Изпитването на опън се използва главно за определяне на способността на металните материали да устояват на повреди по време на процеса на разтягане и е един от важните показатели за оценка на механичните свойства на материалите.
1. Изпитване на опън
Изпитването на опън се основава на основните принципи на механиката на материалите. Чрез прилагане на опънно натоварване върху материалната проба при определени условия се предизвиква деформация на опън, докато пробата се счупи. По време на изпитването се записват деформацията на експерименталната проба при различни натоварвания и максималното натоварване, при което пробата се счупи, за да се изчислят границата на провлачване, якостта на опън и други показатели за характеристики на материала.
Напрежение σ = F/A
σ е якостта на опън (MPa)
F е опънното натоварване (N)
A е площта на напречното сечение на образеца
2. Крива на опън
Анализ на няколко етапа от процеса на разтягане:
а. В етапа на OP с малко натоварване, удължението е в линейна зависимост от натоварването, а Fp е максималното натоварване за поддържане на правата линия.
б. След като натоварването надвиши Fp, кривата на опън започва да приема нелинейна зависимост. Пробата навлиза в начален етап на деформация, натоварването се премахва и пробата може да се върне в първоначалното си състояние и да се деформира еластично.
в. След като натоварването надвиши Fe, то се отстранява, част от деформацията се възстановява и част от остатъчната деформация се запазва, което се нарича пластична деформация. Fe се нарича граница на еластичност.
г. Когато натоварването се увеличи допълнително, кривата на опън показва трионна форма. Когато натоварването не се увеличава или намалява, явлението на непрекъснато удължаване на експерименталната проба се нарича пластична деформация. След пластична деформация пробата започва да претърпява видима деформация.
д. След пластифициране, пробата показва увеличение на съпротивлението на деформация, втвърдяване при работа и деформационно укрепване. Когато натоварването достигне Fb, същата част от пробата се свива рязко. Fb е границата на якост.
е. Явлението свиване води до намаляване на носещата способност на пробата. Когато натоварването достигне Fk, пробата се счупва. Това се нарича натоварване на разрушаване.
граница на провлачване
Границата на провлачване е максималната стойност на напрежението, което металният материал може да издържи от началото на пластичната деформация до пълното разрушаване, когато е подложен на външна сила. Тази стойност отбелязва критичната точка, в която материалът преминава от етап на еластична деформация към етап на пластична деформация.
Класификация
Горна граница на провлачване: отнася се до максималното напрежение на пробата, преди силата да спадне за първи път, когато настъпи огъване.
Долна граница на провлачване: отнася се до минималното напрежение в етапа на провлачване, когато първоначалният преходен ефект се пренебрегне. Тъй като стойността на долната граница на провлачване е относително стабилна, тя обикновено се използва като индикатор за съпротивлението на материала, наречен граница на провлачване или граница на провлачване.
Формула за изчисление
За горна граница на провлачване: R = F / Sₒ, където F е максималната сила преди тя да спадне за първи път в етапа на провлачване, а Sₒ е първоначалната площ на напречното сечение на пробата.
За по-ниска граница на провлачване: R = F / Sₒ, където F е минималната сила F, игнорирайки началния преходен ефект, а Sₒ е първоначалната площ на напречното сечение на пробата.
Единица
Единицата за граница на провлачване обикновено е MPa (мегапаскал) или N/mm² (нютон на квадратен милиметър).
Пример
Вземете за пример нисковъглеродната стомана, чиято граница на провлачване обикновено е 207 MPa. Когато е подложена на външна сила, по-голяма от тази граница, нисковъглеродната стомана ще предизвика трайна деформация и не може да бъде възстановена; когато е подложена на външна сила, по-малка от тази граница, нисковъглеродната стомана може да се върне в първоначалното си състояние.
Границата на провлачване е един от важните показатели за оценка на механичните свойства на металните материали. Тя отразява способността на материалите да се съпротивляват на пластична деформация, когато са подложени на външни сили.
Якост на опън
Якостта на опън е способността на материала да устои на повреди при опънно натоварване, която се изразява по-специално като максималната стойност на напрежението, което материалът може да издържи по време на процеса на опън. Когато опънното напрежение върху материала надвиши неговата якост на опън, материалът ще претърпи пластична деформация или счупване.
Формула за изчисление
Формулата за изчисление на якостта на опън (σt) е:
σt = F / A
Където F е максималната сила на опън (Нютон, N), която образецът може да издържи преди счупване, а A е първоначалната площ на напречното сечение на образеца (квадратен милиметър, mm²).
Единица
Единицата за якост на опън обикновено е MPa (мегапаскал) или N/mm² (нютон на квадратен милиметър). 1 MPa е равно на 1 000 000 нютона на квадратен метър, което също е равно на 1 N/mm².
Влияещи фактори
Якостта на опън се влияе от много фактори, включително химичния състав, микроструктурата, процеса на термична обработка, метода на обработка и др. Различните материали имат различна якост на опън, така че в практическите приложения е необходимо да се изберат подходящи материали въз основа на механичните им свойства.
Практическо приложение
Якостта на опън е много важен параметър в областта на материалознанието и инженерството и често се използва за оценка на механичните свойства на материалите. По отношение на структурния дизайн, избора на материали, оценката на безопасността и др., якостта на опън е фактор, който трябва да се вземе предвид. Например, в строителното инженерство якостта на опън на стоманата е важен фактор за определяне дали тя може да издържи на натоварвания; в областта на аерокосмическата индустрия якостта на опън на леките и високоякостни материали е ключът към осигуряване на безопасността на самолетите.
Якост на умора:
Умората на метала се отнася до процеса, при който материалите и компонентите постепенно причиняват локални трайни кумулативни повреди на едно или няколко места под циклично напрежение или циклично деформиране, а след определен брой цикли се появяват пукнатини или внезапни пълни счупвания.
Характеристики
Внезапност във времето: Умората на метала често се случва внезапно за кратък период от време без видими признаци.
Локално положение: Умората на материала обикновено се появява в локални области, където е концентрирано напрежението.
Чувствителност към околната среда и дефекти: Умората на метала е много чувствителна към околната среда и малки дефекти вътре в материала, което може да ускори процеса на умора.
Влияещи фактори
Амплитуда на напрежението: Големината на напрежението влияе пряко върху дълготрайността на метала при умора.
Средна величина на напрежението: Колкото по-голямо е средното напрежение, толкова по-кратък е животът на метала при умора.
Брой цикли: Колкото повече пъти металът е подложен на циклично напрежение или деформация, толкова по-сериозно е натрупването на повреди от умора.
Превантивни мерки
Оптимизиране на избора на материали: Изберете материали с по-високи граници на умора.
Намаляване на концентрацията на напрежение: Намалете концентрацията на напрежение чрез структурно проектиране или методи на обработка, като например използване на заоблени ъглови преходи, увеличаване на размерите на напречното сечение и др.
Повърхностна обработка: Полиране, пръскане и др. върху металната повърхност за намаляване на повърхностните дефекти и подобряване на якостта на умора.
Инспекция и поддръжка: Редовно проверявайте металните компоненти, за да откриете и отстраните своевременно дефекти, като пукнатини; поддържайте частите, склонни към умора, като например подмяна на износени части и подсилване на слаби звена.
Умората на метала е често срещан вид повреда на метала, който се характеризира с внезапност, локалност и чувствителност към околната среда. Амплитудата на напрежението, средната величина на напрежението и броят на циклите са основните фактори, влияещи върху умората на метала.
SN крива: описва дълготрайността на материалите при различни нива на напрежение, където S представлява напрежение, а N представлява броя на циклите на напрежение.
Формула за коефициент на якост на умора:
(Kf = Ka ∫ Kb ∫ Kc ∫ Kd ∫ Ke)
Където (Ka) е коефициентът на натоварване, (Kb) е коефициентът на размер, (Kc) е температурният коефициент, (Kd) е коефициентът на качество на повърхността и (Ke) е коефициентът на надеждност.
Математически израз за SN кривата:
(\sigma^m N = C)
Където (∞) е напрежението, N е броят на циклите на напрежение, а m и C са материални константи.
Стъпки на изчисление
Определете материалните константи:
Определете стойностите на m и C чрез експерименти или като се обърнете към съответната литература.
Определяне на коефициента на концентрация на напрежение: Вземете предвид действителната форма и размер на детайла, както и концентрацията на напрежение, причинена от филета, шпонкови канали и др., за да определите коефициента на концентрация на напрежение K. Изчисляване на якостта на умора: Според SN кривата и коефициента на концентрация на напрежение, комбинирани с проектния живот и нивото на работно напрежение на детайла, изчислете якостта на умора.
2. Пластичност:
Пластичността се отнася до свойството на материала, че когато е подложен на външна сила, произвежда трайна деформация без счупване, когато външната сила надвиши границата му на еластичност. Тази деформация е необратима и материалът няма да се върне в първоначалната си форма, дори ако външната сила бъде премахната.
Индекс на пластичност и формула за неговото изчисление
Удължение (δ)
Определение: Удължението е процентът от общата деформация на калиброваното сечение, след като образецът е разрушен на опън до първоначалната калибрована дължина.
Формула: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Където L0 е първоначалната калибрована дължина на образеца;
L1 е измерната дължина след счупване на образеца.
Сегментно намаляване (Ψ)
Определение: Сегментното намаление е процентът на максималното намаление на площта на напречното сечение в точката на свиване, след като образецът се счупи до първоначалната площ на напречното сечение.
Формула: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Където F0 е първоначалната площ на напречното сечение на образеца;
F1 е площта на напречното сечение в точката на сгъване след счупване на образеца.
3. Твърдост
Твърдостта на метала е показател за механично свойство, който измерва твърдостта на металните материали. Той показва способността им да устояват на деформация в локалния обем на металната повърхност.
Класификация и представяне на твърдостта на метала
Твърдостта на метала има различни методи за класификация и представяне според различните методи за изпитване. Основно включват следното:
Твърдост по Бринел (HB):
Обхват на приложение: Обикновено се използва, когато материалът е по-мек, като например цветни метали, стомана преди термична обработка или след отгряване.
Принцип на изпитването: С определен размер на изпитвателното натоварване, закалена стоманена топка или карбидна топка с определен диаметър се притиска към повърхността на изпитвания метал, след което натоварването се разтоварва след определено време и се измерва диаметърът на вдлъбнатината върху изпитваната повърхност.
Формула за изчисление: Стойността на твърдостта по Бринел е частното, получено чрез разделяне на натоварването на сферичната повърхност на вдлъбнатината.
Твърдост по Рокуел (HR):
Обхват на приложение: Обикновено се използва за материали с по-висока твърдост, като например твърдост след термична обработка.
Принцип на изпитване: Подобен на твърдостта по Бринел, но с използване на различни сонди (диамант) и различни методи на изчисление.
Видове: В зависимост от приложението, има HRC (за материали с висока твърдост), HRA, HRB и други видове.
Твърдост по Викерс (HV):
Обхват на приложение: Подходящ за микроскопски анализ.
Принцип на изпитването: Притиснете повърхността на материала с товар по-малък от 120 кг и използвайте диамантен квадратен конусен индентор с ъгъл на върха 136°, след което разделете площта на вдлъбнатината на материала на стойността на натоварването, за да получите стойността на твърдостта по Викерс.
Твърдост по Лийб (HL):
Характеристики: Преносим тестер за твърдост, лесен за измерване.
Принцип на изпитването: Използвайте отскока, генериран от ударната топка след удар върху твърдата повърхност, и изчислете твърдостта чрез съотношението на скоростта на отскок на перфоратора на 1 мм от повърхността на пробата към скоростта на удара.
Време на публикуване: 25 септември 2024 г.
