Определение твердости материалов (лекция 4)

Определение твердости материалов
Косвенным методом определения предела
является измерение твердости.
прочности
Для определения твердости в поверхность материала с
определенной
силой
вдавливается
другое
тело
(индентор) и замеряется полученный отпечаток.
Способы определения твердости
Способ Бринеля
Способ Викерса
Способ Роквелла

3.

Р
Способ Бринеля:
D
вдавливание стального
закаленного шарика.
d
Твердость по Бринелю
обозначается НВ.
где:
HB
2P
D( D D 2 d 2 )
Р – сила вдавливания индентора, (Р = 2500 Н);
D – диаметр индентора (5мм);
d – диаметр отпечатка.
Способ применяется для материалов малой твердости
(НВ 4000).

4.

Способ Викерса:
вдавливание алмазной
четырехгранной пирамидки с
углом 1360 между гранями.
Твердость по Викерсу
обозначается НV.
где:
Р
отпечаток
(вид сверху)
1360
1360 1360
1360 1360
P 2 PSin
Р
HV
1,86 2
2
F
b
b
Р – сила вдавливания индентора, (Р = 50 1200 Н);
b – полусумма диагоналей отпечатка,
– половина угла между гранями пирамидки.
Способ применяется для материалов твердости
НВ 4000.

5.

Р
Способ Роквелла:
вдавливание алмазного
конуса с углом при
вершине 1200.
Твердость по Роквеллу
обозначается НRC.
где:
1200
1200
d
P
P
HRC 1,27 2
F
d
Р – сила вдавливания индентора,
F – площадь конического отпечатка.
d – диаметр отпечатка.
Способ применяется для материалов твердости
НВ 4000.
В справочниках твердость указывается как безразмерная величина.

6.

Еще одним способом определения твердости
материала является ударные испытания прямоугольных
образцов с помощью маятникового копра.
Стандартные образцы для испытаний на копре - бруски
(поперечное сечение - равносторонний прямоугольник).
Образцы имеют U- и V-образные поперечные
надрезы, соответственно, их твердость обозначается
как KCU и KCV.
KCU - надрез
2
2
10
KCV - надрез
10
50
50
По высоте отскока бойка копра при ударе образца судят
об энергии (численно равной работе), затраченной на его
разрушение:

7.

А
ан
F
где:
А - работа, затраченная на разрушение образца; А mg h
m - масса маятника копра;
h h1 h2 - разность высот;
F - площадь нетто-сечения образца.
∆h
h1
h2

8.

Влияние различных факторов на
механические свойства материалов
Приведенные ранее свойства стали соответствуют температуре + 20 С.
Изменение температуры
Понижение температуры
Повышение температуры
пц
µ
пц
δ
т
Е
ψ
в
характеристики
прочности
снижаются
характеристики
пластичности
повышаются
повышается
хрупкость
т
в
µ
δ
ψ
характеристики
пластичности
снижаются
Пластичные материалы при охлаждении проявляют свойства хрупких (может

9.

Радиационное облучение
Влияние
радиации
аналогично
влиянию
пониженных
температур
–
увеличивает
прочностные характеристики и уменьшает
пластические.
Технологические факторы
Прокатка делает сталь анизотропной.
Вдоль зерна (вдоль прокатки) прочностные
свойства выше.
Наклеп повышает т и в , но снижает остаточное
удлинение после разрыва δ.
Шлифовка, азотирование, хромирование,
никелирование, обдувка дробью
и др. поверхностная обработка
повышает прочность деталей, работающих
при переменных нагрузках.

10.

Термообработка
Закалка стали повышает твердость, т и в,
но снижает пластичность.
Отжиг устраняет явление наклепа.
Нормализация выравнивает структуру стали и
улучшает ее механические свойства.
Поверхностная закалка токами высокой частоты
(ТВЧ) повышает поверхностную твердость.
Цементация (увеличение в поверхностном слое
содержания углерода с последующей закалкой)
повышает поверхностные прочностные свойства.

11.

Фактор времени
(скорость приложения нагрузки)
Для стали при быстром нагружении (удар) пластические
деформации не успевают развиваться, и на диаграмме
растяжения отсутствует площадка текучести, а предел
прочности увеличивается.
Длительность
приложения
нагрузки
вызывает
ползучесть (крип) – явление медленного нарастания
пластических деформаций во времени при постоянной
нагрузке, проявляющееся, начиная с определенной для
конкретного материала температуре.
Некоторые материалы проявляют ползучесть даже при
комнатной температуре:
дерево, алюминиевые сплавы,
цинк, свинец, пластмассы.

12.

С ползучестью связаны
Последействие –
нарастание деформаций
во времени при
постоянном напряжении.
, = const
t (время)
Релаксация –
явление уменьшения
напряжений во
времени при
постоянной
деформации.
, = const
t (время)
12

13.

У металлов свойства ползучести
начинают проявляться только при высоких
температурах.
Для сталей t 300-400 С.
- Металлические паропроводы, работая при высоких
температурах, со временем увеличивают свой
диаметр.
Пример релаксации:
- Затяжка болтов фланцевых соединений при их длительной
эксплуатации на высоких температурах ослабевает. Приходится
ее повторять.
Пример
последействия:
Если между разведенными концами стального кольца
вставить пластину, то они ее сожмут с большой силой,
вследствие возникновения напряжений от деформации кольца.
пластина
кольцо
После выдерживания этого кольца с пластиной в
течение
некоторого
времени
при
высокой
температуре, оно легко вынется.
Хрупкие материалы также проявляют ползучесть.
Пример – ползучесть бетона.
Новые дома дают усадку в течение 2-5 лет.
13

14.

Легирующие добавки
УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ СИЛЬНО ОКИСЛЯЮТСЯ С ОБРАЗОВАНИЕМ
ОКАЛИНЫ. ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЭТОГО ЯВЛЕНИЯ ПРИМЕНЯЮТ ЛЕГИРУЮЩИЕ ДОБАВКИ.
углерод
марганец
титан
ванадий
ниобий
Способствуют повышению
химической и механической
стойкости поверхности
металлоконструкций.
Жаростойкость –
свойство
материала
противостоять
при
высоких
температурах
химическому разрушению
поверхности.
Жаропрочность способность
материала
сохранять механические
свойства при высоких
температурах
без
заметной
остаточной
деформации.
Достигаются введением в сталь хрома, алюминия, кремния.
14

15.

Концентраторы напряжений
Концентрация напряжений – это местное повышение напряжений
в элементах конструкции, обусловленное резким изменением их
геометрии: наличие отверстий, выточек, канавок, галтелей и т.п.
элементов, называемых концентраторами напряжений.
Степень
концентрации
напряжений
характеризуется
теоретическим коэффициентом концентрации напряжений,
определяемым по формуле:
max - максимальное напряжение в месте концентрации;
н- номинальное напряжение.
max
н
Номинальное напряжение определяется с учетом ослабления
сечения, но без учета концентрации напряжений по формуле:
N - нормальная сила;
Fmin
- площадь ослабленного (нетто-) сечения.
Форма
концентратора
напряжений
определяет
величину
теоретического
коэффициента концентрации напряжений.
N
н
Fmin
15

16.

Некоторые формы концентраторов напряжений
полоса металла с круглым
отверстием посередине
полоса металла с
полукруглыми вырезами
по краям
P
P
Величина
d теоретического
коэффициента
max
концентрации
н
напряжений
показывает
степень
опасности
концентратора.
max
b
P
r н
b
d = 0,1b
r = 0,5d
=3
=2
P
d = 0,1b
16

17.

На практике коэффициент концентрации
напряжений реальных элементов конструкций
оказывается
меньше
теоретического,
он
коэффициентом
называется эффективным
концентрации напряжений и определяется по
формуле:
k 1 q( 1 )
где:
q
–
коэффициент
чувствительности
материала к концентрации напряжений
(зависит от материала и величины ),
является справочной величиной.
17

English Русский Правила