Механические свойства твердых тел и методы их определения

возрастающей силе. Тестируемый образец обычно имеет форму цилиндрической катушки со стандартными параметрами, например, диаметром внутренней части 12.5 мм и длиной 50 мм. Он закрепляется в растягивающем устройстве с помощью 2 зажимов. Затем
прикладывается растягивающая сила (нагрузка) F .

Длина внутренней части

Условное напряжение: отношение силы к исходной площади поперечного сечения образца :

Условная деформация:

-исходная длина внутренней части
-длина внутренней части после приложения силы

Деформация является безразмерной.

При испытаниях на растяжение определяются модуль Юнга, пределы текучести (несколько видов) и прочности.

при максимальной приложенной силе.

В упругой области наклон нагрузочной кривой постоянен.

- модуль Юнга

Закон Гука

Типичная кривая нагрузочных испытаний

кривой напряжение-деформация (НД) из точки .

- это напряжение, соответствующее точке
пересечения построенной линии и кривой НД (40 МПа).

Для большинства материалов площадка текучести отсутствует, поэтому граница между упругой и пластической деформацией не может быть точно определена.
Для них предел текучести определяется по определенному уровню деформации, обычно 0,2 %.

Для материалов, имеющих ярко выраженную площадку текучести (т.е. плато на нагрузочной кривой), определяется предел текучести , как напряжение, соответствующее началу течения.

выявляет двойной предел текучести (зуб текучести).
Это связано с тем, что в первоначальном состоянии вокруг имеющихся дислокаций скапливаются кластеры атомов внедрения. При приложении небольших нагрузок дислокации вынуждены двигаться вместе с ними, что тормозит процессы скольжения.

.

Существует большое число видов нагрузочных кривых

Только после приложения большего напряжения происходит отрыв дислокаций от точечных дефектов, и дислокации начинают скользить более легко.

характеристики: предел текучести, предел прочности и предел разрушения совпадают.

Пластичный материал имеет значительную область пластического течения на нагрузочной кривой и

Малопластичный материал

У хрупкого материала нет области пластического течения

Пластичность характеризуется относительным остаточным продольным удлинением и поперечным сужением. Часто их выражают в процентах.

площади поперечного сечения, и поэтому нагрузочная кривая имеет нисходящий участок.
В действительности же площадь поперечного сечения уменьшается.
Поэтому вводят так называемое истинное напряжение как отношение нагрузки F к текущему значению площади поперечного сечения A:

Истинная деформация

определяется из условия постоянства объема

быть использованы для многих хрупких материалов, потому что:
Присутствие трещин на поверхности приводит к разрушению;
Закрепление концов хрупкого образца в зажимах растягивающего устройства приводит к растрескиванию.

Поэтому для хрупких материалов используют изгибные испытания

Существует несколько стандартных видов изгибных испытаний.
Например, изгиб может вызываться нагрузкой, прикладываемой в 3 точках.

Предел прочности на изгиб

- расстояние между 2 внешними точками
- ширина пластинки
- высота пластинки
- величина разрушающей нагрузки

Сжатие Изгиб

Стекловолокно 50% полиэстера 160 225 315

210 2625 350 175 3920 560

Хрупкие материалы , разрушаются при много больших значениях сжимающих напряжений, чем растягивающих, поскольку трещины при сжатии закрываются.

царапанью. Например, алмаз является очень твердым материалом, который легко царапает стекло.
В технике используются различные испытания на твердость, наиболее широко применяются тесты Бринелля, Виккерса и Роквелла.

3.1. Тест Бринелля

Твердый шарик, сделанный из закаленной стали или карбида вольфрама, впрессовывается в поверхность образца в течение стандартного времени (10-15 с) при стандартной нагрузке . Затем измеряется диаметр отпечатка . По определению, число твердости по Бринеллю (HB от «hardness Brinell») есть

Для различных материалов выбираются различные инденторы и нагрузки.
Так, для стального шарика обычно используется диаметр 10 мм.

Для стали рекомендуется . Следовательно, требуется нагрузка 3000 кгс

1 кгс=9.8 Н

основанием. Для расчета HV (число твердости по Виккерсу от «hardness Vickers») используется та же формула, что и для HB. Угол в вершине пирамиды обычно выбирают равным 136°, потому что при этом получается HB=HV вплоть до 300

Угол 136°

Вид отпечатка сверху

Преимущества теста Виккерса по ср. с тестом Бринелля
Применим даже для очень твердых материалов (поскольку используется алмазный индентор).
2. Обеспечивается высокая точность в линейной зависимости: материал с HV=400 действительно в два раза тверже, чем с HV=200

Недостатки:
1.Отпечаток сравнительно мал по величине, поверхность должна быть отполирована и перпендикулярна индентору в течение всего времени испытания.
2. Испытание требует достаточно большого времени.

С)

Тест Роквелла измеряет глубину проникновения (а не диаметр или диагональ отпечатка)

Преимущества теста Роквелла

1. Этот тест проводится быстро и, таким образом, именно он в основном применяется для обеспечения контроля качества деталей на движущемся конвейере.

2. Может использоваться для исследования не очень гладких поверхностей. Чтобы приспособиться к неровностям поверхности, сначала прикладывается незначительная нагрузка для того, чтобы индентор не скользил по поверхности. Затем прикладывается основная нагрузка и производится измерение глубины проникновения.

сделанный из стали или карбида вольфрама
Алмазная пирамидка с квадратным основанием
Стальной шарик диаметром 1/16 дюйма
Алмазный конус

F до 3000 кгс, зависит от отношения F/D²
F~1-120 кгс
10 кгс вспомогательная 100 кгс основная
10 кгс вспомогательная 150 кгс основная

Применение:

Сплавы черных и цветных металлов.
Сплавы, керамики. Необходима подготовка поверхности
Стальные сплавы низкой твердости до HV=240
Стальные сплавы высокой твердости HV=240-1000

Индентор:

Сравнение различных тестов твердости

нарушения сплошности. Трещиностойкость – это способность трещиноватого материала не разрушаться при приложенной нагрузке.

Испытание на трещиностойкость выполняется приложением растягивающих напряжений к образцу стандартного размера со щелью известного размера и стандартной геометрии.

Коэффициент усиления напряжения:

Его размерность [K]=МН/м³/².

Здесь f – геометрический коэффициент, он зависит от геометрии образца и щели, a – характерный размер щели, - приложенное напряжение.

10 20 30

Толщина, мм

200
100
0

Для тонких образцов зависит от толщины образца. Для очень толстых образцов он не зависит от толщины и определяется только свойствами материала.

Разрушение трещиноватого образца происходит следующим образом. Вблизи трещин напряжение увеличивается (вследствие уменьшения площади, на которую приходится сила).

критическое значение

При его достижении начинается рост трещины, который приводит к разрушению.

уменьшают допустимые напряжения и являются более опасными.
2. В пластичных металлах острые концы трещин сглаживаются вследствие пластической деформации, что предотвращает рост трещин. Возрастание прочности обычно приводит к уменьшению пластичности, и трещиностойкость понижается. Хрупкие материалы (например, керамики) имеют меньшую трещиностойкость, чем металлы.
3. Более толстые и жесткие образцы имеют меньшую трещиностойкость.
4. Возрастание скорости нагружения уменьшает трещиностойкость.
5. Возрастание температуры увеличивает трещиностойкость, поскольку материал становится более пластичным.
6. Малость зерен улучшает трещиностойкость, а точечные дефекты и дислокации ухудшают ее.

в динамическом режиме.
Но в основном при динамической нагрузке определяют выносливость и ударную вязкость.
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Динамические тесты
5. Испытания на усталость

Усталость металла – процесс постепенного накопления повреждений под действием повторно-переменных напряжений.
Выносливость-это свойство противостоять усталости. Выносливость характеризуется рядом параметров, среди которых – предел выносливости и циклическая долговечность.
Даже если напряжение ниже порога прочности, материал
может разрушиться, если оно приложено многократно.

Хорошо известный пример: многократным изгибом медной или алюминиевой проволоки можно их разломать. После нескольких циклов нагрузки возникает очень маленькая трещина. Затем она растет, распространяется, и образец внезапно ломается. Усталостное разрушение может быть ответственно за разрушение крыльев старых самолетов из-за длительной вибрации.

обеспечивает многократный изгиб образца технически более легко реализуемым вращением.

Мотор Вращающийся образец Нагрузка

Один конец цилиндрического образца прикрепляется к мотору, другой вращается в подшипнике. Второй конец нагружается, и образец слегка изгибается.

Часть материала, которая сначала испытывала растяжение, после поворота на 180º будет испытывать сжатие.

до разрушения при заданной нагрузке.
Предел выносливости – напряжение, соответствующее началу горизонтального плато (оно имеется не у всех материалов).

Образец размещается на пути маятника на двух опорах и разрушается. Часть кинетической энергии маятника расходуется на изгиб и разрушение образца, и конечная высота его подъема . Разность начальной и конечной потенциальной энергии называют “работой разрушения”.
На практике измеряют угол отклонения маятника.

Чем больше работа разрушения, тем больше так называемая ударная вязкость КС:

Принципиальным отличием тестов на растяжение и ударный изгиб является скорость нагружения: при большей скорости материал становится более хрупким.

где - площадь поперечного сечения образца в месте удара.

текучести. За счет этого для него площадь под кривой, работа разрушения и вязкость больше, чем для материала А.

Для высокой вязкости должны быть высокими значения и пластичности, и прочности.
Это достаточно редкий и высокоценный набор свойств. Обычно пластичные материалы менее прочны, а прочные менее пластичны.
Например, керамики и композиты имеют низкую вязкость, несмотря на высокую прочность (из-за малой пластичности).
Материалы с высокой вязкостью используются, например, для изготовления брони танков.

Работа пропорциональна площади под кривой истинное напряжение -истинная деформация.

При повышении температуры материалы становятся более пластичными, а при понижении- хрупкими. Увеличение пластичности при повышении температуры используется при термической обработке

Зависимость механических свойств от температуры

% удлинения

При понижении температуры падает также ударная вязкость.

Критическая температура охрупчения
(порог хладноломкости)

хрупкие пластичные

деформация

время разрушения

Ползучесть-это деформация образца при небольшом постоянном приложенном напряжении. При высокой температуре даже в том случае, если напряжение много меньше предела текучести, образец вследствие ползучести может растягиваться вплоть до разрыва. Испытания на ползучесть проводятся при постоянной температуре и внешней нагрузке. Измеряются время разрушения и скорость ползучести.

Различают 3 стадии ползучести.
По мере приложения нагрузки образец сначала упруго растягивается
На 1 стадии дислокации начинают двигаться, и их движение приводит к пластическому удлинению образца. Однако, это движение дислокаций (скольжение) останавливается препятствиями (несовершенствами кристаллической решетки).
На 2 стадии дислокации отрываются от препятствий, но скорость отрыва равна скорости остановки другими несовершенствами. Здесь имеет место установившаяся скорость удлинения: скорость ползучести=
∆деформация/∆время=∆ε/∆t.
В течение 3 стадии начинает формироваться шейка и образец деформируется с возрастающей скоростью вплоть до разрушения.

время

K, m – постоянные материала,
- энергия активации ползучести,
- энергия активации разрушения.

Существуют различные модели ползучести.
Во многих материалах комбинированное воздействие напряжения и температуры на скорость ползучести и время разрушения определяется законом Аррениуса:

Ползучесть растет с повышением как температуры, так и напряжения.