Исследуемые механические свойства сплавов.

Поведение металлов и сплавов под действием внешних нагрузок характеризуется их механическими свойствами.

Результаты определения механических свойств используются в расчетной конструкторской практике при проектировании машин и конструкций.

Наибольшее распространение имеют следующие виды механических испытаний.

1. Статические кратковременные испытания однократным нагружением на одноосное растяжение-сжатие, твердость, изгиб и кручение.

2. Динамические испытания с определением ударной вязкости и ее составляющих - удельной работы зарождения и развития трещин.

3. Испытания переменной нагрузкой с определением предела выносливости материала.

Статические испытания

При статических испытаниях определяют показатели прочности и пластичности.

Прочность характеризует величину внешней нагрузки, которую материал выдерживает без разрушения. Показателями прочности являются предел пропорциональности _пц, предел текучести (физический _т или условный _0,2), временное сопротивление разрыву (предел прочности) _в.

Пластичность - способность материала остаточно изменять свою форму и размеры без разрушения. Показатели пластичности - относительное удлинение (₅, ₁₀ - индекс указывает длину исследуемого образца) и относительное сужение .

Показатели прочности и пластичности определяют по результатам испытания стандартных образцов из исследуемых материалов на растяжение. При испытании на растяжение образцы (рис.1) чаще всего изготавливают цилиндрическими c диаметром рабочей части d_o и длиной рабочей части ℓ₀ = 5d_o или ℓ₀ = 10d_o . Концевые утолщенные участки служат для размещения в захватах разрывной машины.

Растяжение образцов проводят на испытательных машинах, прикладывая растягивающую силу Р, измеряемое в ньютонах (Н) и записывая диаграмму растяжения в координатах сила (P) – абсолютная деформация (Δℓ). Абсолютная деформация – это удлинение образца под действием силы P равная:

(1)

где - рабочая длина образца при растяжении.

Типичный вид диаграммы для малоуглеродистой стали, приведен на рис. 2.

Рис. 1. Образец для испытаний на растяжение

Приведенная на рис. 2 диаграмма иллюстрирует поведение материала при данных размерах образца. Для получения графика характеризующего непосредственно изучаемый материал, диаграмму растяжения изображают в координатах: напряжение () – относительная деформация (ε) (рис. 3.).

Для этого ординаты кривой, изображающие силу (P), делят на первоначальную площадь сечения образца F_o, а абсциссы  ℓ – на рабочую длину образца до испытаний ℓ₀. Таким образом, в новой диаграмме по вертикали откладываются напряжения в МПа:

, (2)

где – площадь поперечного сечения образца, м².

Рис. 2. Диаграмма нагрузка - абсолютная деформация

При этом соответствующее относительное удлинение в %, откладываемое по горизонтали, определяется следующим образом:

; (3)

На диаграммах рис. 2 и рис. 3 имеется ряд характерных участков и точек, соответствующие различным стадиям деформации образца.

Точка А на рис. 2 соответствует наибольшей предельной нагрузке P_пц, до которой соблюдается линейная зависимость между нагрузкой и удлинением образца. На участке ОА справедлив закон Гука:

; (4)

где Е  – модуль упругости, МПа;

 - нормальное напряжение, возникающее в поперечном сечении образца, МПа;

 - относительная деформация образца.

Рис. 3. Диаграмма напряжение – относительная деформация

Соответствующее напряжение в точке а (рис. 3) называется пределом пропорциональности и рассчитывается по формуле:

; (5)

Точка С на рис. 2 соответствует нагрузке P_т, при которой образец деформируется без возрастания нагрузки или как говорят материал начинает «течь» образуя на диаграмме так называемую площадку текучести. Соответствующее напряжение в точке с (рис. 3) называется пределом текучести и рассчитывается по формуле:

; (6)

После стадии текучести материал снова приобретает способность увеличивать сопротивление дальнейшей деформации. Точка D на рис. 2 соответствует максимальной предельной нагрузке P_max, после которой начинается местное сужение образца в виде шейки, в результате чего происходит падение нагрузки. Соответствующее напряжение в точке d (рис. 3) называется пределом прочности или временное сопротивление и рассчитывается по формуле:

; (7)

Точка Е на рис. 2 соответствует нагрузке P_к, при которой образец разрушается.

Для материалов, диаграмма которых не имеет резко выраженной площадки текучести, предел текучести условно определяют как напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2 % рабочей длины образца, а условный предел текучести в этом случае обозначают _0,2.

При испытаниях образцов на растяжение определяют так же характеристики пластичности, к которым относится относительное удлинение:

; (8)

где - длина рабочей части образца после испытаний.

После разрыва образца замеряют его диаметр в наиболее тонком месте шейки, вычисляют соответствующую площадь сечения F_к. Относительное остаточное сужение площади начального сечения образца при разрыве рассчитывают по формуле:

; (9)

Еще одной из важных механических характеристик материала является его твердость. Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление деформации в поверхностном слое при местных контактных воздействиях. Различают следующие методы определения твердости: по Бринеллю; по Роквеллу; по Виккерсу.

Одним из наиболее распространенных методов является определение твердости по Бринеллю.

Испытание по методу Бринелля состоит во вдавливании в образец стального шарика, из углеродистой закаленной стали диаметром D (рис. 4), под действием постоянной нагрузки P и измерении диаметра отпечатка. Число твердости по Бринеллю HB (Па) определяется по формуле

; (10)

где F – площадь отпечатка, м²;

D, – диаметр шарика, м;

d, – диаметр отпечатка, м;

P, – величина нагрузки, Н.

В данной работе для определения твердости приняты следующие значения D = 0,01 м, P = 30000 Н.