Механические характеристики материалов

Механические характеристики материалов изучаются в курсе «Сопротивление материалов». Знание механических характеристик чтобы с наибольшей эффективностью проектировать машины и приборы, т.е. с минимальным весом, максимальной прочностью, максимальными надёжностью и износостойкостью.

К механическим характеристикам прежде всего относят прочность материалов, пластичность, твёрдость и др.

Прочность материалов – это их способность сопротивляться действию внешних сил не разрушаясь. Для каждого из материалов созданы справочные данные, где указывается их прочность. Прочность материалов оценивается на растяжение, на нажатие, на изгиб, на кручение, на ударные нагрузки и т.д. Прочность материала определяется путём испытания соответствующих образцов на нагрузках.

Рассмотрим методику определения прочности материала на растяжение.

Для определения прочности материала на растяжение используют стандартные образцы (см. рис.16).

Механические характеристики материалов - №1 - открытая онлайн библиотека Механические характеристики материалов - №1 - открытая онлайн библиотека Механические характеристики материалов - №1 - открытая онлайн библиотека Механические характеристики материалов - №1 - открытая онлайн библиотека

Механические характеристики материалов - №5 - открытая онлайн библиотека Механические характеристики материалов - №6 - открытая онлайн библиотека

1 – головка;

2 – рабочая часть.

Если нагрузить образец внешним усилием Р, то в результате действия этих сил на растяжение в образце возникают физические явления описываемые следующими характеристиками.

Напряжение:

Механические характеристики материалов - №7 - открытая онлайн библиотека ( Механические характеристики материалов - №8 - открытая онлайн библиотека ),

Рис. 16

где Р – приложенные внешние силы, F – площадь поперечного сечения образца.

В зависимости от вида воздействия на образец, различают:

Механические характеристики материалов - №9 - открытая онлайн библиотека вр - временное напряжение при растяжении;

Механические характеристики материалов - №9 - открытая онлайн библиотека сж - напряжение возникающее при сжатии;

Механические характеристики материалов - №9 - открытая онлайн библиотека кр – напряжение возникающее при кручении;

Механические характеристики материалов - №9 - открытая онлайн библиотека уд – напряжение возникающее при ударе.

В справочниках по сопротивлению материалов в квадратных скобках (например [σвр]) указывают допустимые значения напряжений, а без квадратных скобок указывают максимальные напряжения при которых возникает разрушение материала.

Деформация:

ε = Δl = l – lo,

где ε – абсолютная деформация; lо – первоначальная длина образца;

l – длина образца после приложения сил.

В сопротивлении материалов применяют понятие относительной деформации εо, но обычно в приборостроении эту величину обозначают символом δ:

Механические характеристики материалов - №13 - открытая онлайн библиотека

После изготовления образцов, их для определения характеристик помещают в специальную разрывную машину, и затем снимается диаграмма растяжения материала образцов (см. рис.17). По оси ординат Механические характеристики материалов - №9 - открытая онлайн библиотека - напряжение, по оси абсцисс εо – относительная деформация.

Механические характеристики материалов - №15 - открытая онлайн библиотека Механические характеристики материалов - №16 - открытая онлайн библиотека

Рис. 17

На участке ОА имеет место прямо пропорциональная зависимость между напряжениями и деформациями материала образца. Если снять напряжение в точке А, то размеры образца восстанавливаются до начальных, т.е. на отрезке ОА имеет место упругая деформация. Эту закономерность впервые установил Гук, поэтому данный закон называется законом Гука.

Выше точки А возникает пластическая деформация материала. Если в точке В снять действие внешних сил, то размеры первоначального образца изменятся, т.е. имеет место остаточная деформация.

Значение остаточной деформации при котором ε = 0,2% называется напряжением текучести материала σт.

Если будем далее нагружать материал внешними нагрузками до точки D, то материал начинает пластически деформироваться.

Предельное значение нагрузки при которой материал начинает течь и разрушаться определяет предел прочности материала σвр при растяжении.

Таким же методом, которой был рассмотрен выше, проводятся испытания на все остальные виды воздействий.

Пластичность материала – это способность материала деформироваться под действием внешних сил без разрушений и сохранять новую форму после прекращения действия внешних сил.

Пластичность материала определяется при его испытании на растяжение. Основными параметрами являются:

а) Механические характеристики материалов - №17 - открытая онлайн библиотека ;

б) Механические характеристики материалов - №18 - открытая онлайн библиотека ,

где So – первоначальная площадь сечения образца; S – площадь сечения шейки после деформации; lo – первоначальная длина образца; l – длина образца после приложения силы.

Твёрдость материала – это способность испытуемого материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого материала.

В приборостроении и машиностроении используются несколько способов определения твёрдости:

1) По Бринелю – HB;

2) По Роквеллу – HRC.

Твёрдость по Бринеллю определяется для мягких материалов HB < 450 единиц.

Твёрдости HB и HRC определяются с помощью специальных приборов ПМТ – 1, ПМТ – 2, ПМТ – 3. Твёрдость по Бринелю определяется с помощью прибора ПМТ – 1 (см. рис. 18).

Механические характеристики материалов - №19 - открытая онлайн библиотека Механические характеристики материалов - №20 - открытая онлайн библиотека 1 – испытуемая деталь;

2 – твёрдый закалённый шарик;

3 – стол;

4 – лунка.

Шарик вдавливается в поверхность испытуемой детали, после чего остаётся лунка диаметра d. Затем по специальным таблицам определяют твёрдость материала, при этом за единицу твёрдости применяется глубина лунки величиной:

Рис. 18 1ед = 0,002мм = ho

Чтобы определить твёрдость более твёрдых материалов (например, закалённых сталей) применяют метод Роквелла (используется прибор ПМТ – 3, см. рис. 20). Твёрдость обозначается так:

Механические характеристики материалов - №19 - открытая онлайн библиотека Механические характеристики материалов - №22 - открытая онлайн библиотека HRC 55÷60

Рис. 20

СТАЛИ И СПЛАВЫ.

Основные вопросы:

  1. Классификация сталей.
  2. Компоненты и фазы в системе железо-углерод (Fe-C).
  3. Влияние углерода и примесей на свойства сталей.

Классификация сталей.

В приборостроении РЭС(ЭВС) стали и сплавы находят широкое применение.

Стали имеют следующую классификацию:

1 группа: углеродистые стали;

2 группа: легированные стали (конструкционные стали);

3 группа: инструментальные стали;

4 группа: стали с особыми физико-механическими свойствами.

Рассмотрим первую группу – углеродистые стали (УС).

К УС относят стали с содержанием углерода до 0,5÷0,6 %. В некоторых случаях к УС относят стали с процентным содержанием углерода до 0,8÷0,85% (ГОСТ 1050-74).

Сталь – это сплав железа с углеродом. Кроме углерода в стали присутствуют различные примеси (сера, фосфор, азот, кислород и тд.).

Удельная плотность Fe:

d = 7,8 Механические характеристики материалов - №23 - открытая онлайн библиотека

Fe можно получить с частотой 99,9999%, но для технического использования применяют железо с частотой 99,8÷99,9%.

Температура плавления железа 1539 Механические характеристики материалов - №24 - открытая онлайн библиотека .

Железо обладает аллотропичностью:

Механические характеристики материалов - №25 - открытая онлайн библиотека - получаем кристаллическую решётку типа объемно-центрированный куб;

Механические характеристики материалов - №26 - открытая онлайн библиотека - кристаллическая решётка типа гранецентрированный куб;

Механические характеристики материалов - №27 - открытая онлайн библиотека - кристаллическая решётка типа объёмно-центрированный куб.

В зависимости от температуры получаем различную растворимость углерода в железе, а следовательно получаем и различные свойства.

Температура Механические характеристики материалов - №28 - открытая онлайн библиотека является точкой Кюри, т.е. до этой температуры железо ферромагнитно, а выше этой температуры железо становится парамагнитным.

Фазы – это сплавы, состояния стали.

а) Жидкое состояние (расплав);

б) Сплавы типа твёрдые растворы (замещения, внедрения). Эти сплавы носят названия Аустенит и Феррит.

Феррит – это твёрдый раствор углерода в железе.

Механические характеристики материалов - №29 - открытая онлайн библиотека - низкотемпературный феррит;

Механические характеристики материалов - №30 - открытая онлайн библиотека - высокотемпературный феррит.

Аустенит – это твёрдый раствор углерода в Feγ, при этом содержание углерода в железе Механические характеристики материалов - №31 - открытая онлайн библиотека . Аустенит – это очень устойчивая фаза и распадается на цементит и кореллит.

в) Сплавы типа химическое соединение. Механические характеристики материалов - №32 - открытая онлайн библиотека

Кроме этих состояний существует механическая смесь феррита и цементита – перлит.

Механические характеристики материалов - №33 - открытая онлайн библиотека .