Лабораторная работа  Определение физико-механических свойств конструкционных материалов

1. Цель работы

Приобрести практические навыки анализа результатов испытания материалов и определения основных показателей их механических свойств.

2. Программа работы

2.1. Изучить теоретические сведения о свойствах материалов, методах их испытания для получения показателей, определяющих их механические свойства.

2.2. Изучить устройство и работу разрывной машины и маятникового копра для испытания образцов материалов.

2.3. Проанализировать таблицу свойств сплавов.

2.4. Составить отчет по работе и сделать выводы.

3. Указания к работе

Свойства конструкционных материалов. Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства конструкционных материалов.

К физическим свойствам относятся плотность, температура плавления, коэффициент теплового расширения, тепло - и электропроводность, магнитная проницаемость и др.

Химические свойства определяются химической активностью материала, его способностью к химическому взаимодействию с газовыми и жидкими средами, со шлаками и расплавленными металлами и т. д. К числу основных химических свойств относятся: растворимость в жидких средах; коррозионная стойкость (определяемая скоростью потери или увеличения массы) на воздухе, в растворах солей, кислот и щелочей; жаростойкость - сопротивление окислению при высоких температурах.

Основными показателями механических свойств являются: прочность, пластичность, вязкость, твердость, выносливость. Более подробно механические свойства будут рассмотрены ниже.

Технологические свойства характеризуют способность материалов свариваться, обрабатываться резанием и давлением и т. д. В целом, от технологических свойств зависят затраты труда, машинного времени и инструмента на то, чтобы получить единицу продукции. Показателями технологических свойств являются: свариваемость, штампуемость, допустимые скорость и глубина резания (обрабатываемость резанием), литейные характеристики сплавов (жидкотекучесть, величина линейной и объемной усадки, трещиностойкость) и др.

Эксплуатационные или служебные свойства характеризуют способность материала работать в различных условиях. Важнейшими среди них являются: надежность, долговечность, износостойкость, фрикционные свойства (коэффициент трения, склонность к задирам на трущихся поверхностях), хладостойкость, повреждаемость в условиях радиации и др.

Механические свойства относятся к числу основных характеристик, определяющих надежность и долговечность деталей механизмов и машин. В процессе работы детали машин подвержены различным видам нагрузок. Для того, чтобы определить работоспособность сплавов в различных условиях нагружения проводят их испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение и т. д. При этом под действием приложенных к испытуемому образцу нагрузок в металле возникают напряжения s, равные отношению нагрузки к площади поперечного сечения детали или испытуемого образца. Напряжения вызывают упругую (исчезающую после снятия нагрузки) и пластическую (остаточную) деформации. Пластическая деформация в машинах и сооружениях недопустима. Способность сплава сопротивляться деформации и разрушению характеризует его прочность, способность деформироваться без разрушения - его пластичность.

Испытания на растяжение являются основным видом механических испытаний, позволяющих определить показатели прочности: пределы пропорциональности, упругости, текучести, прочности (временное сопротивление) и истинное напряжение разрыва, а также показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение).

Для испытаний на растяжение применяют цилиндрические или плоские образцы с расчетной длиной 50 мм и диаметром (шириной) 10 мм. Могут применяться образцы других размеров.

При растяжении образца в испытательной машине (рис. 2) записывающий прибор вычерчивает диаграмму растяжения, показывающую зависимость деформации образца от растягивающей нагрузки Р (рис. 3).

Рис. 2 Криостаты для испытания на растяжение

На диаграмме имеются характерные точки, по которым определяются показатели механических свойств. От начала деформации (точка О) до точки, соответствующей Р=Рпц образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Эта точка является предельной (до нее сохраняется прямолинейная зависимость между прилагаемой нагрузкой и деформацией образца) и соответствует пределу пропорциональности.

Предел пропорциональности определяется по формуле:

, МПа (1.1)

где F0 — площадь поперечного сечения образца до деформации - расчетная.

При нагрузках выше Рпц нарушается пропорциональность между прилагаемой нагрузкой и деформацией образца, но образец по-прежнему деформируется упруго, т. е. при снятии нагрузки он принимает первоначальные размеры. Нагрузка, вызывающая остаточную деформацию образца, равную 0,05% его первоначальной длины l0 (рис. 3б), обозначается Ру. По ней определяется предел упругости:

, МПа (1.2)

Рис. 3 Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (а) и схема определения условного предела текучести s0,2 (б).

При дальнейшем увеличении нагрузки криволинейный участок кривой «усилие-удлинение» может при испытаниях пластических материалов перейти в горизонтальный (металл «течет» без увеличения нагрузки). По нагрузке Рт, соответствующий этому участку, определяют физический предел текучести (см. рис. 3):

, МПа (1.3)

При испытаниях сравнительно хрупких материалов площадка текучести на диаграмме отсутствует. В этом случае по нагрузке Р0,2, при которой остаточное удлинение образца составляет 0,2% его первоначальной длины l0, определяют условный предел текучести (см. рис. 3);

, МПа (1.4)

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рв, называется пределом прочности или временным сопротивлением и определяется по формуле:

, МПа (1.5)

Уменьшение нагрузки при дальнейшем растяжении связано с образованием местного сужения поперечного сечения (шейки) у пластичных металлов. При этом нагрузка Р падает, а напряжение s в поперечном сечении образца увеличивается. Максимальное напряжение перед разрушением образца - истинное сопротивление разрыву, которое определяется по формуле:

, МПа (1.6)

где Fk — площадь минимального поперечного сечения образца после разрыва.

По результатам обмеров разрывных образцов до испытаний и после них определяют показатели пластичности:

- относительное удлинение

, % (1.7)

— относительное сужение

, % (1.8)

где l0 u lk - соответственно длина образца до и после испытаний, мм;

F0 и Fk - площади поперечного сечения образца до и после испытаний, мм2;

d0 и dk - диаметр образца до и после испытаний, мм.

Твердость - это сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела. Подробно это свойство изучается в следующей лабораторной работе.

Ударная вязкость. В условиях эксплуатации многие детали и конструкции могут хрупко разрушаться под действием ударных нагрузок. Поскольку статические испытания на растяжение не отражают полностью сопротивления материалов разрушению при ударных нагрузках, применяют динамические испытания на ударный изгиб. Испытания проводятся на маятниковых копрах. Образцы для испытаний представляют собой квадратные бруски сечением 10 ´ 10 мм и длиной 55 мм. В середине образца может создаваться концентратор напряжений в виде канавки с радиусом закругления 1,0 мм или 0,25 мм или же в виде усталостной трещины.

Рис. 4 Схема испытания на ударную вязкость.

а – стандартный образец с надрезом, тип 1; б – схема маятникового копра; в – зависимость вязкости от температуры; г – образец с трещиной.

Схема испытаний показана на рис. 4. Маятник копра устанавливают в исходное положение на высоту Н (запас энергии А0) и удерживают защелкой. В нижней точке траектории маятника на опорах устанавливают образец так, чтобы надрез располагался с противоположной стороны ножа маятника (груза). Освобожденный от защелки груз падает вниз по траектории маятника, разрушает образец и поднимается вверх на определенную высоту h, что соответствует запасу энергии А1.

Величины энергии маятника А0 и А1 автоматически регистрируются указателями индикатора.

Ударная вязкость вычисляется по формуле:

, Дж/см2 (МДж/м2) (1.9)

В зависимости от формы надреза (U, V-образный, в виде трещины) при обозначении ударной вязкости вводится третий индекс: KCU, KCV, КСТ. Обозначение КС применяется для образцов без надреза (этот тип образцов используется для хрупких материалов).

Выносливость материалов и сплавов.

Выше отмечалось, что при испытаниях на растяжение (см. рис. 1) напряжения, не превышающие предела упругости sу, не приводят после снятия нагрузки к изменению размеров и формы образца (детали). Казалось бы, и свойства материала при этом не меняются. Однако, опыт эксплуатации механизмов и машин, детали которых подвергались многократным (десятки миллионов циклов) повторно-переменным нагрузкам, выявил склонность этих деталей к внезапным, на первый взгляд, разрушениям. Это явление, по аналогии с живыми организмами, назвали усталостью металлов, а свойство сопротивляться усталости - выносливостью.

В настоящее время механизмы усталостного разрушения хорошо изучены. Установлено, что структура металлов имеет дефекты в виде микропор, неметаллических включений и пр. Эти дефекты являются концентраторами напряжений. Это значит, что при общей нагрузке на образец или деталь s < sу, величина локальных напряжений у дефектов превышает предел текучести материала, что, в свою очередь, вызывает сначала зарождение, а затем и рост микротрещин. Зародившиеся возле дефектов микротрещины сливаются в макротрещину, сечение образца (детали) уменьшается и наступает разрушение.

Предел выносливости - максимальное напряжение, которое выдерживает образец при заданном числе циклов нагружения: обычно 107 циклов для стали и 108 циклов для цветных металлов. Наиболее часто предел выносливости определяют при испытании образца на изгиб с вращением со знакопеременным симметричным циклом нагружений. На рис. 5 представлен вращающийся образец. Груз Р создает максимальные напряжения в левой части образца и минимальные в правой (вертикальная штриховка). При этом верхние точки образца подвержены растяжению, нижние - сжатию. В процессе вращения напряжения в каждой точке поверхности образца изменяются от растяжения к сжатию по синусоидальному закону.

Рис. 5 Испытания на усталость (а), кривая усталости (б) и усталостный излом (в).

Испытание проводят на серии образцов при разной нагрузке с определением разрушающего напряжения цикла и соответствующего ему числа циклов нагружения. По полученным данным строят кривую, на которой определяют пределы выносливости, на базе заданного числа циклов нагружения (рис. 5б). Предел выносливости рассчитываемый для стандартных условий, например, для стали при N = 107, обозначают s-1.

Усталостная трещина, как правило, зарождается на поверхности образца, то есть в месте максимальных напряжений. В усталостном изломе (рис. 5в) наблюдаются 2 зоны: первая (1 на рис. 5в), имеющая гладкую поверхность и возникшая в результате зарождения и медленного роста усталостной трещины; и вторая (2 на рис. 5в) - зона долома, зона быстрого разрушения.

Количество марок и типов конструкционных материалов, используемых в настоящее время, составляет десятки тысяч (таблица 7). Их классификация чаще всего производится по химическому составу. В соответствии с этой классификацией все конструкционные материалы делятся на две большие группы: металлы и неметаллы. При этом под понятием “металлы” подразумеваются, как чистые металлы, например, алюминий, медь, серебро, золото, применяемые в качестве проводников электрического тока, так и их сплавы, представляющие собой материалы, образовавшиеся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух и более химических элементов. Так сплавы железа с углеродом образуют стали (до 2,14% углерода) и чугуны (от 2,14% до 6,67% углерода), сплавы алюминия с кремнием – силумины, меди с цинком – латуни и т. д.

К сплавам черных металлов относятся сплавы на основе железа (стали и чугуны), марганца и хрома (ферросплавы, применяемые для легирования железо-углеродистых сплавов). Все остальные металлы и их сплавы относятся к цветным (точнее к не железным). По физическим и химическим свойствам цветные металлы делятся на легкие (алюминий, магний, титан, бериллий, литий, натрий и др.), тяжелые (медь, никель, кобальт, свинец, олово и др.), тугоплавкие, имеющие температуру плавления более 1600°С (вольфрам, рений, молибден и др.), благородные или драгоценные (золото, серебро, платина, палладий, родий и др.), радиоактивные (уран, торий, технеций и др) и т. д. Самую высокую температуру плавления имеет вольфрам - 3410°С, самую низкую – ртуть (-39°С);

Таблица 7

Свойства сплавов (средние данные)

Материал	sв, МПа	g×10-3, кг/м3	sв/g	Энергозатраты на производство МДж/т		Стоимость, у.е./т
				из руды	из вторичных ресурсов
Сталь углеродистая	550	7,8	7,1	25,2	1,98	180
Сталь низколегированная	650	7,8	9,3	25,7	2,00	290
Сталь низколегированная термоупрочненная	1000	7,8	12,8	26,4	2,05	320
Сталь мартенситостареющая	2500	7,8	32	+	+	520
Чугун доменный	150	7,2	2,1	+	-	120
Чугуг ваграночный серый	200	7,2	2,8	36	26	200
Чугун высокопрочный	500	7,2	6,9	36,2	26,2	260
Алюминиевые сплавы	350	2,7	13,0	270	16,6	1200
Алюминиевые композиционные материалы	1100	2,6	42,3	+	+	2600
Магниевые сплавы	300	1,73	17,3	+	+	2700
Магниевые композиционные материалы	1200	2,2	54,5	+	+	6100
Титановые сплавы	1500	4,5	33,3	+	+	2100
Стеклопластики типа СВАМ	700	1,8	38,8	-	-	500

Наиболее низким электрическим сопротивлением, Ом×м×10-8 обладают: серебро – 1,6; медь – 1,7; золото – 2,3; алюминий – 2,6. Самый пластичный химический элемент – золото. Из одного грамма золота можно вытянуть проволоку длиной 2,4 км, ее диаметр при этом составит 0,0045 мм, что в 20 раз тоньше человеческого волоса. Самый дешевый металлический конструкционный материал – серый чугун – около 200 долл./т, самый дорогой химический элемент – калифорний, который продавался в 1970 г. по цене 10 долл. за микрограмм, или 10 млн. долл. за грамм (стоимость 1 г. золота – 12 долл.).

Кроме металлических материалов все более широкое применение в технике находят неметаллические конструкционные материалы, лидирующее положение среди которых занимают пластические массы (пластмассы, пластики).

Особую группу конструкционных материалов представляют композиционные материалы, в металлической или неметаллической основе которых имеются усиливающие элементы в виде нитей, волокон или дисперсных частиц другого более прочного (или более твердого, более износостойкого, более электропроводного и т. д.) материала. Комбинируя объемное содержание компонентов, получают композиционные материалы с требуемыми значениями твердости, жаропрочности и других специальных свойств.

4. Указания к проведению работы и составлению отчета

4.1. Изучить теоретические сведения о свойствах материалов, методах их испытания для получения показателей, определяющих их механические свойства.

4.2. Изучить устройство и работу разрывной машины и маятникового копра для испытания образцов материалов, используя макеты и плакаты.

4.3. Изобразить диаграмму результатов испытания конкретного материала на растяжение, проставить нагрузки и величину удлинения (в масштабе).

4.4. Проанализировав таблицу свойств сплавов, указать в отчете материалы с максимальными и минимальными величинами прочности, удельного веса, удельной прочности, энергозатрат на производство и стоимости.

5. Вопросы для самопроверки

5.1. Какие показатели механических свойств материалов, характеризующие их прочность, определяются при испытании образцов на растяжение?

5.2. Какие показатели механических свойств материалов, характеризующие их пластичность, определяются при испытании образцов на растяжение?

5.3. Какие показатели механических свойств материалов, можно определить по диаграмме, полученной при испытании образцов на растяжение?

5.4. Какие показатели характеризуют ударную вязкость материала, при каких испытаниях они определяются?

5.5. Каковы признаки усталостной поломки детали при осмотре места излома?