К атегория:
Слесарно-инструментальные работы
Прочность и твердость металла
Металлы, применяемые в машиностроении и инструментальном производстве, обладают разнообразными ценными свойствами, но самые главные из них - прочность и твердость.
Расскажем коротко об этих свойствах.
Прочность, как известно, есть способность материала сопротивляться разрушению. Если металл не рвется при растяжении и не разрушается при ударе, говорят, что металл прочен. Но в технике нельзя полагаться только на общее впечатление о том, прочен или недостаточно прочен металл, с которым имеют дело. Прочность материала должна быть точно измерена, причем должны быть отдельно определены его способность сопротивляться разрыву и его способность, противостоять ударным нагрузкам. Чтобы определить прочность металла, изготовленные из него образцы подвергают растяжению на специальных машинах до тех пор, пока они не разорвутся. Проследив при действии какой силы разорвался образец и изучив изменение его размеров в месте разрыва, можно получить полную и точную характеристику прочности металла, из которого образец изготовлен.
Затем, разделив величину силы, разорвавшей образец, выраженную в килограммах, на площадь поперечного сечения образца, выраженную в квадратных миллиметрах, узнают то напряжение, которое выдержал образец, т. е. прочность материала на разрыв. Величина этой силы, отнесенная к единице площади сечения и измеренная поэтому уже не в кг, а в кг/мм2, называется пределом прочности при растяжении и обозначается во всей технической литературе, чертежах и технологических документах буквой зв (сигма бэ).
Знание величины предела прочности при растяжении з8 того или иного металла позволяет не только рассчитать изделие на прочность, но и подобрать необходимые режимы резания при его обработке. Это имеет большое значение потому, что прочность сталей весьма различна. Так, например, Ст. 1 имеет = 32 40 кг/мм2, а некоторых высоколегированных сталей доходит до 200 кг/мм2.
Изучая дальше разорванный образец, можно обнаружить, что его сечение в месте разрыва несколько сузилось, а общая длина увеличилась. Это явление говорит о том, насколько данный материал способен противостоять разрушению и изменять свою форму, не нарушая молекулярной связи между его частицами, т. е. быть пластичным.
Если же теперь подсчитать насколько уменьшилась площадь поперечного сечения образца, а затем эту величину разделить на его первоначальную площадь, то получится результат, выраженный в. процентах и называемый относительным сжатием поперечного сечения. Относительное сжатие поперечного сечения обозначается буквой ф (пси) и характеризует вязкость материала. Величина у самых мягких низкоуглеродистых сталей доходит до 60%, у наименее вязких - до 30%.
Измерение увеличенной длины образца характеризует относительное удлинение и обозначается буквой 8 (дельта). Чем больше относительное удлинение, тем больше пластичность металла. По величине относительного удлинения 5 и относительного сжатия <|>, косвенно, можно судить и о вязкости металла. Под вязкостью металла понимают свойство материала противоположное хрупкости.
Второе главное свойство металлов - это твердость. Чем выше твердость, тем деталь долговечнее, тем медленнее она изнашивается. Режущий инструмент только потому снимает стружку с детали, что твердость его намного выше твердости обрабатываемого материала. Уже небольшое изменение твердости существенно сказывается на эксплуатационных свойствах детали и инструмента. Все это заставляет производственников тщательно следить за состоянием твердости детали.
Твердость металла определяется вдавливанием какого-нибудь, предмета в испытываемый материал. По глубине вдавливания судят насколько велика эта твердость. На этом принципе работают существующие приборы для измерения твердости: пресс Бринелля и приборы Роквелла.
При помощи пресса Бринелля твердость незакаленных сталей, а также чугуна измеряется вдавливанием в них стального шарика диаметром 10 мм с силой 3000 кг. Для других материалов сила вдавливания шарика меняется: для меди, латуни и им подобных она составляет 1000 кг, а для мягких сплавов 250 кг. Прибор Рок-велла определяет твердость закаленных материалов вдавливанием) специального алмазного конуса. Результатом измерения, характеризующим величину твердости материала, служат соответствующие числа твердости: число твердости по Бринеллю (Нв) и число твердости по Роквеллу (HR).
Число твердости по Бриннелю Я в представляет результат от деления нагрузки (в кг) на площадь отпечатка шарика, выраженную в мм2. Чтобы избежать вычислений при определении числа Нв, пользуются специальными таблицами, в которых можно найти это число по диаметру полученного отпечатка. Наивысшая твердость, которая может быть испытана на этом прессе, равна: Ив = 450.
Пресс Бринелля (рис. 15) действует следующим образом. Зачищенная до получения плоской и ровной поверхности деталь устанавливается на шаровую опору и маховиком, вращающим винт, поднимается до соприкосновения с шариком наконечника. Затем закрывают винтелем выход для масла из цилиндра в резервуар и создают давление на поршень и шариковый наконечник, действуя насосом. Приведенный в действие насос нагнетает масло в цилиндр из резервуара, создает давление на поршень и одновременно передает его манометру и рычагу с грузами. Величина давления соответствует весу грузов. Через некоторое время открывается винтель, часть масла из цилиндра уходит в резервуар и давление падает до нуля. После этого опускают маховиком винт, освобождают деталь и при помощи специальной лупы замеряют диаметр отпечатка.
Рис. 1. Схематическое изображение гидравлического пресса Бринелля.
Рис. 2. Схема действия прибора Роквелла.
Процесс испытания начинается с подвода предмета к алмазному наконечнику и приложения предварительного усилия (10 кг). Это усидчив создается пружиной, находящейся во втулке шпинделя прибора. Рабочий рычаг 6 действует на шпиндель прибора, причем точка его опоры находится на оси 7, а место передачи силы наконечнику --на призме. На этот рычаг действует груз.
В нерабочем положении рычаг опирается на серьгу и давление на шпиндель не передается. Во время испытания рукоятку освобождают и тогда рычаг вместе с серьгой и рычагом опускается. Плавному опусканию всей этой системы способствует масляный успокоитель 8, позволяющий регулировать скорость приложения силы на испытываемый предмет. Получив возможность перемещения, алмазный конус, опускаясь, проникает в металл. Величина этого перемещения передается рычажком индикатору.
Однако, следует сказать, что далеко не у всех деталей можно проверять твердость описанными приборами. Нельзя, например, с. их помощью определять твердость на режущей кромке инструмента или на внутренней поверхности какой-нибудь матрицы. В подобных случаях прибегают к проверке твердости с помощью тарированных напильников.
На этом можно закончить описание двух, наиболее важных свойств стали - ее прочности и твердости. Однако эти свойства непостоянны. Они могут изменяться с изменением структуры стали, т. е. ее строения. Что же заставляет изменяться структуру стали?
К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.
Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.
Пластичность - способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.
Твердость - способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю) , а после закалки - 500 . . . 600 НВ.
Ударная вязкость - способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см 2 или кгс м/см), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.
Упругость - способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм 2), который равен отношению напряжения а к вызванной им упругой деформации . Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.
Механические свойства металлов
Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).
В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.
Оценка свойств
При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.
- Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
- Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
- Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.
Конструкторская прочность металлов
Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:
- критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
- критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).
Критерии оценки
Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.
Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.
ГОСТ 25.503-97
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
РАСЧЕТЫ
И ИСПЫТАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ.
МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ
МЕТОД ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ
СОВЕТ
ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Воронежской государственной лесотехнической академией (ВГЛТА), Всероссийским институтом легких сплавов (ВИЛС), Центральным научно-исследовательским институтом строительных конструкций (ЦНИИСК им. Кучеренко), Всероссийским научно-исследовательским институтом стандартизации и сертификации в машиностроении (ВНИИНМАШ) Госстандарта РФ ВНЕСЕН Госстандартом России 2 ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 12-97 от 21 ноября 1997 г.) За принятие проголосовали:
|
Наименование государства |
Наименование национального органа по стандартизации |
| Азербайджанская Республика | Азгосстандарт |
| Республика Армения | Армгосстандарт |
| Республика Белоруссия | Госстандарт Белоруссии |
| Республика Казахстан | Госстандарт Республики Казахстан |
| Киргизская Республика | Киргизстандарт |
| Республика Молдова | Молдовастандарт |
| Российская Федерация | Госстандарт России |
| Республика Таджикистан | Таджикгосстандарт |
| Туркменистан | Главная государственная инспекция Туркменистана |
| Республика Узбекистан | Узгосстандарт |
| Украина | Госстандарт Украины |
ГОСТ 25.503-97
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
Дата введения 1999-07-01
1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Настоящий стандарт устанавливает методы статических испытаний на сжатие при температуре °С для определения характеристик механических свойств черных и цветных металлов и сплавов. Стандарт устанавливает методику испытания образцов на сжатие для построения кривой упрочнения, определения математической зависимости между напряжением течения s s и степенью деформации , и оценки параметров степенного уравнения (s s 1 - напряжение течения при = 1, п - показатель деформационного упрочнения). Механические характеристики, кривая упрочнения и ее параметры, определяемые в настоящем стандарте, могут быть использованы в случаях: - выбора металлов, сплавов и обоснования конструктивных решений; - статистического приемочного контроля нормирования механических характеристик и оценки качества металла; - разработки технологических процессов и проектирования изделий; - расчета на прочность деталей машин. Требования, установленные в разделах 4 , 5 и 6 , являются обязательными, остальные требования - рекомендуемыми.2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты: ГОСТ 1497-84 Металлы. Методы испытания на растяжение ГОСТ 16504-81 Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения ГОСТ 18957-73 Тензометры для измерения линейных деформаций строительных материалов и конструкций. Общие технические условия ГОСТ 28840-90 Машины для испытаний материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования3 ОПРЕДЕЛЕНИЯ
3.1 В настоящем стандарте применяют следующие термины с соответствующими определениями: 3.1.1 диаграмма испытаний (сжатия): График зависимости нагрузки от абсолютной деформации (укорочения) образца; 3.1.2 кривая упрочнения: График зависимости напряжения течения от логарифмической деформации; 3.1.3 осевая сжимающая нагрузка: Нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания; 3.1.4 условное номинальное напряжение s: Напряжение, определяемое отношением нагрузки к начальной площади поперечного сечения; 3.1.5 напряжение течения s s: Напряжение, превышающее предел текучести, определяемое отношением нагрузки к действительной для данного момента испытаний площади поперечного сечения образца при равномерном деформировании; 3.1.6 предел пропорциональности при сжатии : Напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и абсолютным укорочением образца достигает такого значения, при котором тангенс угла наклона, образованного касательной к диаграмме F - D h в точке F пц с осью нагрузок, увеличивается на 50 % своего значения на линейном упругом участке; 3.1.7 предел упругости при сжатии : Напряжение, при котором относительная остаточная деформация (укорочение) образца (e) достигает 0,05 % первоначальной расчетной высоты образца; 3.1.8 предел текучести (физический) при сжатии : Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения сжимающей нагрузки; 3.1.9 условный предел текучести при сжатии : Напряжение, при котором относительная остаточная деформация (укорочение) образца достигает 0,2 % первоначальной расчетной высоты образца; 3.1.10 предел прочности при сжатии : Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению; 3.1.11 показатель деформационного упрочнения n: Степенной показатель аппроксимирующего кривые упрочнения уравнения , характеризующий способность металла к упрочнению при равномерной пластической деформации.4 ФОРМА И РАЗМЕРЫ ОБРАЗЦОВ
4.1 Испытания проводят на образцах четырех типов: цилиндрических и призматических (квадратных и прямоугольных), с гладкими торцами I - III типов (рисунок 1) и торцевыми выточками IV типа (рисунок 2).
Рисунок 1 - Экспериментальные образцы I - III типов
Рисунок 2 - Экспериментальные образцы IV типа
4.2 Тип и размер образца выбирают по таблице 1. Таблица 1
|
Тип образца |
Начальный диаметр цилиндрического образца d 0 , мм |
Начальная толщина призматического образца а 0 , мм |
Рабочая (начальная расчетная) высота образца h(h 0)*, мм |
Определяемая характеристика |
Примечание |
| Модуль упругости, предел пропорциональности | Рисунок 1 | ||||
| Предел пропорциональности, предел упругости | |||||
|
6; 10; 15; 20; 25; 30 |
5; 10; 15; 20; 25; 30 |
Определяют по приложению А |
Физический
предел текучести, условный предел текучести. Построение кривой упрочнения до
значений логарифмических деформаций
 |
||
| Построение кривой упрочнения | Рисунок 2. Толщину и высоту буртика определяют по приложению А | ||||
| * Высоту призматического образца устанавливают исходя из его площади b × а, приравнивая ее к ближайшей площади через d 0 . ** Для построения кривых упрочнения применяются только цилиндрические образцы. | |||||
| Примечание - Ширину призматических образцов b определяют из соотношения . | |||||
5 ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ И АППАРАТУРЕ
5.1 Испытания проводят на машинах сжатия всех систем и машинах растяжения (зона сжатия), отвечающих требованиям настоящего стандарта и ГОСТ 28840. 5.2 При проведении испытаний на сжатие испытательная машина должна быть оснащена: - преобразователем силы и тензометром или преобразователями силы и перемещений с самопишущим прибором - при определении механических характеристик Е с, . При этом установка тензометра проводится на образец в его расчетной части, а самопишущий прибор предназначен для записи диаграммы F (D h); - преобразователями силы и перемещений с самопишущим прибором - при определении механических характеристик , , и построении кривой упрочнения на образцах III типа. При этом преобразователь перемещений устанавливают на активном захвате испытательной машины. Допускается измерять абсолютную деформацию (укорочение) образца D h измерительными приборами и инструментом; - преобразователем силы и измерительными приборами и инструментом - при построении кривой упрочнения на образцах IV типа. 5.2.1 Тензометры должны соответствовать требованиям ГОСТ 18957. 5.2.2 Суммарная погрешность измерения и регистрации перемещений с самопишущим прибором абсолютной деформации D h не должна превышать ± 2 % измеряемой величины. 5.2.3 Самопишущий прибор должен обеспечивать запись диаграммы F (D h) со следующими параметрами: - высотой ординаты диаграммы, соответствующей наибольшему предельному значению диапазона измерения нагрузок, не менее 250 мм; - масштабами записи по оси абсолютной деформации от 10:1 до 800:1. 5.2.4 Цена деления шкал измерительных приборов и инструмента при измерении конечной высоты образца h к не должна превышать, мм: 0,002 - при e £ 0,2 % ( ; для образцов I - III типов; 0,050 - при e > 0,2 % для образцов IV типа, где А 0 и А к - 0,002 - при £ 0,002 начальная и конечная площади поперечного 0,050 - при > 0,002 сечения) 5.2.5 Погрешность измерения конечного диаметра образца и размеров поперечного сечения призматического образца не должна быть более, мм: 0,01 - для размеров до 10 мм; 0,05 - для размеров свыше 10 мм.6 ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
6.1 Число образцов для оценки среднего значения механических характеристик Е с, , , , и должно быть не менее пяти*, если в нормативном документе на поставку материалов не оговорено другое количество. ____________ * Если разница в определяемых характеристиках не превышает 5 %, можно ограничиться тремя образцами. 6.2 Число образцов для построения кривой упрочнения 6.2.1 Для построения кривой упрочнения на образцах III, IV типов с последующей обработкой результатов испытаний методами корреляционного анализа число образцов выбирают в зависимости от предполагаемого вида кривой упрочнения и ее участков (см. приложение Б). Для участка I кривой упрочнения (см. рисунок Б.1а) испытывают не менее шести образцов, для участка II - не менее пяти образцов, для участка III - в зависимости от значения деформации, соответствующей данному участку (не менее одного образца на диапазон степеней деформации = 0,10). Для кривых упрочнения, приведенных на рисунках Б.1б - Б.1г и Б.1е - Б.1к, число образцов должно быть не менее 15, а для кривых, представленных на рисунке Б.1д, - не менее восьми образцов для каждого из участков кривой, отделенных друг от друга максимумами и минимумами. 6.2.2 При ограниченном объеме испытаний для построения кривой упрочнения на образцах III типа с последующим регрессионным анализом результатов испытания число образцов должно быть не менее пяти. 6.3 Испытания образцов на сжатие проводят в условиях, обеспечивающих минимальный эксцентриситет приложения нагрузки и безопасность проведения экспериментов. Рекомендуется использовать приспособление, приведенное в приложении В. 6.4 Твердость деформирующих плит должна превышать твердость упрочненных во время испытания образцов не менее чем на 5 HRC э. Толщину деформирующих плит устанавливают в зависимости от создаваемых усилий в образце и принимают равной 20-50 мм. 6.5 Необходимо контролировать соблюдение равномерности деформирования при испытании образцов на сжатие (отсутствие бочкообразования и вогнутости). 6.5.1 При определении модуля упругости Е с, предела пропорциональности и упругости контроль осуществляют с помощью приборов, устанавливаемых на противоположных сторонах призматического и цилиндрического образцов, при этом нормируемая разность показаний двух приборов не должна превышать 10 (15) %. 6.5.2 При определении предела текучести предела прочности и при построении кривой упрочнения контроль осуществляют по равенствам для цилиндрических и призматических образцов:Где h 0 - начальная расчетная высота цилиндрического и призматического образцов, по которой определяется укорочение (база тензометра), мм; h к - конечная расчетная высота цилиндрического и призматического образцов после испытания до заданной деформации или при разрушении, мм; А 0 - начальная площадь поперечного сечения цилиндрического образца, мм 2 - ; А к - конечная площадь поперечного сечения цилиндрического образца после испытания до заданной деформации или при разрушении, мм 2 ; А к.п - конечная площадь поперечного сечения призматического образца после испытания до заданной деформации или при разрушении, мм 2 (А к.п = а к, b к, где а к - конечная толщина призматического образца, b к. - конечная ширина призматического образца, мм); А 0п - начальная площадь поперечного сечения призматического образца, мм 2 (А 0п = а b). 6.6 При испытании образцов I, II типов торцы образцов обезжиривают. Смазывание торцов смазочным материалом недопустимо. 6.7 При испытании образцов III типа допускается применение смазочного материала, а при испытании образцов IV типа применение смазки является обязательным. 6.7.1 При испытании образцов III типа в качестве смазочного материала применяют машинное масло с графитом, смазочно-охлаждающую жидкость марки В-32К и Укринол 5/5. 6.7.2 При испытании образцов IV типа в качестве смазочного материала применяют стеарин, парафин, парафино-стеариновую смесь или воск. На образцы смазочный материал наносят в жидком состоянии. Толщина смазочного материала должна соответствовать высоте буртиков. 6.7.3 Допускается применение других смазочных материалов, обеспечивающих уменьшение контактного трения между образцами и деформирующей плитой. 6.8 При испытании образцов на сжатие до предела текучести скорость относительной деформации выбирают от 10 -3 с -1 до 10 -2 с -1 , за пределом текучести - не более 10 -1 с -1 , а для построения кривых упрочнения устанавливают от 10 -3 с -1 до 10 -1 с -1 . Скорость относительной деформации рекомендуется определять с учетом упругой податливости системы «испытательная машина - образец» (см. ГОСТ 1497). Если выбранная скорость относительной деформации в области текучести не может быть достигнута непосредственно регулированием испытательной машины, то ее устанавливают от 3 до 30 МПа/с [(от 0,3 до 3 кгс/мм 2 × с)] регулированием скорости нагружения до начала области текучести образца. 6.9 Определение механических характеристик 6.9.1 Механические характеристики Е с, , , определяют: - с помощью тензометров с ручным и автоматизированным съемом информации (аналитический и расчетный способ обработки); - по записанной испытательной машиной автодиаграмме в координатах «усилие - абсолютная деформация (Р - D h)» с учетом масштаба записи. Запись диаграмм выполняется при ступенчатом нагружении с циклами разгрузки и непрерывном приложении возрастающего усилия в диапазонах указанных скоростей нагружения и деформирования. Масштаб записи: - по оси деформации не менее 100:1; - по оси нагрузки 1 мм диаграммы должен соответствовать не более 10 МПа (1,0 кгс/мм 2). Поле записи усилий и деформаций должно быть, как правило, не менее 250 ´ 350 мм. 6.9.2 Результаты испытаний каждого образца записывают в протокол испытаний (приложение Г), а результаты испытаний партии образцов - в сводный протокол испытаний (приложение Д). 6.9.3 Модуль упругости при сжатии определяют на образцах I типа. Порядок проведения испытаний образца и методика построения диаграммы испытаний по показаниям преобразователя силы и тензометра приведены ниже. Образец нагружают до напряжения s 0 = 0,10 (напряжение соответствует ожидаемому значению предела пропорциональности). При напряжении s 0 на образец устанавливают тензометры и нагружают ступенчато-возрастаюшим напряжением до (0,70-0,80) . При этом перепад между соседними ступенями напряжения D s составляет 0,10 . По результатам испытаний строят диаграмму (рисунок 3). Модуль упругости при сжатии Е с, МПа (кгс/мм 2), рассчитывают по формуле
Где D F - ступень нагрузки, Н (кгс); D h ср - средняя абсолютная деформация (укорочение) образца при нагружении на D F , мм.
Рисунок 3 - Диаграмма испытаний для определения модуля упругости при сжатии
Для определения модуля упругости при сжатии по диаграмме F (D h), записанной на самопишущем приборе (см. 4.2), образец нагружают непрерывно до s = (0,7-0,8) . Напряжение соответствует ожидаемому значению предела пропорциональности. По диаграмме, используя формулу (1), определяем модуль упругости при сжатии Е с. 6.9.4 Предел пропорциональности при сжатии определяют на образцах I и II типов. Порядок испытаний образца и методика построения диаграммы по показаниям преобразователя силы и тензометра приведены ниже. Образец нагружают до напряжения s 0 = 0,10 (напряжение соответствует ожидаемому значению предела пропорциональности). При напряжении s 0 на образец устанавливают тензометр и нагружают ступенчато-возрастающим напряжением до (0,70-0,80) , при этом перепад между соседними ступенями напряжения D s составляет (0,10-0,15) . Далее образец нагружают ступенями напряжения, равными 0,02 . Когда значение абсолютной деформации (укорочение) образца D h на ступени напряжения, равной 0,02 , превысит среднее значение абсолютной деформации (укорочение) образца D h (при той же ступени напряжения) на начальном линейном упругом участке в 2, 3 раза, испытания прекращают.
Рисунок 4 - Диаграмма испытаний для определения предела пропорциональности при сжатии
По результатам испытаний строят диаграмму и определяют предел пропорциональности при сжатии (рисунок 4). При построении диаграммы проводят прямую ОМ, совпадающую с начальным прямолинейным участком. Через точку О проводят ось ординат OF , а затем - прямую АВ на произвольном уровне, параллельную оси абсцисс. На этой прямой откладывают отрезок KN , равный половине отрезка АК. Через точку N и начало координат проводят прямую ON и параллельно ей касательную CD к кривой. Точка касания определяет нагрузку F пц, соответствующую пределу пропорциональности при сжатии , МПа (кгс/мм 2), рассчитанному по формуле
Для определения предела пропорциональности при сжатии по диаграмме F (D h), записанной на самопишущем приборе (см. 4.2), образец нагружают непрерывно до напряжения, превышающего ожидаемое значение предела пропорциональности . По диаграмме, используя формулу (2) и проведя приведенные выше построения, определяют предел пропорциональности при сжатии от . 6.9.5 Предел упругости при сжатии определяют на образцах II типа. Порядок испытаний по показаниям преобразователя силы и тензометра приведен ниже. Образец нагружают до напряжения 0,10 (напряжение соответствует ожидаемому значению предела упругости при сжатии). При напряжении s 0 на образец устанавливают тензометр и нагружают ступенчато-возрастающим напряжением до (0,70-0,80) . При этом перепад между соседними ступенями напряжения D s составляет (0,10-0,15) . Далее с напряжения (0,70-0,80) образец нагружают ступенями напряжения, равными 0,05 . Испытания прекращают, когда остаточное укорочение образца превысит заданное значение допуска. По результатам испытаний строят диаграмму и определяют предел упругости при сжатии (рисунок 5).
Рисунок 5 - Диаграмма испытаний для определения предела упругости при сжатии
Для определения нагрузки F 0,05 рассчитывают абсолютную деформацию (укорочение образца) D h , исходя из базы тензометра. Найденное значение увеличивают пропорционально масштабу диаграммы по оси абсолютной деформации и отрезок, полученной длины ОЕ, откладывают по оси абсцисс вправо от точки О. Из точки Е проводят прямую ЕР, параллельную прямой ОА. Точка пересечения Р с диаграммой определяет высоту ординаты, т.е. нагрузку F 0,05 , соответствующую пределу упругости при сжатии s 0,05 МПа (кгс/мм 2), рассчитанному по формуле
Для определения предела упругости при сжатии по диаграмме F (D h), записанной на самопишущем приборе (см. 4.2), образец нагружают непрерывно до напряжения, превышающего ожидаемое значение предела упругости . По диаграмме, используя формулу (3) и рисунок 5, определяют предел упругости при сжатии . 6.9.6 Предел текучести (физический) при сжатии определяют на образцах III типа. Образец непрерывно нагружают до напряжения, превышающего ожидаемое значение , и записывают диаграмму на самопишущем приборе (см. 4.2). Пример определения нагрузки F т, соответствующей пределу текучести (физическому), приведен на рисунке 6.
Рисунок 6 - Определение нагрузки F т соответствующей пределу текучести при сжатии
Предел текучести (физический) , МПа (кгс/мм 2), рассчитывают по формуле
6.9.7 Условный предел текучести при сжатии определяют на образцах III типа. Образец непрерывно нагружают до напряжения, превышающего ожидаемое значение условного предела текучести , и записывают диаграмму на самопишущем приборе (см. 4.2). Масштаб по оси деформации не менее 100:1, а по оси нагрузки - 1 мм диаграммы должен соответствовать не более 10 МПа (1,0 кгс/мм 2). Допускается определение по диаграммам, записанным с масштабом по оси удлинений 50:1 и 10:1, если исходная высота образца больше или равна 25 и 50 мм соответственно. Полученную диаграмму перестраивают с учетом жесткости испытательной машины. По диаграмме (рисунок 7) определяют нагрузку, соответствующую условному пределу текучести (физическому) при сжатии рассчитанному по формуле
По результатам испытаний строят диаграмму F (D h) (рисунок 8) и определяют нагрузку, соответствующую условному пределу текучести при сжатии, который рассчитывают по формуле (5).
1 - характеристика жесткости испытательной машины; 2 - диаграмма F (D h), записанная на самопишущем приборе; 3 - диаграмма F (D h), записанная с учетом жесткости испытательной машины
Рисунок 7 - Диаграмма испытаний для определения условного предела текучести при сжатии
D h ос т - абсолютная остаточная деформация (укорочение) образца
Рисунок 8 - Диаграмма испытаний для определения условного предела текучести при сжатии
6.9.8 Предел прочности при сжатии определяют на образцах III типа. Образец непрерывно нагружают до разрушения. Наибольшую нагрузку, предшествующую разрушению образца, принимают за нагрузку , соответствующую пределу прочности при сжатии s в, МПа (кгс/мм 2), рассчитанному по формуле
6.10 Методика испытаний для построения кривой упрочнения 6.10.1 Для построения кривой упрочнения испытывают серию одинаковых цилиндрических образцов III и IV типов (см. раздел 3) на нескольких уровнях заданных нагрузок. 6.10.2 Кривую упрочнения строят в координатах: ордината - напряжение течения s s , абсцисса - логарифмическая деформация (рисунок 9) или в двойных логарифмических координатах , (рисунок 10).
Рисунок 9 - Экспериментальная кривая упрочнения в координатах s s -
Рисунок 10 - Экспериментальная кривая упрочнения в логарифмических координатах
Напряжение течения s s , МПа (кгс/мм 2), рассчитывают по формуле
Где F - осевая сжимающая нагрузка, Н (кгс). Напряжение течения s s 1 , МПа (кгс/мм 2), определяют графически по экспериментальной кривой упрочнения при логарифмической деформации (укорочении) образца , равной 1. Логарифмическую деформацию (укорочение) , рассчитывают по формулам: для образцов III типа
Для образцов IV типа
Результаты
испытаний каждого образца записывают в протокол испытаний (приложение Г), а результаты испытаний партии
образцов - в сводный протокол (приложение Д). Примечание -
Допускается построение кривой упрочнения по относительной деформации (укорочение)
e 
. 6.10.3 Порядок
испытаний образца приведен ниже. Нагружают
образец до заданной нагрузки. Разгружают образец до нулевой нагрузки и измеряют
конечный диаметр образца d к в двух взаимно перпендикулярных
направлениях, а для образцов III типа также конечную высоту образца h к. Конечный
диаметр d к для образцов IV
типа измеряют посредине осаженного образца (на расстоянии 0,5 от торцов). Для определения d к образцов III
типа измеряют диаметры осаженных образцов на обоих торцах в двух взаимно
перпендикулярных направлениях и устанавливают среднее арифметическое значение
конечного диаметра торцов d т, а посредине образца измеряют
максимальное значение конечного диаметра осаженной заготовки , мм, рассчитывают по формуле
Результаты измерений d к и h к усредняют. Конечную площадь поперечного сечения образца А округляют, как приведено в таблице 2. Для образцов IV типа одноразовое испытание проводят до момента исчезновения буртиков. С целью достижения более высоких степеней равномерной деформации применяют двухступенчатую осадку, при этом значение логарифмической деформации между осадками должно быть не менее 0,45. При двухступенчатом испытании проводят после первого осаживания перетачивание образцов для образования цилиндрической выточки (IV тип). Размеры буртиков образца выбирают по таблице 1 . Отношение высоты переточенного образца к диаметру принимают по приложению А. Для образцов III типа допускается применять промежуточное перетачивание для двухступенчатого осаживания, при этом логарифмическая степень деформации между ступенями должна быть не менее 0,45. 6.10.4 Напряжение течения s s и соответствующие им значения логарифмических деформаций для заданных уровней нагрузок определяют по 6.10.2. 6.10.5 Строят кривую упрочнения (см. рисунки 9, 10). Методика обработки экспериментальных данных изложена в приложении Е. 6.10.6 В обоснованных случаях (при ограниченном количестве образцов или при использовании результатов для расчетов процессов, связанных со ступенчатым нагружением) образцы III типа допускается испытывать при ступенчатом увеличении нагрузки (рисунок 11). При этом результаты испытаний для построения кривой упрочнения обрабатывают методом регрессионного анализа (см. приложение Е).
Рисунок 11 - Проведение испытаний при ступенчатом увеличении нагрузки
6.10.7 Испытание образцов считается недействительным: - при отрыве буртиков у образцов IV типа во время нагружения; - при разрушении образца по дефектам металлургического производства (расслой, газовые раковины, плены и т.д.). Количество образцов для испытаний взамен признанных недействительными должно быть одинаковым. 6.11 При проведении испытаний образцов всех типов соблюдают все правила технической безопасности, предусмотренные при работе на данном оборудовании. Испытания образцов IV типа выполняют обязательно с использованием приспособления (см. приложение В).
ПРИЛОЖЕНИЕ А
(справочное)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ОБРАЗЦОВ III, IV ТИПОВ
Образцы III типа для построения кривой упрочнения изготовляют высотой h 0 , превышающей диаметр d 0 . Для образцов IV типа допускается . Первоначальное отношение должно быть максимально возможно при условии обеспечения продольной устойчивости. Высоту образца h 0 определяют по формуле
, (А.1)
Где п - показатель деформационного упрочнения; n - коэффициент приведения высоты (n = 0,5 - для образцов III типа; n = 0,76 - для образцов IV типа). Высоту образца h 0 после определения по формуле (А.1) округляют до целого числа. Отношение для переточенных образцов принимают равным 1,0. Значения показателей п для широко применяемых металлов и сплавов приведены в таблице А.1. Толщину буртика u 0 (раздел 4) принимают равной 0,5-0,8 мм для образцов из пластичных и средней прочности материалов и 1,0-1,2 мм - для хрупких материалов. Большие значения u 0 выбирают для образцов, изготовленных из материалов с высокими прочностными свойствами, и при изготовлении образцов для повторной осадки. Таблица А.1 - Значение показателя деформационного упрочнения при сжатии пруткового материала
|
Материал |
Состояние материала |
Показатель деформационного упрочнения n |
|
1 ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ МЕТАЛЛЫ |
||
| Железо | Отжиг обычный | |
| Отжиг в вакууме | ||
| Алюминий | Отжиг | |
| Медь | Отжиг | |
| Никель | Отжиг | |
| Серебро | Отжиг | |
| Цинк | Отжиг | |
| Молибден | Отжиг рекристаллизационный | |
| Магний | Прессование | |
| Олово | - | |
| Уран | - | |
|
2 УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ |
||
| С содержанием углерода 0,05-0,10 % | Горячая прокатка | |
| С содержанием углерода 0,10-0,15 % | Отжиг | |
| Неполный отжиг | ||
| Нормализация | ||
| С содержанием углерода 0,20-0,35 % | Отжиг | |
| Неполный отжиг | ||
| Нормализация | ||
| Горячая прокатка | ||
| С содержанием углерода 0,40-0,60 % | Отжиг | |
| Неполный отжиг | ||
| Нормализация | ||
| Горячая прокатка | ||
| С содержанием углерода 0,70-1,0 % | Отжиг | |
| Неполный отжиг | ||
| Горячая прокатка | ||
| С содержанием углерода 1,1-1,3 % | Неполный отжиг | |
|
3 ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ |
||
| 15Х | Горячая прокатка | |
| 20Х | Отжиг | |
| Нормализация | ||
| Закалка + отпуск при t = 650 °С | ||
| Закалка + отпуск при t = 500 °С | ||
| 35Х | Горячая прокатка | |
| 40Х | Отжиг | |
| Нормализация | ||
| Закалка + отпуск при t = 400 °С | ||
| 45Х | Горячая прокатка | |
| 20Г | Отжиг | |
| Нормализация | ||
| 10Г2 | Отжиг | |
| 65Г | Горячая прокатка | |
| 15ХГ | Отжиг | |
| Горячая прокатка | ||
| 40ХН | Отжиг | |
| 35ХС | Отжиг | |
| Нормализация | ||
| 12ХН3А | Отжиг | |
| Нормализация | ||
| Закалка + отпуск при t = 600 °С | ||
| Горячая прокатка | ||
| 4ХНМА | Отжиг | |
| Нормализация | ||
| Закалка + отпуск при t = 600 °С | ||
| Горячая прокатка | ||
| 30ХГСА | Отжиг | |
| Нормализация | ||
| 18ХГТ | Отжиг | |
| 17ГСНД | Нормализация + старение при t = 500 °С | |
| 17ГСАЮ | Нормализация | |
| хвг | Отжиг | |
| 5ХНВ | ||
| 7Х3 | ||
| Х12Ф | ||
| 3Х3В8Ф | ||
| Р18 | ||
|
4 ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ |
||
| 20Х13 | Отжиг | |
| 12Х18Н9 | Нормализация | |
| 12Х18Н9Т | Закалка в масле | |
| Закалка в воде | ||
| 20Х13Н18 | Закалка в масле | |
| 10Х17Н13М2Т | Закалка в воде | |
|
Аустенитные стали типа 09Х17Н7Ю, 08Н18Н10, 10Х18Н12, 10Х23Н18 |
||
| 17-7 | Закалка | |
| 18-8 | ||
| 18-10 | ||
| 23-20 | ||
|
5 АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ |
||
| АМг2М | Отжиг | |
| А мг6 | Отжиг | |
| Д1 | Отжиг | |
| Закалка + естественное старение | ||
| Старение при t = 180 °С | ||
| Старение при t = 200 °С | ||
| 1915 | Закалка | |
| Зонное старение | ||
| Старение на максимальную прочность (стабильное состояние) | ||
| Прессование | ||
| АК4-1 | Отжиг | |
| Закалка + старение | ||
| АВ | Прессование | |
| Д20 | Прессование | |
| Д16 | Прессование | |
|
6 МЕДНЫЕ СПЛАВЫ |
||
| Латунь Л63 | Отжиг | |
| Латунь ЛС59-1В | Отжиг | |
| Латунь CuZn15 (15 % Zn) | - | |
| Латунь CuZn30 (30 % Zn) | - | |
| Бронза ОФ7-0,25 | Отжиг | |
| Бронза С u А l 41 (41 % A l) | - | |
|
7 ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ |
||
| ОТ4 | Отжиг в вакууме | |
| ВТ16 | Отжиг в вакууме | |
Где m - коэффициент Пуассона, значения которого для ряда металлов приведены в таблице А.2. ______________ 1) В случае применения повторной осадки образцы изготовляют с высотой буртиков на 0,02-0,03 мм меньше расчетной. Таблица А.2 - Значения коэффициентов Пуассона m металлов и сплавов
|
Наименование металлов и сплавов |
|
| Углеродистые стали с повышенным содержанием марганца (15Г, 20Г, 30Г, 40Г, 50Г, 60Г, 20Г2, 35Г2) | |
| Иридий | |
| Стали 20Х13, 30ХНМ | |
| Аустенитные стали | |
| Железо, низкоуглеродистые стали и высоколегированные стали марок 30Х13, 20Н5, 30ХН3 | |
| Цинк, вольфрам, гафний, стали с большим содержанием углерода, сталь 40ХН3 | |
| Хром, молибден | |
| Кобальт | |
| Алюминий, дюралюминий, никель, цирконий, олово | |
| Титан, магниевые сплавы | |
| Тантал | |
| Ванадий | |
| Серебро | |
| Медь | |
| Ниобий, палладий, платина | |
| Золото | |
| Свинец | |
| Индий |
Рисунок А.1 - Зависимость оптимального значения высоты буртиков от коэффициента Пуассона
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
(справочное)
ВИДЫ КРИВЫХ УПРОЧНЕНИЯ
Имеется восемь видов кривых упрочнения, построенных по результатам испытания на сжатие (рисунок Б.1). Ход кривых упрочнения s s () обусловлен главным образом природой металлов и сплавов (рисунок Б.1а, б, в, г, д), видом и режимом предварительной термической и пластической обработки (рисунок Б.1е, ж, к). Наиболее распространенным видом является кривая упрочнения, изображенная на рисунке Б.1а. Этим видом кривых упрочнения обладают термически обработанные и горячекатаные углеродистые и легированные конструкционные и инструментальные стали, многие высоколегированные стали, железо, алюминий и его сплавы, медь и титан и большинство их сплавов, легкие металлы и ряд труднодеформируемых металлов и их сплавов. В этих кривых упрочнения напряжение течения сравнительно сильно возрастает на начальных стадиях деформации, в дальнейшем интенсивность упрочнения плавно уменьшается, а затем с ростом деформации почти не изменяется. Для пластичных металлов и сплавов интенсивность увеличения s s с ростом меньше, чем для прочных металлов и сплавов. Второй вид кривых упрочнения (рисунок Б.1б) характеризуется большой интенсивностью упрочнения, которая может несколько уменьшаться при больших степенях деформации. Такой тип кривой упрочнения характерен для аустенитных сталей, некоторых медных и титановых сплавов. Третий вид упрочнения (рисунок Б.1в) описывает зависимость s s () циркония и сплава на его основе цирколай-2. Для таких кривых упрочнения интенсивность упрочнения при небольших степенях деформации весьма незначительна, а затем резко возрастает; несущественное уменьшение интенсивности упрочнения проявляется при степенях деформации, близких к разрушению. Четвертый вид кривых упрочнения (рисунок Б.1г) отличается тем, что после достижения максимального значения s s его значение с дальнейшим увеличением или уменьшается, или остается неизменным. Такой тип кривых упрочнения установлен для цинка и его сплавов с алюминием в отожженном состоянии (кривая 2), закаленном и состаренном состоянии (кривая 1), а также для некоторых алюминиевых сплавов при высоких степенях деформации. Кривые упрочнения, представленные на рисунке Б.1д, характерны для сверхпластичных материалов. Ход кривой s s () для таких материалов сложный, с проявлением максимумов и минимумов (пятый вид кривых упрочнения). Представленные на рисунке Б.1е кривые упрочнения (шестой вид) характерны для различных пластичных сплавов, получивших предварительную обработку давлением в холодном состоянии при сравнительно небольших деформациях (примерно 0,1-0,15), причем направления нагрузок при предварительном и последующем деформировании противоположны (например волочение + осадка). При этом интенсивность изменения s s меньше для сплавов, получивших большую степень предварительной деформации (кривая 3 по сравнению с кривой 1). У таких кривых упрочнения интенсивность возрастания s s ростом во всем диапазоне степеней деформации меньше, чем у кривых упрочнения первых трех видов (рисунки Б.1а, б, в). Кривые упрочнения, изображенные на рисунке Б.1ж, относятся к предварительно деформированным в холодном состоянии сплавам с противоположным направлением нагрузок при предварительном и последующем деформировании, пластичным сталям с большими степенями предварительной деформации (более 0,1-0,15), сталям средней и высокой прочности, латуням и бронзам с высокими степенями предварительной деформации. Восьмой вид (рисунок Б.1и) кривых упрочнения соответствует сталям и некоторым сплавам на его основе, получившим предварительную обработку в виде холодной пластической деформации, при этом направление приложения нагрузки при обеих деформациях совпадает. Более пологий наклон кривых упрочнения (кривые 3 и 4) соответствует более высоким степеням предварительной деформации. Для таких сталей характерна невысокая интенсивность роста s s с увеличением . Кривые упрочнения первого вида хорошо аппроксимируются зависимостьюС некоторым приближением зависимость (Б.1) описывает кривые упрочнения второго и третьего вида. Рекомендуется использовать эту зависимость для аппроксимации кривой упрочнения четвертого вида в диапазоне степеней деформации до возникновения максимума на ней. Кривые упрочнения шестого, седьмого и восьмого типов с достаточной для практики точностью могут быть линеаризированы и тогда с некоторым приближением их можно аппроксимировать уравнением
Где - экстраполированный предел текучести предварительно деформированных сталей (отрезок, отсекаемый линеаризированной прямой на оси ординат); b ¢ - коэффициент, характеризующий наклон линеаризованных кривых упрочнения.
Рисунок Б.1 - Типы кривых упрочнения
КОНСТРУКЦИИ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ НА СЖАТИЕ
На рисунке B.1 приведен сборочный чертеж приспособления для проведения испытаний на сжатие, позволяющего исключить перекосы между образцом и деформирующей плитой и уменьшить погрешность нагружения образца. Допускается использование приспособлений иных конструкций.
5 - образец; 6 - самоустанавливающая опора со сменным вкладышем
Рисунок B .1 - Приспособление для испытания на сжатие
ПРОТОКОЛ
Назначение испытаний
_______________________________________________________
Испытательная машина. Тип
__________________________________________________
Образец. Тип
______________________________________. Твердость по шкалам Бринелля или
Роквелла ______________________________________________________
|
ПРОТОКОЛ
Назначение испытаний
_______________________________________________________
Испытательная машина.
Тип _____________________. Образец. Тип ________________
|
|
Номер образца |
Твердость по шкалам Бринелля или Роквелла |
s s , МПа (кгс/мм 2) |
||||||||
СВОДНЫЙ
ПРОТОКОЛ
Название
испытаний _______________________________________________________
___________________________________________________________________________
Характеристика
испытуемого материала:
Марка и состояние.
__________________________________________________________
Направление волокна
________________________________________________________
Тип заготовки
______________________________________________________________
Тип и размеры образца _______________________________________________________
Состояние поверхности образца
_______________________________________________
Твердость по шкалам Бринелля или
Роквелла ___________________________________
___________________________________________________________________________
Тип
и основные характеристики испытательной машины и измерительной техники:
испытательной машины
______________________________________________________
тензометра
_________________________________________________________________
преобразователя перемещений
________________________________________________
измерительных приборов и инструмента
________________________________________
преобразователя силы
________________________________________________________
самопишущего прибора
______________________________________________________
Условия
испытаний:
Материалы и твердость деформирующих
плит (НВ или HR С э)
_____________________
Скорость относительной деформации, с -1
_______________________________________
Скорость нагружения, МПа/с (кгс/мм 2 × с)
________________________________________
Скорость перемещения деформирующей
плиты, мм/с _____________________________
|
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ КРИВОЙ УПРОЧНЕНИЯ. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ АППРОКСИМИРУЮЩИХ УРАВНЕНИЙ
1 При испытании партии образцов Для каждого конкретного значения испытывают по одному образцу. Кривые упрочнения, описываемые уравнениями (рисунки Б.1а, б, в) или (рисунки Б.1 e , ж, к), строятся по результатам обработки методом наименьших квадратов всех экспериментальных точек во всем диапазоне изучаемых степеней деформации. Обработку следует проводить на ЭВМ. При этом для кривых упрочнения определяют параметры аппроксимирующих уравнений , n , , b ¢ .
Рисунок E .1 - типовые зависимости показателя деформационного упрочнения n от степени деформации
В случае обработки опытных данных аналитическим путем рекомендуется использовать справочную литературу. 2 При ограниченном количестве испытаний При ограниченном количестве опытов (пяти образцов) кривые упрочнения строят на основе обработки диаграмм машинных записей по осадке всех испытуемых образцов до конечной степени деформации. s s рассчитывают для значений равным 0,01; 0,03; 0,05; 0,08; 0,1, и далее через каждые 0,05 до конечного значения степени деформации . Для каждого значения s s определяют, как среднюю по данным (пяти точек). Построение кривых упрочнения и дальнейшую обработку опытных данных проводят, как при испытании партии образцов. 3 Определение показателя деформационного упрочнения n при малых степенях деформации и в узком их диапазоне Для большинства металлов и сплавов зависимость n () не является линейной функцией (рисунок E.1): с ростом обычно уменьшается n , достигая при больших значениях практически постоянной величины (рисунок E.1а), или вначале увеличивается, достигнув максимума, а затем уменьшается (рисунок E.1б). И только в отдельных случаях n , носит линейный характер (рисунок E.1 a). Первый вид зависимости (рисунок E.1б) характерен для меди, углеродистых конструкционных и инструментальных сталей, ряда конструкционных легированных сталей. Представленный на рисунке Е.1б вид зависимости n , присущ для материалов, испытывающих структурно-фазовые превращения при деформации - аустенитные стали, некоторые латуни. Практически не меняется величина n с ростом (рисунок E.1в) для железа, хромистых конструкционных сталей. Для алюминиевых сплавов в зависимости от их химического состава наблюдаются все три вида зависимости n . В связи с изменением n с ростом для большинства металлов и сплавов возникает необходимость в определении n при небольших степенях деформации и в узком их диапазоне. n может быть определена путем обработки опытных данных на ЭВМ методом наименьших квадратов, однако количество экспериментальных точек должно быть не менее 8-10 в рассматриваемом диапазоне степеней деформации или рассчитано по формуле
. (E .1)
Механические испытания металлов. Прочность, определение прочности металла.
Выбор металла для изготовления деталей машин и конструкций определяется конструктивными, эксплуатационными, технологическими и экономическими требованиями.
Металл должен обладать необходимой прочностью, способностью деформироваться, соответствовать условиям эксплуатации (стойкость против коррозии, тепло- и электропроводность и др.) и иметь минимальную стоимость.
Прочность — основное требование, предъявляемое к любому металлу, идущему на изготовление деталей машин и металлоконструкций.
Прочностью называется способность материала выдерживать, не разрушаясь, внешние нагрузки. За меру прочности принята нагрузка, которую выдерживает каждый квадратный миллиметр (или сантиметр) сечения детали.
Определение прочности металла производится путем растяжения образцов определенной формы и размеров на испытательной машине. При растяжении площадь поперечного сечения образца уменьшается, образец становится тоньше, а длина его увеличивается. В какой-то момент растяжение образца по всей длине прекращается и происходит только в одном месте, образуется так называемая шейка. Спустя некоторое время образец разрывается в месте образования «шейки».
Процесс растяжения протекает так только у вязких материалов, у хрупких (твердая сталь, чугун) разрыв образца происходит с незначительным удлинением и без образования «шейки».
При делении максимальной нагрузки, которую выдержал образец до разрыва (нагрузка измеряется специальным прибором — силоизмерителем, входящим в конструкцию испытательной машины), на площадь его поперечного сечения до растяжения получают основную характеристику металла, называемую пределом прочности (σ в).
Предел прочности каждого металла конструктору необходимо знать для определения размеров детали, технологу — для назначения режимов обработки.
При повышенных температурах кратковременные испытания на растяжение выполняются на обычных испытательных машинах, только в машину встраивается печь (как правило, муфельная электрическая) для нагрева образца. Печь крепится на станине машины так, чтобы ось муфеля совпала с осью машины. Внутрь печи помещается испытуемый образец. Для равномерного нагрева печь должна быть в 2—4 раза длиннее образца, и поэтому закрепление его непосредственно в захватах машины невозможно. Образец закрепляется в специальных удлинителях из жаропрочной стали, а те в свою очередь крепятся в захватах машины.
Для получения стабильных результатов необходимо, чтобы образец выдерживался при температуре испытания в течение 30 минут. На величину предела прочности нагретого металла значительное влияние оказывает скорость растяжения: чем выше скорость, тем больше значение предела прочности. Поэтому для правильной оценки теплостойкости стали продолжительность испытания на растяжение должна составлять 15—20 минут.
Испытание на растяжение металла заключаются в растяжении образца с построением графика зависимости удлинения образца (Δl) от прилагаемой нагрузки (P), с последующим перестроением этой диаграммы в диаграмму условных напряжений (σ - ε)
Испытания на растяжение проводятся по , по этому же ГОСТу определяются и образцы на которых проводятся испытания.
Как уже говорилось выше, при испытаниях строится диаграмма растяжения металла. На ней есть несколько характерных участков:
- Участок ОА - участок пропорциональности между нагрузкой Р и удлинением ∆l. Это участок, на котором сохраняется закон Гука. Данная пропорциональность была открыта Робертом Гуком в 1670 г. и в дальнейшем получила название закона Гука.
- Участок ОВ - участок упругой деформации. Т.е., если к образцу приложить нагрузку, не превышающую Ру, а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении
Выше точки В диаграмма растяжения отходит от прямой - деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма принимает криволинейный вид. При нагрузке, соответствующей Рт (точка С), диаграмма переходит в горизонтальный участок. В этой стадии образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки. Получение такого участка на диаграмме растяжения объясняется свойством материала деформироваться при постоянной нагрузке. Это свойство называется текучестью материала, а участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.
Иногда площадка текучести носит волнообразный характер. Это чаще касается растяжения пластичных материалов и объясняется тем, что вначале образуется местное утонение сечения, затем это утонение переходит на соседний объем материала и этот процесс развивается до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести. Когда имеется зуб текучести, при определении механических свойств материала, вводят понятия о верхнем и нижнем пределах текучести.
После появления площадки текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению и диаграмма поднимается вверх. В точке D усилие достигает максимального значения Pmax. При достижении усилия Pmax на образце появляется резкое местное сужение - шейка. Уменьшение площади сечения шейки вызывает падение нагрузки и в момент, соответствующий точке K диаграммы, происходит разрыв образца.
Прилагаемая нагрузка для растяжения образца зависит от геометрии этого образца. Чем больше площадь сечения, тем более высокая нагрузка необходима для растяжения образца. По этой причине, получаемая машинная диаграмма не дает качественной оценки механических свойств материала. Чтобы исключить влияние геометрии образца, машинную диаграмму перестраивают в координатах σ − ε путем деления ординат P на первоначальную площадь сечения образца A0 и абсцисс ∆l на lо. Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений. Уже по этой, новой диаграмме, определяют механические характеристики материала.
Определяются следующие механические характеристики:
Предел пропорциональности σпц
– наибольшее напряжение, после которого нарушается справедливость закона Гука σ = Еε , где Е – модуль продольной упругости, или модуль упругости первого рода. При этом Е =σ/ε = tgα , т. е. модуль E это тангенс угла наклона прямолинейной части диаграммы к оси абсцисс
Предел упругости σу
- условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций определенной заданной величины (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); допуск на остаточную деформацию указывается в индексе при σу
Предел текучести σт – напряжение, при котором происходит увеличение деформации без заметного увеличения растягивающей нагрузки
Также выделяют условный предел текучести - это условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной величины (обычно 0,2% от рабочей длины образца; тогда условный предел текучести обозначают как σ0,2). Величину σ0,2 определяют, как правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутствует площадка или зуб текучести