Випробування на міцність на розтяг в основному використовується для визначення здатності металевих матеріалів чинити опір пошкодженням під час процесу розтягування та є одним із важливих показників для оцінки механічних властивостей матеріалів.
1. Випробування на розтяг
Випробування на розтяг базується на основних принципах механіки матеріалів. Прикладання розтягуючого навантаження до зразка матеріалу за певних умов викликає деформацію розтягу до його розриву. Під час випробування реєструється деформація експериментального зразка під різними навантаженнями та максимальне навантаження, при якому зразок розривається, щоб розрахувати межу текучості, межу міцності на розтяг та інші показники експлуатаційних характеристик матеріалу.
Напруження σ = F/A
σ – міцність на розтяг (МПа)
F – розтягувальне навантаження (Н)
A – площа поперечного перерізу зразка
2. Крива розтягу
Аналіз кількох етапів процесу розтягування:
a. На стадії OP з малим навантаженням видовження знаходиться в лінійній залежності від навантаження, а Fp - це максимальне навантаження для підтримки прямої лінії.
b. Після того, як навантаження перевищує Fp, крива розтягу починає приймати нелінійну залежність. Зразок переходить у початкову стадію деформації, навантаження знімається, і зразок може повернутися до початкового стану та пружно деформуватися.
c. Після того, як навантаження перевищує Fe, навантаження знімається, частина деформації відновлюється, а частина залишкової деформації зберігається, що називається пластичною деформацією. Fe називається межею пружності.
d. При подальшому збільшенні навантаження крива розтягу демонструє пилкоподібну форму. Коли навантаження не збільшується і не зменшується, явище безперервного видовження експериментального зразка називається текучістю. Після текучості зразок починає зазнавати помітної пластичної деформації.
е. Після текучості зразок демонструє збільшення опору деформації, зміцнення та деформаційного зміцнення. Коли навантаження досягає Fb, та сама частина зразка різко стискається. Fb – межа міцності.
f. Явище усадки призводить до зменшення несучої здатності зразка. Коли навантаження досягає Fk, зразок руйнується. Це називається навантаженням на руйнування.
Межа плинності
Межа текучості – це максимальне значення напруження, яке металевий матеріал може витримувати від початку пластичної деформації до повного руйнування під дією зовнішньої сили. Це значення позначає критичну точку, де матеріал переходить від стадії пружної деформації до стадії пластичної деформації.
Класифікація
Верхня межа текучості: стосується максимального напруження зразка до першого зниження сили, коли відбувається текучість.
Нижня межа текучості: стосується мінімального напруження на стадії текучості, коли початковий перехідний ефект ігнорується. Оскільки значення нижньої межі текучості є відносно стабільним, його зазвичай використовують як показник опору матеріалу, який називають межею текучості або межею текучості.
Формула розрахунку
Для верхньої межі текучості: R = F / Sₒ, де F – максимальна сила перед першим зниженням сили на стадії текучості, а Sₒ – початкова площа поперечного перерізу зразка.
Для нижчої межі текучості: R = F / Sₒ, де F – мінімальна сила F без урахування початкового перехідного ефекту, а Sₒ – початкова площа поперечного перерізу зразка.
Одиниця
Одиницею вимірювання межі текучості зазвичай є МПа (мегапаскаль) або Н/мм² (ньютон на квадратний міліметр).
Приклад
Візьмемо, наприклад, низьковуглецеву сталь, її межа текучості зазвичай становить 207 МПа. Під дією зовнішньої сили, що перевищує цю межу, низьковуглецева сталь спричиняє залишкову деформацію, яку неможливо відновити; під дією зовнішньої сили, що менша за цю межу, низьковуглецева сталь може повернутися до свого початкового стану.
Межа плинності є одним з важливих показників для оцінки механічних властивостей металевих матеріалів. Вона відображає здатність матеріалів чинити опір пластичній деформації під дією зовнішніх сил.
Міцність на розтяг
Міцність на розтяг – це здатність матеріалу чинити опір пошкодженням під дією розтягуючого навантаження, що виражається як максимальне значення напруження, яке матеріал може витримувати під час процесу розтягування. Коли розтягуюче навантаження на матеріал перевищує його міцність на розтяг, матеріал зазнає пластичної деформації або руйнування.
Формула розрахунку
Формула розрахунку міцності на розтяг (σt) така:
σt = F / A
Де F – максимальна сила розтягу (Ньютон, Н), яку зразок може витримати до розриву, а A – початкова площа поперечного перерізу зразка (квадратний міліметр, мм²).
Одиниця
Одиницею вимірювання міцності на розрив зазвичай є МПа (мегапаскаль) або Н/мм² (ньютон на квадратний міліметр). 1 МПа дорівнює 1 000 000 ньютонів на квадратний метр, що також дорівнює 1 Н/мм².
Фактори впливу
На міцність на розрив впливає багато факторів, включаючи хімічний склад, мікроструктуру, процес термічної обробки, метод обробки тощо. Різні матеріали мають різну міцність на розрив, тому на практиці необхідно вибирати відповідні матеріали на основі їх механічних властивостей.
Практичне застосування
Міцність на розтяг є дуже важливим параметром у галузі матеріалознавства та інженерії, і часто використовується для оцінки механічних властивостей матеріалів. З точки зору проектування конструкцій, вибору матеріалів, оцінки безпеки тощо, міцність на розтяг є фактором, який необхідно враховувати. Наприклад, у будівельній інженерії міцність на розтяг сталі є важливим фактором для визначення того, чи може вона витримувати навантаження; в аерокосмічній галузі міцність на розтяг легких і високоміцних матеріалів є ключем до забезпечення безпеки літаків.
Втомна міцність:
Втома металу – це процес, при якому матеріали та компоненти поступово створюють локальні постійні кумулятивні пошкодження в одному або кількох місцях під впливом циклічного напруження або циклічної деформації, а після певної кількості циклів виникають тріщини або раптові повні руйнування.
Особливості
Раптовість у часі: Руйнування металу від втоми часто відбувається раптово протягом короткого періоду часу без очевидних ознак.
Локальність у положенні: Втомне руйнування зазвичай відбувається в локальних зонах, де зосереджено напруження.
Чутливість до навколишнього середовища та дефектів: Втома металу дуже чутлива до навколишнього середовища та дрібних дефектів усередині матеріалу, що може прискорити процес втоми.
Фактори впливу
Амплітуда напруження: Величина напруження безпосередньо впливає на довговічність металу.
Середня величина напруження: чим більше середнє напруження, тим коротша втомна довговічність металу.
Кількість циклів: Чим більше разів метал перебуває під циклічним напруженням або деформацією, тим серйозніше накопичення пошкоджень від втоми.
Профілактичні заходи
Оптимізація вибору матеріалів: Вибирайте матеріали з вищими межами втоми.
Зменшення концентрації напружень: Зменшення концентрації напружень за допомогою конструктивного проектування або методів обробки, таких як використання заокруглених кутових переходів, збільшення розмірів поперечного перерізу тощо.
Обробка поверхні: полірування, напилення тощо на металеву поверхню для зменшення поверхневих дефектів та підвищення міцності на втому.
Огляд та технічне обслуговування: регулярно оглядайте металеві компоненти для своєчасного виявлення та ремонту дефектів, таких як тріщини; обслуговуйте деталі, схильні до втоми, наприклад, замінюйте зношені деталі та посилюйте слабкі ланки.
Втома металу – це поширений режим руйнування металу, який характеризується раптовістю, локальністю та чутливістю до навколишнього середовища. Амплітуда напружень, середня величина напружень та кількість циклів є основними факторами, що впливають на втому металу.
Крива SN: описує довговічність матеріалів за різних рівнів напруження, де S позначає напруження, а N – кількість циклів напруження.
Формула коефіцієнта міцності на втому:
(Kf = Ka ∈ Kb ∈ Kc ∈ Kd ∈ Ke)
Де (Ka) – коефіцієнт навантаження, (Kb) – коефіцієнт розміру, (Kc) – температурний коефіцієнт, (Kd) – коефіцієнт якості поверхні, а (Ke) – коефіцієнт надійності.
Математичний вираз SN-кривої:
(\sigma^m N = C)
Де (σ) – напруження, N – кількість циклів напружень, а m та C – матеріальні константи.
Кроки розрахунку
Визначте матеріальні константи:
Визначте значення m та C за допомогою експериментів або звернувшись до відповідної літератури.
Визначення коефіцієнта концентрації напружень: Враховуйте фактичну форму та розмір деталі, а також концентрацію напружень, спричинену галтелями, шпонковими пазами тощо, щоб визначити коефіцієнт концентрації напружень K. Розрахунок міцності на втому: Відповідно до кривої SN та коефіцієнта концентрації напружень, у поєднанні з розрахунковим терміном служби та рівнем робочих напружень деталі, розрахуйте міцність на втому.
2. Пластичність:
Пластичність – це властивість матеріалу, який під дією зовнішньої сили викликає залишкову деформацію без руйнування, коли зовнішня сила перевищує її межу пружності. Ця деформація є незворотною, і матеріал не повернеться до своєї початкової форми, навіть якщо зовнішню силу зняти.
Індекс пластичності та формула його розрахунку
Подовження (δ)
Визначення: Подовження – це відсоток загальної деформації калібрувального перерізу після того, як зразка розтягують до початкової калібрувальної довжини.
Формула: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Де L0 – початкова калібрована довжина зразка;
L1 – калібрована довжина зразка після розриву.
Сегментне скорочення (Ψ)
Визначення: Сегментне зменшення – це відсоток максимального зменшення площі поперечного перерізу в точці звуження після розриву зразка до початкової площі поперечного перерізу.
Формула: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Де F0 – початкова площа поперечного перерізу зразка;
F1 – площа поперечного перерізу в точці звуження після розриву зразка.
3. Твердість
Твердість металу – це показник механічної властивості, який вимірює твердість металевих матеріалів. Він вказує на здатність протистояти деформації в локальному об'ємі на поверхні металу.
Класифікація та представлення твердості металу
Твердість металу має різноманітні методи класифікації та представлення відповідно до різних методів випробувань. В основному це наступне:
Твердість за Брінеллем (HB):
Сфера застосування: Зазвичай використовується, коли матеріал м'якший, наприклад, кольорові метали, сталь до термічної обробки або після відпалу.
Принцип випробування: За допомогою певного розміру випробувального навантаження загартовану сталеву кульку або твердосплавну кульку певного діаметра вдавлюють у поверхню випробуваного металу, через заданий час навантаження розвантажують і вимірюють діаметр вдавлення на випробуваній поверхні.
Формула розрахунку: Значення твердості за Брінеллем – це частка, отримана шляхом ділення навантаження на площу сферичної поверхні відбитка.
Твердість за Роквеллом (HR):
Сфера застосування: Зазвичай використовується для матеріалів з підвищеною твердістю, таких як твердість після термічної обробки.
Принцип випробування: Подібний до твердості за Брінеллем, але з використанням інших зондів (алмазних) та інших методів розрахунку.
Типи: Залежно від застосування, існують HRC (для матеріалів високої твердості), HRA, HRB та інші типи.
Твердість за Віккерсом (HV):
Сфера застосування: Придатний для мікроскопічного аналізу.
Принцип випробування: Натисніть на поверхню матеріалу навантаженням менше 120 кг за допомогою алмазного квадратного конічного індентора з кутом вершини 136°, а потім поділіть площу поверхні вдавлення матеріалу на значення навантаження, щоб отримати значення твердості за Віккерсом.
Твердість за Леєбом (HL):
Особливості: Портативний твердомір, легко вимірювати.
Принцип випробування: Використовуйте відскок, що генерується ударною кульовою головкою після удару об тверду поверхню, та обчислюйте твердість як співвідношення швидкості відскоку пробійника на відстані 1 мм від поверхні зразка до швидкості удару.
Час публікації: 25 вересня 2024 р.
