ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. Механические свойства металлов.

Лабораторная работа № 1
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Цель работы: 1. Ознакомиться с оборудованием и методикой определения твердости и
показателей механических свойств при испытании на растяжение. 2. Установить влияние содержания углерода на твердость, прочность и пластичность стали.
Краткая теоретическая часть
Приложенная к материалу нагрузка вызывает его деформацию. Деформация - это изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформация может быть упругая (обратимая), действие которой на форму и размеры тела полностью прекращается при
снятии нагрузки и пластическая (необратимая), когда после снятия нагрузки остаются изменения формы и размеров тела, которые были вызваны ее действием.
Поэтому, чтобы охарактеризовать поведение материала под действием нагрузки,
пользуются характеристиками, которые называются механическими свойствами.
К основным механическим свойствам относятся:
упругость – свойство, характеризующее способность металлов изменять свою форму
и размеры при приложении нагрузки и полностью восстанавливать их после ее снятия;
пластичность – свойство, характеризующее способность металлов изменять свою
форму и размеры при нагружении, но полностью не восстанавливать их после разгрузки, т.е.
сохранять остаточную деформацию;
прочность – свойство, характеризующее способность материалов выдерживать нагрузки не разрушаясь;
твердость – свойство, характеризующее способность материала сопротивляться деформации и разрушению при воздействии на него другого, более твердого тела (индентора).
Нагрузка, действующая на твердое тело, вызывает в нем внутренние силы сопротивления, т.е. напряжения, которые определяются отношением нагрузки к площади сечения образца. В зависимости от расположения силы P , приложенной к некоторой площадке F , различают нормальные напряжения, обозначающие буквой σ (сигма), когда сила P перпендикулярна площадке F . Они могут быть рассчитаны по формуле:
σ=
P
, Н/м2 или Па (МПа),
F
где P – нагрузка, действующая перпендикулярно сечению образца, Н; F – площадь
поперечного сечения образца, м2.
и касательные напряжения τ (сила P расположена к площадке под углом). При расчете касательных напряжений τ учитывается угол приложения нагрузки к площадке F .
Количественно показатели механических свойств определяют после проведения испытаний при различных схемах нагружения (растяжение, сжатие, кручение, изгиб и т.д.).
Испытания на растяжение
Испытания на растяжение проводят или на разрывных или универсальных испытательных машинах механического, гидравлического действия (рис. 1) с использованием цилиндрических или плоских образцов, описанных в ГОСТе 1497-84 и приведенных на (рис. 2).
Рис. 1. Схема универсальной испытательной машины:
1 – образец;
2 – нагружающее устройство;
4 – датчик нагрузки;
3 – датчик деформации;
5 – диаграммный прибор
Рис. 2. Образцы для испытания на растяжение:
а) цилиндрический; б) прямоугольный
В процессе испытания образец нагружают с определенной скоростью, при этом на
диаграммной ленте испытательной машины автоматически записывается сила сопротивления образца деформации в зависимости от его удлинения в соответствующем масштабе.
В результате испытания получают так называемую первичную (машинную) диаграмму деформации в координатах “нагрузка ( P ) – удлинение ( ∆l )”.
Кривая растяжения, полученная на диаграмме характеризует поведение (деформацию)
металла под действием напряжений, величина которых является условной.
Характерный вид первичных диаграмм деформации при растяжении приведен на рис.
3 (а и б).
Рис. 3. Схема первичных диаграмм растяжения
а – с площадкой текучести
б – без площадки текучести
Первичные диаграммы растяжения обрабатываются с целью определения показателей
механических свойств.
К стандартным показателям механических свойств, определяемых при испытании на
растяжение относятся: σ пп – предел пропорциональности, σ упр. – предел упругости; физический ( σ Т ) или условный предел текучести ( σ 0, 2 ); предел прочности ( σ В ), относительное удлинение ( δ ) и относительное сужение (ψ ). Значение σ Т , σ 0, 2 , σ В рассчитывают путем деления соответствующих значений нагрузки PТ , P0, 2 , PВ в Н, определяемых из диаграммы
деформации (см. рис.3), на начальную площадь сечения образца F0 в м, а значение δ и ψ
определяются расчетом по образцу.
Предел пропорциональности ( σ пп ) – условное напряжение, вызывающие упругую деформацию материала. Нередко его отождествляет с условным пределом упругости σ 0, 05 , который определяется как напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,05% от l0 .
Физический предел текучести ( σ Т ) – условное напряжение, при котором образец деформируется практически без заметного увеличения нагрузки (на диаграмме имеется горизонтальная линия – площадка текучести) (рис. За):
PT
, Па(МПа).
F0
Если на диаграмме растяжения отсутствует горизонтальный участок (рис.3,б), что хаσТ =
рактерно для средне- и высокоуглеродистых сталей, то рассчитывают условный предел текучести ( σ 0, 2 ) – условное напряжение, которое вызывает остаточное удлинение (деформацию)
в образце после его разгрузки, равное 0,2% от его начальной расчетной длины ( l0 ):
σ 0, 2 =
P0, 2
, Па(МПа).
F0
Условный предел текучести определяется следующим образом: на диаграмме (рис.
3,б) откладывается удлинение, равное 0,2% от l0 и проводится линия, параллельная участку
пропорциональности на кривой растяжения. Точку пересечения этой линии с кривой растяжения сносят на ось нагрузки, определив таким образом P0, 2 .
Предел прочности или временно сопротивление ( σ B ) – условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке на диаграмме растяжения и предшествующей разрушению:
σB =
PB
, Па (МПа).
F0
Относительное удлинение ( δ ) – отношение абсолютного удлинения образца (после
разрушения) к начальной расчетной длине ( l0 ):
δ=
lK − l0
⋅ 100% , где lK – конечное значение расчетной длины, мм.
l0
Относительное сужение (ψ ) – отношение абсолютного уменьшения площади сечения
образца к ее начальному значению:
ψ=
F0 − FK
⋅ 100%
F0
где FK – площадь сечения образца в месте разрыва, мм2.
Показатели σ T , σ 0, 2 , σ B , называют прочностными, а δ и ψ – пластическими характеристиками материала.
Определение твердости металлов
Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической
деформации при воздействии на его поверхность более твердым материалом.
Твердость является косвенной характеристикой прочности материала.
Измерение твердости – самый доступный и наиболее распространенный вид механических испытаний, используемых в производственных и лабораторных условиях, в связи с
простотой неразрушающего контроля качества деталей. Наибольшее применение получили
статистические методы при вдавливании индентора (более твердого тела, чем испытуемый
образец) перпендикулярно его поверхности. К ним относятся методы Бри-нелля (HB), Роквелла (HRA, HRB, HRC), Виккерса (HV) и т.п.
Наиболее широкое распространение получил метод Роквелла, в связи с малой глубиной вдавливания, что позволяет оценить твердость тонколистовых и поверхностно упрочненных деталей.
Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно подготовить поверхность образца. Все поверхностные дефекты (окалина, вмятина, грубые риски) должны быть
удалены, а сама испытуемая поверхность быть ровной и параллельной опорной поверхности
столика прибора.
Измерение твердости по Роквеллу
Согласно ГОСТу 9013-59 сущность метода заключается во вдавливании в испытуемый образец алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика
диаметром 1,588 мм под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок: предварительной P0 и основной P1 (рис. 4). Общая нагрузка P будет равна:
P = P0 + P1
Рис. 4. Схема измерения твердости по Роквеллу
Предварительная нагрузка во всех случаях равна 100 Н. Основная нагрузка P1 = 900 Н
при вдавливании стального шарика (шкала В); P1 = 1400 Н при вдавливании алмазного конуса (шкала С) и P1 = 500 Н при вдавливании алмазного конуса (шкала А) (табл. 1).
Таблица 1
Условия для определения твердости по Роквеллу
Шкала
обозначения
Красная, В
Черная, С
Черная, А
Тип индентора
Стальной
закалённый
шарик
Алмазный
конус
Алмазный
конус
Нагрузка
P = P0 + P1 , Н
Обозначение
твердости
по Роквеллу
Предел измерения твердости
по Роквеллу
1000=100+900
HRB
25-100
1500=100+1400
HRC
20-67
600=100+500
HRA
70-85
После выдержки в течении нескольких секунд (3-5 с) основную нагрузку снимают и
считывают значение твердости по шкале индикатора прибора. Число твердости по Роквеллу
(HR) является мерой глубины вдавливания индентора (∆) и выражается в условных (безразмерных) единицах. За единицу твердости принята величина (одно деление шкалы), соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. Тогда
∆=
h − h0
0,002
т.е. является величиной безразмерной.
Стальной шарик (шкала В) используют для измерения твердости отожженной мягкой
стали, латуни, бронзы, т.е. мягких материалов; алмазный конус (шкала С) – для определения
твердости закаленной стали и материалов средней твердости; алмазный конус (шкала А) –
для испытания твердых материалов.
Число твердости по Роквеллу в зависимости от шкалы обозначают: HRB80, HRC60,
HRA72, где цифра - твердость по Роквеллу.
Порядок выполнения работы
Первое занятие (2 часа):
1. Работа проводится на уже готовых диаграммах растяжения, к которым прикладываются образцы.
2. Каждый студент по заданному варианту машинной диаграммы растяжения рассчитывает стандартные показатели прочности и пластичности сталей.
Результаты расчетов представить в таблице 2 (для всех вариантов).
Таблица 2
Результаты испытаний на растяжение
Размер образца, мм
Механические свойства
Марка стали,
её исходное
состояние
σ Т или
d0
l0
dK
F0
lK
FK
σ 0, 2 ,
МПа
σB ,
δ,
ψ,
МПа
%
%
3. Построить график зависимости характеристик прочности и пластичности стали от
содержания углерода σ B = f (%C ) ; δ = f (%C ) (для всех образцов группы).
4. Сделать вывод о влиянии %С на механические свойства стали.
Второе занятие (2 часа):
1. Ознакомиться с устройством и методикой определения твердости на приборе Роквелла.
2. Провести измерения твердости (не менее 3-х замеров) на выданных образцах стали.
Таблица 3
Результаты измерения твердости по Роквеллу
Марка
Исходное
Нагрузка,
стали
состояние
Н
Твердость, HRB
1-е изме-
2-е изме-
3-е изме-
рение
рение
рение
Среднее значение
твердости HRB
3. Построить график зависимости твердости стали от содержания углерода:
HRB = f (%C ) (для всех образцов группы).
4. Сделать вывод.
Содержание отчета
1. Название и цель работы.
2. Краткие сведения о механических свойствах, испытании на растяжение и показателях механических свойств, определяемых при этом, схема и сущность измерения твердости
по Роквеллу.
3. Расчет основных характеристик прочности и пластичности сталей.
4. Таблицы результатов испытаний на растяжение и измерения твердости.
5. Вывод о влиянии содержания углерода на твердость, прочность и пластичность
стали.
Контрольные вопросы
1. Что такое механические свойства, их характеристики?
2. Какие характеристики пластичности Вам известны?
3. Что такое физический предел текучести?
4. Что такое условный предел текучести?
5. В чем разница в понятиях σ Т и σ 0, 2 ?
6. Что такое твердость?
7. Какие виды испытаний на твердость Вы знаете?
8. В чем сущность определения твердости по Роквеллу?
9. Что такое HRA, HRB, HRC?
10. Как рассчитываются условия характеристики упругости (оо.оз) и текучести (о?) металла?
Литература
1. Фетисов Г.П., Карпман М.Г. и др. Материаловедение и технология металлов. - М.:
Высшая школа, 2000.
2. Жуковец ИИ. Механические испытания металлов. - М.: Высшая шко-