętrznych podczas deformacji materiałów. Rekrystalizacja , tj. tworzenie nowych ziaren, przebiegające w wyższych temperaturach niż powrót, może rozpocząć się w zauważalnym tempie po podgrzaniu powyżej określonej temperatury. Im wyższa czystość metalu, tym niższa temperatura rekrystalizacji. Istnieje związek między temperaturami rekrystalizacji i topnienia:
rzeki T \u003d a * T pl,
gdzie a jest współczynnikiem zależnym od czystości metalu.
Dla komercyjnie czystych metali a = 0,3 - 0,4, dla stopów a = 0,8.
Temperatura rekrystalizacji ma duże znaczenie praktyczne. W celu przywrócenia struktury i właściwości metalu utwardzonego przez zgniot (na przykład, jeśli to konieczne, aby kontynuować obróbkę ciśnieniową przez walcowanie, ciągnienie, ciągnienie itp.), należy go podgrzać powyżej temperatury rekrystalizacji. To przetwarzanie nazywa się wyżarzanie rekrystalizacyjne.
Proces rekrystalizacji można podzielić na dwa etapy:
Rekrystalizacja pierwotna lub rekrystalizacja procesowa, gdy ziarna wydłużone w wyniku odkształcenia plastycznego zamieniają się w małe, zaokrąglone, losowo zorientowane ziarna;
Rekrystalizacja wtórna lub zbiorowa, polegająca na wzroście ziaren i przebiegająca w wyższej temperaturze.
Krystalizacja pierwotna polega na tworzeniu nowych ziaren. Są to zwykle małe ziarna, które pojawiają się na granicy faz dużych, zdeformowanych ziaren. Chociaż w procesie ogrzewania zachodzą wewnątrzziarnowe procesy usuwania defektów (powrót, spoczynek), z reguły nie kończą się one całkowicie, natomiast nowo powstałe ziarno jest już wolne od wad.
Pod koniec pierwszego etapu rekrystalizacji możliwe jest uzyskanie struktury składającej się tylko z bardzo drobnych ziaren o średnicy kilku mikronów. Ale w tym momencie zaczyna się proces wtórnej krystalizacji, polegający na wzroście ziarna.
Możliwe są trzy zasadniczo różne mechanizmy wzrostu ziarna:
- embrionalny, polegający na tym, że po pierwotnej krystalizacji ponownie pojawiają się centra zarodkowe nowych kryształów, ich wzrost prowadzi do powstania nowych ziaren, ale jest ich mniej niż ziaren w stanie początkowym, a więc po zakończeniu rekrystalizacji proces, ziarna staną się średnio większe;
- wędrowny , który polega na przesunięciu granicy ziarna i zwiększeniu jego wielkości. Duże ziarna rosną przez „zjadanie” małych;
- koalescencja ziaren , polegający na stopniowym „rozpuszczaniu się” granic ziaren i łączeniu wielu małych ziaren w jedno duże. W tym przypadku powstaje struktura nierównoziarnista o niskich właściwościach mechanicznych.
Wdrożenie jednego z głównych mechanizmów wzrostu zależy od:
Od temperatury. W niskich temperaturach wzrost następuje z powodu koalescencji ziaren, aw wysokich temperaturach z powodu migracji granic ziaren;
Od stanu początkowego (od stopnia odkształcenia). Przy niskim stopniu odkształcenia (3-8%) pierwotna rekrystalizacja jest trudna, a wzrost ziarna następuje z powodu koalescencji ziarna. Pod koniec procesu powstają gigantyczne ziarna. Przy wysokim stopniu odkształcenia (ponad 10%) koalescencja ziaren staje się trudniejsza, a wzrost następuje z powodu migracji granic ziaren. Tworzą się mniejsze ziarna. W ten sposób po wyżarzaniu uzyskuje się strukturę równowagową, zmieniają się właściwości mechaniczne, usuwa się utwardzenie metalu i zwiększa się plastyczność.
