Влияние температуры и фактора времени на механические характеристики материала

Все сказанное выше о свойствах материалов относилось к испытаниям в так называемых нормальных условиях, но диапазон температур, в пределах которого реально работают конструкционные материалы, выходит далеко за рамки указанных нормальных условий. Есть конструкции, где материал находится под действием чрезвычайно высоких температур, как, например, в стенках камер воздушно-реактивных и ра­кетных двигателей. Имеются конструкции, где, напротив, рабочие температуры оказываются низкими. Это—элементы холодильных установок и резервуары, содержащие жидкие газы.

В широких пределах изменяются также и скорости нагружения, и время действия внешних сил. Суще­ствуют нагрузки, весьма медленно меняющиеся и быстро меняющиеся. Есть нагрузки, действующие го­дами, а есть такие, время действия которых исчисляется миллионными долями секунды. Понятно, что и зависимости от указанных обстоятельств механические свойства материалом будут проявляться по-разному. Обобщающий анализ свойств материала с учетом температуры и времени оказывается очень сложным и не укладывается и простые экспериментально полученные кривые, подобные диаграммам растяжения. Функциональная зависимость между четырьмя параметрами s, e, температурой t° и време­нем t

f (, , t^o, t) = 0

не является однозначной и содержит в сложном виде дифференциальные и интегральные соотноше­ния входящих в нее величин. Так как в общем виде аналитическое или графическое описание указанной функции дать не удается, то влияние температуры и фактора времени рассматривается в настоящее время применительно к частным классам задач. Деление на классы производится в основном по типу действующих внешних сил. Различают медленно изменяющиеся, быстро и весьма быстро изменяющиеся нагрузки.

Основными являются медленно изменяющиеся, или статические нагрузки. Скорость изменения этих нагрузок во времени настолько мала, что кинетическая энергия, которую получают перемещающиеся частицы деформируемого тела, составляет ничтожно малую долю от работы внешних сил. Иначе говоря, работа внешних сил преобразуется только в упругую потенциальную энергию, а также в необратимую тепловую энергию, связанную с пластическими деформациями тела. Испытание материалов в так назы­ваемых нормальных условиях происходит под действием статических нагрузок

Если вести испытания на растяжение при различных температурах образца, оставаясь в пределах «нормальных» скоростей деформации

 

то можно в определенном интервале получить зависимость механических характеристик от температуры. Эта зависимость обусловлена температурным изменением внутрикристаллических и межкри­сталлических связей, а в некоторых случаях и структурными изменениями материала.

На рисунке 24 показана зависимость от температуры модуля упругости Е, предела текучести s_тр, предела прочности s_вр и удлинения при разрыве d для малоуглеродистой стали в интервале О—500°С. Как видно из приведенных кривых, модуль упругости в пределах изменения температуры до 300°С практически не меняется. Более существенные изменения претерпевают величина s_вр и, особенно, d, причем имеет ме­сто, как говорят, «охрупчивание» стали — удлинение при разрыве уменьшается. При дальнейшем увеличении температуры пластичные свойства стали восстанавливаются, а прочностные показатели быстро падают.

Чем выше температура, тем труднее определить механические характеристики материала.

Изменение во времени деформаций и напряжений, возникающих в нагруженной детали, носит название ползучести. Частным проявлением ползучести является рост необратимых деформаций при постоянном напряжении. Это явление носит название последействия. Наглядной иллюстрацией последействия может служить наблюдаемое увеличение раз­меров диска и лопаток газовой турбины, находящихся под воздействием больших центробежных сил и высоких температур. Это увеличение размеров необратимо и проявляется обычно после многих часов работы двигателя.

Другим частным проявлением свойств ползучести является релаксация — самопроизвольное изменение во времени напряжений при неизменной деформации. Релаксацию можно наблюдать, в частности,
на примере ослабления затяжки болтовых соединений, работающих в условиях высоких
температур.

Вид диаграмм релаксации, дающих зависимость напряжения от времени, представлен на рисунке 25.

Рисунок 25

Основными механическими характеристиками материала в условиях ползучести являются предел длительной прочности и предел ползучести.

Пределом длительной прочности называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения.

Таким образом, предел длительной прочности зависит от заданного промежутка времени до момента разрушения. Последний выбирается равным сроку службы детали и меняется в пределах от десятков часов до сотен тысяч часов. Соответственно столь широкому диапазону изменения времени меняется и предел длительной прочности. С увеличением времени он падает.

Пределом ползучести называется напряжение, при котором пластическая деформация за задан­ный промежуток времени достигает заданной величины.

Как видим, для определения предела ползучести необходимо задать интервал времени (который оп­ределяется сроком службы детали) и интервал допустимых деформаций (который определяется усло­виями эксплуатации детали). Предел длительной прочности и предел ползучести сильно зависят от тем­пературы. С увеличением температуры они уменьшаются.

Среди различных типов статических нагрузок особое место занимают периодически изменяющиеся, или циклические, нагрузки. Вопросы прочности материалов в условиях таких нагрузок связываются с по­нятиями выносливости или усталости материала.

После статических рассмотрим класс динамических, нагрузок.

К оценке этих нагрузок существуют два подхода. С одной стороны, нагрузка считается быстро изменяю­щейся, если она вызывает заметные скорости частиц деформируемого тела, причем настолько большие, что суммарная кинетическая энергия движущихся масс составляет уже значительную долю от общей ра­боты, внешних сил. С другой стороны, скорость изменения нагрузки может быть связана со скоростью протекания пластических деформаций. Нагрузка может рассматриваться как быстро изменяющаяся, если за время нагружения тела пластические деформации не успевают образоваться полностью. Это заметно сказывается на характере наблюдаемых зависимостей между деформациями и напряжениями.

Первый критерий в оценке быстро изменяющихся нагрузок используется в основном при анализе во­просов колебаний упругих тел, второй — при изучении механических свойств материалов в связи с про­цессами быстрого деформирования. Поскольку при быстром нагружении образование пластических де­формаций не успевает полностью завершиться, материал с увеличением скорости деформации стано­вится более хрупким и величина 8 уменьшается. Так как скольжение частиц образца по наклонным пло­щадкам затруднено, должна несколько увеличиться разрушающая нагрузка. Сказанное иллюстрируется сопоставлением диаграмм растяжения при медленно и быстро изменяющихся силах (рисунок 26).

Наиболее заметно сказывается влияние скорости деформации при высоких температурах. В нагретом металле уже при сравнительно небольшом увеличении скорости нагружения обнаруживается тенденция к увеличению s_вр и уменьшению d.

Последним из трех рассматриваемых видов нагрузок являются весьма быстро изменяющиеся во времени нагрузки. Скорость их изменения настолько велика, что работа внешних сил почти полностью переходит в кинетическую энергию движущихся частиц тела, а энергия упругих и пластических деформаций оказывается сравнительно малой.

Весьма быстро изменяющиеся нагрузки возникают при ударе тел, движущихся со скоростями в нескольких сотнях метров в секунду и выше. С этими нагрузками приходится иметь дело при изучении вопросов бронепробиваемости, при оценке разрушающего действия взрывной волны, при исследовании пробивной способности межпла­нетной пыли, встречающейся на пути космического корабля.

 

 

Так как энергия деформации материала в условиях весьма больших скоростей нагружения оказыва­ется сравнительно малой, то свойства материала как твердого тела имеют в данном случае второ­степенное значение. На первый план выступают законы движения легко деформируемой (почти жидкой) среды, и особую роль приобретают вопросы физического состояния и физических свойств материала в новых условиях.

 

 

Испытания на твердость

 

Существует 2 метода испытания твердости:

1) метод вдавливания;

2) метод упругой отдачи.

При испытании твердости методом вдавливания применяют приборы:

1) Бринелля (твердомер ТШ)

2) Роквелла (твердомер ТК)

3) Виккерса

А также прибор для измерения микротвердости.

При испытании твердости методом упругой отдачи применяют приборы Польди и Шора.

 

Прибор Бринелля	Применяют для определения твердости отгороженных стальных изделий, а также цветных металлов.
Прибор Роквелла	Используется для определения твердости закаленных стальных изделий и цветных металлов.
Прибор Виккерса	Используется для замера твердости тонких изделий (деталей часов, тончайших лент, поверхностных азотированных или ционированных изделий).
Прибор для измерения микротвердости ТМ	Применяется в тех случаях, когда необходимо определить твердость отдельных структурных составляющих.

 

Выбор твердомера зависит от размера испытуемой детали, материала, и других факторов.

Способы определения твердости на приборах ТШ и ТК широко применяется в промышленности, т.к. просты в применении. Зная число твердости по Бринеллю можно приблизительно судить о
прочности.

s_в = (0,3¸0,35) НВ (для стали)

У мягких материалов чем больше твердость, тем больше прочность. При массовом и крупносерийном производстве для контроля твердости применяются методы, основанные на физических свойствах, т.к. все свойства материала зависят от его внутреннего строения, то при изменении механических свойств твердости изменятся и физические свойства, например электросопротивление, заранее установив зависимость между твердостью и электросопротивлением на пути движения на конвейере устанавливают прибор, который сортирует деталь с заданным числом твердости.

 

Метод Бринелля

 

Стальной закаленный шарик d = 10;5;2,5 вдавливается в испытываемый образец силой Р. В материале остается отпечаток в форме сегмента d - чем меньше d, тем тверже металл (рисунок 27).

Твердость по Бринеллю

,

где Р – нагрузка на шарик, F - площадь поверхности отпечатка.

Испытывает материалы до 450 НВ. Для каждого диаметра определенный интервал нагрузок.

Метод Роквелла

Твердость определяется при вдавливании алмазного конуса с углом 120 или стального шарика диаметром 1,58 мм (1/16 дюйма). Стальной шарик применяют для нетвердых материалов (до 220 НВ при нагрузке 100 кгс). Твердость по Роквеллу – величина условная: 1 деление шкалы = 2 микрона глубины проникновения. Число твердости по Роквеллу обозначается HRC; HRA.

 

Метод Виккерса

В образец вдавливается 4-х гранная алмазная пирамида с углом при вершине 136 градусов; нагрузка 100 кгс. Замер отпечатка производится по диагонали с помощью микроскопа, установленного на приборе числа твердости.

,

где Р – нагрузка, кгс; d – среднеарифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки.

 

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: