Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

2627

.pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
09.04.2015
Размер:
370.38 Кб
Скачать

2627

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Строительные, дорожные машины и технология машиностроения»

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине МТКМ для студентов специальностей 190301, 190302, 190303, 190205, 190701

очной и заочной форм обучения

Составитель: Т.П. Лукоянчева

Самара

2010

1

УДК 669.621.785

Физико-механические свойства металлов и сплавов : методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине МТКМ для студентов специальностей

190301, 190302, 190303, 190205, 190701 очной и заочной форм обучения / составитель :

Т.П. Лукоянчева. – Самара : СамГУПС, 2010. – 12 с.

Утверждены на заседании кафедры СДМ и ТМ 21 мая 2010 г., протокол №9. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Методические указания составлены в соответствии с программой дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов». Лабораторная работа включает краткие теоретические сведения, описание методики испытания с использованием приборов специального назначения, контрольные вопросы по исследованию физических, механических свойств материалов.

Составитель: Лукоянчева Татьяна Павловна

Рецензент: доцент СамГУПС М.С. Жарков; доцент СамГУПС В.А. Кожевников

Редактор И.М. Егорова Компьютерная верстка Е.А. Ковалева

Подписано в печать 20.08.2010. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 0,75. Тираж 100 экз. Заказ № 199.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2010

2

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Цель работы: ознакомиться с методиками проведения испытаний и определить основные физические и механические свойства некоторых металлических сплавов неразрушающими и разрушающими методами; установить отличие сплавов и материалов по физико-механическим характеристикам (твердость, плотность, прочность, удельная прочность и др.).

Оборудование, материалы: шкала твердости материалов, твердомеры, весы, объемомер, образцы сталей в отожженном и закаленном состоянии, сплавы цветных металлов, твердые сплавы, пластмассы и композиционные материалы.

Основные теоретические сведения

Каждый материал (металл, неметалл) обладает комплексом характерных свойств, которые определяют его вид и назначение для изготовления деталей и конструкций. Комплекс свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала изделий в условиях эксплуатации, называется конструкционной прочностью. Оценку конструкционной прочности производят по критериям прочности и надежности.

При исследовании и испытании металлов определяют следующие показатели:

-предел текучести, временное сопротивление и относительное удлинение по ГОСТ 1497;

-ударную вязкость по ГОСТ 9454 для температур, соответствующих группе

конструкций и климатическому району.

Прочность – способность материала сопротивляться, не разрушаясь, действию внутренних напряжений, возникающих в материале в результате приложения внешней нагрузки при испытании на сжатие, растяжение, удар и т.п. Критерии прочности: временное сопротивление (σв), пределы текучести (σт и σ0,2), модуль упругости (E), твердость по Бринеллю (HB).

Твердость – сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в испытуемый образец другого более твердого тела. Твердость характеризует силы атомных и молекулярных взаимодействий. Модуль упругости – характеристика сопротивления материала упругой (обратимой) деформации, величина равная отношению напряжения к вызванной им относительному удлинению в соответствии с законом Гука.

Надежность представляет собой комплекс технических характеристик, характеризующих изменение свойств материала изделий в процессе эксплуатации. Критерии надежности: относительное удлинение (δ), относительное сужение (ψ), ударная вязкость (KCT, KCV, KCU), температурный порог хладноломкости, удельная прочность и др.

3

Относительное удлинение – отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине. Относительное сужение – уменьшение площади поперечного сечения образца в момент разрыва по сравнению с начальной площадью образца. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца, отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза. Составляющими ударной вязкости при испытании являются удельная работа зарождения трещины и удельная работа ее распространения. Характер падения ударной вязкости в зависимости от температуры испытаний позволяет определить начальную температуру порога хладноломкости и конечную. При переходе из вязкого состояния в хрупкое доля волокнистого строения металлического сплава в изломе уменьшается, а кристаллического – увеличивается.

Удельная характеристика прочности рассчитывается как отношение предела прочности к плотности и ускорению свободного падения материала. Надежность и прочность определяют долговечность, безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость изделий, сборочных единиц, конструкций.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется разрушением изделия, требованиями безопасности или экономическими соображениями. Долговечность изделий измеряют обычно сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и режиме эксплуатации.

Безотказностью называют свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт. К показателям безотказности относят вероятность безотказной работы.

Отказом называют событие, при котором система, элемент или изделие полностью или частично теряют работоспособность. Потеря работоспособности вызывается такой неисправностью, при которой хотя бы один из основных параметров выходит за пределы установленных допусков. Причины отказа: усталость, изнашивание, ползучесть, коррозия, радиационное разбухание и др.

Ремонтопригодность – свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, отысканию и устранению в нем отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Показателем ремонтопригодности является среднее время ремонта на один отказ данного вида, а также трудоемкость и стоимость устранения отказов.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного технической документацией. Сохраняемость количественно оценивают временем хранения и транспортирования до возникновения неисправности.

4

Методики испытания материалов

1. Испытание образцов разрушающим методом

При статических испытаниях на растяжение нагрузка, прилагаемая к образцу стандартного размера (рисунок 1) по ГОСТ 1497, сравнительно медленно и плавно возрастает.

Машины для испытаний снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения в системе координат «усилие – абсолютное удлинение». Эту диаграмму заменяют другой: «условное напряжение σ – относительное удлинение ε».

Рисунок 1 – Форма и размеры образцов для испытаний на растяжение:

а – образец до испытаний (l0 и d0 – начальные расчетные длина и диаметр); б – образец, растянутый до максимальной нагрузки (lр и dр – расчетные длины и диаметр образца в области равномерной деформации); в – образец после разрыва (lк – конечная расчетная длина; dк – минимальный диаметр в месте разрыва)

При испытаниях на растяжение расчетом определяют следующие характеристики:

-предел упругости σ0,05 – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от первоначальной длины образца;

-физический предел текучести σт – напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки; предел текучести характеризует сопротивление материала пластической деформации, для хрупких сплавов определяют условный предел текучести σ0,2;

-временное сопротивление или предел прочности σв – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца;

-относительное сужение ψ – уменьшение площади поперечного сечения образца в момент разрыва по сравнению с начальной площадью поперечного сечения, характеризует пластичность материала;

5

Ε = σ в / δ

-относительное удлинение δ – отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине (l0), характеризует пластичность материала;

-модуль упругости Е – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению относительного удлинения в пределах упругой деформации в соответствии с законом Гука;

- удельная характеристика прочности σ в ρg – характеризуют эффективность

материала с учетом его плотности.

Условное напряжение σв вычисляется по формуле:

σ в = Рв F0 ,

где Рв – максимальная нагрузка на образец в момент его разрушения, Н или кН (кгс); F0 – площадь сечения образца, м2 (см2, мм2).

Относительное сужение ψ определяется по формуле:

ψ = F0 Fk 100% ,

F0

где F0 – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2; Fk – конечная площадь поперечного сечения образца, мм2. Относительное удлинение δ вычисляется по формуле:

δ = lk l0 100% , l0

где l0 – начальная длина образца, мм; lk – конечная длина образца, мм.

Модуль упругости Е рассчитывается по формуле:

,

где σв – напряжение, МПа; δ – относительное удлинение.

Удельная характеристика прочности определяется по формуле:

Уσ в = σ в / ρ g ,

где ρ – плотность материала, кг/м3;

g – ускорение свободного падения.

2. Определение твердости сплавов (неразрушающие методы)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Определение твердости по принципу Мооса

Для ознакомления с методом царапания поверхности образцов используют набор материалов с эталонами твердости: свинец НВ5, алюминиевый сплав НВ20, медь НВ40, железо НВ100, сталь рельсовая НВ250, стекло неорганическое НВ500 и твердый сплав НВ больше 1500.

6

Если исследуемый образец (по заданию преподавателя) тверже материала из шкалы твердости, то на нем фиксируется черта, легко удаляемая резинкой, на мягком материале прочерчивается царапина. При царапании образцом по эталону наблюдаются обратные явления: «метод кто – кого».

По величине твердости все материалы делятся на три группы: 1-я группа – мягкие с твердостью меньше НВ100;

2-я группа – средней твердости НВ100–500, т.е. они царапают железо, а на стекле оставляют темный или цветной след;

3-я группа – твердые с твердостью больше НВ500, они царапают стекло. Определение твердости на приборе Роквелла проводят методом идентирования

(вдавливания индентора) в испытуемый образец алмазного конуса с углом при вершине 120º или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0 и основной Р1. Общая нагрузка будет равна сумме двух указанных: Р = Р0 + Р1. Предварительная нагрузка равна 100 Н. Величина нагрузки на стальной шарик составляет 1000 Н (100 + 900), отсчет показателей твердости производят по шкале В. При вдавливании алмазного конуса (шкала С) общая нагрузка соответствует 1500 Н (100 + 1400). Вдавливание алмазного конуса с получением результатов по шкале А соответствует нагрузке 600 Н (100 + 500).

В зависимости от того, по какой шкале проводят испытания (В, С, А), число твердости обозначают соответственно HRB, HRC, HRA. Перевод на НВ (твердость по Бринеллю) производят по таблице приложения А.

Рисунок 2 – Схема определения твердости по Роквеллу

Число твердости по Роквеллу выражается в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Число твердости определяется:

-при измерении по шкале В HRB = 130 – e;

-при измерении по шкале С (А) HRC (HRA) = 100 – e. Величина e вычисляется из уравнения:

e =

h h0

,

(6)

0,002

 

 

 

 

7

где h – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки, но с оставленной предварительной;

h0 – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием предварительной нагрузки Р0.

Запись значения твердости 50 HRC означает, что твердость, определенная методом Роквелла по шкале С вдавливанием алмазного конуса, равна 50 (размерность не указывается).

Определение твердости методом удара шарика об испытуемую поверхность детали

Динамическое выталкивание шарика электронного переносного прибора ТЭМП-3 позволяет установить твердость в виде числовых значений, которые переводят на значения твердости в единицах Бринелля или Роквелла по прилагаемой к прибору таблице. Прибор используют при исследованиях влияния на твердость вида термической обработки, в результате которой формируется равновесная (твердость минимальная) или неравновесная (с повышенной твердостью) структура сталей.

3. Определение механических свойств сплавов по твердости

Величина твердости количественно взаимосвязана с временным сопротивлением металлов и сплавов растяжению.

Условный предел текучести для конструкционных углеродистых и перлитных легированных сталей можно рассчитать по формуле, МПа:

σ0,2 = 0,367 НВ – 240.

(7)

который указывает, что с увеличением твердости возрастает условный предел текучести (НВ, МПа).

Временное сопротивление рассчитывается по формуле, МПа:

σв = 0,365 НВ0,989.

(8)

Относительное поперечное сужение отожженных сталей, %:

 

ψ= 105 – 0,0316 НВ.

(9)

Относительное удлинение для пятикратных образцов:

 

δs = 420 · 100 / (2σв + σ0,2).

(10)

Зависимость технических характеристик стали в состоянии поставки от содержания в них углерода представлена на рисунке 3.

8

НВ, МПа

3000

2000

1000

Рисунок 3 – Зависимость технических характеристик сталей от содержания углерода

4. Определение плотности

Плотность – отношение между массой и объемом. По плотности все металлы подразделяются на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые. Использование более легких металлов и сплавов способствует снижению массы изделий. Плотность рассчитывают по результатам испытаний с определением массы (m) образца взвешиванием на технических весах и объема (V). Объем определяют с помощью объемомера, м3:

ρ = m / V.

(11)

Для материалов, используемых в транспортной технике важное значение имеет эффективность материала по массе. Эффективность материала по плотности оценивают удельной прочностью.

Порядок выполнения работы

1. Студенты получают несколько образцов сплавов, испытанных на растяжение. Производят их обмер штангенциркулем. По значению разрушающей нагрузки Рв рассчитывают σв, МПа. Результаты испытания заносят в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты испытаний образцов на растяжение

Сплав

 

 

 

Размеры

Нагрузка

Предел

 

 

Размеры

Значения

(марка)

 

образца до

Pв, кгс

прочности при

образца после

относительного

 

испытания на

 

растяженииσ в ,

 

испытаний

удлинения и

 

 

растяжение

 

2

 

 

 

 

 

 

 

сужения

 

 

 

 

 

 

 

 

кгс/мм (МПа)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

0

,

 

l ,

F ,

 

 

d

k

,

l

k

,

F ,,

δ ,%

ψ ,%

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

мм

 

мм

мм2

 

 

мм

мм

мм2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

2.Пользуясь шкалой Мооса, определить твердость испытуемого материала в состоянии поставки (отожженного). Установить, к какой группе он относится по принятой классификации.

3.Изучить конструкцию прибора Роквелла, способы настройки его на испытание отожженных и закаленных металлов.

Определить твердость отожженного и закаленного сплавов в единицах Роквелла. Используя специальную таблицу, перевести полученные значения твердости в единицы Бринелля (см. приложение А).

4.Изучить методику определения твердости на приборе ТЭМП-3.

Определить твердость испытуемых закаленных образцов сталей, результаты испытаний перевести на значения твердости по Бринеллю.

5.Рассчитать основные механические свойства металлического сплава (10, 40, 70)

по значениям их твердости.

6. По результатам испытаний определить плотность сплава и рассчитать удельную прочность

7.Все результаты испытаний заносятся в таблицу 2 при оформлении лабораторной работы.

Таблица 2 – Результаты испытания сплава

 

Признаки металлического сплава

 

Номер образца

 

 

1

2

3

 

 

1.

Твердость НВ

 

 

 

- по шкале Мооса

 

 

 

- по Роквеллу

 

 

 

- по прибору ТЭМП-3

 

 

 

2.

Плотность, кг/м3

 

 

 

3.

Временное сопротивление, МПа

 

 

 

4.

Удельная прочность

 

 

 

Содержание отчета

В отчете привести: цель работы, основные формулы расчета физико-механических свойств, таблицы результатов испытаний. Выводы должны указывать на зависимость свойств углеродистых сталей от содержания углерода (см. приложения Б, В).

Контрольные вопросы

1.Дайте определение «конструкционной прочности».

2.Дайте определение «надежности».

3.Дайте определение «долговечности».

4.Перечислите критерии прочности.

5.Поясните методы определения твердости.

6.Дайте определение «твердости».

7.Назовите прибор для определения твердости отожженной стали.

8.Назовите прибор для определения твердости закаленной стали.

9.Дайте определение «удельная прочность».

10.Сталь какой марки (Ст3 или Ст5) прочнее?

11.Сталь какой марки (10 или 40) пластичнее?

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]