2. Механические, конструкционные и эксплуатационные свойства материалов

Общие понятия о нагрузках, напряжениях, деформациях и разрушениях материалов
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений
Нагрузки
статические – скорость нагружения минимальная
динамические – высокая скорость нагружения – удар
9/28/2020
Footer Text

Типы нагрузок
9/28/2020
Footer Text
растягивающие
сжимающие
изгибающие
скручивающие
срезывающие

Напряжения
9/28/2020
Footer Text
Напряжения - внутренние силы, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения
Осевое растяжение цилиндра и внутренние силы
Р - растягивающая сила
F0 -площадь поперечного сечения :
σ = P/F0.
После снятия внешней нагрузки в теле могут оставаться внутренние напряжения.
Причины внутренних напряжений:
1. внешние механические нагрузки
2. резкие перепады температуры
3. структурно – фазовые превращения, происходящие в процессе технологической обработки материала.

Дислокационные механизмы упругопластической деформации
9/28/2020
Footer Text
Под действием силы Р зерна расслаиваются на пачки скольжения, которые смещаются относительно друг друга, что приводит к вытягиванию зерен в волокна.
При этом происходит разрастание дефектов, которые, даже разрывая только одну межатомную связь, приводят к смещению остальных, увеличивая пластическую деформацию.
Разрушение тела состоит из нескольких стадий
зарождение микротрещин
образование макротрещин
распространение макротрещин по всему объему.

Виды деформации
9/28/2020
Footer Text
При пластической деформации изменение размеров тела может происходить скольжением (сдвигом) и двойникованием, т.е поворотом одной части кристалла в положение, симметричное другой его части
Деформация: линейная или угловая (деформация сдвига).
упругая – исчезающая после снятия нагрузки;
пластическая - остающаяся в теле (с изменением размеров).
При пластической деформации необратимо изменяется форма и размеры детали.

Вязкое и хрупкое разрушение
В результате пластической деформации может происходить вязкое и хрупкое разрушение.
Вязкое – при действием касательных напряжений, сопровождается значительной пластической деформацией и происходит срезом. В месте разрушения наблюдается матовый излом.
Хрупкое – под действием нормальных напряжений вызывающих отрыв частей без макропластической деформации – блестящий излом.
9/28/2020
Footer Text

9/28/2020
Footer Text

9/28/2020
Footer Text

Свойства и методы испытания материалов
Определяют:
упругость
пластичность
твердость
вязкость
усталость
трещиностойкость
холодостойкость
жаропрочность
9/28/2020
Footer Text

Статическое испытание на растяжение
9/28/2020
Footer Text

Диаграмма растяжения
9/28/2020
Footer Text

9/28/2020
Footer Text

9/28/2020
Footer Text

Твердость – свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в его поверхность.
Индентор - тело стандартного размера, которое вдавливается в образец.
9/28/2020
Footer Text
Испытание на твердость

9/28/2020
Footer Text
:
а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
Схемы определения твердости

9/28/2020
Footer Text

Твердость по Бринеллю
9/28/2020
Footer Text

Метод Виккерса
9/28/2020
Footer Text
С использованием алмазной четырехгранной пирамиды.
Р= 50…100 0 Н
t=15c.
Диагональ отпечатка d измеряют для расчетов
Преимущества:
1. возможность измерения твердости любых материалов
2. измерение поверхностных слоев

9/28/2020
Footer Text

Метод Роквелла
вдавливание в поверхность наконечника под определенной нагрузкой
Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шар диаметром d=1.6мм, для более твердых материалов – алмазный конус α=120°.
Нагружение в два этапа:
Сначала прикладывается предварительная нагрузка Р0 (10 кгс/100 Н)
Затем прикладывается основная нагрузка Р1, в течение некоторого времени
После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой Р0.
В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости
9/28/2020
Footer Text

Три шкалы твердости по Роквеллу
9/28/2020
Footer Text

Трещиностойкость
(при статическом нагружении)
Трещиностойкость : способность материала конструкции сопротивляться образованию или развитию до заданных пределов в нем трещин под действием нагрузок, технологических и климатических воздействий.
Трещины возникают как результат металлургии, так и при технологических воздействиях.
Критическая трещиностойкость - критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации в вершине трещины
Для определения характеристик трещиностойкости испытывают с записью диаграмм "нагрузка-смещение" или "нагрузка-прогиб" образцы с предварительно нанесенной усталостной трещиной.
9/28/2020
Footer Text

9/28/2020
Footer Text
Механические свойства, определяемые при динамическом нагружении

9/28/2020
Footer Text

Механические свойства при циклическом нагружении
Усталость – процесс постепенного накопления повреждений в металле при действии циклических нагрузок, приводящей к образованию трещин и разрушений.
Выносливость – свойство противостоять усталости.
Сопротивление усталости характеризует перелом выносливости
9/28/2020
Footer Text

9/28/2020
Footer Text

Безобразцовый метод определения механических свойств
Безобразцовый метод основан на инденторных испытаниях материалов, в результате которых определяют специальные характеристики твердости и пересчитывают их на показатели других механических свойств.
Достоинство данного способа определения параметров металла состоит в том, что можно быстро оценить механические характеристики готового изделия, не выводя его из строя и не вырезая из них образцов.
Представляет большой научный и практический интерес в области исследования, контроля и диагностики качества металла. В некоторых случаях это единственный пригодный для оценки механических свойств малых объёмов или локальных зон обработанного металла (уплощенный слой, сварные соединения). Эффективен для определения остаточного ресурса оборудования, пробывшего длительное время в эксплуатации и выработавшего свой расчетный срок службы.
Принцип работы.
Используется диаграмма непрерывного вдавливания индентора, которую можно аппроксимировать степенной зависимостью
ρ=a·dn, где
ρ- нагрузка вдавливания
d- диаметр остаточного отпечатка
a, n- коэффициенты, характеризующие материал
А=а·Д(n-2), а зависит от Д, n-коэффициент
И отсюда следует автоматизация расчетов.
Исходя из диаграммы, по формулам определяют механические характеристики. Используя МЭИ-Т7, можно управлять измерениями дистанционно.
9/28/2020
Footer Text

9/28/2020
Footer Text
Прибор, закрепленный на трубопроводе для оценки его состояния

Технологические и эксплуатационные свойства. Методы определения
Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.
1. Литейные свойства.
Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.
Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.
Усадка (линейная и объемная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения.
Ликвация – неоднородность химического состава по объему.
2. Способность материала к обработке давлением.
Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.
Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки.
Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание.
Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.
9/28/2020
Footer Text

9/28/2020
Footer Text