Методы испытания материалов

     Содержание 

     Введение ……………………………………………………………….….. 3

     1. Механические свойства металлов. Упругая и пластическая деформация …………………………………………………………………...…. 4

     2. Свойства металлов при статических испытаниях: растяжение, сжатие, изгиб ……………………………………………………………….……. 7

     3. Свойства при динамических испытаниях ………………………..…. 21

     Заключение …………………………………………………………...…. 27

     Список  использованной литературы ……………………………..……. 28

     Нормативные ссылки …………………………………………………… 29 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     В данной курсовой рассмотрены основные виды статических и динамических испытаний металлов, имеющих практическое значение для изучения их механических свойств, которые определят их поведение при эксплуатации и обработке. Для оценки механических свойств в связи с многообразием их эксплуатации и обработки проводят испытания, в той или иной мере имитирующие реальные условия. Результаты испытаний используются для решения основной задачи – повышение качества металлических материалов, в частности улучшение их механических свойств. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     

1. Механические  свойства металлов. Упругая и пластическая деформация.

 

     Под действием сил или системы  сил металлический образец реагирует  на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла.

     Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как  полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями.

     Деформация  называется упругой, если после снятия нагрузки тело восстанавливает свою первоначальную форму.

     Некоторые металлические конструкции намеренно проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая деформация. В других случаях упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости: s = eE, где s – напряжение, e – упругая деформация, а E – модуль упругости (модуль Юнга). Модули упругости ряда металлов представлены в таблице 1.

 

      Таблица 1

 
 

     Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его  формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала.

     Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая  упругость, является предел текучести. У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести.

     Пластические  свойства металлического материала (в  отличие от упругих свойств) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950° С и закалки может достигать 2000 МПа.

     Когда металлический материал нагружен с  превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Свойства  металлов при статических испытаниях.

 

     Во  многих случаях металлические материалы  в конструкциях работают под статическими нагрузками. Поэтому для оценки механических свойств широко используются статические испытания, которые проводятся с применением разных схем напряженного состояния в образце. К основным разновидностям статических испытаний относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

     Растяжение.

     Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения – график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной – напряжение (рис. 1).

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1 Диаграммы  растяжения 
 

     При растяжении поперечное сечение образца  уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного  сечения, а не к уменьшенной, которая  давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице. На рис. 1 представлены кривые деформация – напряжение для двух материалов разной пластичности: сравнительно хрупкого (штриховая линия) и более пластичного (сплошная линия). Пределы текучести обоих металлов почти совпадают. Более хрупкий металл разрушается по достижении своего предела прочности при растяжении, а более пластичный – пройдя через свой предел прочности. (Пластичность – это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как одной, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование «шейки» (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения). Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.

     Типичные  значения величин, характеризующих  прочность на растяжение ряда сплавов, представлены в табл. 2. Нетрудно видеть, что эти значения для одного и  того же материала могут сильно различаться  в зависимости от обработки.

 

     

     Таблица 2

 

     Испытание на растяжение.

     Испытание на одноосное растяжение – наиболее распространенный вид испытаний  для оценки механических свойств металлов и сплавов – сравнительно легко подвергаются анализу, позволяют по результатам одного опыта определять сразу несколько важных механических характеристик материалов, являющихся критерием его качества и необходимых для конструкторских расчетов.

     Методы испытаний на растяжение стандартизованы. Имеются отдельные стандарты на испытания при комнатной температуре (ГОСТ 1497), при повышенных до 1473 К (ГОСТ 9651) и пониженных от 273 до 173 К (ГОСТ 11150) температурах. 

     Образцы и машины для испытаний на растяжение.

     Для испытаний на растяжение используют образцы с рабочей частью в  виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стержня с прямоугольным  сечением (плоские образцы). Помимо основной рабочей части, большинство  образцов имеет головки различной  конфигурации для крепления в захватах.

      Основные  размеры образца рис. 2:

1. рабочая длина l – часть образца между его головками или участками для захвата с постоянной площадью поперечного сечения;
2. начальная расчетная длина l_о – участок рабочей длины, на котором определяется удлинение;
3. начальный диаметр рабочей части d_о для цилиндрических или начальная толщина а_о и ширина b_o рабочей части для плоских чертежей.

     

     Рис. 2 Образец для испытания на одноосное  растяжение

     Машины  для испытаний на растяжение разнообразны. Многие из них универсальны и могут быть использованы при проведении других статических испытаний. Современные машины высшего класса представляют собой сложные автоматизированные устройства, они оснащаются ЭВМ, которые позволяют проводить расчет любых характеристик свойств в процессе испытаний или сразу по его окончании.

 

      Основные узлы испытательной машины:

• приводное устройство, обеспечивающее плавное деформирование образца;
• силоизмерительный механизм для измерения силы сопротивления образца создаваемой деформации.

     По  принципу действия приводного устройства различают машины с механическим и гидравлическим приводами. Машины с механическим приводом обычно имеют  небольшую мощность; они, как правило, рассчитаны на разрушающие усилия не более 0,1 – 0,15 МН. Гидравлический привод используются в машинах в машинах большей мощности, рассчитанных на нагрузки до 1 МН и выше.  

     Методики  испытаний на растяжение.

     Основные  требования к методике испытаний  оговорены в стандартах. Эти требования следует рассматривать как минимальные. При выполнении, например, исследовательских работ требования могут быть значительно повышены. Соблюдение стандартной методики испытания особенно важно в тех случаях, когда результаты являются критерием качества продукции или паспортными характеристиками. 

     Перед испытанием каждый образец маркируют, измеряют и размечают. Маркировку наносят  вне пределов рабочей длины образца. Измерение размеров образцов до испытания проводят не менее чем в трех местах - в средней части и на границах рабочей длины. Диаметр цилиндрических образцов следует измерять с точностью не ниже 0,01 при d_o ≤ 10 мм и 0,05 мм при d_o < 10 мм. С такой же точностью следует измерять толщину плоских образцов. Для определения начальной площади поперечного сечения необходимые геометрические размеры образцов измеряют с погрешностью не более ±0,5%. За начальную площадь поперечного сечения образца в его рабочей части принимают наименьшее из полученных значений на основании произведенных измерений с округлением по ГОСТ 1497. Все размеры после испытаний определяют с точностью не ниже 0,1 мм. Для получения более точных результатов используют инструментальные микроскопы.