Wabashpress.ru

Техника Гидропрессы
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Научная электронная библиотека Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Научная электронная библиотека

В п. 1.5 показано, что предел текучести при растяжении монокристалла рассчитывается по теоретической формуле, основанной на механизме перемещения краевой дислокации и электростатической природе межатомного взаимодействия t = c/(x/a0)2. Нормальная и тангенциальная проекции напряжения сдвига бездефектного монокристалла связаны известной формулой s = t /(cos α⋅cos b).

Расчетная модель предела текучести для бездефектных монокристаллов является основой для полуэмпирического расчета предела текучести жаропрочных сплавов при высоких температурах. Для этого необходимо иметь ограниченный объем экспериментальных данных для рассматриваемого сплава.

1. Температурная зависимость предела текучести основана на зависимости периода кристаллической решетки от температуры.

2. При высоких температурах предел текучести зависит от теплоемкости материала Cp. В частности, в работе [88] показано, что предел текучести зависит от теплоемкости материала при теплосменах.

3. Теоретическая зависимость предела текучести монокристалла (основы сплава) сравнивается с экспериментальной зависимостью для технического металла и совмещается с ней. Для жаропрочных сплавов поступают аналогично.

Расчетные формулы приведены в п. 1.5.

В качестве примера на рис. 2.24 приведена температурная зависимость предела текучести никеля поликристаллического. Точками обозначены экспериментальные (справочные) данные, полученные другими авторами [32, 89, 90], а результаты расчета – сплошными линиями.

На рис. 2.25–2.28 приведены результаты расчета для некоторых сплавов.

pic_2_24.tif

Рис. 2.24. Зависимость предела текучести Ni от температуры:…. – эксперимент [32], ___ – результаты расчета

pic_2_25.tif

Рис. 2.25. Зависимость предела текучести ЖС6К от температуры:…. – эксперимент [89], ___ – результаты расчета

pic_2_26.tif

Рис. 2.26. Зависимость предела текучести ЖС6Ф от температуры:…. – эксперимент [89], ___ – результаты расчета

pic_2_27.tif

Рис. 2.27. Зависимость предела текучести ВКНА-4 от температуры:…. – эксперимент [90], ___ – результаты расчета

pic_2_28.tif

Рис. 2.28. Зависимость предела текучести ВКНА-1В от температуры:…. – эксперимент [90], ___ – результаты расчета

Как видно из графиков, модель хорошо согласуется с результатами эксперимента для кристаллической решетки никеля (рис. 2.24). Для жаропрочных сплавов модель позволяет прогнозировать предел текучести при высоких температурах (рис. 2.25–2.28), когда идет процесс растворения фаз. В этих условиях предел текучести определяется свойствами кристаллической решетки основы сплава.

Свойства, определяемые испытанием на растяжение, и факторы, на них влияющие

Испытания на растяжение

Другими словами, предел прочности есть условное максимальное напряжение, которое выдерживает материал при растяжении. Под «истинным пределом прочности»(или под действительным сопротивлением разрыву) понимается усилие в момент разрыва P, отнесенное к площади сечения.

Предел прочности

2. Предел пропорциональности и упругости

Под пределом пропорциональности σПЦ понимают наименьшее напряжение вызывающее в испытуемом материале отклонение от закона пропорциональности (или наибольшее напряжение от этого закона), а под пределом упругости σУП — наибольшее напряжение, ниже которого величина деформации является определенной функцией напряжения, независимо от возрастания или убывания последнего, то нет оснований предполагать идентичность этих двух величин.

Предел пропорциональности

3. Предел текучести

Пределом текучести σТ называется напряжение, при котором возникающая остаточная деформация образца распространяется равномерно по его рабочей части при временном постоянстве растягивающего усилия.

Предел текучести

Практически в качестве предела текучести обычно принимается напряжение, при котором деформация образца возрастает, а стрелка динамометра разрывной машины либо останавливается, либо отходит назад. В этом случае на кривой «напряжение — деформация» образуется так называемая площадка текучести (кривая a), и тогда предел текучести называют явным или физическим.

Типичные кривые растяжения

Типичные кривые растяжения (α — ε)

В некоторых случаях площадка текучести бывает неясно выражена (кривая б) или совершенно отсутствует (кривая в); такую форму кривых при нормальной температуре испытания имеют весьма пластичные металлы (например, медь). С повышением же температуре явным пределом текучести, форма кривой имеет вид, показанный на рисунке, в. Мягкая углеродистая сталь с содержанием 0,05% при 300°С дает кривую, соответствующую кривой б; другие, более теплоустойчивые стали сохраняют явный предел текучести до 400 и даже до 500°С; выше этих температур форма кривых растяжения аналогична кривой в.

Читайте так же:
Трехфазный сварочный аппарат схема

Во всех случаях, когда отсутствует явный предел текучести, приходится прибегать к нахождению так называемых условных пределов текучести, основанных на определении напряжений, вызывающих заданную остаточную деформацию небольшой величины (в пределах 0,01—0,5%). Чаще всего на практике определяют условные пределы текучести, вызывающие остаточную деформацию, равную 0,1 или 0,2%.

Условные пределы текучести

Условные пределы текучести некоторых легированных сталей

Если условные пределы текучести при нормальной температуре мало различаются между собой, то при высоких температурах разница между условными пределами текучести, например 0,01 и 0,2% (после текучести), становится значительной.

4. Удлинение и поперечное сужение образца

Удлинение и поперечное сужение образца, испытанного при высокой температуре, являются показателями пластических свойств металла при данной температуре.

Удлинение образца

Удлинение δ и поперечное сужение ψ замеряются на охлажденных образцах и подсчитываются по общеизвестным формулам:

Формула расчета удлинения и поперечного сужения образца

  • где l — начальная длина расчетного участка образца;
  • lk — конечная длина расчетного участка образца;
  • F — начальная площадь поперечного сечения образца;
  • Fk — конечная площадь поперечного сечения образца.

Наибольшее влияние на эти свойства оказывает время до разрыва или, что то же самое, скорость растяжения образца.

5. Модуль упругости

Модуль упругости

Модуль нормальной упругости E является важной физико-механической характеристикой металла. Знание величины модуля упругости стали для широкого диапазона температур необходимо не только при конструкторских расчетах деталей машин и аппаратуры, работающих при повышенных температурах, но и в ряде других случаев.

Относительное изменение модуля упругости

Относительное изменение модуля упругости E (в % от его значения при 20°) в зависимости от температуры для сталей: 1-нелегированной; 2-низколегированной; 3-среднелегированной; 4-высоколегированной

3.1 Методы определения механических свойств

Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропро­водность. Они имеют характерный металлический блеск.

Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодиче­ской системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для метал­лических сплавов, особенно конструкционных, большое значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают на­пряжение и деформация. Напряжение это нагрузка (сила), отнесенная к первоначальной площади поперечного сече­ния образца.

Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Де­формация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрас­тающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пла­стическую, и далее образец разрушается.

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств ме­таллов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.

Прочность – способность металлов оказывать сопротивление де­формации или разрушению статическим, динамическим или знако­переменным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.1). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.1), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Читайте так же:
Циклонный фильтр из канализационной трубы

Рис. 3.1. Кривая деформации

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании. Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).

Представленная зависимость ОАВ (см. рис. 3.1) между приложенным извне напряжением (σ) и вызванной им относительной деформацией (ε) характеризует механические свойства металлов.

· наклон прямой ОА показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;

· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию:

· напряжение, которое называется пределом пропорциональности (σпц), соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;

· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (σ0,2). Это напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия;

· максимальное напряжение (σв) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности.

Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (δ) или относительное сужение (ψ), они характеризуют пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.

При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.2) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца, в результате этого получают так называемые диаграммы деформации.

Рис. 3.2. Диаграмма «усилие (напряжение) – удлинение»

Деформация образца при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму. Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие, в конечном счете, к полному разрушению образца в целом.

Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:

1) пределом прочности на разрыв;

2) пределом пропорциональности;

3) пределом текучести;

4) пределом упругости;

5) модулем упругости;

6) пределом текучести;

7) относительным удлинением;

8) относительным равномерным удлинением;

9) относительным сужением после разрыва.

Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) σв, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке РВ предшествующей разрушению образца:

Читайте так же:
Прибор для определения твердости по бринеллю

Эта характеристика является обязательной для металлов.

Предел пропорциональности (σпц) – это условное напряжение Рпц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости мости между деформацией и нагрузкой. Он равен:

Значения σпц измеряют в кгс/мм 2 или в МПа.

Предел текучести (σт) – это напряжение (Рт) при котором обра­зец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Вычисляется по формуле:

Предел упругости (σ0,05) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Предел упругости σ0,05 вычисляют по формуле:

Модуль упругости (Е) отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Он равен:

где ∆Р – приращение нагрузки; l – начальная расчетная длина образца; lср – среднее приращение удлинения; F начальная площадь поперечного сечения.

Предел текучести (условный) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

Вычисляется по формуле:

Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.

Относительное удлинение (после разрыва) – одна из характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения расчетной длины образца после разрушения (lк) к начальной расчетной длине (l) в процентах:

Относительное равномерное удлинение р) – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.

Относительное сужение после разрыва (ψ), как и относительное удлинение – характеристика пластичности материала. Определяется как отношение разности F и минимальной (Fк) площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F), выраженное в процентах:

Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упру­гость – свойство, обратное пластичности.

Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом – измерением твердости.

Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т.е., по сути дела, твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.3, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть нагрузка (Р), деленная на площадь сферической поверхности отпечатка (диаметром d).

Рис. 3.3. Испытание на твердость:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

При измерении твердости методом Виккерса (рис. 3.3, б) вдавливается алмазная пирамида. Измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (HV) материала.

При измерении твердости методом Роквелла (рис. 3.3, в) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Число твердости – это значение, обратное глубине вдавливания (h). Имеются три шкалы: А, В, С (табл. 3.1).

Методы Бринелля и Роквелла по шкале B применяют для мягких материалов, а метод Роквелла по шкале C – для твердых, а метод Роквелла по шкале A и метод Виккерса – для тонких слоев (листов). Описанные методы измерения твердости характеризуют среднюю твердость сплава. Для того чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100 – 400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка. Полученная характеристика (Н) называется микротвердостью, и характеризует твердость определенной структурной составляющей.

способ определения предела текучести материалов

Сущность изобретения: испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора диаметром D, после снятия нагрузки P измеряют параметры отпечатка, при этом используют материал с коэффициентом Пуассона 2 , величину нагрузки используют в диапазоне, соответствующем измерению твердости, перед определением предела текучести определяют контактный модуль упрочнения испытуемого материала и интенсивность деформации i,o в центре отпечатка из соотношения , а предел текучести 0,2 определяют с учетом интенсивности деформации в центре отпечатка из соотношения где 0,2 — предел текучести испытуемого материала; i,o — интенсивность деформации в центре отпечатка; P — нагрузка на индентор; d — диаметр остаточного отпечатка; D — диаметр сферического индентора; 2 — коэффициент Пуассона испытуемого материала; H — контактный модуль упрочнения испытуемого материала; b — коэффициент, зависящий от химического состава испытуемого материала. 1 табл.

Читайте так же:
Сталь ст3 характеристики применение

Формула изобретения

Способ определения предела текучести материала, заключающийся в том, что испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора диаметром D, после снятия нагрузки Р измеряют параметры отпечатка и определяют предел текучести испытуемого материала, отличающийся тем, что величину нагрузки используют в диапазоне, соответствующем измерению твердости, перед определением предела текучести определяют контактный модуль упрочнения H испытуемого материала и интенсивность деформации i,o в центре отпечатка из соотношения

а предел текучести 0,2 определяют с учетом интенсивности деформации в центре отпечатка из соотношения

где d диаметр остаточного отпечатка;
b коэффициент, зависящий от химического состава испытуемого материала;
2 — коэффициент Пуассона исследуемого материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля предела текучести материалов.

Известен способ определения предела стальных материалов (1), заключающийся в том, что в поверхность стального образца вдавливается сферический индентор нагрузкой, при которой диаметр d H невосстановленного отпечатка составляет 0,09 диаметра D индентора, что соответствует общей деформации в отпечатке 0,2 определяют твердость на передаче текучести испытуемого материала и определяют условный предел текучести по формуле
0,2 = 0,5H 1,3 0,2 7 , (1)
где H 0,2 твердость испытуемого материала на пределе текучести.

Недостатком данного способа является то, что перед каждым определением значения предела текучести необходимо вначале экспериментально подобрать (путем пробного многократного вдавливания индентора) такую нагрузку на индентор, при которой d H =0,09 D; при этом очевидно, что точно подобрать такую величину нагрузки весьма затруднительно, что существенно снижает точность способа. Кроме того, недостатком этого способа является то, что он пригоден лишь для одной группы материалов, а именно сталей.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения условного предела текучести материалов (2), заключающийся в том, что в поверхность стального образца вдавливают сферический индентор под нагрузкой при заранее заданной остаточной относительно деформации 0,4.0,7% в образующейся лунке, близкой к деформации (0,2%), соответствующей условному пределу текучести стали, замеряют диаметр отпечатка после снятия нагрузки и рассчитывают величину условного предела текучести по формуле

Р нагрузка; D диаметр индентора; t глубина невосстановленного отпечатка; равная d диаметр отпечатка; E -модуль упругости; c и d — коэффициенты, определяемые экспериментально.

Недостатком данного способа является то, что здесь также необходимо предварительно подобрать нагрузку, при которой деформация в лунке составит 0,4.0,7% Недостатком способа является и то, что он пригоден лишь для материалов из стали.

Сущность изобретения заключается в том, что испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора диаметром D, после снятия нагрузки P измеряют параметры отпечатка и определяют предел текучести испытуемого материала, при этом используют материал с заданным коэффициентом Пуассона 2 величину нагрузки используют в диапазоне, соответствующем измерению твердости, перед определением предела текучести определяют контактный модуль упрочнения испытуемого материала и интенсивность деформации i,o в центре отпечатка из соотношения

а предел текучести 0,2 определяют с учетом интенсивности деформации в центре отпечатка из соотношения

Читайте так же:
Разъемы содержащие драгметаллы фото

где
0,2 предел текучести испытуемого материала;
i,o интенсивность деформации в центре отпечатка;
P нагрузка на индентор;
d диаметр остаточного отпечатка;
D диаметр сферического индентора;
2 коэффициент Пуассона испытуемого материала;
H контактный модуль упрочнения испытуемого материала;
b коэффициент, зависящий от химического состава испытуемого материала.

Способ определения предела текучести испытуемого материала реализуется следующим образом.

В испытуемый материал с заданным коэффициентом Пуассона 2 вдавливают сферический индентор нагрузкой в диапазоне, соответствующем измерению твердости. Диапазон нагрузки может быть выбран, например, согласно ГОСТ 9012-59 «Металлы. Методы испытаний. Измерение твердости по Бринеллю»: нагрузка может достичь 29430 H, при этом диаметры отпечатков должны находится в пределах 0,2. 0,6 от диаметра индентора. Широкий диапазон нагрузок на индентор позволяет применять различные нагружающие устройства: пресс Бринелля, разрывные машины, ручные винтовые прессы и т. п.

Измеряют диаметр d остаточного отпечатка. Эту операцию можно выполнить с помощью инструментального микроскопа (например, типа МИМ-2), переносного микроскопа Бринелля типа МПБ-3 и т. п.

По зависимости (3) определяют интенсивность деформации в центре отпечатка i,o
Измеряют контактный модуль H упрочнения испытуемого материала. При этом имеют в виду, что в диапазоне используемых в предлагаемом способе нагрузок и диаметров остаточных отпечатков значение модуля H численно равно значению пластической твердости HD испытуемого материала, которую определяют согласно ГОСТ 18835-73 «Металлы. Метод измерения пластической твердости».

С учетом величин интенсивности деформации i,o в центре отпечатка, нагрузки P, диаметра остаточного отпечатка d, контактного модуля H упрочнения испытуемого материала и коэффициента Пуассона 2 определяют предел текучести 0,2 испытуемого материала по формуле (4)

где дополнительно
b коэффициент, зависящий от химического состава испытуемого материала; как показали исследования, для конструкционных сталей, титана, дюралюминия b=245 МПа.

Пример. Проведена экспериментальная проверка предложенного способа.

Определение предела текучести проводили на образцах, изготовленных из сталей различного уровня прочности и твердости, а также из титана ОТ4 и дюралюминия DI6. Индентор был изготовлен из стали ШХ-15 (с твердостью HV > 8500 МПа) и имел диаметры 5, 10, 20 мм. Коэффициенты Пуассона испытуемых материалов: сталей 0,28; титана 0,32; дюралюминия 0,33.

Внедрение индентора осуществляли с помощью пресса Бринелля. Нагрузку на индентор варьировали в пределах 1839-29430 H, что соответствует полному диапазону нагрузок пресса Бринелля.

Диаметр остаточного отпечатка измеряли с помощью инструментального микроскопа МИМ-2 с ценой деления 0,005 мм.

Учитывая, что в диапазоне диаметров d остаточного отпечатка (0,2.0,6) D величины контактного модуля H упрочнения материала численно равны пластической твердости HD, измерение контактного модуля H упрочнения материала выполняли согласно ГОСТ 18835-73 «Металлы. Метод измерения пластической твердости».

Интенсивность деформации в центре отпечатка для каждого испытания определяли и выражения (3).

Предел текучести испытуемых материалов определяли по формуле (4).

Результаты определения диаметров d остаточных отпечатков, контактного модуля H упрочнения, интенсивности деформации i,o в центре отпечатка и предела текучести 0,2 представлены в таблице. В таблице приведены и значения предела текучести 0,2,э определенные по ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытания на растяжение», принятому в качестве эталонного способа. Как видно из таблицы, в подавляющем большинстве испытаний погрешность определения предела текучести предлагаемым способом не превышает 5 и имеет характер случайного двустороннего разброса.

Результаты экспериментальной проверки свидетельствуют о пригодности способа для практического использования. Способ можно использовать в широком диапазоне нагрузок и диаметров индентора. Способ реализуется с помощью широко распространенных прессов типа Бринелля, разрывных машин и т. п. и может быть осуществлен в условиях заводских лабораторий.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector