95965

Косвенные методы определения механических свойств металла

Реферат

Физика

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Русский

2015-10-01

500.5 KB

4 чел.

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Кафедра «Технологические машины и оборудование»

Реферат

на тему: «Косвенные методы определения механических свойств металла»

 по дисциплине «Физические основы разрушения конструкционных материалов»

Студент гр.БМП-11-01               ____________ С. М.  Шемагонов

                                             (подпись, дата)

Профессор                        ____________ М. М. Закирничная

                                             (подпись, дата)

Уфа

СОДЕРЖАНИЕ

                                                                                                                                 С

Введение                                                                                                                   3

  1.  Основные методы определения твердости                                                 4          
  2.  Определение предела текучести по твердости                                           6          

Заключение                                                                                                             17

Список использованных источников                       18

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость[2]. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твердостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твердого тела[2]. Твердость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Различают относительную и абсолютную твердость. Относительная твердость одного материала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством. Абсолютная, она же инструментальная измеряется методами вдавливания.

Твердость зависит от [2]:

межатомных расстояний;

– координационного числа чем выше число, тем выше твердость;

– валентности;

– природы химической связи;

– от направления;

– хрупкости и ковкости;

– гибкости;

– упругости;

– вязкости – минерал трудно сломать;

– спайности.

1 Основные методы определения твердости

Для измерения твердости существует несколько шкал (методов измерения):

– метод Бринелля – твердость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твердость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причем площадь отпечатка берется как площадь части сферы, а не как площадь круга); размерность единиц твердости по Бринеллю МПа. Твердость, определенная по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твердость, англ.), B – Бринелль;

– метод Роквелла – твердость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твердость, определенная по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA. Твердость вычисляется:

,

где  d – глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки,

k – коэффициент.

Таким образом, максимальная твердость по Роквеллу соответствует HR 100 [1].

– метод Виккерса – твердость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырехгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твердость вычисляется как отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берется как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твердости по Виккерсу кгс/мм². Твердость, определённая по этому методу, обозначается HV;

– метод по Шору – твердость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерения прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твердость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.

– твердость по Шору (метод отскока) – метод определения твердости очень твердых материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боек (основная часть склероскопа – измерительного прибора для данного метода), падающий с определенной высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Обозначается HSx, где H – Hardness, S – Shore и x – латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

– метод Аскер – твердость определяется по глубине введения стальной полусферы под действием пружины. Используется для мягких резин. По принципу измерения соответствует методу Шора, но отличается формой поверхности щупа. Аскер С использует полусферу диаметром 2.54 мм [3].

–метод Кузнецова – Герберта – Ребиндера – твердость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;

– метод Польди (двойного отпечатка шарика) – твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;

– шкала Мооса – определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом [4].

  1.  Определение предела текучести по твердости

К настоящему времени разработано много методов определения физического (σТ) или условного (σ0,2) предела текучести по твердости.

Их можно разделить на два класса:

- основанные на определении твердости, которая характеризует упрочняемость материала и оценивается либо коэффициентом упрочнения, либо равномерной деформацией при растяжении;

- основанные на определении числа твердости при деформации в лунке, близкой к 0,2%.

К первому классу методов определения предела текучести по твердости можно отнести методы: Г.П. Зайцева, М.С. Дрозда и др.

В основу метода Зайцева положены установленные им закономерности пластического вдавливания шарика в металл, которые получены на основании закона Мейера

,

где  Р–нагрузка,

d и D – диаметр отпечатка и шарика,

0 и n – постоянные.

Из анализа результатов испытаний различных материалов автор делает вывод о том, что процесс пластического вдавливания шарика в металл и возникающие при этом формоизменения и напряжения зависят от двух специфических для вдавливания шарика констант пластичности: 0 и n. Для одного и того же металла величины 0 и n сохраняют постоянные значения при любых геометрических условиях опыта, то есть при любых Р и D. Их значения определяются из двух опытов по следующим формулам:

,

где n – постоянная,

,

Между парой этих констант и парой констант определяемых при растяжении, а именно, пределом прочности и удлинением существует взаимозависимость, позволяющая с достаточной точностью по значениям 0 и n рассчитать механические характеристики.

М.С. Дрозд акцентирует внимание на главном недостатке методов определения твердости по Бринеллю и Мейеру, который проявляется в росте твердости с увеличением степени нагружения (т.е.отношения ). Он предлагает метод с использованием нового числа твердости, которое по своему физическому содержанию представляет собой не напряжение (истинное или условное), а модуль упрочнения материала при вдавливании

в него сферического индентора.

По методу Дрозда величина σ0,2 определялась по формуле

σ0,2 = 0,185Н,

где  Н – так называемое новое число твердости, равное в одном случае

,

где  НRB– твердость по Роквеллу, определенная шариком 1/16 при нагрузке 100 кг. В другом случае величина Н определяется из испытаний по Бринеллю, следующим образом: при нагрузке 187,5 кг и шарике D=2,5 мм

измеряется диаметр остаточного отпечатка d. По отношению D/d и соответствующей таблице, предложенной Дроздом, определяют число твердости Н.

Поскольку метод Г.П. Зайцева основан на признании абсолютной справедливости закона Мейера, который получен эмпирическим путем, поэтому точность этой методики при определении σ0,2 оказалась не очень высокой. Анализ метода определения нового числа твердости Η показал, что твердость Η представляет не что иное, как твердость по Бринеллю, определенную на приборе Роквелла [7].

Способы определения предела текучести, относящиеся ко второму классу, являются наиболее обоснованными физически, так как условный предел текучести при растяжении σ0,2 в этом случае сопоставляется с твердостью, определенной при той же остаточной степени деформации в лунке, равной 0,2%, как это принято и при растяжении. Эти методы достаточно просты и отличаются высокой точностью. Поэтому они нашли наибольшее применение, как в лабораторных условиях, так и в промышленной практике.

Впервые методика определения предела текучести путем вдавливания сферического индентора до получения в лунке остаточной деформации 0,2% была предложена М.П.Марковцом. В этом способе Н0,2 определяют по общей

деформации, равной 0,2%, т. е. по деформации 0,2% в невосстановленной лунке. Общую деформацию в лунке рассчитывают по формуле

где  d и D – диаметр отпечатка и шарика, t – глубина невосстановленной лунки.

Автор показал, что общая деформация в лунке ψ = 0,2% достигается при отношении d/D = 0,09. Следовательно, для определения Н0,2 необходимо вдавливать шар всегда до постоянного диаметра невосстановленной лунки d = 0,09D с определением соответствующей нагрузки. Шар D = 10 мм следует вдавливать до диаметра лунки d= 0,9 мм с определением нагрузки Р0,2 зависящей от уровня прочности материала. Поделив полученную нагрузку Р0,2 на площадь поверхности невосстановленной лунки, которая в данном случае постоянна и равна 0,636 , получим твердость на пределе текучести

 

        Связь между пределом текучести σ0,2, и твердостью  в общем виде выражается формулой:

σ0,2 =с ,

где  с – коэффициент пропорциональности, учитывающий переход от напряженного состояния на пределе текучести при растяжении к схеме напряженного состояния при вдавливании.

В связи с тем, что соотношение между упругой и остаточной деформацией в лунке с повышением прочности увеличивается, абсолютные значения коэффициента с будет меняться в зависимости от прочности материала. Так, для мягких металлов (σ0,2 < 500 МПа) коэффициент с < 0,333, тогда как для более твердых металлов (σ0,2 > 500 МПа) с > 0,333. Особенно заметное изменение коэффициента с наблюдается в металлах с пределом текучести больше 700 МПа.

Изменение коэффициента пропорциональности c в зависимости от твердости металла учитывается в методике М.П.Марковца экспериментальной кривой, построенной в координатах σ0,2 – . А расчет значений σ0,2 для конструкционных материалов, твердость которых на пределе текучести не превышает 1750 –2000 МПа, автор рекомендует проводить по формуле:

которая получена на основании статистической обработки экспериментальных данных. Метод определения σ0,2 по  гостирован. Зависимость между и σ0,2 дана в ГОСТ 22762–77 в виде таблицы.

В.П. Новиков усовершенствовал способ определения твердости на пределе текучести , ранее предложенный М.П.Марковцом, и рекомендует определять твердость с учетом упругого восстановления лунки по формуле:

 

где  P0,2– нагрузка, при которой достигается отношение глубины h к диаметру d восстановленного отпечатка, равное 0,022, а абсолютные значения предела текучести находить из соотношения:

σ0,2 =0,3

В этом случае остаточная деформация лунки равна 0,2%. Максимальная погрешность определения σ0,2 по твердости  для широкого класса материалов, включая аустенитные стали, по данной методике, не превышает 10%. Основным недостатком этой методики следует считать ее относительную сложность, так как при определении твердости необходимо измерять диаметр и глубину восстановленного отпечатка. Поэтому эта методика в настоящее время не нашла еще широкого применения на практике.

Cпособы приближенного определения предела прочности материала по данным измерения его твердости известны давно. Установленное Бринеллем приблизительно трехкратное превышение твердости над пределом прочности в большом числе последующих исследований было подтверждено и уточнено. Были предложены различные эмпирические формулы для пересчета данных измерения твердости по Бринеллю (НВ) в величину предела прочности (σB).

Разработке методов определения предела прочности по измерению твердости посвящено большое количество работ. Эти методы в основном можно разделить на два класса:

- основанные на определении упрочняемости материала;

- основанные на определении числа твердости, которое определяется при той же степени деформации в лунке, что и временное сопротивление при растяжении [8].

К первому классу методов определения предела прочности по твердости можно отнести следующие: Г.П. Зайцева, В.В. Варнелло, М.С. Дрозда.

Г.П. Зайцев предложил рассчитывать σв по коэффициенту упрочнения n, основываясь на сходстве диаграмм твердости и растяжения, взаимному соответствию их максимумов и отвечающих этим максимумам величин деформаций:

М.С. Дрозд предложил определять предел прочности по следующей формуле [4]:

где  Η – новое число твердости.

Недостатки, которые были присущи методам этих авторов при определении σ0,2  по измерению твердости, сохранились и в данных методах.

В.В. Варнелло, основываясь на анализе диаграмм растяжения металлов в интервалах от предела текучести σ0,2 до σВ , предложил определять σВ по твердости НВ по равномерному удлинению δP . Экспериментальная проверка этой методики, проведенная никелевых сплавах, показала ее низкую точность.

Методы, относящиеся ко второму классу, можно разделить на две группы:

- основанные на корреляционной связи между твердостью по Бринеллю НВ и пределом прочности σВ;

- основанные на определении максимальной твердости Ηmax, которая определяется при той же степени деформации в лунке, что и величина предела прочности σВ при растяжении.

Простота и достаточная точность позволили широко применять методы второго класса на практике.

В общем виде связь между твердостью по Бринеллю и пределом прочности можно выразить в виде: σВ = с·НВ.

Впервые эта зависимость была установлена Бринеллем, который для углеродистых сталей получил значение коэффициента с, равное 0,346. В дальнейшем фундаментальные исследования, проведенные в ряде лабораторий подтвердили эту зависимость для углеродистых и низколегированных сталей. Согласно этим исследованиям коэффициент пропорциональности с для указанных материалов оказался близким к 0,333.

Однако те же исследования показали, что коэффициент с зависит от упрочняемости материала, т.е. от предельной равномерной деформации Ψρ. Чем больше равномерная деформация, тем больше значение коэффициента с. Например, по данным М.П. Марковца для аустенитных сталей в состоянии после аустенизации этот коэффициент возрастает до 0,4, а для серых чугунов снижается до 0,15.

Природу изменения коэффициента с пытались объяснить многие исследователи. Так, например, О'Нейль уменьшение коэффициента с связывал с влиянием наклёпа. Д. Тейбор рассматривал величину с как функцию коэффициента упрочнения n в уравнении Мейера и угла вдавливания. Он показал, что при значениях n> 2,2 коэффициент с резко возрастает и может превысить 0,5. М.П. Марковец на основе разработанного им способа расчета деформации в лунке предложил такое объяснение изменения природы коэффициента с. Согласно его исследованиям степень деформации в лунке при вдавливании шара под нагрузкой, соответствующей твердости НВ, для всех материалов изменяется по абсолютной величине в небольших пределах и близка к 8%, в то время, как предел прочности этих материалов определяется при равномерных деформациях, изменяющихся в пределах 1–30 %. Следовательно, сопоставление твердости НВ с пределом прочности σв производится при разных степенях деформации. Этим и объясняется изменение абсолютных значений коэффициента с. Действительно, если степень деформации в лунке при определении твердости материала значительно выше, чем при определении σв методом растяжения, то коэффициент с будет меньше 0,333, например, для чугуна он равен 0,15 (Ψравн =1%). Если степень деформации в лунке при вдавливании шара ниже, чем при растяжении, то коэффициент больше 0,333 и для аустенитных сталей и латуней он приближается к 0,5 (Ψρавн = 30%). Делается вывод о том, что если предел прочности сопоставлять с твердостью НВ при одинаковых деформациях, то коэффициент с будет равен 0,333 и останется постоянным независимо от материалов. Однако этот важный вывод требует дальнейшей теоретической и экспериментальной проверки [9].

Ко второй группе методов определения σВ по твердости относятся методы, основанные на определении максимальной твердости Нmах. Эти методы основаны на том, что сопоставление напряжений в лунке при вдавливании шара и растяжении должно производиться при одинаковой по величине пластической деформации. Диаграммы растяжения и твердости имеют сходство, поэтому указанному условию будет удовлетворять определение σВ по значениям максимальной твердости Нmах, так как в этом случае напряжения в лунке и при растяжении определяются при близких деформациях.

В работе приведена зависимость максимальной твердости и предела прочности для различных материалов (рисунок 1).

Рисунок 1–Зависимость между Нmах и σВ для различных материалов (конструкционные углеродистые и перлитные низколегированные стали (∆); аустенитные стали (□); нимоники (○); алюминиевые сплавы, магнитные сплавы, латунь(*)

Величину Нmах определяли по диаграммам твердости при вдавливании шара диаметром 2,5 мм, а напряжения вычисляли по диаметру восстановленной лунки. Статистическая обработка результатов определения Нmах и σВ методом наименьших квадратов показала высокий коэффициент корреляции между экспериментальными данными и данными, полученными с помощью предложенного уравнения:

σВ = 0,333 Нmах

Анализ экспериментальных результатов показал, что зависимость σВmах) является универсальной и может быть использована для любых металлов в различных состояниях, включая и наклепанные металлы.

В работе  приводится зависимость, которая с высокой точностью позволяет определять прочностные характеристики пластичных материалов, что экспериментально подтверждено на алюминиевых, медных и магниевых сплавах, а также на сплавах различных классов. Для наклепанных металлов отклонение между рассчитанными по этому уравнению значениями σВ и экспериментальными точкам не превышает 10%. Авторы также показали, что несколько лучшие результаты для наклепанных материалов дает зависимость

σВ = 0,35 Нmах – 100

В работе предложено определять σВ по Нmах для аустенитных наклепанных сталей с учетом степени наклепа по формуле

где  ψ–степень деформации при наклепе, %..

Наиболее надежно величина Нmах определяется на диаграммах твердости, построенных в координатах Н–d/D, Н–Р и H–h/D, где напряжение в лунке Н подсчитывают по способу Бринелля. Сложность определения Hmах связана с

высокой трудоемкостью испытаний и необходимостью применения специальной электронной аппаратуры для автоматической записи диаграммы. Поэтому часто для определения Нmах используют эмпирические

уравнения. Так, для подсчета максимальной твердости Г. Вайценегер и Г.П. Зайцев предложили следующую формулу:

М.П. Марковец и В.П. Плотников в работе предложили простой метод определения максимальной твердости аустенитных сталей, также основанный на законе Мейера. Согласно этому способу расчета Нmах определяется из уравнения [4]:

Нmах = 1,32 Р

где  Р–нагрузка, необходимая для получения остаточного отпечатка диаметром 1 мм при вдавливании шара диаметром 2,5 мм [10].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методы измерения твердости делятся на две основные категории: статические методы определения твердости и динамические методы определения твердости.

Для инструментального определения твердости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам.

Существующие методы определения твердости не отражают целиком какого–нибудь одного определенного фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных  методов  для определенных групп и категорий материалов.

Конкретный способ определения твердости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

Список использОВАННых источников

1  Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г, Материаловедение.– М.: Металлургия, 1983.–384 с.

2  Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г, Материаловедение.– М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.– 632 с.

3  Фетисов Г.П., Материаловедение и технология металлов: Учеб. Для студентов машиностроительных спец. Вузов.– М.: Мир, 2002. – 638 с.

4  Бернштейн М.Л., Займовский В.А, Структура и механические свойства металлов.–М.: Металлургия, 1980.–153 с.

5  Берштейн М.Л., Займовский В.А, Механические свойства металлов: учебное пособие. – М. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1979. – 495 с.

6  Тушинский, Л.И., Токарев А.В., Плохов А.О., Синдеев В.Н, Методы исследования материалов. – М.: Мир, 2004. – 380 с.

7  Лахтин Ю.М., Материаловедение. – М.: Металлургия, 1993. – 448 с.

8  Карпман М.Г., Материаловедение и технология металлов.– М.: Высшая школа, 2001. – 622 с.

9  Евстратова И.И., Материаловедение.–М.:Металлургия, 2006. – 268 с.

10 Стоев П.И.,Мощенок В.И.,// «Вестник Харьковского национального автомобильно–дорожного университета» , 2003. – С. 1–5.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78980. Пространство и время в современной и классической картине мира 35 KB
  Пространство и время в современной и классической картине мира. Пространство есть форма координации сосуществующих объектов состояний материи. Пространство и время это всеобщие формы существования координации объектов. Пространство и время в классической картине мира.
78981. Философское значение синергетики 41 KB
  В своей классической работе Синергетика он отмечал что во многих дисциплинах от астрофизики до социологии мы часто наблюдаем как кооперация отдельных частей системы приводит к макроскопическим структурам или функциям. Синергетика в ее нынешнем состоянии фокусирует внимание на таких ситуациях в которых структуры или функции систем переживают драматические изменения на уровне макромасштабов. По мнению ученого существуют одни и те же принципы самоорганизации различных по своей природе систем от электронов до людей а значит речь должна...
78982. Этос науки и императивы, регулирующие поведение ученого 32.5 KB
  Понятие Императив и Этос науки Императив лат. Этос науки набор внутренних социальных норм которых придерживаются ученые в научной деятельности и которые обеспечивают функционирование социального института науки. Нормы этоса науки Попытка кодификации социальных норм науки была предпринята Р.
78983. Научная специальность и основные этапы ее становления 40.5 KB
  С этой характеристикой тесно связана потребность в такого рода вознаграждении которое служило бы достаточным стимулом для профессионалов будучи в то же время подконтрольно не столько посторонним сколько самой профессии. Внутренний мотив – это познавательная потребность – информация заключенная в объекте на который направлено внимание человека. Познавательная потребность характеризуется следующими основными критериями: интенсивное стремление субъекта к знанию и к познавательной деятельности на основании чего избирается его...
78985. Сциентизм и антисциентизм, их философские основания и историческая эволюция. Сциентизм и технократизм в их соотношении 16.8 KB
  В Новой Атлантиде Бэкон подробно рассказывает о том как наука практически может улучшать жизнь людей. Здесь наука расценивается как наивысшая культурная ценность наивысший вид духовной деятельности; техника играет главную и решающую роль в развитии общества. Три главных положения сциентизма: Наука может разрешить основные моральные и этические проблемы общества заменяя философию и метафизику.
78986. Взаимодействие наук, его модели, механизмы и типология. Проблема редукционизма, её философско-методологический смысл. Современная интеграция и дифференциация научного знания 18.1 KB
  В процессе развития науки происходит все более тесное взаимодействие естественных социальных и технических наук. Различные науки и научные дисциплины развиваются не независимо а в связи друг с другом взаимодействуя по разным направлениям. Использование данной наукой знаний полученных другими науками.
78987. Синергетика как современная общенаучная парадигма, её основные положения, роль и функции в междисциплинарном взаимодействии наук 78.5 KB
  Неустойчивость означает несохранение близости состояний системы в процессе ее эволюции. Открытость означает признание обмена системы веществом энергией информацией с окружающей средой и следовательно признание системы как состоящей из элементов связанных структурой так и включенности в качестве подсистемы элемента в иное целое. Подчинение означает что функционирование и развитие системы определяются процессами в ее подсистеме сверхсистеме при возникновении иерархии масштабов времени. Это принцип самоупрощения системы т.
78988. Социологический дискурс научного знания. Институциональные формы научной деятельности: история и перспективы развития 80 KB
  В конгломерате объединенном общим наименованием социология сосуществуют наука и идеология логика и риторика высокая абстракция и житейский опыт. Одни социологии основаны на умении убеждать и агитировать другие стремятся доказывать свои истины третьи ставят единственной целью сбор и обобщение данных. Джонатан Тернер вероятно высказался слишком безоговорочно когда предположил что социологическая теория представляет собой словесный...