Львів
C
» » Основні фізико-механічні характеристики матеріалів

Основні фізико-механічні характеристики матеріалів

Щоб оцінити експлуатаційні властивості виробів і визначити фізичні і механічні характеристики матеріалів, які використовуються різні інструкції, Гости та інші регламентуючі та рекомендаційні документи. Рекомендуються і методи випробувань на руйнування цілої серії виробів або однотипних зразків матеріалу. Це не занадто економічний метод, але ефективний.
Основні фізико-механічні характеристики матеріалів

Визначення характеристик

Основні характеристики механічних властивостей матеріалів наступні. 1. Тимчасовий опір або межа міцності - та сила напруги, яка зафіксована при найбільшому навантаженню перед руйнуванням зразка. Механічні характеристики міцності і пластичності матеріалів описують властивості твердих тіл чинити опір незворотних змін форми та руйнуванню під впливом зовнішніх навантажень.


2. Умовним межею текучості називається напруга, коли залишкова деформація досягне 02% довжини зразка. Це найменше напруга у той час, як зразок продовжує деформуватися без помітного збільшення навантажень. 3. Межею тривалої міцності називають найбільша напруга, при даній температурі викликає протягом певного часу руйнування зразка. Визначення механічних характеристик матеріалів орієнтується на граничні одиниці тривалої міцності - руйнування відбувається при 7000 градусах за Цельсієм за 100 годин. 4. Умовною межею повзучості називається напруга, що викликає при даній температурі за певний час у зразку задане подовження, а також швидкість повзучості. Межею вважається деформація металу за 100 годин при 7000 градусах за Цельсієм на 02%. Повзучістю називається визначена швидкість деформації металів при постійному навантаженні і високій температурі протягом тривалого часу. Жароміцність - це опір матеріалу руйнуванню і повзучості.


5. Межею витривалості називають найбільше значення напруги циклу, коли втомного руйнування не відбувається. Число циклів навантаження може бути задане або довільне, залежно від того, як заплановані механічні випробування матеріалів. Механічні характеристики включають в себе втому і витривалість матеріалу. Під дією навантажень у циклі накопичуються пошкодження, утворюються тріщини, які приводять до руйнування. Це втома. А властивість опору втоми - витривалість.
Основні фізико-механічні характеристики матеріалів

Розтяг і стиск

Матеріали, які застосовуються в інженерній практиці, поділяються на дві групи. Перша - пластичні, для руйнування яких повинні з'явитися значні залишкові деформації, друга - крихкі, що руйнуються при дуже малих деформаціях. Природно, такий розподіл дуже умовно, тому що кожен матеріал залежно від створюваних умов може повести себе і як крихкий, і як пластичний. Це залежить від характеру стану напруги, від температури, від швидкості деформування та інших факторів. Механічні характеристики матеріалів при розтязі і стиску красномовні і в пластичних, і у крихких. Наприклад, малоуглеродистую сталь відчувають розтягом, а чавун - стисненням. Чавун - крихкий, сталь - пластична. Крихкі матеріали мають велику опірність при стисненні, при деформації розтягу - гірше. Пластичні мають приблизно однакові механічні характеристики матеріалів при стисненні і розтягуванні. Однак визначається їх поріг все-таки розтягуванням. Саме цими способами можна більш точно дізнатися механічні характеристики матеріалів. Діаграма розтягування і стиснення представлена в ілюстраціях до даної статті.

Крихкість і пластичність

Що ж таке пластичність і крихкість? Перше - це здатність не руйнуватися, отримуючи залишкові деформації у великих кількостях. Така властивість є вирішальним для найважливіших технологічних операцій. Вигин, волочіння, витяжка, штампування і багато хто інші операції залежать від характеристик пластичності. До пластичним матеріалам ставляться відпалений мідь, латунь, алюміній, м'яка сталь, золото і тому подібні. Набагато менш пластичні бронза і дюраль. Зовсім слабо пластичні майже всі леговані сталі. Характеристики міцності пластичних матеріалів зіставляють з межею плинності, про яке буде сказано нижче. На властивості крихкості і пластичності великий вплив мають температура і швидкість навантаження. Швидкий натяг надає матеріалу крихкість, а повільний - пластичність. Наприклад, скло - матеріал крихкий, але воно витримує тривалий вплив навантаження, якщо температура нормальна, тобто показує властивості пластичності. А м'яка сталь пластична, однак при ударному різкої навантаженні проявляється як матеріал крихкий.
Основні фізико-механічні характеристики матеріалів

Метод коливань

Фізико-механічні характеристики матеріалів визначаються порушенням поздовжніх, згинальних, крутильних і інших, ще більш складних видів коливань а залежно від розмірів зразків, форм, типів приймача та збудника, способів кріплення і схем додатки динамічних навантажень. Великогабаритні вироби теж підлягають випробуванням з допомогою даного методу, якщо суттєво змінити методику застосування способів прикладання навантаження, збудження коливань та їх реєстрації. Цим же методом визначаються механічні характеристики матеріалів, коли потрібно оцінити жорсткість великогабаритних конструкцій. Однак при локальному визначенні у виробі характеристик матеріалу цей спосіб не використовується. Практичне застосування методики можливо тільки тоді, коли відомі геометричні розміри і щільність, коли можливе закріплення виробу на опорах, а на самому виробі - перетворювачів, потрібні певні температурні умови і т. д.
Наприклад, при зміні температурних режимів відбувається те чи інше зміна, механічні характеристики матеріалів при нагріванні стають іншими. Практично всі тіла у цих умовах розширюються, що впливає на їхню структуру. Будь-яке тіло має ті або інші механічні характеристики матеріалів, з яких воно складається. Якщо за всіма напрямами ці характеристики не змінюються і залишаються однаковими, таке тіло називають ізотропним. Якщо ж фізико-механічні характеристики матеріалів змінюються - анізотропним. Останнє є характерною рисою практично всіх матеріалів, просто різною мірою. Але є, наприклад, стали, де анізотропія досить незначна. Найбільш яскраво вона виражена в таких природних матеріалах, як дерево. У виробничих умовах визначають механічні характеристики матеріалів допомогою контролю якості, де використовуються різні ГОСТИ. Оцінка неоднорідності виходить з статистичної обробки, коли підсумовуються результати випробувань. Зразки повинні бути численними і вирізаними з конкретної конструкції. Такий спосіб отримання технологічних характеристик вважається досить трудомістким.
Основні фізико-механічні характеристики матеріалів

Акустичний метод

Акустичних методів для того, щоб визначити механічні властивості матеріалів та їх характеристики, досить багато, і всі вони відрізняються способами введення, прийому та реєстрації коливань в синусоїдальній і імпульсному режимах. Використовуються акустичні методи при дослідженні, наприклад, будівельних матеріалів, їх товщини і напруженості стану, при дефектоскопії. Механічні характеристики конструкційних матеріалів також визначаються за допомогою акустичних методів. Зараз вже розробляються та серійно випускаються численні різноманітні електронні акустичні прилади, які дозволяють реєструвати пружні хвилі, параметри їх розповсюдження як в синусоїдальній, так і в імпульсному режимі. На їх основі визначаються механічні характеристики міцності матеріалів. Якщо використовуються пружні коливання малої інтенсивності, цей метод стає абсолютно безпечним. Недоліком акустичного методу є необхідність акустичного контакту, який далеко не завжди можливий. Тому роботи ці не дуже продуктивні, якщо потрібно терміново отримати механічні характеристики міцності матеріалів. Величезний вплив на результат впливає стан поверхні, геометричні форми і розміри досліджуваного виробу, а також середовище, де проводяться випробування. Щоб подолати ці труднощі, конкретну задачу потрібно вирішувати строго певним акустичним методом або, навпаки, використовувати їх відразу кілька, це залежить від конкретної ситуації. Наприклад, склопластики добре піддаються такому дослідженню, оскільки хороша швидкість поширення пружних хвиль, а тому широко використовується наскрізне прозвучивание, коли приймач і передавач розташовуються на протилежних поверхнях зразка.
Основні фізико-механічні характеристики матеріалів

Дефектоскопія

Методи дефектоскопії застосовуються для контролю за якістю матеріалів у різних областях промисловості. Бувають руйнівні й руйнуючі методи. До неруйнівним відносяться наступні. 1. Для визначення тріщин на поверхнях і непроваров застосовується магнітна дефектоскопія . Ділянки, які мають такі дефекти, характеризуються полями розсіювання. Виявити їх можна спеціальними приладами або ж просто накласти шар магнітного порошку на всю поверхню. На місцях дефектів розташування порошку буде змінюватись вже при накладенні. 2. Дефектоскопія проводиться і з допомогою ультразвуку . Спрямований промінь буде по-різному відображатися (розсіюватися), якщо навіть глибоко всередині зразка є які-небудь дефекти. 3. Дефекти в матеріалі добре показує радіаційний метод дослідження , заснований на різниці в поглинанні випромінювання середовищем різної щільності. Використовується гамма-дефектоскопія і рентген. 4. Хімічна дефектоскопія. Якщо поверхня протравити слабким розчином азотної, соляної кислоти або їх сумішшю (царська горілка), то в місцях, де є дефекти, виявляється сіточка у вигляді чорних смужок. Можна застосувати метод, при якому знімаються сірчані відбитки. У місцях, де матеріал неоднорідний, сірка повинна змінювати колір.
Основні фізико-механічні характеристики матеріалів

Руйнуючі методи

Руйнуючі методи тут вже частково розібрані. Зразки випробовують на вигин, стиск, розтяг, тобто застосовуються статичні руйнують методи. Якщо ж виріб випробовують змінними циклічними навантаженнями на ударний вигин - визначаються динамічні властивості. Макроскопічні методи змальовують загальну картину будови матеріалу та у великих обсягах. Для такого дослідження потрібні спеціально шліфовані зразки, які піддаються травленню. Так, можна виявити форму і розташування зерен, наприклад, у сталі, наявність кристалів з деформацією, волокон, раковини, бульбашки, тріщини та інші неоднорідності сплаву. Мікроскопічними методами вивчається мікроструктура і виявляються дрібні вади. Зразки таким же чином попередньо шліфують, полірують і потім піддають травленню. Подальше випробування передбачає використання електричних і оптичних мікроскопів та рентгеноструктурного аналізу. Основою цього методу служить інтерференція променів, які розсіюються атомами речовини. Контролюється характеристика матеріалу з допомогою аналізу рентгенограми. Механічні характеристики матеріалів визначають міцність, що є головним для побудови конструкцій надійних і безпечних в експлуатації. Тому матеріал ретельно перевіряється і різними методами у всіх станах, які він здатний прийняти, не втративши високий рівень механічних характеристик.

Методи контролю

Для проведення неруйнівного контролю за характеристиками матеріалів велике значення має правильний вибір ефективних методів. Найбільш точні і цікаві в цьому плані методи дефектоскопії - контроль дефектів. Тут необхідно знати і розуміти відмінності між способами реалізації методів дефектоскопії і методів визначення фізико-механічних характеристик, оскільки вони принципово відрізняються один від одного. Якщо останні ґрунтуються на контролі фізичних параметрів і подальшої їх кореляції з механічними характеристиками матеріалу, то дефектоскопія ґрунтується на прямому перетворенні випромінювання, яке відбивається від дефекту або проходить контрольоване середовище. Краще всього, звичайно, комплексний контроль. Комплексність полягає у визначенні оптимальних фізичних параметрів, за якими можна виявити міцнісні та інші фізико-механічні характеристики зразка. А також одночасно розробляється і потім здійснюється оптимальний комплекс засобів контролю над дефектами структури. І, нарешті, з'являється інтегральна оцінка даного матеріалу: визначається його працездатність з цілого комплексу параметрів, які допомогли визначити неруйнівні методи.

Механічні випробування

З допомогою таких випробувань перевіряються і оцінюються механічні властивості матеріалів. Цей вид контролю з'явився дуже давно, але досі не втратив своєї актуальності. Навіть сучасні високотехнологічні матеріали споживачі досить часто і завзято критикують. А це говорить про те, що експертизи повинні проводитися ретельніше. Як вже було сказано, механічні випробування можна підрозділити на два виду: статичні і динамічні. Перші перевіряють виріб або зразок на кручення, розтягування, стиснення, вигин, а другі - на твердість і на ударну в'язкість. Сучасне обладнання допомагає виконувати ці не надто прості процедури якісно і виявляти всі эксплуатацонные властивості даного матеріалу. Випробуванням на розтяг можна виявити опірність матеріалу до впливу прикладеного постійного або зростаючого розтягуючого напруження. Метод старий, випробуваний і зрозумілий, використовується дуже давно і до цих пір широко. Зразок розтягується вздовж поздовжньої осі за допомогою пристосування у випробувальній машині. Швидкість розтягування зразка постійна, навантаження вимірюється спеціальним датчиком. Одночасно контролюється подовження, а також відповідність його додається навантаженні. Результати таких випробувань надзвичайно корисні, якщо потрібно содавать нові конструкції, оскільки поки що ніхто не знає, як вони себе поведуть під навантаженням. Підказати може тільки виявлення всіх параметрів пружності матеріалу. Максимальна напруга - межа плинності виносить визначення максимального навантаження, яку даний матеріал може витримати. Це допоможе обчислити запас міцності.
Основні фізико-механічні характеристики матеріалів

Випробування твердості

Жорсткість матеріалу розраховується за модулем пружності. Поєднання плинності і твердості допомагає визначити пружність матеріалу. Якщо в технологічному процесі присутні такі операції, як протяжка, прокатка, пресування, то величину можливої пластичної деформації знати просто необхідно. При високій пластичності матеріал зможе прийняти будь-яку форму при відповідному навантаженні. Методом виявлення запасу міцності може служити також і випробування на стиск. Особливо якщо матеріал є крихким. Твердість відчувають з допомогою идентора, який виконаний з набагато більш твердого матеріалу. Найчастіше це випробування проводиться за методом Бринеля (вдавлюється кулька), Віккерса (идентер у формі пірамідки) або Роквелла (конус). В поверхню матеріалу вдавлюється идентор з певною силою в певний період часу, а потім вивчається залишився на зразку відбиток. Є й інші досить широко застосовуються випробування на ударну міцність, наприклад, коли оцінюється опір матеріалу в момент прикладання навантаження.