Испытание на прочность при растяжении в основном применяется для определения способности металлических материалов сопротивляться 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 растягивающей нагрузки к образцу материала при определенных условиях вызывает растягивающую деформацию, пока образец не сломается. В ходе испытания фиксируют деформацию экспериментального образца при различных нагрузках и максимальную нагрузку при разрыве образца, чтобы рассчитать предел текучести, предел прочности и другие эксплуатационные показатели материала.
Напряжение σ = F/A
σ — предел прочности (МПа)
F — растягивающая нагрузка (Н)
А — площадь поперечного сечения образца.
2. Кривая растяжения
Анализ нескольких этапов процесса растяжки:
а. На стадии ОП при небольшой нагрузке удлинение находится в линейной зависимости от нагрузки, а Fp — максимальная нагрузка для сохранения прямой линии.
б. После того, как нагрузка превысит Fp, кривая растяжения начинает принимать нелинейный характер. Образец входит в стадию начальной деформации, 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.
д. При дальнейшем увеличении нагрузки кривая растяжения становится пилообразной. Когда нагрузка не увеличивается и не уменьшается, явление непрерывного удлинения экспериментального образца называется текучестью. После текучести образец начинает подвергаться явной пластической деформации.
е. После текучести образец демонстрирует увеличение сопротивления деформированию, наклепа и деформационного упрочнения. Когда нагрузка достигает Fb, эта же часть образца резко сжимается. Fb – предел прочности.
ф. Явление усадки приводит к снижению несущей способности образца. Когда нагрузка достигает Fk, образец разрушается. Это называется разрушающей нагрузкой.
Предел текучести
Предел текучести — 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 от стадии упругой деформации к стадии пластической деформации.
Классификация
Верхний предел текучести: относится к максимальному напряжению образца до того, как сила впервые упадет, когда произойдет текучесть.
Более низкий предел текучести: относится к минимальному напряжению на стадии текучести, когда первоначальный переходный эффект игнорируется. Поскольку значение нижнего предела текучести относительно стабильно, его обычно используют в качестве показателя 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 процесса, а Sₒ — исходная площадь поперечного сечения образца.
Единица
Единицей предела текучести обычно является МПа (мегапаскаль) или Н/мм² (Ньютон на квадратный миллиметр).
Пример
В качестве примера возьмем низкоуглеродистую сталь, предел текучести которой обычно составляет 207 МПа. Под воздействием внешней силы, превышающей этот предел, низкоуглеродистая сталь будет вызывать остаточную деформацию и не подлежит восстановлению; 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
Предел прочности на разрыв – это способность материала сопротивляться разрушению под действием растягивающей нагрузки, которая выражается, в частности, как максимальное значение напряжения, которое материал может выдержать в процессе растяжения. Когда растягивающее напряжение материала превышает его предел прочности, материал подвергается пластической деформации или разрушению.
Формула расчета
Формула расчета прочности на разрыв (σt):
σt = F/А
Где F — максимальная растягивающая сила (Ньютон, Н), которую образец может выдержать до разрушения, а А — 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 при растяжении влияет множество факторов, в том числе химический состав, микроструктура, процесс термообработки, метод обработки и т. д. Разные материалы имеют разную прочность на разрыв, поэтому при практическом применении необходимо выбирать подходящие материалы, исходя из механических свойств. материалы.
Практическое применение
Предел прочности на разрыв является очень важным параметром в области материаловедения и техники и часто используется для оценки механических свойств материалов. С точки зрения проектирования конструкции, выбора материалов, оценки безопасности и т. д., прочность на разрыв является фактором, который необходимо учитывать. Например, в строительном машиностроении предел прочности стали является важным фактором, определяющим, сможет ли она выдерживать нагрузки; В области аэрокосмической промышленности предел прочности легких и высокопрочных материалов является ключом к обеспечению безопасности летательных аппаратов.
Усталостная прочность:
Усталостью металла называется процесс, при котором материалы и компоненты постепенно создают локальные необратимые 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 во времени. Усталостное разрушение металла часто происходит внезапно, за короткий период времени, без явных признаков.
Локальность положения: усталостное разрушение обычно происходит в тех местах, где сконцентрировано напряжение.
Чувствительность к окружающей среде и дефектам. Усталость металла очень чувствительна к окружающей среде и крошечным 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 находится под циклическим напряжением или деформацией, тем серьезнее накопление усталостных повреждений.
Профилактические меры
Оптимизируйте выбор материалов: выбирайте материалы с более высокими пределами выносливости.
Уменьшение концентрации напряжений. Уменьшите концентрацию напряжений за счет структурного проектирования или методов обработки, таких как использование переходов с закругленными углами, увеличение размеров поперечного сечения и т. д.
Обработка поверхности: полировка, напыление и т. д. на металлическую поверхность для уменьшения поверхностных дефектов и повышения усталостной прочности.
Осмотр и техническое обслуживание. Регулярно проверяйте металлические компоненты, чтобы быстро обнаружить и устранить дефекты, такие как трещины; обслуживать детали, склонные к усталости, например, заменять изношенные детали и усиливать 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 напряжения, где S представляет напряжение, а N представляет количество циклов напряжения.
Формула коэффициента усталостной прочности:
(Kf = Ка \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
Где (Ka) — коэффициент нагрузки, (Kb) — размерный коэффициент, (Kc) — температурный коэффициент, (Kd) — коэффициент качества поверхности, (Ke) — коэффициент надежности.
Математическое выражение кривой SN:
(\sigma^m N = C)
Где (\sigma) — напряжение, N — количество циклов напряжения, а m и C — константы материала.
Этапы расчета
Определим материальные константы:
Определите значения m и C посредством экспериментов или обратившись к соответствующей литературе.
Определите коэффициент концентрации напряжений: Учитывайте фактическую форму и размер детали, а также концентрацию напряжений, вызванную галтелями, шпоночными канавками и т. д., чтобы определить коэффициент концентрации напряжений K. Рассчитайте усталостную прочность: По кривой SN и напряжению Коэффициент концентрации в сочетании с расчетным сроком службы и уровнем рабочего напряжения детали позволяют рассчитать усталостную прочность.
2. Пластичность:
Пластичность относится к свойству материала, который под воздействием внешней силы вызывает постоянную деформацию без разрушения, когда внешняя сила превышает предел упругости. Эта деформация необратима, и материал не вернется к своей первоначальной форме, даже если устранить внешнюю силу.
Индекс пластичности и формула его расчета
Удлинение (δ)
Определение: Удлинение — это процент общей деформации расчетной секции после разрушения образца при растяжении до исходной расчетной длины.
Формула: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
где L0 — исходная расчетная длина образца;
L1 — расчетная длина после разрушения образца.
Сегментарная редукция (Ψ)
Определение: Сегментарное уменьшение представляет собой процент максимального уменьшения площади поперечного сечения в точке сужения после разрушения образца до исходной площади поперечного сечения.
Формула: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Где F0 — исходная площадь поперечного сечения образца;
F1 — площадь поперечного сечения в месте сужения после разрушения образца.
3. Твердость
Твердость металла — это показатель механических свойств, позволяющий измерить твердость металлических материалов. Это указывает на способность сопротивляться деформации в локальном объеме на поверхности металла.
Классификация и представление твердости металлов
Твердость металла имеет множество методов классификации и представления в соответствии с различными методами испытаний. В основном включают в себя следующее:
Твердость по Бринеллю (HB):
Область применения: Обычно используется, когда материал более мягкий, например, цветные металлы, сталь перед термообработкой или после отжига.
Принцип испытания: при определенном размере испытательной нагрузки в поверхность испытуемого металла вдавливается закаленный стальной или твердосплавный шарик определенного диаметра, и нагрузка разгружается через определенное время, а диаметр отпечатка на испытуемой поверхности.
Формула расчета: Значение твердости по Бринеллю представляет собой частное, полученное путем деления нагрузки на сферическую площадь поверхности отпечатка.
Твердость по Роквеллу (HR):
Область применения: Обычно используется для материалов с более высокой твердостью, например, твердостью после термообработки.
Принцип измерения: аналогичен твердости по Бринеллю, но с использованием других датчиков (алмаз) и других методов расчета.
Типы: В зависимости от применения различают HRC (для материалов высокой твердости), HRA, HRB и другие типы.
Твердость по Виккерсу (HV):
Область применения: Подходит для микроскопического анализа.
Принцип испытания: нажмите на поверхность материала нагрузкой менее 120 кг и индентором с алмазным квадратным конусом с углом при вершине 136 ° и разделите площадь поверхности ямки для отпечатка материала на значение нагрузки, чтобы получить значение твердости по Виккерсу.
Твердость по Либу (HL):
Особенности: Портативный твердомер, легко измеряется.
Принцип испытания: используйте отскок, создаваемый ударной шаровой головкой после удара о твердую поверхность, и рассчитайте твердость по отношению скорости отскока пуансона на расстоянии 1 мм от поверхности образца к скорости удара.
Время публикации: 25 сентября 2024 г.
