Технологии испытания материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский государственный гидрометеорологический университет

Факультет заочного обучения

Контрольная работа

по материаловедению

тема: Технологии испытания материалов

Студента 6 курса

Копосова И.В.

Специальность: «океанология»

Санкт-Петербург - 2015 г

Введение

Механические свойства определяют конструкционную прочность материалов, то есть их прочность, надёжность и долговечность в процессе эксплуатации элементов конструкций, деталей машин и приборов, изготовленных из этих материалов. Механические свойства в численном виде характеризуют поведение материалов под действием внешних нагрузок, что позволяет сравнивать их между собой и рационально выбирать материалы для изготовления различных изделий.

Одно из основных требований, предъявляемых к технологиям испытаний материалов, заключается в необходимости создания напряженного состояния материала во время испытаний близкого к состоянию материала в условиях, в которых происходит его эксплуатация.

1. Виды испытаний

Деформация - изменение размеров и формы тела, возникающих в результате действия на него внешних нагрузок. Деформация, исчезающая после прекращения действия нагрузки, называется упругой. При этом тело полностью восстанавливает первоначальные форму и размеры. Деформация, остающаяся после снятия нагрузки, называется остаточной или пластической.

Способность материала сопротивляться деформации зависит от силы сцепления частиц. Эта сила характеризуется величиной механических напряжений, возникающих в каждой точке деформированного тела. Напряжение - единичная внутренняя сила, действующая в каждой точке деформированного тела. Размерность напряжения - [МПа] (1 МПа = 1 Н/мм2, 10 МПа ~ 1 кгс/мм2).

Полное напряжение для удобства расчётов раскладывается на две взаимно перпендикулярные составляющие: нормальное напряжение у и касательное напряжение ф . Нормальные напряжения действуют по нормали к плоскости сечения тела. Они характеризуют стремление частиц материала сблизиться или удалиться друг от друга. Касательные напряжения действуют в плоскости сечения и характеризуют стремление частиц скользить относительно друг друга. Численные значения у и ф зависят от выбора рассматриваемого сечения.

К основным механическим свойствам материалов относятся:

прочность - способность материала сопротивляться пластическим деформациям и разрушению;

жёсткость - способность материала сопротивляться развитию значительных упругих деформаций;

упругость - способность материала восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия значительных внешних нагрузок, вызвавших деформацию;

пластичность - способность материала под действием внешних нагрузок изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после устранения этих нагрузок;

твердость - способность поверхностного слоя материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него другого более твердого тела;

ударная вязкость - способность материала сопротивляться действию ударных нагрузок.

Первое требование, предъявляемое к большинству изделий - это достаточная прочность. Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать еще особыми свойствами в зависимости от их назначения и условий эксплуатации. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью, для изготовления рессор и пружин применяют специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью. Вязкие материалы идут на изготовление деталей, которые при работе подвергаются ударной нагрузке, пластичные материалы хорошо обрабатываются давлением.

Механические свойства определяются по результатам механических испытаний стандартных образцов материалов. По виду деформации, испытываемой образцом, различают испытания на растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг, кручение. Каждое из этих испытаний отличается схемой нагружения образца, преобладающим направлением возникающих в образце напряжений, типом разрушения образца. Эти отличия отражены в таблице 1.

По характеру изменения действующей нагрузки во времени различают механические испытания: статические, динамические (или ударные) и усталостные.

Статическими называются испытания, при которых образец исследуемого материала подвергают действию постоянной или, чаще всего, медленно и плавно повышающейся нагрузки. Наиболее важны следующие виды статических испытаний:

2. Испытания на растяжение

Испытание на растяжение -- это относительно простой для понимания и объяснения метод испытания материала, и, возможно, его используют чаще остальных. При проведении этого испытания, образец материала растягивают вдоль продольной оси с помощью растягивающего приспособления испытательной машины.

Испытание проводят с постоянной скоростью, (т.е. с постоянной скоростью растяжения образца), а нагрузку измеряют с помощью датчика нагрузки. Одновременно с этим измеряют удлинение, соответствующее прилагаемой нагрузке. Удлинение можно измерить несколькими способами, в том числе, по пути движения подвижной траверсы, или путем прикрепления к материалу тензодатчика при очень низких величинах деформации.

Испытаниям на растяжение непрерывно и плавно повышающейся нагрузкой подвергаются практически все материалы. Это основной вид механических испытаний. Испытаниям постоянной нагрузкой подвергаются металлические материалы при температурах выше 300°С, а также полимеры уже при комнатной температуре. Стандартная методика определения основных механических характеристик распространяется на черные и цветные металлы и изделия из них, исключая проволоку, трубы, листовой металл и ленты толщиной менее 0,5 мм. Условный предел пропорциональности вводиться для материалов, которые не совсем точно подчиняются закону Гука. Условный предел пропорциональности - это напряжение, при котором зависимость между напряжением и относительным удлинением отступает от линейной на такую величину, что тангес угла наклона, образованного касательной к кривой, увеличивается на 50% от своего значения на линейном участке.

Напряжение и соответствующая ему деформация могут быть рассчитаны по приведенным выше формулам. По этим данным можно построить кривую напряжение -- деформация, а по этой кривой можно определить ряд свойств.

При упругой деформации наблюдается небольшое увеличение объема материала за счет того, что расстояние между атомами, из которых состоит твердое тело, удлиняется при растяжении. Однако при пластической деформации таких изменений объема не наблюдается. При такой деформации увеличение длины материала может привести к уменьшению площади его поперечного сечения. Это в свою очередь приведет к возникновению локализованной области материала. Эта область уменьшения поперечного сечения образца называется шейкой. Часто такое явление наблюдается при растяжении материалов с повышенной вязкостью (пластичных материалов). материал напряжение растяжение сжатие

3. Испытания на сжатие

Испытание на сжатие имеет характерные особенности:

· - образцы из пластичных материалов не разрушаются, испытывая большую деформацию, чем при разрыве в условиях растяжения;

· - результаты испытаний образцов на сжатие существенно зависят от отношения высоты образца к его диаметру;

· - на предел прочности и характеристики пластичности заметно влияют силы трения на опорных торцах образца.

Этому испытанию подвергаются строительные материалы (дерево, камень, кирпич, бетон), а также металлические и полимерные материалы специального назначения (например, материалы для подшипников). Образцы материалов для испытания на сжатие изготовляются в виде цилиндров высотой h и диаметром d . Для чугуна, например, рекомендуется диаметр от 10 до 25 мм. Отношение h/d должно быть в пределах от 1 до 2. При значении h/d >2 сказывается влияние продольного изгиба. При значении h/d<1 в большей степени сказывается влияние сил трения, возникающих между торцами образца и опорными плитами машины. Силы трения тормозят развитие деформации у торцов образца, чем и объясняется его бочкообразная форма в результате испытаний. Одним из способов уменьшения сил трения является смазывание торцов образца графитом, графитовой смазкой или парафином. Характеристики, аналогичные относительному удлинению и относительному сужению при разрыве, при испытании на сжатие также получить невозможно.

На рисунке схематически представлено проведение испытания на сжатие. Поскольку образец удерживается за счет трения в точках контакта с опорными пластинами испытательного прибора, здесь наблюдается увеличение площади поперечного сечения в середине образца, и одновременно с этим материал приобретает форму бочонка. Этот эффект «приобретения формы бочонка» приводит к возникновению очень сложной модели распределения напряжений в материале. Анализировать такую модель очень сложно. Это затрудняет интерпретацию результатов испытаний на сжатие.

Испытанию на сжатие подвергают главным образом хрупкие материалы, которые, как правило, лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению, и применяются для изготовления элементов, работающих на сжатие. Для их расчета на прочность необходимо знать характеристики материалов, получаемые при испытании на сжатие.

Компромиссным испытанием является измерение так называемой диаметральной прочности, в который изготовленный из испытываемого материала диск подвергают воздействию сжимающей нагрузки. В результате приложения этой нагрузки к диску, в направлении, перпендикулярном направлению приложения сжимающей нагрузки, возникают напряжения растяжения, что схематически представлено на рисунке ниже.

4. Испытания на изгиб

Область применения этих испытаний - полимеры, строительные материалы, дерево, стекло, керамика, хрупкие металлические материалы. При деформации изгиба нижние слои металла до нейтрального слоя испытывают растяжение, а верхние - сжатие.

Между зонами растяжения и сжатия располагается нейтральный недеформированный слой металла. Различают простой или плоский изгиб, при котором внешние силы лежат в одной из главных плоскостей бруса, и сложный, вызываемый силами, расположенными в разных плоскостях.

При изгибе хрупких материалов максимум нагрузки часто совпадает с появлением первой трещины. Иногда образование трещин сопровождается резкими перегибами на ниспадающей ветви диаграммы.

Предел прочности при изгибе в этом случае уизг = Mизг/W, где W (момент сопротивления) - геометрическая характеристика поперечного сечения бруса, показывающая сопротивляемость бруса изгибу в рассматриваемом сечении.

Для образцов круглого сечения W= р d3/32, где d - диаметр образца. Для образцов прямоугольного сечения со сторонами b и h W=bh2/ 6, где h - высота бруса.

При изгибе можно определить пределы пропорциональности, упругости и текучести с точным замером деформаций.

Величина прогиба fразр характеризует пластичность; она зависит от материала, длины образца, момента инерции, от отношения высоты к ширине и способа приложения нагрузки.

5. Испытания на кручение

Испытание на кручение используется для оценки металла валов или проволоки, а также для определения механических характеристик прочности и пластичности высокопрочных металлов.

Суть метода: один конец образца закрепляют неподвижно, а к другому концу прикладывают пару сил в плоскости, перпендикулярной к оси образца, что вызывает крутящий момент М = F/d, где F - действующая сила, МПа (кгс/мм), d - диаметр образца, мм.

При кручении все поперечные сечения образца сдвигаются (поворачиваются) вокруг общей оси по отношению к закрепленному сечению. Этот сдвиг увеличивается с увеличением расстояния от места закрепления, причем линии, параллельные оси образца, переходят в винтовые.

По результатам испытания образцов на кручение определяют следующие характеристики:

- модуль сдвига G, МПа (кгс/мм2);

- предел текучести при кручении t0,3, МПа (кгс/мм2);

- условный предел прочности при кручении tпч, МПа (кгс/мм2);

- истинный предел прочности при кручении tк, МПа (кгс/мм2);

- максимальный остаточный сдвиг при кручении gmax, рад;

- характер разрушения при кручении: срез или отрыв.

Модуль сдвига - отношение касательного напряжения к вызванной им условной деформации. Предел текучести при кручении - касательное напряжение, при котором образец получает остаточный сдвиг, равный 0,3 %. Условный предел прочности при кручении - касательное напряжение, равное отношению наибольшего момента при кручении, предшествующего разрушению, к полярному моменту сопротивления сечения образца. Истинный предел прочности при кручении - наибольшее истинное касательное напряжение при разрушении образца.

Максимальный остаточный сдвиг при кручении - максимальная угловая деформация в точке на поверхности образца в момент разрушения.

Характер разрушения при кручении: срез - разрушение от касательных напряжений, отрыв - разрушение от растягивающих напряжений.

Для испытаний на кручение может быть использована испытательная машина, которая обеспечивает:

- свободное кручение образцов;

- плавность статического нагружения;

- свободное перемещение одного из захватов вдоль оси образца;

- измерение нагрузки с помощью силоизмерителя;

- измерение угла закручивания.

Динамические испытания характеризуются приложением к образцу нагрузок с резким изменением их величины и большой скоростью деформации. Длительность всего испытания не превышает долей секунды. К этим испытаниям относятся удар, и даже взрыв.

испытание на ударный изгиб (ударную вязкость) имеет наибольшее значение для определения сопротивления хрупкому разрушению вязких металлических и высокополимерных материалов. Это испытание является самым распространенным (после растяжения) сдаточным испытанием материалов во многих производствах.

Усталостные испытания проводятся при многократном циклическом приложении нагрузки к образцу. Такие испытания обычно длятся часами и сотнями часов. По их результатам определяют число циклов нагружения до разрушения образца при разных значениях напряжений. В конечном итоге определяют предел выносливости материала - предельные напряжения, которые образец выдерживает без разрушения в течение заданного числа циклов нагружения. Испытания на усталость проводятся на растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Им подвергаются все материалы.

Усталость может стать причиной разрушения материала при напряжениях, величина которых значительно ниже предела текучести. Для проведения испытания на усталостную прочность образцы материала подвергают воздействию циклических нагрузок в некотором их диапазоне. В каждом случае подсчитывают число циклов, требуемых для разрушения образцов.

Величину напряжения выражают графически в виде логарифмической зависимости от соответствующего числа циклов напряжений, которое требуется для разрушения образца. Кривая зависимости напряжения от числа циклов (кривая Н -- Ч) представлена на рисунке ниже:

Помимо перечисленных различают еще две группы испытаний. Первая группа - испытания на твердость.

Вторая группа - испытания на ползучесть и длительную прочность. Их обычно проводят при повышенных температурах для оценки характеристик жаропрочности материалов. Образцы в течение всего испытания находятся под постоянной нагрузкой. При испытаниях на ползучесть измеряют величину деформации в зависимости от времени испытания. При испытаниях на длительную прочность оценивают время до разрушения образца под действием определённых напряжений.

Механические испытания можно проводить при высоких и низких температурах, при наличии надрезов и исходных трещин, облучении и акустических воздействиях, нестационарных режимах, в агрессивных средах и различных других условиях.

Размещено на Allbest.ru