Súhrn mechanických vlastností kovových materiálov

Skúška pevnosti v ťahu sa používa najmä na stanovenie schopnosti kovových materiálov odolávať poškodeniu počas procesu naťahovania a je jedným z dôležitých ukazovateľov na hodnotenie mechanických vlastností materiálov.

1. Skúška ťahom

Skúška ťahom vychádza zo základných princípov mechaniky materiálov. Pôsobením ťahového zaťaženia na vzorku materiálu za určitých podmienok spôsobuje ťahovú deformáciu, až kým sa vzorka nezlomí. Počas testu sa zaznamenáva deformácia experimentálnej vzorky pri rôznych zaťaženiach a maximálne zaťaženie pri pretrhnutí vzorky, aby sa vypočítala medza klzu, pevnosť v ťahu a ďalšie ukazovatele výkonnosti materiálu.

Napätie σ = F/A

σ je pevnosť v ťahu (MPa)

F je zaťaženie v ťahu (N)

A je plocha prierezu vzorky

2. Krivka ťahu

Analýza niekoľkých fáz procesu strečingu:

a. Vo fáze OP s malým zaťažením je predĺženie v lineárnom vzťahu so zaťažením a Fp je maximálne zaťaženie na udržanie priamky.

b. Keď zaťaženie presiahne Fp, krivka ťahu začne nadobúdať nelineárny vzťah. Vzorka vstúpi do počiatočného štádia deformácie a zaťaženie sa odstráni a vzorka sa môže vrátiť do pôvodného stavu a elasticky sa deformovať.

c. Po prekročení zaťaženia Fe sa zaťaženie odstráni, časť deformácie sa obnoví a časť zvyškovej deformácie sa zachová, čo sa nazýva plastická deformácia. Fe sa nazýva medza pružnosti.

d. Keď sa zaťaženie ďalej zvyšuje, krivka ťahu ukazuje pílový zub. Keď sa zaťaženie nezvyšuje alebo neznižuje, jav kontinuálneho predlžovania experimentálnej vzorky sa nazýva poddajnosť. Po uvoľnení začne vzorka podliehať zjavnej plastickej deformácii.

e. Po poddajnosti vzorka vykazuje zvýšenie deformačného odporu, deformačné spevnenie a deformačné spevnenie. Keď zaťaženie dosiahne Fb, rovnaká časť vzorky sa prudko zmenší. Fb je limit sily.

f. Fenomén zmršťovania vedie k zníženiu únosnosti vzorky. Keď zaťaženie dosiahne Fk, vzorka sa zlomí. Toto sa nazýva lomové zaťaženie.

Medza klzu

Medza klzu je maximálna hodnota napätia, ktorú môže kovový materiál vydržať od začiatku plastickej deformácie až po úplné zlomenie, keď je vystavený vonkajšej sile. Táto hodnota označuje kritický bod, kde materiál prechádza zo štádia elastickej deformácie do štádia plastickej deformácie.

Klasifikácia

Horná medza klzu: označuje maximálne napätie vzorky pred prvým poklesom sily, keď dôjde k klzu.

Nižšia medza klzu: označuje minimálne napätie v štádiu klzu, keď sa ignoruje počiatočný prechodný efekt. Keďže hodnota dolnej medze klzu je relatívne stabilná, zvyčajne sa používa ako indikátor odolnosti materiálu, nazývaný medza klzu alebo medza klzu.

Vzorec na výpočet

Pre hornú medzu klzu: R = F / Sₒ, kde F je maximálna sila pred prvým poklesom sily v štádiu klzu a Sₒ je pôvodná plocha prierezu vzorky.

Pre nižšiu medzu klzu: R = F / Sₒ, kde F je minimálna sila F ignorujúca počiatočný prechodný efekt a Sₒ je pôvodná plocha prierezu vzorky.

Jednotka

Jednotkou medze klzu je zvyčajne MPa (megapascal) alebo N/mm² (Newton na štvorcový milimeter).

Príklad

Vezmite si napríklad nízkouhlíkovú oceľ, jej medza klzu je zvyčajne 207 MPa. Pri vystavení vonkajšej sile väčšej ako je tento limit bude nízkouhlíková oceľ spôsobovať trvalú deformáciu a nie je možné ju obnoviť; pri vystavení vonkajšej sile menšej ako tento limit sa nízkouhlíková oceľ môže vrátiť do pôvodného stavu.

Medza klzu je jedným z dôležitých ukazovateľov na hodnotenie mechanických vlastností kovových materiálov. Odráža schopnosť materiálov odolávať plastickej deformácii pri pôsobení vonkajších síl.

Pevnosť v ťahu

Pevnosť v ťahu je schopnosť materiálu odolávať poškodeniu pri zaťažení ťahom, ktorá je špecificky vyjadrená ako maximálna hodnota napätia, ktorú materiál môže vydržať počas procesu ťahania. Keď ťahové napätie materiálu presiahne jeho pevnosť v ťahu, materiál podstúpi plastickú deformáciu alebo prasknutie.

Vzorec na výpočet

Výpočtový vzorec pre pevnosť v ťahu (σt) je:

σt = F / A

Kde F je maximálna ťahová sila (Newton, N), ktorú vzorka môže vydržať pred zlomením, a A je pôvodná plocha prierezu vzorky (milimeter štvorcový, mm²).

Jednotka

Jednotkou pevnosti v ťahu je zvyčajne MPa (megapascal) alebo N/mm² (Newton na štvorcový milimeter). 1 MPa sa rovná 1 000 000 Newtonov na meter štvorcový, čo sa tiež rovná 1 N/mm².

Ovplyvňujúce faktory

Pevnosť v ťahu je ovplyvnená mnohými faktormi, vrátane chemického zloženia, mikroštruktúry, procesu tepelného spracovania, spôsobu spracovania atď. Rôzne materiály majú rôznu pevnosť v ťahu, takže v praktických aplikáciách je potrebné vybrať vhodné materiály na základe mechanických vlastností materiálov.

Praktická aplikácia

Pevnosť v ťahu je veľmi dôležitý parameter v oblasti materiálovej vedy a inžinierstva a často sa používa na hodnotenie mechanických vlastností materiálov. Pokiaľ ide o konštrukčný návrh, výber materiálu, posúdenie bezpečnosti atď., pevnosť v ťahu je faktorom, ktorý treba zvážiť. Napríklad v stavebnom inžinierstve je pevnosť v ťahu ocele dôležitým faktorom pri určovaní, či oceľ vydrží zaťaženie; v oblasti letectva a kozmonautiky je pevnosť v ťahu ľahkých a vysokopevnostných materiálov kľúčom k zaisteniu bezpečnosti lietadiel.

Sila únavy:

Únavou kovu sa rozumie proces, pri ktorom materiály a komponenty postupne spôsobujú lokálne trvalé kumulatívne poškodenie na jednom alebo viacerých miestach pri cyklickom namáhaní alebo cyklickom namáhaní a po určitom počte cyklov dochádza k prasklinám alebo náhlym úplným zlomeninám.

Vlastnosti

Náhla v čase: Únavové zlyhanie kovu sa často vyskytuje náhle v krátkom časovom období bez zjavných príznakov.

Miesto v polohe: Únavové zlyhanie sa zvyčajne vyskytuje v miestnych oblastiach, kde sa koncentruje stres.

Citlivosť na prostredie a defekty: Únava kovu je veľmi citlivá na prostredie a drobné defekty vo vnútri materiálu, ktoré môžu urýchliť proces únavy.

Ovplyvňujúce faktory

Amplitúda napätia: Veľkosť napätia priamo ovplyvňuje únavovú životnosť kovu.

Priemerná veľkosť napätia: Čím väčšie je priemerné napätie, tým kratšia je únavová životnosť kovu.

Počet cyklov: Čím viackrát je kov vystavený cyklickému namáhaniu alebo deformácii, tým závažnejšie je nahromadenie únavového poškodenia.

Preventívne opatrenia

Optimalizujte výber materiálu: Vyberte materiály s vyššími limitmi únavy.

Zníženie koncentrácie napätia: Znížte koncentráciu napätia prostredníctvom konštrukčného návrhu alebo metód spracovania, ako je použitie zaoblených rohových prechodov, zväčšenie rozmerov prierezu atď.

Povrchová úprava: Leštenie, striekanie atď. na kovový povrch na zníženie povrchových defektov a zlepšenie únavovej pevnosti.

Kontrola a údržba: Pravidelne kontrolujte kovové komponenty, aby ste rýchlo zistili a opravili chyby, ako sú praskliny; udržiavať diely náchylné na únavu, ako je výmena opotrebovaných dielov a posilnenie slabých článkov.

Únava kovu je bežný spôsob zlyhania kovu, ktorý sa vyznačuje náhlosťou, lokalitou a citlivosťou na prostredie. Amplitúda napätia, priemerná veľkosť napätia a počet cyklov sú hlavné faktory ovplyvňujúce únavu kovu.

Krivka SN: popisuje únavovú životnosť materiálov pri rôznych úrovniach namáhania, kde S predstavuje napätie a N predstavuje počet namáhacích cyklov.

Vzorec koeficientu únavovej pevnosti:

(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)

Kde (Ka) je faktor zaťaženia, (Kb) je faktor veľkosti, (Kc) je teplotný faktor, (Kd) je faktor kvality povrchu a (Ke) je faktor spoľahlivosti.

Matematický výraz krivky SN:

(\sigma^m N = C)

Kde (\sigma) je napätie, N je počet cyklov napätia a m a C sú materiálové konštanty.

Kroky výpočtu

Určte materiálové konštanty:

Stanovte hodnoty m a C pomocou experimentov alebo odkazom na príslušnú literatúru.

Stanovte faktor koncentrácie napätia: Zvážte skutočný tvar a veľkosť dielu, ako aj koncentráciu napätia spôsobenú zaoblením, drážkami atď., aby ste určili faktor koncentrácie napätia K. Vypočítajte únavovú pevnosť: Podľa krivky SN a napätia koncentračný faktor v kombinácii s konštrukčnou životnosťou a úrovňou pracovného namáhania dielu vypočíta únavovú pevnosť.

2. Plasticita:

Plasticita sa vzťahuje na vlastnosť materiálu, ktorý, keď je vystavený vonkajšej sile, vytvára trvalú deformáciu bez porušenia, keď vonkajšia sila prekročí svoju medzu pružnosti. Táto deformácia je nevratná a materiál sa nevráti do pôvodného tvaru ani po odstránení vonkajšej sily.

Index plasticity a vzorec jeho výpočtu

Predĺženie (δ)

Definícia: Predĺženie je percento celkovej deformácie kalibrovanej časti potom, čo je vzorka zlomená v ťahu na pôvodnú meranú dĺžku.

Vzorec: δ = (L1 – L0) / L0 × 100 %

kde L0 je pôvodná meraná dĺžka vzorky;

L1 je meraná dĺžka po rozbití vzorky.

Segmentové zníženie (Ψ)

Definícia: Segmentové zmenšenie je percento maximálneho zmenšenia plochy prierezu v bode hrdla po rozbití vzorky na pôvodnú plochu prierezu.

Vzorec: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100 %

kde F0 je pôvodná plocha prierezu vzorky;

F1 je plocha prierezu v bode hrdla po rozbití vzorky.

3. Tvrdosť

Tvrdosť kovu je index mechanických vlastností na meranie tvrdosti kovových materiálov. Označuje schopnosť odolávať deformácii v miestnom objeme na kovovom povrchu.

Klasifikácia a znázornenie tvrdosti kovov

Tvrdosť kovu má rôzne klasifikačné a reprezentačné metódy podľa rôznych testovacích metód. Zahŕňajú najmä nasledujúce:

Tvrdosť podľa Brinella (HB):

Rozsah použitia: Všeobecne sa používa, keď je materiál mäkší, ako sú neželezné kovy, oceľ pred tepelným spracovaním alebo po žíhaní.

Princíp testu: Pri určitej veľkosti skúšobného zaťaženia sa do povrchu testovaného kovu vtlačí kalená oceľová guľôčka alebo karbidová guľôčka určitého priemeru a zaťaženie sa po určitom čase vyloží a priemer priehlbiny na testovanom povrchu.

Výpočtový vzorec: Hodnota tvrdosti podľa Brinella je kvocient získaný vydelením zaťaženia plochou guľového povrchu vtlačenia.

Tvrdosť podľa Rockwella (HR):

Rozsah použitia: Všeobecne sa používa pre materiály s vyššou tvrdosťou, ako je tvrdosť po tepelnom spracovaní.

Princíp testu: Podobný tvrdosti podľa Brinella, ale s použitím rôznych sond (diamant) a rôznych metód výpočtu.

Typy: V závislosti od aplikácie existujú HRC (pre materiály s vysokou tvrdosťou), HRA, HRB a ďalšie typy.

Tvrdosť podľa Vickersa (HV):

Rozsah použitia: Vhodné pre mikroskopickú analýzu.

Princíp testu: Stlačte povrch materiálu so záťažou menšou ako 120 kg a diamantovým štvorcovým kužeľovým indentorom s vrcholovým uhlom 136° a vydeľte plochu povrchu jamky pre vtlačenie materiálu hodnotou zaťaženia, aby ste získali hodnotu tvrdosti podľa Vickersa.

Leebova tvrdosť (HL):

Vlastnosti: Prenosný tvrdomer, ľahko merateľný.

Princíp testu: Použite odraz generovaný nárazovou guľovou hlavou po dopade na povrch s tvrdosťou a vypočítajte tvrdosť pomerom rýchlosti odrazu razníka vo vzdialenosti 1 mm od povrchu vzorky k rýchlosti nárazu.