Механические свойства металлов. Часть 2
Покупка
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Авторы:
Золоторевский Вадим Семенович, Портной Владимир Кимович, Просвиряков Алексей Сергеевич, Солонин Алексей Николаевич, Чурюмов Александр Юрьевич
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 72
Дополнительно
Доступ онлайн
В корзину
Практикум содержит пять лабораторных работ, связанных с механическими испытаниями на ударный изгиб, усталостными испытаниями, определением вязкости разрушения, построением истинных диаграмм деформации при сжатии и анализом поверхностей разрушения металлических материалов. Лабораторные работы направлены на привитие практических навыков проведения этих испытаний и анализа полученных результатов.
Предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки: бакалавров 22.03.02 «Металлургия», дисциплина «Методы исследований свойств металлов и сплавов»; магистров 22.04.02 «Металлургия», дисциплина «Методы исследования физико-механических свойств материалов».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.02: Металлургия
- ВО - Магистратура
- 22.04.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Москва 2021 М ИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА Кафедра металловедения цветных металлов МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ Часть 2 Лабораторный практикум Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением по укрупненной группе специальностей и направлений 22.00.00 «Технологии материалов» в качестве учебного пособия при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся, соответственно, по направлениям 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия». № 4370
УДК 669.017 П82 Р е ц е н з е н т ы : доц. Д.А. Подгорный; канд. хим. наук, доц., зав. лаб. коррозионных испытаний И.И. Бардин (ГНЦ РФ АО ЭНПО «ЦНИИТМАШ») К о л л е к т и в а в т о р о в : В.С. Золоторевский, В.К. Портной, А.Н. Солонин, А.С. Просвиряков, А.Ю. Чурюмов П82 Механические свойства металлов: лаб. практикум / В.С. Золоторевский [и др.]. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2021. – 72 с. Практикум содержит пять лабораторных работ, связанных с механическими испытаниями на ударный изгиб, усталостными испытаниями, определением вязкости разрушения, построением истинных диаграмм деформации при сжатии и анализом поверх- ностей разрушения металлических материалов. Лабораторные ра- боты направлены на привитие практических навыков проведения этих испытаний и анализа полученных результатов. Предназначен для студентов, обучающихся по направлени- ям подготовки: бакалавров 22.03.02 «Металлургия», дисциплина «Методы исследований свойств металлов и сплавов»; магистров 22.04.02 «Металлургия», дисциплина «Методы исследования фи- зико-механических свойств материалов». УДК 669.017 Коллектив авторов, 2021 НИТУ «МИСиС», 2021
Содержание Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Лабораторная работа 7 Определение ударной вязкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Лабораторная работа 8 Усталостные испытания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Лабораторная работа 9 Испытания на вязкость разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Лабораторная работа 10 Построение истинных диаграмм деформации по результатам испытания на сжатие . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Лабораторная работа 11 Анализ изломов при различных видах разрушения . . . . . . . 65
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящий лабораторный практикум является продолже- нием лабораторного практикума В.С. Золоторевского и др. «Механические свойства металлов: статические испытания» и предназначен для студентов, обучающихся по направлению «Металлургия». Во второй части рассматриваются механиче- ские испытания при динамическом и циклических нагруже- ниях, методы определения вязкости разрушения, проводятся анализ изломов и построение диаграмм истинных напряже- ний при сжатии. В результате выполнения лабораторных ра- бот студенты получают практические навыки проведения важнейших механических испытаний и учатся анализировать результаты этих испытаний. Изменения и дополнения, вне- сенные в настоящее издание практикума, связаны, главным образом, с заменой испытательного оборудования на более со- временное.
Лабораторная работа 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ (2 часа) 7.1. Цель работы Целью настоящей работы является знакомство с методи- кой проведения испытаний на ударный изгиб и сравнительная оценка свойств сплавов по ударной вязкости. 7.2. Теоретическая часть Ударной вязкостью (KC) называется отношение полной ра- боты (K), затраченной на деформацию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, к площади его поперечного се- чения в месте надреза. Значительное увеличение скорости деформации при пере- ходе от статических испытаний к ударным вызывает измене- ние всех свойств сплавов, связанных с пластической деформа- цией и разрушением. Из многих методов ударных испытаний самое широкое практическое применение нашел ударный из- гиб надрезанного образца с измерением ударной вязкости. Эта характеристика имеет большое значение при оценке качества металлов и сплавов и занимает особое положение среди других показателей механических свойств. Последнее связано с тем, что в условиях сложных напряженных состояний и при дина- мических нагрузках деталей машин и механизмов во время эксплуатации ударная вязкость приобретает значение показа- теля поведения металлов в конструкциях. С другой стороны, ударная вязкость используется в качестве характеристики, чувствительной к переходу металлов и сплавов в хрупкое состояние в различных условиях деформации, при которых показатели механических свойств, определяемые статическими напряжениями, не изменяются. Ударная вязкость как характеристика работы, затраченной на деформацию и разрушение, может быть определена по площади под кривой нагружения образца с надрезом при ударе маятникового копра со скоростью до 7 м/с. Такие динамиче-
ские испытания отличаются скоротечностью, так как их продолжительность составляет менее одной секунды. Поэтому в случае отсутствия инструментированных методов регистрации кривой «усилие – время» ударную вязкость определяют при падении тяжелого маятника известной массы с заданной высоты по разности высоты подъема маятника до удара и высоты его взлета после разрушения образца. Работа деформации и разрушения (вязкость материала), определяемая по площади под кривой «усилие – прогиб» или «усилие – время», очевидно, тем больше, чем выше сопротивление материала деформированию и разрушению, с одной стороны, и чем больше его пластичность, с другой. Несмотря на сложность и многогранность деформационного поведения металла, можно показать, что определяющими его вязкость являются способность к деформационному упрочнению и со- противление разрушению. Действительно, если рассматривать пластичность металла как способность к равномерной деформа- ции, то по мере растяжения или изгиба образец равномерно те- чет, пока материал способен к деформационному упрочнению. В свою очередь, из-за деформационного упрочнения (наклепа) деформация продолжается при непрерывном возрастании дей- ствующих напряжений, т.е. сопротивления деформации. Разрушение образца происходит, когда действующие на- пряжения достигают величины сопротивления отрыву или когда деформационное упрочнение перестает предотвращать локализацию деформации. Таким образом, пластичность ме- талла, а следовательно, и его вязкость тем выше, чем медлен- нее он наклепывается, т.е. чем меньше коэффициент дефор- мационного упрочнения при данной скорости деформации и уровне сопротивления отрыву, с одной стороны, или чем выше сопротивление отрыву, с другой. Отсюда следует, что ударная вязкость материала (работа деформации и разрушения) зависит в первую очередь от того, как будут меняться при увеличении скорости испытаний со- противление разрушению и коэффициент деформационного упрочнения. По Я.Б. Фридману следует различать два вида материалов: ударно-хрупкие и ударно-вязкие, в связи с тем, что с повыше-
нием скорости деформации со статической к динамической сопротивление пластической деформации повышается. Если сопротивление разрушению мало меняется с увеличением ско- рости деформации, то благодаря более интенсивному дефор- мационному упрочнению диаграмма деформации достигнет уровня сопротивления разрушению при меньшей пластиче- ской деформации, и будет наблюдаться уменьшение вязкости (ударно-хрупкие металлы). К этой категории относятся α-Fe, Zn, многие сплавы на их основе, хром и его сплавы и др. При испытании ударно-хрупких металлов с увеличением скорости деформации изменяется вид макроразрушения, т.е. происхо- дит переход от среза к отрыву, при этом пластичность и вяз- кость значительно, а иногда весьма резко снижаются. Если сопротивление разрушению растет одновременно с ро- стом деформации, то, несмотря на более интенсивное упроч- нение, абсцисса конечной точки диаграммы деформации не уменьшается и пластичность остается неизменной, иногда даже увеличивается. Вязкость при этом может значительно возрастать вследствие увеличения прочности при неизменной пластичности (ударно-вязкие металлы). Такие материалы ха- рактеризуются тем, что при малых и больших скоростях де- формации их разрушение происходит вязко и не наблюдает- ся переход в хрупкое состояние (алюминий, медь и большая часть сплавов на их основе, в том числе дуралюмин, однофаз- ные латуни, бронзы и др.). Поскольку одной из важнейших задач ударных испытаний является выявление склонности материала к хрупкому раз- рушению, обычно стремятся к такому способу приложения нагрузки, при котором растягивающие напряжения и дефор- мации были бы достаточно велики. Поэтому мягкие способы нагружения – кручение и в особенности сжатие – мало подхо- дят, и для этой цели применяют растяжение или изгиб. Изгиб при ударных испытаниях имеет ряд методических преимуществ: концентрация напряжений у поверхности об- разца, более простое и надежное измерение работы и боль- шая простота проведения испытания, особенно при низких и высоких температурах. Важным фактором, усиливающим склонность металла к переходу в хрупкое состояние, является
надрез, хотя для испытания хрупких материалов, например чугуна, используют и гладкие образцы. Обычно для определения ударной вязкости применяют об- разцы в форме призмы квадратного сечения, посредине одной из боковых граней которой сделан поперечный надрез. Над- рез способствует ужесточению испытаний по двум причинам. Во-первых, надрез обеспечивает повышение концентраций напряжений, поэтому у основания надреза напряжения в два- три раза превышают номинальные напряжения (рис. 7.1), вы- численные по формуле M W σ = , (7.1) где М – изгибающий момент; W – момент сопротивления. Во-вторых, наличие надреза создает всестороннее, хотя и не равномерное, объемное растяжение: на элементарный объ- ем металла, расположенный у основания надреза в средней части образца, кроме продольных нормальных напряжений σ1, действуют еще поперечные растягивающие напряжения σ2 и σ3 (рис. 7.1). Волокна в основании надреза под влиянием напряжения σ1 стремятся растянуться и уменьшиться в по- перечном направлении. Этому препятствует надрезная часть образца, из-за чего появляются σ2 и σ3. Благодаря концентра- ции напряжений и объемному растяжению первая трещина появляется у основания надреза. Острие возникшей трещи- ны – еще более мощный концентратор напряжений, что спо- собствует продвижению трещины в толщу образца вплоть до его полного разрушения. Из сказанного ясно, что наличие надреза уменьшает долю касательных напряжений, которые стремятся к нулю по мере приближения к равенству величин σ1, σ2 и σ3. Следователь- но, уменьшается пластическая деформация, вызываемая касательными напряжениями, т.е. металл охрупчивается, а пластическая деформация концентрируется в ограничен- ной части объема образца вокруг надреза. Здесь поглощается практически вся работа удара, поэтому, строго говоря, за меру
ударной вязкости необходимо принимать отношение работы удара (K) к величине деформируемого объема. Величина де- формируемого объема зависит от материала, температуры ис- пытания, геометрии надреза, и определить ее весьма трудно. Поэтому мерой ударной вязкости служит отношение работы удара к площади поперечного сечения образца под надрезом. Рис. 7.1. Напряженное состояние в образце для испытаний на ударную вязкость с надрезом (заштриховано рабочее сечение образца, а пунктиром показана форма этого сечения после изгиба) Метод определения ударной вязкости при комнатной темпе- ратуре регламентируется ГОСТ 9454–78 и ГОСТ Р ИСО 148-1– 2013. Метод испытания по Шарпи (ИСО 148-1:2013) предусма- тривает использование стандартизированных образцов с V- и U-образными надрезами посередине (рис. 7.2). Испытуемый надрезанный образец с квадратным сечением 10 мм и длиной 55 мм укладывают на две опоры, после чего в центре пролета производится удар бойком маятника со стороны, противопо- ложной надрезу. Допускается также использование образцов меньшего сечения шириной B 7,5, 5 и 2,5 мм. U-образный над- рез должен иметь глубину 5 мм (либо 2 или 3 мм) и радиус ос- нования 1 мм. V-образный надрез должен быть выполнен под углом 45°, иметь глубину 2 мм и радиус при вершине 0,25 мм.
Кроме того, ГОСТ 9454–78 предусматривает и другие типораз- меры образцов, а также Т-образный концентратор, т.е. надрез с усталостной трещиной глубиной 3 или 5 мм. Рис. 7.2. Образец с U-образным надрезом для испытаний на ударную вязкость К качеству изготовления образцов предъявляются следу- ющие требования: углы в поперечном сечении должны быть 90±0,5°, перпендикулярность оси надреза образца ±2°, надрез может выполняться сверлением, фрезерованием или проточ- кой абразивным кругом. Риски на поверхности надреза шли- фуют или доводят. Боковые поверхности образцов обрабаты- вают на плоскошлифовальных станках. Испытания образцов выполняют на маятниковых копрах с предельной энергией до 450 Дж (45 кгс.м). Работу, затрачен- ную на деформацию и разрушение образца, в случае невоз- можности регистрации кривой нагружения и прямого измере- ния определяют по формуле ( ) cos cos K mgl = β − α , (7.2) где m – масса маятника; g – ускорение свободного падения; l – длина маятника; α и β – соответственно углы подъема маятника до и после излома образца (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Схема испытаний на копре: 1 – испытуемый образец; 2 – опоры; 3 – боек молота; 4 – молот; L – расстояние между опорами; α и β – углы подъема маятника до и после излома образца соответственно; H и h – высоты подъема и взлета маятника; l – длина маятника Работу удара, или поглощенную энергию, в Дж обознача- ют двумя буквами (KU, KV или KТ) в зависимости от вида концентратора. Результатом испытания по ГОСТ 9454–78 является ударная вязкость (KCU, KСV или KСТ, Дж/м2 или кгс.м/см2), которая определяется по формуле K KC F = , (7.3) где K – работа удара, затраченная на деформацию и разруше- ние образца; F – площадь поперечного сечения. При испытаниях на ударную вязкость может быть получе- на такая важная характеристика, как температура перехода в хрупкое состояние. Для малоуглеродистых сталей и ряда ме- таллов с ОЦК-решеткой характерно резкое снижение ударной
Доступ онлайн
В корзину