Исследование физических свойств материалов. Часть 4.1 Испытания на растяжение

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




А.В. ШИШКИН, О.С. ДУТОВА




                ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
                МАТЕРИАЛОВ




        Часть 4.1
        ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Учебно-методическое пособие






НОВОСИБИРСК

2012

УДК 620.172(075.8)
     Ш655



Рецензенты:
А.Б. Мешалкин, д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. ИТ СО РАН, С.Н. Малышев, канд. техн. наук, доц. НГТУ

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки» и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия для студентов II курса ФМА (направления 140400, 220700)

     Шишкин А.В.
Ш 655 Исследование физических свойств материалов : учеб.-метод. пособие. - В 4 ч. / А.В. Шишкин, О.С. Дутова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012.-Ч.4.1. Испытания на растяжение. - б4 с.
         ISBN 978-5-7782-1970-0
         Рассмотрены теоретические основы испытаний на растяжение, факторы, влияющие на конструкционную прочность металлов и сплавов, способы испытания на растяжение для различных материалов. Описана работа на универсальной испытательной машине.
         Предназначено для подготовки бакалавров по направлениям 140400 -«Электроэнергетика и электротехника» и 220700-«Автоматизация технологических процессов и производств» для дневного и заочного отделений.








ISBN 978-5-7782-1970-0

УДК 620.172(075.8)

                      © Шишкин А.В., Дутова О.С., 2012 © Новосибирский государственный технический университет, 2012

ВВЕДЕНИЕ

   Цель пособия - помочь студентам в получении теоретических знаний и практических навыков по курсу «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» в части, касающейся механических свойств материалов.
   Материалом называется вещество, обладающее необходимым комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно и/или в совокупности с другими веществами.
   Материаловедение - это раздел научного знания, посвященный свойствам веществ и их направленному изменению с целью получения материалов с заранее заданными рабочими характеристиками. Материаловедение опирается на фундаментальную базу всех разделов физики, химии, механики и смежных дисциплин и включает в себя теоретические основы современных наукоемких технологий получения, обработки и применения материалов.
   Курс материаловедения и технологии конструкционных материалов служит следующей цели: познанию природы и свойств материалов, а также методов получения материалов с заданными характеристиками для наиболее эффективного использования в технике.
   Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Конструкционными материалами могут быть металлы и их сплавы (например стали), композиты (железобетон), оксиды и их сплавы (стекло), дерево (сосна), полимеры (плексиглас) и др.
   Инструментальные материалы служат для изготовления различного инструмента и должны обладать высокой твердостью, прочностью, износо- и теплостойкостью. Инструментальные материалы подразделяют на стали, твердые сплавы и сверхтвердые материалы (алмаз, нитрид бора со структурой алмаза). Инструментальные стали, в частности, предназначены для изготовления инструментов следующих

3

типов: режущих, измерительных и штампов холодного и горячего деформирования.
   Существуют также материалы различного специального назначения: триботехнические с высокими упругими свойствами; электротехнические, устойчивые к воздействию температуры и внешней среды; малой плотности и высокой удельной прочности; с особыми технологическими свойствами.
   Механические свойства характеризуют поведение материала под действием приложенных внешних механических сил. Материал по-разному реагирует на различные внешние механические воздействия в зависимости от величины нагрузки, скорости и длительности ее приложения, формы образца и состояния его поверхности, температуры, вида напряженного или деформированного состояния. Чтобы наиболее полно охарактеризовать деформационные свойства материала, проводятся всевозможные механические испытания: статические, динамические, усталостные и т.п. Получаемые из этих испытаний свойства не являются фундаментальными и также зависят от вышеприведенных факторов. Поэтому, чтобы механические свойства, полученные для разных материалов, можно было сравнить, их проводят строго определенным образом в соответствии с разработанными стандартами.
   Основные виды механических испытаний:
   -     статические, когда нагрузка прилагается к образцу сравнительно медленно и плавно возрастает (испытания на растяжение, кручение, изгиб, сжатие, ползучесть, длительную прочность, твердость);
   -     динамические, при которых скорость перемещения захватов машины более 10 мм/мин или при приложении нагрузки ударом;
   -     усталостные, в условиях повторно-переменного приложения нагрузки.

    1. КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ

   Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров и условий эксплуатации. Они испытывают различные типы нагрузок, работают при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Все это определяет требования к материалу, основными из которых являются эксплуатационные, технологические и экономические (рис. 1).
   Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Материал должен выполнять свое функциональное назначение, т.е. обладать определенными значениями механических и физических характеристик, которые должны сохраняться в допустимых пределах во весь период эксплуатации в рабочих средах и рабочем диапазоне температур и давлений. Комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации, называется конструкционной прочностью.
   Технологические требования (технологичность материала) направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризуют все возможные методы его обработки. От технологичности материала зависят производительность и качество изготовления деталей.
   Экономические требования выполняют функции обеспечения конкурентоспособности материала и изготавливаемых из него изделий. Стоимость материала должна быть как можно ниже при условии соблюдения эксплуатационных требований. Технологические и экономические требования приобретают особое значение при массовом производстве.
   Конструкционная прочность материала - комплексная характеристика, сочетающая конструкционные критерии прочности, надежности и долговечности. В качестве критериев прочности выбираются такие механические характеристики, получаемые при испытаниях, которые

5

наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации. Примеры критериев прочности - временное сопротивление ов; условный предел
текучести п₀,₂; модуль упругости Е; предел выносливости с_ь
   Надежность - свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение особо опасно из-за большой скорости протекания при напряжениях ниже расчетных и создания аварийных ситуаций. В условиях эксплуатации действуют факторы, увеличивающие


Bwc. 1. Классификация факторов, влияющих на конструкционную прочность металлов и сплавов

6

опасность хрупкого разрушения: различные концентраторы напряжений (надрезы, трещины и микротрещины), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный фактор). Примерами критериев надежности являются относительное удлинение после разрыва 8; относительное сужение после разрыва у; ударная вязкость КСТ, KCV, KCU; критический коэффициент интенсивности напряжения К₁c; температурный порог хладноломкости 1₅₀.
   Долговечность - свойство материалов сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Причины постепенного отказа разнообразны: усталость, изнашивание, ползучесть, коррозия, радиационное разбухание и др. Эти процессы при эксплуатации вызывают постепенное накопление необратимых изменений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения. Для большинства деталей машин долго

вечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью). К критериям долговечности относятся, например: усталостная долговечность N, твердость НВ (HV, HRC), предел ползучести ^О^ддо, пРеДел длительной проч

ности of⁰0oo.

   Повышение конструкционной прочности металлов и сплавов достигается металлургическими, технологическими и конструкционными методами. Металлургические методы позволяют управлять химическим и фазовым составом, что влияет также на кристаллическую решетку, зеренную и дефектную структуры металлического материала. Технологические методы позволяют регулировать распределение химических элементов, фаз и дефектов, определять размеры и форму зерен, создавать определенную дефектную структуру. Конструкционные методы обеспечивают равномерное распределение нагрузки по детали и между деталями. В общем случае на конструкционную прочность металлического материала влияет целый ряд факторов, представленных на рис. 1.

7