Испытание прочности на растяжение в основном используется для определения способности металлических материалов противостоять повреждениям в процессе растяжения и является одним из важных показателей оценки механических свойств материалов.
1. Испытание на растяжение
Испытание на растяжение основано на основных принципах механики материалов. Прикладывая растягивающую нагрузку к образцу материала при определенных условиях, он вызывает деформацию растяжения до тех пор, пока образец не разорвется. Во время испытания регистрируется деформация опытного образца при различных нагрузках и максимальная нагрузка, при которой образец разрывается, чтобы рассчитать предел текучести, предел прочности на растяжение и другие эксплуатационные показатели материала.
Напряжение σ = F/A
σ — предел прочности при растяжении (МПа)
F — растягивающая нагрузка (Н)
A — площадь поперечного сечения образца
2. Кривая растяжения
Анализ нескольких этапов процесса растяжения:
а) На стадии ОП при небольшой нагрузке удлинение находится в линейной зависимости от нагрузки, а Fp — это максимальная нагрузка для поддержания прямой линии.
б. После того, как нагрузка превысит Fp, кривая растяжения начинает приобретать нелинейную зависимость. Образец переходит в начальную стадию деформации, и нагрузка снимается, и образец может вернуться в исходное состояние и упруго деформироваться.
в. После того, как нагрузка превысит Fe, нагрузка снимается, часть деформации восстанавливается, а часть остаточной деформации сохраняется, что называется пластической деформацией. Fe называется пределом упругости.
d. При дальнейшем увеличении нагрузки кривая растяжения приобретает пилообразный вид. Когда нагрузка не увеличивается и не уменьшается, явление непрерывного удлинения опытного образца называется текучестью. После текучести образец начинает претерпевать очевидную пластическую деформацию.
е. После текучести образец показывает увеличение сопротивления деформации, наклеп и деформационное упрочнение. Когда нагрузка достигает Fb, та же часть образца резко усаживается. Fb — предел прочности.
f. Явление усадки приводит к снижению несущей способности образца. Когда нагрузка достигает Fk, образец разрушается. Это называется разрушающей нагрузкой.
Предел текучести
Предел текучести — это максимальное значение напряжения, которое может выдержать металлический материал от начала пластической деформации до полного разрушения при воздействии внешней силы. Это значение отмечает критическую точку, в которой материал переходит из стадии упругой деформации в стадию пластической деформации.
Классификация
Верхний предел текучести: относится к максимальному напряжению образца до того, как сила упадет в первый раз, когда произойдет текучесть.
Нижний предел текучести: относится к минимальному напряжению на стадии текучести, когда начальный переходный эффект игнорируется. Поскольку значение нижнего предела текучести относительно стабильно, его обычно используют в качестве индикатора сопротивления материала, называемого пределом текучести или пределом текучести.
Формула расчета
Для верхнего предела текучести: R = F / Sₒ, где F — максимальная сила до того, как сила впервые упадет на стадии текучести, а Sₒ — исходная площадь поперечного сечения образца.
Для более низкого предела текучести: R = F / Sₒ, где F — минимальная сила F без учета начального переходного эффекта, а Sₒ — исходная площадь поперечного сечения образца.
Единица
Единицей предела текучести обычно является МПа (мегапаскаль) или Н/мм² (ньютон на квадратный миллиметр).
Пример
Возьмем в качестве примера низкоуглеродистую сталь, ее предел текучести обычно составляет 207 МПа. При воздействии внешней силы, превышающей этот предел, низкоуглеродистая сталь даст постоянную деформацию и не может быть восстановлена; при воздействии внешней силы, меньшей этого предела, низкоуглеродистая сталь может вернуться в исходное состояние.
Предел текучести является одним из важных показателей оценки механических свойств металлических материалов. Он отражает способность материалов сопротивляться пластической деформации под действием внешних сил.
Предел прочности
Прочность на растяжение — это способность материала противостоять повреждению под действием растягивающей нагрузки, которая конкретно выражается как максимальное значение напряжения, которое материал может выдержать в процессе растяжения. Когда растягивающее напряжение на материале превышает его предел прочности на растяжение, материал подвергается пластической деформации или разрушению.
Формула расчета
Формула расчета прочности на растяжение (σt) имеет вид:
σt = F / A
Где F — максимальная сила растяжения (Ньютон, Н), которую образец может выдержать до разрушения, а A — исходная площадь поперечного сечения образца (квадратный миллиметр, мм²).
Единица
Единицей прочности на растяжение обычно является МПа (мегапаскаль) или Н/мм² (ньютон на квадратный миллиметр). 1 МПа равен 1 000 000 ньютонов на квадратный метр, что также равно 1 Н/мм².
Факторы влияния
На прочность на разрыв влияет множество факторов, включая химический состав, микроструктуру, процесс термообработки, метод обработки и т. д. Различные материалы имеют разную прочность на разрыв, поэтому при практическом применении необходимо выбирать подходящие материалы на основе механических свойств материалов.
Практическое применение
Прочность на разрыв является очень важным параметром в области материаловедения и инженерии и часто используется для оценки механических свойств материалов. С точки зрения проектирования конструкций, выбора материалов, оценки безопасности и т. д. прочность на разрыв является фактором, который необходимо учитывать. Например, в строительной инженерии прочность на разрыв стали является важным фактором в определении того, может ли она выдерживать нагрузки; в области космонавтики прочность на разрыв легких и высокопрочных материалов является ключом к обеспечению безопасности самолетов.
Усталостная прочность:
Усталость металла — это процесс, при котором материалы и компоненты постепенно создают локальные постоянные кумулятивные повреждения в одном или нескольких местах под действием циклического напряжения или циклической деформации, а после определенного количества циклов возникают трещины или внезапные полные разрушения.
Функции
Внезапность: Разрушение металла вследствие усталости часто происходит внезапно в течение короткого периода времени без явных признаков.
Локальность положения: Усталостное разрушение обычно происходит в локальных областях, где концентрируется напряжение.
Чувствительность к окружающей среде и дефектам: Усталость металла очень чувствительна к окружающей среде и мельчайшим дефектам внутри материала, которые могут ускорить процесс усталости.
Факторы влияния
Амплитуда напряжения: Величина напряжения напрямую влияет на усталостную долговечность металла.
Средняя величина напряжения: чем больше среднее напряжение, тем короче усталостная долговечность металла.
Количество циклов: Чем больше раз металл подвергается циклическому напряжению или деформации, тем серьезнее накопление усталостных повреждений.
Профилактические меры
Оптимизируйте выбор материала: выбирайте материалы с более высокими пределами усталости.
Снижение концентрации напряжений: снижение концентрации напряжений за счет структурного проектирования или методов обработки, таких как использование закругленных угловых переходов, увеличение размеров поперечного сечения и т. д.
Обработка поверхности: полировка, напыление и т. д. на поверхность металла для уменьшения дефектов поверхности и повышения усталостной прочности.
Осмотр и техническое обслуживание: Регулярно осматривайте металлические компоненты, чтобы своевременно обнаруживать и устранять дефекты, такие как трещины; обслуживайте детали, подверженные усталости, например, заменяя изношенные детали и усиливая слабые звенья.
Усталость металла — это распространенный вид разрушения металла, который характеризуется внезапностью, локальностью и чувствительностью к окружающей среде. Амплитуда напряжения, средняя величина напряжения и количество циклов являются основными факторами, влияющими на усталость металла.
Кривая SN: описывает усталостную долговечность материалов при различных уровнях нагрузки, где S представляет собой напряжение, а N представляет собой количество циклов нагрузки.
Формула коэффициента усталостной прочности:
(Кф = Ка \cdot Кб \cdot Кс \cdot Кд \cdot Кэ)
Где (Ka) — коэффициент нагрузки, (Kb) — размерный коэффициент, (Kc) — температурный коэффициент, (Kd) — коэффициент качества поверхности, а (Ke) — коэффициент надежности.
Математическое выражение кривой SN:
(\сигма^м Н = С)
Где (\sigma) — напряжение, N — число циклов напряжения, а m и C — константы материала.
Шаги расчета
Определим материальные константы:
Определите значения m и C экспериментально или с помощью соответствующей литературы.
Определите коэффициент концентрации напряжений: Рассмотрите фактическую форму и размер детали, а также концентрацию напряжений, вызванную галтелями, шпоночными пазами и т. д., чтобы определить коэффициент концентрации напряжений K. Рассчитайте усталостную прочность: По кривой SN и коэффициенту концентрации напряжений в сочетании с проектным сроком службы и уровнем рабочего напряжения детали рассчитайте усталостную прочность.
2. Пластичность:
Пластичность относится к свойству материала, который при воздействии внешней силы производит постоянную деформацию без разрушения, когда внешняя сила превышает его предел упругости. Эта деформация необратима, и материал не вернется к своей первоначальной форме, даже если внешняя сила будет устранена.
Индекс пластичности и формула его расчета
Удлинение (δ)
Определение: Удлинение — это процент полной деформации измерительной части после разрыва образца при растяжении до исходной измерительной длины.
Формула: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Где L0 — исходная расчетная длина образца;
L1 — расчетная длина после разрушения образца.
Сегментарное сокращение (Ψ)
Определение: Сегментарное уменьшение представляет собой процент максимального уменьшения площади поперечного сечения в точке сужения после разрыва образца до исходной площади поперечного сечения.
Формула: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Где F0 — исходная площадь поперечного сечения образца;
F1 — площадь поперечного сечения в точке сужения после разрушения образца.
3. Твёрдость
Твёрдость металла — показатель механических свойств, измеряющий твёрдость металлических материалов. Он указывает на способность противостоять деформации в локальном объёме на поверхности металла.
Классификация и представление твердости металлов
Твердость металла имеет множество классификаций и методов представления в соответствии с различными методами испытаний. В основном включают следующее:
Твёрдость по Бринеллю (HB):
Область применения: Обычно используется, когда материал более мягкий, например, цветные металлы, сталь перед термической обработкой или после отжига.
Принцип испытания: При определенной величине испытательной нагрузки закаленный стальной шарик или шарик из карбида определенного диаметра вдавливается в поверхность испытуемого металла, а через определенное время нагрузка снимается, и измеряется диаметр отпечатка на испытуемой поверхности.
Формула расчета: Значение твердости по Бринеллю представляет собой частное, полученное путем деления нагрузки на сферическую площадь поверхности отпечатка.
Твёрдость по Роквеллу (HR):
Область применения: Обычно используется для материалов с повышенной твердостью, например, твердостью после термической обработки.
Принцип испытания: аналогичен испытанию на твердость по Бринеллю, но с использованием других зондов (алмазных) и других методов расчета.
Типы: В зависимости от области применения различают типы HRC (для материалов высокой твёрдости), HRA, HRB и другие.
Твёрдость по Виккерсу (HV):
Область применения: Подходит для микроскопического анализа.
Принцип испытания: надавите на поверхность материала с нагрузкой менее 120 кг и алмазным квадратным коническим индентором с углом при вершине 136° и разделите площадь поверхности углубления на материале на значение нагрузки, чтобы получить значение твердости по Виккерсу.
Твердость по Либу (HL):
Особенности: Портативный твердомер, простой в измерении.
Принцип испытания: используйте отскок, создаваемый ударной головкой после удара о твердую поверхность, и рассчитайте твердость как отношение скорости отскока пуансона на расстоянии 1 мм от поверхности образца к скорости удара.
Время публикации: 25-сен-2024
