Электронная библиотека
Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропроводность. Они имеют характерный металлический блеск.
Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для металлических сплавов, особенно конструкционных, большое значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.
Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают напряжение и деформация. Напряжение это нагрузка (сила), отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения образца.
Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Деформация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается.
В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.
Прочность – способность металлов оказывать сопротивление деформации или разрушению статическим, динамическим или знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.
Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.1). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.
Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.1), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.
Рис. 3.1. Кривая деформации
Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.
При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.
Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании. Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).
Представленная зависимость ОАВ (см. рис. 3.1) между приложенным извне напряжением (σ) и вызванной им относительной деформацией (ε) характеризует механические свойства металлов.
· наклон прямой ОА показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;
· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию:
· напряжение, которое называется пределом пропорциональности (σпц), соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;
· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (σ0,2). Это напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия;
· максимальное напряжение (σв) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности.
Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (δ) или относительное сужение (ψ), они характеризуют пластичность металла. Площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.
При растяжении образца до разрушения фиксируются графически (рис. 3.2) зависимости между приложенным усилием и удлинением образца, в результате этого получают так называемые диаграммы деформации.
Рис. 3.2. Диаграмма «усилие (напряжение) – удлинение»
Деформация образца при нагружении сплава сначала является макроупругой, а затем постепенно и в разных зернах при неодинаковой нагрузке переходит в пластическую, происходящую путем сдвигов по дислокационному механизму. Накопление дислокаций в результате деформации ведет к упрочнению металла, но при значительной их плотности, особенно в отдельных участках, возникают очаги разрушения, приводящие, в конечном счете, к полному разрушению образца в целом.
Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками:
1) пределом прочности на разрыв;
2) пределом пропорциональности;
3) пределом текучести;
4) пределом упругости;
5) модулем упругости;
6) пределом текучести;
7) относительным удлинением;
8) относительным равномерным удлинением;
9) относительным сужением после разрыва.
Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) σв, – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке РВ предшествующей разрушению образца:
Эта характеристика является обязательной для металлов.
Предел пропорциональности (σпц) – это условное напряжение Рпц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости мости между деформацией и нагрузкой. Он равен:
Значения σпц измеряют в кгс/мм 2 или в МПа.
Предел текучести (σт) – это напряжение (Рт) при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки. Вычисляется по формуле:
Предел упругости (σ0,05) – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка рабочей части образца, равного базе тензометра. Предел упругости σ0,05 вычисляют по формуле:
Модуль упругости (Е) – отношение приращения напряжения к соответствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации. Он равен:
где ∆Р – приращение нагрузки; l0 – начальная расчетная длина образца; lср – среднее приращение удлинения; F0 – начальная площадь поперечного сечения.
Предел текучести (условный) – напряжение при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % длины участка образца на его рабочей части, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.
Вычисляется по формуле:
Условный предел текучести определяют только при отсутствии на диаграмме растяжения площадки текучести.
Относительное удлинение (после разрыва) – одна из характеристик пластичности материалов, равная отношению приращения расчетной длины образца после разрушения (lк) к начальной расчетной длине (l0) в процентах:
Относительное равномерное удлинение (δр) – отношение приращения длины участков в рабочей части образца после разрыва к длине до испытания, выраженное в процентах.
Относительное сужение после разрыва (ψ), как и относительное удлинение – характеристика пластичности материала. Определяется как отношение разности F0 и минимальной (Fк) площади поперечного сечения образца после разрушения к начальной площади поперечного сечения (F0), выраженное в процентах:
Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость – свойство, обратное пластичности.
Очень часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим изделие (образец), упрощенным методом – измерением твердости.
Под твердостью материала понимается сопротивление проникновению в него постороннего тела, т.е., по сути дела, твердость тоже характеризует сопротивление деформации. Существует много методов определения твердости. Наиболее распространенным является метод Бринелля (рис. 3.3, а), когда в испытуемое тело под действием силы Р внедряется шарик диаметром D. Число твердости по Бринеллю (НВ) есть нагрузка (Р), деленная на площадь сферической поверхности отпечатка (диаметром d).
Рис. 3.3. Испытание на твердость:
а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
При измерении твердости методом Виккерса (рис. 3.3, б) вдавливается алмазная пирамида. Измерив диагональ отпечатка (d), судят о твердости (HV) материала.
При измерении твердости методом Роквелла (рис. 3.3, в) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Число твердости – это значение, обратное глубине вдавливания (h). Имеются три шкалы: А, В, С (табл. 3.1).
Методы Бринелля и Роквелла по шкале B применяют для мягких материалов, а метод Роквелла по шкале C – для твердых, а метод Роквелла по шкале A и метод Виккерса – для тонких слоев (листов). Описанные методы измерения твердости характеризуют среднюю твердость сплава. Для того чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих сплава, надо резко локализовать деформацию, вдавливать алмазную пирамиду на определенное место, найденное на шлифе при увеличении в 100 – 400 раз под очень небольшой нагрузкой (от 1 до 100 гс) с последующим измерением под микроскопом диагонали отпечатка. Полученная характеристика (Н) называется микротвердостью, и характеризует твердость определенной структурной составляющей.
Таблица 3.1 Условия испытания при измерении твердости методом Роквелла
При испытании алмазным конусом и нагрузке Р = 150 кгс
Источник
Способ определения механических характеристик
ГОСТ 6996-66
(ИСО 4136-89,
ИСО 5173-81,
ИСО 5177-81)
МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Welded joints. Methods of mechanical properties determination
МКС 25.160.40
ОКСТУ 0909
Дата введения 1967-01-01
1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Академией наук УССР
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР 03.03.66 N 4736
Изменение N 4 принято Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол N 3 от 17.02.93)
За принятие изменения проголосовали национальные органы по стандартизации следующих государств: AZ, AM, BY, GE, KZ, MD, RU, TM, UZ, UA [коды альфа-2 по МК (ИСО 3166) 004]
4. Стандарт полностью соответствует ИСО 4136-89, ИСО 5173-81, ИСО 5177-81
5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
Обозначение НТД, на который дана ссылка
3.6, 4.4, 8.2, 8.4, 8.7, 8.8, 8.9
6. ИЗДАНИЕ (апрель 2005 г.) с Изменениями N 1, 2, 3, 4, утвержденными в июне 1980 г., сентябре 1983 г., декабре 1990 г., октябре 2004 г. (ИУС 8-80, 1-84, 5-91, 1-2005)
Настоящий стандарт устанавливает методы определения механических свойств сварного соединения в целом и его отдельных участков, а также наплавленного металла при всех видах сварки металлов и их сплавов.
(Измененная редакция, Изм. N 2).
1. ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
1.1. Стандарт устанавливает методы определения механических свойств при следующих видах испытаний:
а) испытании металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла на статическое (кратковременное) растяжение;
б) испытании металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла на ударный изгиб (на надрезанных образцах);
в) испытании металла различных участков сварного соединения на стойкость против механического старения;
г) измерении твердости металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла;
д) испытании сварного соединения на статическое растяжение;
е) испытании сварного соединения на статический изгиб (загиб);
ж) испытании сварного соединения на ударный разрыв.
1.2. Стандарт распространяется на испытания, проводимые при определении качества продукции и сварочных материалов, пригодности способов и режимов сварки, при установлении квалификации сварщиков и показателей свариваемости металлов и сплавов.
1.3. Виды испытаний, типы образца и применение метода предусматривается в стандартах и технических условиях на продукцию, устанавливающих технические требования на нее.
(Измененная редакция, Изм. N 3).
1.4. Допускается применять образцы и методы испытаний по международным стандартам ИСО 4136, ИСО 5173, ИСО 5177, приведенным в приложениях 1, 2, 3.
(Введен дополнительно, Изм. N 4).
2. ОТБОР ОБРАЗЦОВ
2.1. Образцы для испытаний отбирают из проб, вырезанных непосредственно из контролируемой конструкции или от специально сваренных для проведения испытаний контрольных соединений.
2.2. Если форма сварного соединения исключает возможность изготовления образцов данного типа (детали сложной конфигурации, трубы и др.), то образцы могут быть отобраны от специально сваренных плоских контрольных соединений.
2.3. При выполнении контрольных соединений характер подготовки под сварку, марка и толщина основного металла, марки сварочных материалов, положение шва в пространстве, начальная температура основного металла, режим сварки и термической обработки должны полностью отвечать условиям изготовления контролируемого изделия или особому назначению испытания.
Сварку контрольных соединений, предназначенных для испытания сварочных материалов (электродов, сварочных проволок, присадочных прутков, флюсов и др.), если нет специальных требований, производят с остыванием между наложением отдельных слоев. Температура, до которой должен остывать металл, устанавливается стандартом или другой технической документацией.
(Измененная редакция, Изм. N 2, 3).
2.4. Размеры пластин для изготовления контрольных соединений определяются требованиями, указанными ниже.
2.4.1. Для контрольных соединений, выполняемых дуговой, электрошлаковой и газовой сваркой из плоских элементов, ширина каждой свариваемой пластины, если нет иных указаний в стандартах или другой технической документации, должна быть не менее:
Источник
