И методы их определения

Тема: Механические свойства металлов

Лекция № 3.

К основным механическим свойствам относятся прочность, пластичность, ударная вязкость, твердость, выносливость, живучесть и ползучесть.

Механические свойства определяются экспериментально по стандартным методикам. В результате чего получают численные значения механических свойств.

Прочность и пластичность металлов и сплавов являются одним из основных механических свойств материалов, определяющих работоспособность деталей СТС. Прочность как свойство металлов сопротивляться разрушению под действием внешних сил, характеризуется временным сопротивлением или пределом прочности в, определяемым при испытании на растяжение. Чем выше прочность металла, тем меньше могут быть размеры детали при той же рабочей нагрузке, тем меньше расход металла на данную машину.

Предел прочности в – это напряжение отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца:

– воздействующая нагрузка

площадь сечения образца

Основным видом испытаний для определения пластичности материалов, является испытание на одноосное растяжение. Для испытания применяют стандартный образец, который крепится в захват разрывной машины и растягивается с малой скоростью до разрушения.

Для определения характеристик пластичности, измеряют длину образца (до и после растяжения) и диаметр шейки около поверхности разрушения dk. Таким образом под относительным удлинением и относительным сужением понимают соответствующие отношения абсолютного удлинения и сужения образца после разрыва к их начальным расчетным значениям, выраженным в %.

Расширенные характеристики прочности и пластичности являются исключительно важными для всех материалов, так как на основании этих показателей устанавливаются области использования сталей, чугунов, латуней и других материалов для изготовления или восстановления деталей с ТС, воспринимающих и передающих силовые нагрузки.

В современных судовых машинах и механизмах много деталей работают в условиях внешних динамических (ударных) нагрузок. Один и тот же материал может находиться либо в вязком, либо в хрупком состоянии. Критерием состояния материала служит характер разрушения – вязкое либо хрупкое. Вязкое разрушение наступает после значительных пластических деформаций, а хрупкое без видимых пластических деформаций. Хрупкому разрушению способствуют: понижение температуры, увеличение скорости деформирования и наличие концентратов напряжений (надрезы, микротрещины, поры, неметаллические включения). Наиболее простым и чувствительным способом оценки перехода материала из вязкого состояния в хрупкое является определение ударной вязкости материала. Ударной вязкостью называется способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

Механические свойства материалов, проявляющихся при действии на них ударных нагрузок и характеризующихся хрупкостью и вязкостью, оцениваются главным образом по испытаниям образцов на маятниковых копрах. В зависимости от формы выточки (концентратора напряжения) на образце, ударную вязкость обозначают символами KCU, KCV, KCT. Буквы КС – символ ударной вязкости, буквы U, T, V обозначают вид концентратора напряжения. U – радиус концентратора (10,1)мм, V – радиус (0,25 0,025)мм, T – трещина.

Ударной вязкостью называется удельная работа разрушения: KCU = A/F где KCU – ударная вязкость при концентраторе U, A – работа разрушения Дж/м². F – площадь поперечного сечения образца.

При испытаниях образцов с концентраторами типа U и V энергия маятника при ударе расходуется на пластическую деформацию, в процессе чего зарождается трещина и на распространение трещины (разрушение). В случае использования образца с концентратором типа Т вся энергия расходуется на разрушение. Испытуемый образец кладут на опоры по шаблону, обеспечивающему его симметричное расположение. Надрез должен быть направлен в сторону, противоположную направлению удара. Поднимая маятник на ту или другую высоту создают определенный запас энергии.

В конце свободного падения маятник, встречаясь с образцом, тратит на его разрушение часть запаса энергии и поднимается на меньшую высоту. Работу израсходованную на разрушение образца определяют как разность потенциальных энергий маятника до и после удара.

Где m – масса маятника (кг), g – ускорение свободного падения, м/с², Ho и hk – высота подъема центра массы маятника относительно точки встречи с образцом соответственно до и после удара, м.

С целью упрощения испытаний измерительное устройство копра часто градируют непосредственно в единицах совершенной работы (Дж), что позволяет не вычислять величину К по приведенной формуле, а отсчитывать ее непосредственно по шкале измерительного устройства. Полученные числовые значения ударной вязкости наряду с относительным удлинением часто являются решающими при выборе конкретной области использования материала в соответствии с требованиями Морского Регистра.

Твердость металла это его способность сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него другого, более твердого тела – индентора. Численные значения твердости являются неотъемлемой характеристикой указываемой в чертежах деталей и подлежащей контролю при ее изготовлении и ремонте.

Как показывает опыт, практически всегда более твердая деталь подвижного сопряжения (соединения) изнашивается с меньшей скоростью. Поэтому материал деталей подбирают таким образом, чтоб менее дефицитная и простая деталь имела твердость ниже – при ремонте именно эту деталь и заменяют, например меняют вкладыши подшипников скольжения, а не коленчатый вал дизеля.

Количественная оценка твердости выполняется с помощью с помощью специальных приборов путем вдавливания индентора и последующего анализа параметров полученного в результате пластической деформации отпечатка с учетом прилагаемой нагрузки, материала, формы и размеров вдавливаемого тела. Условия испытаний стандартизированы, что позволяет сопоставлять результаты испытаний, выполненных в различных лабораториях.

В зависимости от предлагаемой твердости материала детали, формы индентора и величины статистической нагрузки на него, наиболее часто используют следующие лабораторные методы определения твердости – Горинелля, Роквелла и Виккерса.

Определение твердости по Горинеллю производится на твердомерах типа ТШ – 2, в полуавтоматическом режиме, индентором служит стальной закаленный шарик диаметром Д=2,5;5 или 10 мм. После выключения прибора измеряют диаметр отпечатка d и оценивают площадь поверхности шарового сегмента F, образовавшегося на детали. Численное значение твердости НВ определяют по формуле:

Рассмотренный метод является наиболее точным, однако использование стального закаленного шарика не позволяет исследовать материалы с твердостью более НВ 4500 МПа из за начинающейся деформации самого индентора. Кроме того отпечаток на детали получается достаточно больших размеров, что может привести в негодность и рабочую поверхность.

Поэтому более распространенным является метод Роквелла, при котором в качестве индентора используется алмазный конус с углом при вершине 120⁰. Этот метод позволяет определять твердость практически всех известных материалов. Значения твердости по методу Роквелла размерности не имеют. Измеряется глубина проникновения индентора в испытуемый материал, и непосредственно считывают информацию по показаниям прибора.

Этот метод менее точен в сравнении с методом Горинелля. Однако наряду с более широким диапазоном твердости испытуемых материалов, он позволяет получать малые отпечатки на рабочих поверхностях, измерять твердость поверхностных слоев деталей после химико-термической обработки, а также твердость мелких деталей.

При измерении твердости по методу Виккерса в полированную поверхность образца (детали) вдавливают алмазную четырехгранную пирамиду с углом при вершине 136⁰. После снятия нагрузки измеряют длину диагонали l полученного параллельного отпечатка . Численное значение твердости по методу Виккерса рассчитывают по формуле, структурно идентичной методу Гриннеля:

В условиях эксплуатации судна определение твердости часто производят по методу Аольди. Он является сравнительным. Используется та же схема, что и в методе Гринелля – вдавливание закаленного шарика в материал твердостью НВ_дет=4,500МПа. Поэтому ему присущи те же ограничения.

Принципиальным отличием является ударное приложение нагрузки одновременно к детали и эталону – прямоугольному бруску с известной твердостью, заранее определенной в лаборатории судоремонтного завода и нанесенной на торец. Это позволяет исключить нагрузку из рассмотрения и сопоставлять значения твердостей с учетом лишь диаметров получаемых отпечатков.

Важным преимуществом метода Аольди является возможность применения его для определения твердости крупных деталей непосредственно на судне или в цехе завода. Это в значительной степени компенсирует относительно невысокую точность результатов измерений.

В последнее время все шире применяются электронные переносимые программируемые твердомеры типа ТЭМП-2. Электронные устройства создают в материале упругие колебания, по характеру затухания которых и судят о его твердости. Прибор массой в 0,4кг с питанием от элементов типа А-316 позволяет производить измерение твердости любых материалов без ограничений, данные выводятся на дисплей (метод Шора). Наличие такого твердомера на судне может оказать большую помощь машинной команде при контроле качества ремонтных работ, выполняемых непосредственно в рейсе.

Выносливость (усталость). Большинство деталей машин во время эксплуатации нагружены циклическими силами. В условиях действия циклических напряжений в материале происходит зарождение и постепенное развитие, т.к. усталостных трещин в результате чего происходит уменьшение сечения детали, ведущее к понижению способности воспринимать действующие нагрузки. В результате наблюдается разрушение детали (внезапный отказ) – образование 2-х или более фрагментов. Такой вид разрушения весьма опасен т.к. может происходить под действием напряжений, намного меньше предела прочности.

Процесс постепенного накопления повреждений, образования трещин и разрушения детали под действием повторных нагрузок называется усталостью. Способность материала противостоять усталости – это выносливость.

Предел выносливости – это максимальное напряжение цикла, которое способен выдержать материал повторно без разрушения № раз. Как показывают многочисленные наблюдения, с увеличением числа циклов нагрузки N выносливость материала и конструкций понижается.

Учитывая автономность работы судового экипажа и невозможность получения реальной помощи в открытом море(океане), усталостные разрушения являются одной из самых серьезных проблем стоящих перед судовыми механиками. Поэтому они должны проводить, согласно Системе непрерывного освидетельствования (СОН/СМS), тщательный осмотр рабочих поверхностей наиболее ответственных деталей, с целью выявления усталостных трещин на начальном этапе и принятия мер по их устранению или замене детали.