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. Приложение к образцу материала растягивающей нагрузки при определённых условиях вызывает деформацию образца до его разрушения. В ходе испытания регистрируется деформация опытного образца при различных нагрузках и максимальная нагрузка, при которой образец разрушается, что позволяет рассчитать предел текучести, предел прочности на растяжение и другие эксплуатационные показатели материала.
Напряжение σ = F/A
σ — предел прочности на растяжение (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, необходимая для поддержания прямой линии.
б. После превышения нагрузки Fp кривая растяжения начинает приобретать нелинейный характер. Образец переходит в стадию начальной деформации, после снятия нагрузки образец может вернуться в исходное состояние и упруго деформироваться.
c. После того, как нагрузка превысит Fэ, она снимается, часть деформации восстанавливается, а часть остаточной деформации сохраняется, что называется пластической деформацией. Fэ называется пределом упругости.
г. При дальнейшем увеличении нагрузки кривая растяжения приобретает пилообразный вид. При отсутствии увеличения или уменьшения нагрузки явление непрерывного удлинения экспериментального образца называется текучестью. После достижения текучести образец начинает претерпевать выраженную пластическую деформацию.
е. После достижения предела текучести образец демонстрирует повышение сопротивления деформации, наклёпывание и деформационное упрочнение. При достижении нагрузки Fb та же часть образца резко усаживается. Fb — предел прочности.
f. Явление усадки приводит к снижению несущей способности образца. При достижении нагрузки Fk образец разрушается. Это называется разрушающей нагрузкой.
Предел текучести
Предел текучести — это максимальное напряжение, которое металлический материал может выдержать от начала пластической деформации до полного разрушения под действием 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 наступит текучесть.
Нижний предел текучести: относится к минимальному напряжению на стадии текучести без учёта начального переходного эффекта. 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 перед первым падением силы 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
Возьмём, к примеру, низкоуглеродистую сталь. Её предел текучести обычно составляет 207 МПа. При воздействии внешней силы, превышающей этот предел, низкоуглеродистая сталь деформируется и не подлежит восстановлению. При воздействии внешней силы, меньшей этого предела, низкоуглеродистая сталь может вернуться в исходное состояние.
Предел текучести — один 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 разрушению под действием растягивающей нагрузки, которая выражается максимальным значением напряжения, которое материал может выдержать при растяжении. Когда растягивающее напряжение в материале превышает его предел прочности, 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
Прочность на растяжение зависит от многих факторов, включая химический состав, микроструктуру, процесс термообработки, метод обработки и т. д. Разные материалы имеют разную прочность на растяжение, поэтому на практике необходимо выбирать подходящие материалы на основе их механических свойств.
Практическое применение
Прочность на разрыв – очень важный параметр в материаловедении и инженерии, часто используемый для оценки механических свойств материалов. Прочность на разрыв – фактор, который необходимо учитывать при проектировании конструкций, выборе материалов, оценке безопасности и т. д. Например, в строительстве прочность стали на разрыв играет важную роль в определении её способности выдерживать нагрузки; в аэрокосмической промышленности прочность на разрыв лёгких и высокопрочных материалов играет ключевую роль в обеспечении безопасности летательных аппаратов.
Усталостная прочность:
Усталость металла — это процесс, при котором материалы и компоненты постепенно создают локальные постоянные кумулятивные повреждения в одном или нескольких местах под действием циклических напряжений или циклических деформаций, а после определенного числа циклов возникают трещины или внезапные полные разрушения.
Функции
Внезапность: Разрушение металла вследствие усталости часто происходит внезапно, за короткий промежуток 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.
Уменьшение концентрации напряжений: уменьшение 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 — распространённый вид разрушения металла, характеризующийся внезапностью, локальностью и чувствительностью к внешним факторам. Основными факторами, влияющими на усталость металла, являются амплитуда напряжения, средняя величина напряжения и количество циклов.
Кривая SN: описывает усталостную долговечность материалов при различных уровнях напряжения, где S представляет собой напряжение, а N — количество циклов напряжения.
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 и (Ke) — коэффициент надежности.
Математическое выражение кривой SN:
(\сигма^м N = 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 обратившись к соответствующей литературе.
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: на основании кривой SN и коэффициента концентрации напряжений в сочетании с проектным сроком службы и уровнем рабочего напряжения детали рассчитайте усталостную прочность.
2. Пластичность:
Пластичность — это свойство материала под действием внешней силы сохранять остаточную деформацию, не разрушаясь при превышении предела упругости. Эта деформация необратима, и материал не возвращается к своей первоначальной форме даже после прекращения действия внешней силы.
Индекс пластичности и формула его расчета
Удлинение (δ)
Определение: Удлинение — это процент полной деформации измерительной части после разрыва образца при растяжении до первоначальной 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 образования шейки после разрыва образца до первоначальной площади поперечного сечения.
Формула: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Где F0 — исходная площадь поперечного сечения образца;
F1 — площадь поперечного сечения в точке образования шейки после разрушения образца.
3. Твердость
Твёрдость металла — показатель механических свойств, характеризующий твёрдость металлических материалов. Он характеризует способность материала противостоять деформации в локальном объёме на поверхности металла.
Классификация и представление твердости металлов
Твёрдость металлов классифицируется и определяется различными методами испытаний. К ним относятся, главным образом, следующие:
Твердость 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 или твердосплавный шарик определенного диаметра вдавливается в поверхность испытуемого металла, и 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 площадь сферической поверхности отпечатка.
Твердость 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.
Твердость 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 величину 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 сентября 2024 г.
