Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение» для студентов направления подготовки бакалавров. Ткаченко Ю.С., Симонова Ю.Э

где Р_т - усилие при текучести.

Физический предел текучести определяют по диаграмме растяжений, когда на ней имеется горизонтальный участок (площадка текучести). Такой участок характерен только для малоуглеродистых сталей и латуней. Для остальных сплавов определяют условный предел текучести, который равен напряжению Р_0,2, при котором остаточное удлинение образца составляет 0,2 %:

, МПа, (4)

Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение _0,2 несложно определить при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения.

Пластическое деформирование выше точки С идет при возрастающей нагрузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. До точки Д удлинение происходит равномерно по всей длине рабочей части рабочей части образца. Цилиндрическая форма образца сохраняется, хотя диаметр его уменьшается по мере удлинения. Ордината точки Д соответствует максимальному усилию Р_тах и служит для определения предела прочности или временного сопротивления:

, МПа, (5)

Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Р_тах до Р_Е (см. рис. 2). Это объясняется появлением в образце местного утонения – шейки, в которой в основном сосредотачивается пластическая деформация. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышаются до тех пор, пока образец не разорвется. В точке Е определяют истинное сопротивление разрыву S_и – напряжение, определяемое отношением усилия в момент разрыва Р_Е к минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва F_к:

, МПа (6)

Напряжения _0,05, _т и _в - стандартные характеристики прочности.

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

Относительное удлинение определяется по формуле:

(7)

Относительное сужение:

(8)

На рис. 8. представлены типовые диаграммы растяжения различных материалов.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством машины для испытаний на растяжение Р-5 и принципом работы на ней.

2. Получить и подготовить образцы для испытания, замерить диаметр. Вычислить площадь поперечного сечения образца и определить начальную расчетную длину l_o.

3. Произвести испытание образцов.

4. Зафиксировать максимальную нагрузку, достигнутую в процессе испытания.

5. Сложив разорванные части, замерить конечную расчетную длину образца. Рассчитать относительное удлинение.

6. Замерить диаметр образца в месте разрыва. Рассчитать относительное сужение.

7. Рассчитать предел прочности и истинное сопротивление разрыву.

8. Занести все результаты измерений и расчета характеристик в таблицу.

Р ис. 8. Типовые диаграммы растяжения различных металлов: а - углеродистая сталь; б – аустенитная сталь; в – медь холоднодеформированная 1 и рекристаллизационная2; г – углеродистая закаленная сталь 3, улучшенная 4 и отожженная 5; д – высокопрочный чугун 6, ферритный ковкий чугун 7, серый чугун 8; е – высокоуглеродистая сталь 9, алюминий 10

Содержание отчета

1. Название, цель работы.

2. Краткие сведения об основных характеристиках прочности и пластичности металлических материалов.

3. Эскиз образца.

4. Диаграмма растяжения.

5. Таблица с результатами эксперимента.

6. Рассчитанные количественные данные о прочностных и пластических характеристиках испытанных образцов.

7. Выводы.

Лабораторная работа № 6 испытания на ударную вязкость

Цель работы: изучение оборудования и методики испытаний на ударную вязкость; определение ударной вязкости стальных образцов.

Необходимое оборудование, приспособления, инструмент, материалы: маятниковый копер МК-30, штангенциркуль, призматические стальные образцы, лупа.

Краткие теоретические сведения

Ударная вязкость – работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора (надреза). Ударную вязкость обозначают буквами КС (символ ударной вязкости), третья буква – вид концентратора: KCU, KCV, KCT. Допускается обозначать ударную вязкость двумя индексами (a_i); первый (а) – символ ударной вязкости; второй (i) – символ типа образца.

Работа удара – работа, затрачиваемая на разрушение образца, обозначается двумя буквами (KU, KV, или KT) и цифрами. Первая буква (К) - символ работы удара, вторая буква (U, V или Т) – вида концентратора. Допускается обозначать работу удара двумя буквами А_i: первый (А) – символ работы удара, второй (i) – символ типа образца.

Хладноломкость – свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры.

Испытания металлов и сплавов, из которых изготовлены механизмы и оборудование, проводимые под действием статических нагрузок, не дают объективных данных для оценки надежности устройств в целом. Важное значение имеет определение механических характеристик в условиях, близких к реальным, когда под действием определенных факторов (действие концентраторов напряжений, увеличение скорости деформации, понижение температуры и др.) металлы переходят в хрупкое состояние и могут катастрофически (очень быстро) разрушаться. В связи с этим во многих технических условиях на изготовление различных изделий предусмотрены динамические испытания материалов – испытания на ударный изгиб (определение ударной вязкости).

Метод испытания на ударный изгиб при температуре от минус 100 С до плюс 1200 С регламентирован ГОСТ 9454-78. Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра (рис. 9).

Рис. 9. Схема маятникового копра и образца для определения ударной вязкости.

Копер имеет тяжелый маятник, который свободно качается вокруг оси. При помощи защелки маятник может быть свободно установлен на различной высоте. Если защелку освободить, то маятник упадет и по инерции взлетит на такую же высоту, на которую был поднят. Если на пути падения маятника встретится препятствие, то преодолев его, энергия падения маятника уменьшится, и он взлетит на меньшую высоту. Препятствием является образец, который устанавливают на пути падения маятника, надрезом в сторону, противоположную удару маятника. Падая, маятник ребром ломает образец.

Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на взлет маятника после разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника вычесть часть, затраченную на взлет после разрушения образца, то получится работа удара, затраченная на излом образца.

Стандартный образец устанавливают на две опоры и посередине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость:

, (1)

где F- площадь поперечного сечения образца в месте концентратора (надреза), см²

F = h·b, (2)

где h – начальная высота рабочей части образца, см, (рис. 3, а);

b– начальная ширина образца, см.

В соответствии с ГОСТ 9454-78 предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трех видов: U-образным (радиус надреза r = 1 мм); V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают: KCU, KCV, KCT.

Образцы с U-образным концентратором применяют при выборе и приемо-сдаточных испытаниях металлов и сплавов конструкций общего назначения; V-образным концентратором – для конструкций повышенной степени надежности (летательные аппараты, транспортные средства, трубопроводы, сосуды давления и т. п.); Т-образным – для особо ответственных конструкций, для эксплуатации которых оценка сопротивления развитию трещины имеет первостепенное значение.

Основным критерием ударной вязкости является KCU. Она состоит из двух составляющих:

KCU = KC_з + KC_р, (3)

где KC_з – работа зарождения трещины; KC_р.

КСТ – работа распространения трещины. Чем острее надрез, тем меньше KC_з. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.

Разрушение может быть двух видов: хрупкое и вязкое.

Трещина при хрупком разрушении острая, часто ветвящаяся, распространяется быстро, в устье трещины зона пластической деформации небольшой протяженности. При вязком разрушении пластическая зона, идущая впереди распространяющейся трещины велика, а сама трещина затупляется у своей вершины.

Оценить характер разрушения можно по виду излома. Волокнистый (матовый) излом характеризуется наличием волокон, образующихся при пластической деформации зерен в процессе разрушения. Он имеет матовую шероховатую поверхность в случае распространения разрушения в плоскости, перпендикулярной направлению действия максимальных растягивающих напряжений. Когда разрушение совпадает с направлением действия касательных напряжений, волокнистый излом приобретает более блестящий, шелковистый вид. Хрупкий (кристаллический) излом характеризуется наличием на поверхности плоских блестящих участков (фасеток). Качественную оценку характера разрушения можно сделать визуально по величине волокнистой составляющей излома:

, (4)

где F_вяз– площадь поверхности излома, где проходило вязкое разрушение;

F - общая площадь поверхности излома.

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости – температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости и разрушение становится преимущественно хрупким. Порог хладноломкости – количественная характеристика хладноломкости.

Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих ОЦК или ГП решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК решеткой.

Для определения температурного порога хладноломкости проводят оценку ударной вязкости при различных температурах и строят так называемые сериальные кривые: кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытаний и кривую зависимости процента волокна в изломе от температуры испытаний. Порог хладноломкости обозначают температурой t₅₀, при которой в изломе образца имеется 50 % волокнистой составляющей и КСТ снижается наполовину (рис. 10.). Зная температурный порог хладноломкости можно определить температурный запас вязкости – интервал температур между порогом хладноломкости (t₅₀) и рабочей температурой эксплуатации материала (t_р):

(5)

При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.

Для ответственных деталей за критическую температуру хрупкости принимают температуру, при которой в изломе 90 % волокна, ее называют t₉₀ – верхний порог хладноломкости.

Нижнему порогу хладноломкости t₁₀ соответствует не более 10 % волокна в изломе.

По изменению геометрических размеров поперечного сечения образцов в месте надреза после испытаний можно оценить также деформационную характеристикупластичности при ударном изгибе :

(6)

где B₂– ширина образца в сечении с надрезом на стороне, с которой наносился удар;

B₁ – ширина образца на стороне, противоположной той, на которую наносился удар (рис. 11);

b – ширина образца до испытаний.

По результатам испытания на ударный изгиб можно установить такие свойства материалов, как хладноломкость, красноломкость, отпускную хрупкость и др., которые при статических испытаниях не всегда можно обнаружить. Известно, что деформируемые цветные сплавы меди, алюминия и др. нецелесообразно подвергать испытаниям на ударный изгиб, так как они при любых температурах не обнаруживают перехода в хрупкое состояние. Нет необходимости в проведении ударных испытаний некоторых литых сплавов (чугун, литые алюминиевые и магниевые сплавы), которые разрушаются хрупко при статических испытаниях на растяжение.

Р ис. 10. Влияние температуры испытаний на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCU, KCT

Рис. 11. Сечения образца для испытания на ударный изгиб: а - до испытания; б - после испытания

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством маятникового копра и принципом работы на нем. Особое внимание обратить на правила техники безопасности.

2. Получить и подготовить образцы для испытаний: тщательно измерить поперечное сечение образца в месте надреза. Рассчитать площадь поперечного сечения.

3. Произвести испытания на копре серий образцов с разным исходным состоянием (после отжига, закалки, нормализации). Определить работу, затраченную на разрушение надрезанного образца.

4. Вычислить величину ударной вязкости.

5. Изучить структуру изломов и определить визуально долю вязкой составляющей в изломе (В, %).

6. Измерить образцы в плоскости разрушения после испытаний и определить деформационную характеристику пластичности при ударном изгибе (, %).

7. Занести все результаты экспериментов в протокол испытаний (таблица).

Содержание отчета