Механические свойства: Механические свойства стали и алюминиевых сплавов. Прочность и деформативность

Содержание

Механические свойства стали и алюминиевых сплавов. Прочность и деформативность

Свойства и качество сталей оценивают рядом технических ха­рактеристик, основными из которых являются механические свой­ства и химический состав, регламентируемые соответствующими ГОСТами и ТУ.

К основным показателям механических свойств относят: проч­ность, упругость и пластичность, склонность к хрупкому разрушению.

Прочность — сопротивляемость внешним силовым воздей­ствиям.

Упругость —свойство восстанавливать первоначальное состо­яние после снятия нагрузки.

Пластичность — свойство получать остаточные деформации после снятия нагрузки.

Хрупкость — разрушение материала при малых деформациях в пределах упругой работы.

Прочность, упругость и пластичность стали определяют испы­танием на растяжение специальных образцов. Полученная при этом диаграмма показывает зависимость между напряжениями и дефор­мацией.

Важнейшими показателями механических свойств стали явля­ются предел текучести — (Ry), временное сопротивление (предел прочности — R

u) и относительное удлинение (ε). Предел текучести и временное сопротивление характеризуют прочность стали, отно­сительное удлинение — пластические свойства стали.

1 — чистый алюминий; 2 — АМгб; 3 — ABT1; 4 — Д16Т; 5 — сталь марки ВСтЗ

До достижения стандартным образцом из малоуглеродистой стали напряжений, равных пределу текучести, материал работает практи­чески упруго. Затем в нем развиваются большие деформации при постоянном напряжении. В результате образуется площадка текуче­сти (горизонтальный участок диаграммы на рисунке выше). Когда относи­тельное удлинение достигает 2,5%, текучесть материала прекраща­ется, и он снова может оказывать сопротивление деформациям. Эту стадию работы стали называют cmadueit самоупрочнения, в ней ма­териал работает как упругопластический. У других сталей переход в пластическую стадию происходит постепенно (нет площадки теку­чести). Пределом текучести для них считают напряжение, при кото­ром остаточная деформация достигает 0,2%, т. е. σ

у = σ0,2.

Предельную сопротивляемость материала, характеризующую его прочность, определяют наибольшим условным напряжением в процессе разрушения (отношение разрушающей нагрузки к перво­начальной площади сечения образца). Это напряжение называют временным сопротивлением (пределом прочности).

Наибольшее напряжение в материале, при котором начинается отклонение от прямолинейной зависимости между напряжениями и деформациями, называют пределам пропорциональности σеt.

Склонность стали к переходу в хрупкое состояние, ее чувстви­тельность к различным повреждениям определяют испытаниями на ударную вязкость.

Механические характеристики стали зависят от температуры, при которой они работают. При нагревании стали до t = 250 °С свой­ства ее меняются слабо, однако при дальнейшем повышении тем­пературы сталь становится хрупкой. Отрицательные температуры повышают хрупкость стали, что особенно важно учитывать при стро­ительстве в районах Крайнего Севера. Малоуглеродистые стали ста­новятся хрупкими при температурах ниже минус 45 °С, низколеги­рованные — при температурах ниже минус 60 °С.

Химический состав стали. Такой состав характеризуется про­центным содержанием в ней различных добавок и примесей. Угле­род повышает предел текучести и прочности стали, однако снижа­ет пластичность и свариваемость. В связи с этим в строительстве применяют только малоуглеродистые стали. Специальное введение в сталь различных примесей (легирующих добавок) улучшает не­которые свойства стали.

Кремний (обозначается буквой С) раскисляет сталь, поэтому его количество возрастает от кипящей к спокойной стали. Он увеличивает прочность стали, однако несколько ухудшает свариваемость, стойкость против коррозии и значительно снижает ударную вязкость. Вредное влияние кремния компенсируется повышенным содержанием марган­ца. Марганец (Г) — увеличивает прочность стали, незначительно снижая ее пластичность. Медь (Д) — несколько повышает прочность ста­ли и увеличивает стойкость ее против коррозии, но способствует старению стали. Алюминий (Ю) —хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Значительно повышает механические свойства введение в сталь таких легирующих добавок, как никель (Н), хром (X), ванадий (Ф), вольфрам (В) и др. Однако применение этих добавок в сталях, используемых в инженер­ных конструкциях, ограничивается их дефицитностью и высокой стоимостью.

Некоторые примеси являются вредными для сталей. Так, фос­фор резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, де­лает ее хрупкой при низких температурах. Сера несколько снижает прочность стали и, главное, способствует образованию трещин при сварке. Кислород, водород и азот, попадая в расплавленный металл из воздуха, ухудшают структуру стали, увеличивая ее хрупкость.

В зависимости от механических свойств (σu, σу), все стали ус­ловно делят на три группы — обычной, повышенной и высокой прочности. Для сталей обычной прочности используют малоугле­родистые стали, для сталей повышенной и высокой прочности — низколегированные и среднелегированные.

В зависимости от предъявляемых требований по испытаниям на ударную вязкость, малоуглеродистая сталь разделена на шесть категорий, для каждой из которых нормируются химический состав, значения временного сопротивления, относительного удлинения и требования к испытанию на холодный загиб.

Для гидротехнических сооружений, мостов и других особо от­ветственных конструкций предназначены малоуглеродистые стали марки М16С и марки 16Д.

Стали повышенной и высокой прочности (низколегированные и среднелегированные) поставляются по ГОСТам и специальным техническим условиям. Наименование марок легированных сталей в определенной мере отражает их химический состав. Первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие далее буквы русского алфавита обозначают легирующие добавки. Цифра после буквы показывает содержание добавки в процентах с округлением до целых значений. Если коли­чество легирующих добавок 0,3-1%, то цифра не ставится. Содер­жание добавки менее 0,3% не отмечается. Все стали повышенной и высокой прочности поставляются с гарантией механических свойств и химического состава. В зависимости от нормируемых свойств согласно ГОСТу стали подразделяются на 15 категорий.

Примеры обозначения: сталь 14Г2 имеет среднее содержание угле­рода 0,14%, марганца (Г) до 2%; сталь 15ХСНД— углерода 0,15%, хрома (X), кремния (С), никеля (Н) и меди (Д) 0,3-1% каждого.

В целях экономии металла прокат из углеродистой стали марок СтЗ, СтЗГСпс и низколегированной стали марок 09Г2,09Г2С и 14Г2 поставляют по 2 группам прочности (например, ВСтЗсп5-1 и ВСтЗсп5-2). Отличаются такие стали различным браковочным уров­нем предела текучести и временного сопротивления, и в связи с этим расчетными сопротивлениями. Более высокие расчетные характе­ристики имеют стали, отнесенные ко второй группе прочности.

Выбор марки стали определяет надежность и стоимость конст­рукции, удобство изготовления, длительность нормальной ее эксп­луатации, количество, объем и стоимость работ по содержанию кон­струкции, в том числе и по защите от коррозии.

Марку стали, если по условиям эксплуатации конструкций не выдвигается специальных требований, выбирают на основании ва­риантного проектирования и технико-экономического анализа.

Прочность материала характеризуется небольшим напряжени­ем, при достижении которого начинается процесс разрушения об­разца. Это напряжение называют временным сопротивлением или пределом прочности.

При увеличении прочности стали заметно уменьшается площад­ка текучести, а для некоторых сталей характерно полное ее отсут­ствие. Это свойство снижает надежность стали, увеличивая ее склон­ность к хрупкому разрушению.

Для растяжения, сжатия и изгиба при работе в упругой стадии расчетные сопротивления Ry, определяют по нормативному значе­нию по формуле:

Ry=Rynm

где Ryn — нормативное значение, МПа; γm — коэффициент надеж­ности по материалу (1,025-1,15).

Физико-механические свойства

Предел прочности при растяжении (вдоль направления армирования), МПа, не менее 320 ASTM D638 — 10
Предел прочности при растяжении (поперек направления армирования), МПа, не менее 50 ASTM D638 — 10
Модуль упругости при растяжении (вдоль направления армирования), ГПа, не менее 23 ASTM D638 — 10
Модуль упругости при растяжении (поперек направления армирования), ГПа, не менее 8,5 ASTM D638 — 10
Предел прочности при сжатии (вдоль направления армирования), МПа, не менее 270 ASTM D695 — 10
Предел прочности при сжатии (поперек направления армирования), МПа, не менее 150 ASTM D695 — 10
Коэффициент Пуассона (вдоль направления армирования) 0,23 ASTM D638 — 10
Предел прочности при изгибе (вдоль направления армирования), МПа, не менее 300 ASTM D790 — 10
Предел прочности при изгибе (поперек направления армирования), МПа, не менее 75 ASTM D790 — 10
Модуль упругости при изгибе (вдоль направления армирования), ГПа, не менее 12 ASTM D790 — 10
Модуль упругости при изгибе (поперек направления армирования), ГПа, не менее 5,5 ASTM D790 — 10
Плотность (г/см3) 1,8-2,0 _______
Коэффициент линейного расширения *10оС 5-14 ГОСТ 15173-70
Коэффициент теплопроводности, Вт/м2 0,25-0,4 ГОСТ 23630.
2-79
Диэлектрическая проницаемость при частоте 106 Гц, не более 4,5 ГОСТ 22372-77
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом см, не менее 1013 IEC 60093
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом, не менее 1011 IEC 60093
Дугостойкость, сек., не менее 120 ASTM D495-61
Теплостойкость HDT-A, К(Со), не менее 473 (200) ISO 75
Водопоглощение при температуре 23±2 ºС за 24±1 часа, % не более 0,6 ГОСТ 4650-80

Введение в материаловедение. Механические свойства материалов

Введение в материаловедение. Механические свойства материалов

Авторы программы: д. т. н., Гнесин Б.А. и к. т. н., Гнесин И. Б.

Цель дисциплины: сформировать у студента представления о закономерностях формирования связей состав – структура – механические свойства для материалов на основе металлов и керамических материалов, обучить методам количественной оценки механических свойств материалов, важным для их использования в различных условиях.
Задачи: развитие у студентов навыков самостоятельной оценки тех или иных материалов с точки зрения их пригодности для использования в практической и экспериментальной деятельности, знакомство студентов с количественными методиками оценки механических свойств материалов в различных условиях, усвоение студентами основных определений, терминологии и закономерностей, изложенных в рамках данного курса.

Краткое содержание дисциплины:

1

Механические свойства пластичных и хрупких материалов. Влияние химического и фазового состава, технологии получения и условий эксплуатации в уровне реализуемых свойств. Основные классы материалов, рассматриваемые в курсе: металлы и их сплавы, керметы на основе карбидов тугоплавких металлов и оксидная керамика.

2

Механические испытания на растяжение, изгиб и сжатие. Оценка трещиностойкости. Статистическая  обработка результатов. Возможности изменения уровня механических свойств материалов с помощью управления их составом и структурой, роль технологии.

3

Измерения твердости по Виккерсу, Бринеллю, Роквеллу и микротвердости. Связь микротвердости и износостойкости.

4

Влияние параметров структуры и фазового состава материалов на их механические свойства. Механизмы пластической деформации и упрочнения монокристаллов и поликристаллов. Роль фазового состава, наличия дисперсных частиц, твердорастворного упрочнения.

5

Параметры состава и структуры поликристаллических материалов, влияние на механические свойства размеров зерна, кристаллографической и металлографической текстуры.

6

Высокотемпературная пластическая деформация металлов. Особенности деформации при пониженных температурах. Усталость металлов.

7

Порошковый и литейные варианты технологии получения материалов. Некоторые способы выращивания монокристаллов.

8

Сплавы системы железо-углерод. Термообработка углеродистых сталей и чугунов.

9

Легированные стали: нержавеющие и инструментальные, их термообработка.

10

Сплавы на основе меди, их термическая обработка. Сплавы на основе никеля для применения при высоких температурах, их термическая обработка.

11

Сплавы на основе алюминия их термическая обработка. Сплавы на основе титана и циркония.

12

Сплавы на основе тугоплавких металлов.

13

Керметы и твердые сплавы. Минералокерамика.

14

Оксидные керамики на основе SiO2, Al2O3. ZrO2 и огнеупорные материалы на их основе.

Общая трудоемкость дисциплины: 2 зачетные единицы.

Форма промежуточной аттестации: зачет с оценкой.

Механические свойства металлов — ГП Стальмаш

Справочная информация

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся:
1. ПРОЧНОСТЬ
Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.
2. ТВЕРДОСТЬ
Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела. Если ударить молотком по кернеру, поставленному на стальную пластинку, образуется небольшая лунка. Если то же самое сделать с пластинкой из меди, лунка будет больше. Это свидетельствует о том, что сталь тверже меди.
3. УПРУГОСТЬ
Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Высокой упругостью должна обладать, например, рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов. Попробуйте одновременно растянуть и отпустить пружины из стальной и медной проволоки. Вы увидите, что первая вновь сожмется, а вторая останется в том же положении. Значит, сталь более упругий материал, чем медь.
4. ПЛАСТИЧНОСТЬ
Пластичность — способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.
5. ВЯЗКОСТЬ
Вязкость — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Например, если наносить удары по чугунной плите, она разрушится. Чугун — хрупкий металл. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).


Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.

 

 

www. ооостальмаш.рф

Не удается найти страницу | Autodesk Knowledge Network

(* {{l10n_strings.REQUIRED_FIELD}})

{{l10n_strings.CREATE_NEW_COLLECTION}}*

{{l10n_strings.ADD_COLLECTION_DESCRIPTION}}

{{l10n_strings.COLLECTION_DESCRIPTION}} {{addToCollection.description.length}}/500 {{l10n_strings.TAGS}} {{$item}} {{l10n_strings.PRODUCTS}} {{l10n_strings.DRAG_TEXT}}  

{{l10n_strings.DRAG_TEXT_HELP}}

{{l10n_strings. LANGUAGE}} {{$select.selected.display}}

{{article.content_lang.display}}

{{l10n_strings.AUTHOR}}  

{{l10n_strings.AUTHOR_TOOLTIP_TEXT}}

{{$select.selected.display}} {{l10n_strings.CREATE_AND_ADD_TO_COLLECTION_MODAL_BUTTON}} {{l10n_strings.CREATE_A_COLLECTION_ERROR}}

Механические свойства металлов и способы их определения


Механические свойства металлов и способы их определения

Категория:

Технология металлов



Механические свойства металлов и способы их определения

Большинство деталей машин находится в эксплуатации под воздействием внешних сил. При этом характер внешних сил может быть самым разнообразным. Иногда внешняя сила действует постоянно в течение длительного времени или статически. Могут быть другие условия работы, когда внешняя сила действует непродолжительное время и действие имеет ударный характер. В этом случае нагрузка имеет динамический характер. Наконец возможны случаи длительного воздействия многократно повторяющейся силы. Усилие носит пульсирующий, повторно-переменный, или, как называют иначе, циклический характер. Детали или конструкции в этом случае работают, как говорят, на выносливость (или усталость),

Для того чтобы решить, какой материал может быть использован для изготовления той или иной детали или конструкции, необходимо знать механические свойства этого материала.

Механическими свойствами материала называется совокупность свойств, характеризующих способность материала сопротивляться воздействию внешних усилий. Способность сопротивляться у всех материалов зависит, во-первых, от того, каким образом прикладывается усилие (статически, динамически или циклически), во-вторых, от того, какой характер имеет внешнее усилие — растягивающее, сжимающее, крутящее, изгибающее и т. п.

Статические испытания на растяжение. Испытание на растяжение производится путем растяжения специально приготовленного для этой цели образца на испытательной машине.

Механические свойства материала, определяемые при этих испытаниях, объединяют в две группы:
— прочностные свойства (предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности) и пластические свойства (относительное удлинение, относительное сужение).

При этом под прочностью понимают способ-кость металла сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок.

Под пластичностью — способность под действием нагрузок принимать новую форму не разрушаясь.

Стандартным образцом для испытания на растяжение является образец, показанный на рис. 20, а.

Диаметр стандартного образца выбирается в зависимости от мощности машины и предполагаемой прочности материала. Расчетная длина цилиндрической части определяется соотношением l0= \Od0, где d0 — его начальный диаметр. Все остальные размеры образца определяются конструкцией захватных устройств испытательной машины.

При испытании листового материала применяется образец, показанный на рис. 20, б. Толщина образца определяется толщиной листового материала, ширина — мощностью машины и предполагаемой прочностью материалу.

Расчетная длина образца устанавливается из соотношения 10 — 11,3 VFa, где F0 — начальная площадь его поперечного сечения.

Определение механических свойств производят обычно по диаграмме деформации, записываемой самой испытательной машиной.

Диаграмма деформации показывает зависимость изменения длины образца при постепенном возрастании величины прилагаемого усилия.

В первый момент испытания длина образца увеличивается пропорционально нагрузке — чем больше растягивающее усилие, тем больше увеличение длины.

При этом образец деформируется упруго, т. е. при устранении нагрузки образец примет свою первоначальную длину. Такая деформация носит название упругой деформации.

При достижении нагрузки Ps в металле возникает заметная пластическая деформация — сдвиги слоев металла относительно друг друга, и при устранении нагрузки образец не принимает своей первоначальной длины.

Рис. 1. Эскизы стандартных образцов для испытания на растяжение:
а — цилиндрического; б — плоского

Нагрузка, отвечающая этому моменту Ps, называется нагрузкой предела текучести.

Отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения называют пределом текучести.

Рис. 2. Диаграмма деформации при испытании металлов на растяжение

Как видно из формулы, предел текучести измеряется в кг/мм2.

Величины, выраженные в таких единицах, называют напряжением.

Таким образом, пределом текучести называют напряжение, при котором начинает развиваться заметная пластическая деформация.

При дальнейшем увеличении нагрузки за пределом текучести прямолинейной зависимости между нагрузкой и длиной образца уже нет. Наконец наступает такой момент, когда нагрузка начинает падать, а в образце намечается образование сужения поперечного сечения (образование шейки).

Таким образом, пределом прочности называют максимальное напряжение, выдержанное образцом.

Дальнейшее растяжение образца сопровождается образованием все более сужающейся шейки и падением нагрузки. Вслед за этим наступает разрушение образца.

Пределы прочности и текучести характеризуют прочность материала.

Другой, не менее важной характеристикой является пластичность.

Рис. 3. Изменение образца в результате растяжения:
а — образец до испытания; б — образец после испытания

При испытании на растяжение пластичность определяют двумя величинами: относительным удлинением и относительным сужением.

Для того чтобы понять, как эти величины определяются, следует образец до испытания сопоставить с разрушенным образцом, как это сделано на рис. 22. После разрушения образец оказался длиннее, но он сузился, особенно в месте образования шейки.

Испытательные машины, применяемые для определения механических свойств металлов при растяжении, очень разнообразны как по способу создания растягивающего усилия, так и по способу определения этого усилия и деформаций образца.

Испытательные машины снабжены специальным нагружающим механизмом для создания усилий. Эти механизмы бывают механического и гидравлического действия.

Для определения этих усилий и деформаций образца при растяжении машины снабжаются силоизме-рительными устройствами разных типов. Эти устройства в большинстве случаев имеют диаграммный аппарат, позволяющий автоматически записывать диаграмму деформации. По этой диаграмме и определяются прочностные и пластические свойства металла. На рис. 23 показан общий вид разрывной 4-тонной машины. Образец зажимается в захваты машины. Нижний захват опускается с помощью механического привода, смонтированного в нижней части машины.

Верхний захват связан с маятником, который, отклоняясь на определенный угол, уравнобешивает силу, тянущую образец вниз. Угол отклонения маятника соответствует нагрузке, прикладываемой к образцу. Эта нагрузка, а также растяжение образца отмечаются на диаграммном аппарате в виде диаграммы деформации, показанной на рис. 2.

Методы определения твердости. Твердость — это способность металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.

Рис. 4. Испытательная 4-тонная машина ИМ-4р

Твердость является весьма важной характеристикой, так как тесно связана с такими основными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износостойкость и др.

В настоящее время имеется много способов определения твердости металлов. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в промышленности.

Определение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля). Стальной шарик, изготовленный из закаленной шарикоподшипниковой стали, под действием усилия вдавливается в поверхность металла.

С помощью специальной лупы измеряется диаметр лунки. По таблицам, приложенным к прибору, определяется значение твердости Не.

Для испытания применяют специальный пресс типа Бринелля, внешний вид которого показан на рис. 5.

Стальной шарик крепится в оправке. Исследуемый образец ставится на предметный столик и поднимается к шарику штурвалом. При включения мотора грузы пресса опускаются и вдавливают стальной шарик в образец.

Рис. 5. Пресс типа Бринелля

Определение твердости по глубине вдавливания.алмазного конуса (метод Роквелла). Алмазный конус с углом при вершине 120° вдавливается в металл предварительной постоянной нагрузкой 10 кг, а затем полной нагрузкой 60 или 150 кг. Для испытания используют специальный пресс, внешний вид которого показан на рис. 6.

Алмазный конус крепится в оправке. Образец устанавливается на столик и поднимается с помощью штурвала до нагрузки 10 кг. Ручка освобождает грузы, которые создают уси-лиедля вдавливания конуса в металл. Глубину вдавливания, т. е. значение твердости, отмечает индикатор.

Значения твердости этим методом определяются по разности глубины вдавливания алмазного конуса под действием полной и предварительной нагрузок. Чем тверже металл, тем на меньшую глубину проникает алмаз при вдавливании, тем больше будет число твердости.

Стандартной нагрузкой при этом методе является 150 кг. Обозначается твердость Hrc. В некоторых случаях, например при измерении твердости на тонком образце или при измерении твердости поверхностного слоя металла, нагрузку применяют до 60 кг.

На этом же приборе можно производить измерение твердости мягких материалов (цветные металлы, отожженная сталь).

Рис. 6. Прибор типа Роквелла

Рис. 7. Прибор для определения твердости ударным вдавливанием шарика

Определение твердости динамическим вдавливанием шарика. При изменении твердости массивных деталей и конструкций, когда нельзя использовать описанные выше приборы, применяют переносный прибор, показанный на рис. 7.

В прибор закладывают эталонный образец. При ударе по прибору молотком специальный шарик 2 наносит отпечатки на исследуемый предмет и эталонный образец, твердость которого известна.

Сопоставляя значения диаметров лунок образца и детали по таблицам, определяют твердость детали.

Определение твердости методом упругой отдачи. В тех случаях, когда нельзя применять методы вдавливания, чтобы не испортить поверхности изделия, используется прибор,.определяющий твердость методом упругой отдачи.

На рис. 8 показан внешний вид прибора. С постоянной высоты на металл падает определенного веса боек и отскакивает. По величине отскока судят о твердости. Чем больше твердость, тем больше отскок бойка.

Производительность этого метода испытаний очень велика (несколько сот измерений в час). Однако применять его можно только для сравнения между собой твердости изделий из одного и того же металла или из металлов, имеющих одинаковые упругие свойства.

Испытание на удар. Весьма распространенным видом механических испытаний является испытание на удар.

С помощью таких испытаний можно выявить склонность к хрупкости, появляющейся в некоторых материалах при низких температурах («хладноломкость»), а также к тепловой хрупкости, возникающей в процессе работы при повышенных температурах, проконтролировать качество обработки металла и т. д.

Испытание чаше всего производится на маятниковых копрах; внешний вид одного из них показан на рис. 9. Копер представляет собой тяжелый маятник, подвешенный на легкой штанге. Перед испытанием маятник поднимается на определенную высоту, что сообщает ему определенный запас энергии. При падении маятник ударяется об образец, разрушает его и по инерции проходит вперед, поднимаясь уже на меньшую высоту. Работа, затраченная на деформирование образца Адеф, пропорциональна разности высот и определяется с помощью отсчетного приспособления, установленного на станине копра.

Рис. 8. Прибор для определения твердости способом упругой отдачи

Образец для этого вида испытания представляет собой призматический брусок размером 10X10X55 с прорезью посередине.

При этом испытании устанавливается величина ударной вязкост и, которая определяется отношением работы, затраченной на деформацию образца, к площади поперечного сечения образца в надрезе.

Технологические пробы.

Технологическими пробами называют испытания материала с целью выявления пригодности его к тому или иному виду обработки.

Технологические пробы весьма разнообразны. Они служат лишь для качественной или сравнительной оценки металла.

Обычно проведение технологической пробы оговаривается техническими условиями. Как правило, размеры образцов и-условия испытания должны быть строго одинаковыми, лишь в этом случае результаты могут сравниваться.

В качестве показателей пригодности металла для каждого вида пробы выбираются свои характеристики. Такими характеристиками могут служить угол загиба, степень обжатия, число перегибов проволоки до возникновения первых признаков разрушения, степень высадки и т. д.

Рис. 9. Копер, для определения механических свойств при ударе

Рис. 10. Технологическая проба на загиб

Рис. 11. Технологическая проба еварных швов

Рис. 12. Проба на осадку в холодном состоянии

Рис. 13. Проба на загиб трубы

Рис. 14. Проба на перегиб проволоки

В качестве примеров приведем следующие технологические пробы:
1. Проба на загиб в холодном и нагретом состоянии. Схематически она показана на рис. 10. Загиб может производиться до определенного угла, либо до параллельности сторон, либо до соприкосновения сторон. Металл, выдерживающий пробу, не должен иметь трещин. Такая проба определяет способность металла принимать заданный по размерам и форме загиб.
2. Испытание на загиб сварных швов определяет качество сварного шва. Испытание производят до появления первых трещин. Угол загиба а характеризует качество сварки. Чем больше угол, тем сварка более качественная.
3. Проба на осадку в холодном состоянии позволяет определять способность металла к заданной по размерам и форме деформации сжатия. Образец считается выдержавшим пробу, если при осадке до заданной высоты h в нем не появились трещины или изломы.
4. Проба на загиб трубы в холодном и горячем состоянии выявляет способность металла трубы принимать заданный по размерам и форме загиб. Испытание состоит в загибе заполненного сухим песком или канифолью отрезка трубы на 90° вокруг оправки. После загиба труба не должна иметь трещин, волосовин, надрывов, расслоений.
5. Проба на перегиб проволоки производится с целью выявления способности проволоки выдерживать повторный загиб. Число перегибов до разрушения свидетельствует о способности металла выдерживать многократные перегибы.
6. Проба на навивание проволоки.


Реклама:

Читать далее:
Железоуглеродистые сплавы

Статьи по теме:

Влияние высокотемпературного нагрева на механические свойства и структуру металла ЗТВ сталей S355J2 и S460M

ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ

10

3(115) 2017 СВАРЩИК  www. welder.stc-paton.com

ные зависимости изменения структуры и падения

твердости с HV0,1 = 2900 до 2100 МПа. Эти осо‑

бенности поведения структуры и объясняют пове‑

дение механических свойств, но для объяснения

поведения ударной вязкости необходимы допол‑

нительные исследования с использованием рент‑

геноструктурного, нейтронного и текстурного ана‑

лизов.

Благодаря различию в легировании ванадием,

серой и титаном у стали S355J2, при нагреве до тем‑

пературы 950 °C и выдержке один час, структура ос‑

новного металла почти не рекристаллизуется. Поэ‑

тому значение твердости остается неизменным —

HV0,1 = 1850–1800 МПа. Принимая во внимание

данные, приведенные на рис. 1, 2, можно сделать

вывод, что ванадий, сера и титан выступают как

стабилизаторы (т. е. данная структура более тер‑

мостабильна чем у стали S460М). Но в условиях,

когда металл сначала испытывает термическое вли‑

яние при сварке, а затем при термическом нагреве

до температуры 950 °C, закономерности по измене‑

нию механических свойств и ударной вязкости ме‑

талла ЗТВ сталей S355J2 и S460М становятся по‑

хожими, что подтверждается структурными изме‑

нениями. После выдержки один час при 950 °C на‑

блюдаются рекристаллизационные процессы и па‑

дение показателей твердости ЗТВ от HV0,1 = 2000

МПа до HV0,1 = 1750 МПа.

На основании изложенного выше можно сде‑

лать следующие выводы:

Исследования влияния высокотемпературного

изотермического нагрева на механические свой‑

ства листового проката и металла ЗТВ микроле‑

гированных сталей S355J2 и S460M показали, что

механические свойства данных сталей стабильны

вплоть до температур нагрева 600 °C. Изменения

их свойств происходят при дальнейшем увеличе‑

нии температуры изотермического нагрева. Стали,

прошедшие испытания, имеют близкий химиче‑

ский состав по основным элементам, однако отли‑

чаются содержанием микролегирующих элемен‑

тов и состоянием поставки. Такие отличия и объ‑

ясняют изменение механических свойств этих

сталей. Высокие механические свойства у стали

S355J2 достигаются за счет микролегирования,

которое приводит к дисперсионному упрочне‑

нию и стабилизации аустенита выше критиче‑

ской точки. Прочность стали S460M достигается

за счет формирования мелкодисперсной структу‑

ры путем контролируемой прокатки. При после‑

дующем термическом воздействии выше темпе‑

ратур 600 °C в ней интенсивно протекают рекри‑

сталлизационные процессы, что приводит к росту

размера зерна и понижению прочностных харак‑

теристик. Закономерности изменения механиче‑

ских свойств металла ЗТВ сталей S355J2 и S460M

при изотермическом нагреве похожи. Достигну‑

тые значения прочностных и пластических харак‑

теристик находятся на уровне основного металла.

Исключение составляет ударная вязкость стали

S460M, значения которой для металла ЗТВ и

основного металла опускаются ниже допустимых

34 Дж/см2.

Литература

1. Ufuah E. Elevated Temperature Mechanical

Properties of Butt‑Welded Connections Made with

High Strength Steel Grades S355 and S460M. /

E. Ufuah // Design, Fabrication and Economy of Metal

Structures International Conference Proceedings,

Miskolc, Hungary, April 24–26. — 2013. — Р. 407–412.

2. A. Nazarov, E. Yakushev, I. Shabalov,

Yu. Morozov, T. Kireeva. Comparison of weldability of

high‑strength pipe steels microalloyed with niobium,

niobium and vanadium. // Metallurgist. — 2014. —

Vol.7. — N9–10. — Р. 911–917.

3. S. Ragu Nathan, V. Balasubramanian,

S. Malarvizhi, A. G. Rao. Effect of welding processes on

mechanical and microstructural characteristics of high

strength low alloy naval grade steel joints // Defence

Technology. — 2015. — V.11. — P. 308–317.

4. Show BK, Veerababu R, Balamuralikrishnan

R, Malakondaiah G. Effect of vanadium and titanium

modification on the microstructure and mechanical

properties of microalloyed HSLA steel. MaterSciEngA

2010;527:1595–1604.

5. Позняков В. Д., Жданов С. Л., Максимен‑

ко А. А. Структура и свойства сварных соединений

стали С390 (S355 J2) // Автомат. сварка. — 2012. —

№ 8. — C.7–11.

6. Позняков В. Д., Жданов С. Л., Завдовеев А. В.,

Максименко А. А., Соломийчук Т. Г. Сваривае‑

мость высокопрочной микролегированной стали

S460M. // Автомат. сварка. — 2016. — № 10. —

C.7–11.

7. Воробьева Г. А., Складнова Е. Е., Ерофе‑

ев В. К., Устинова А. А. Конструкционные стали

и сплавы. СПб.: Политехника, 2013. — 440 с.

8. Гуляев А. П. Термическая обработка стали,

2 изд., М., 1960.

9. Меськин В. С. Основы легирования стали,

М, 1959.

10. Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска

стали, М, 1960.

11. B. de MEESTE The Weldability of Modern

Structural TMCP Steels // ISIJ International, Vol. 37

(1997), No. 6, pp. 537–551.

12. Завдовеев А. В. Старіння низьковуглеце‑

вої сталі отриманої теплою гвинтовою екструзією

// «Нові матеріали і технології в металургії та ма‑

шинобудуванні». — 2015. — № 1. — С. 14–19.

Механические свойства материалов | Механический калькулятор

ПРИМЕЧАНИЕ. Эта страница использует JavaScript для форматирования уравнений для правильного отображения. Пожалуйста, включите JavaScript.


Механические свойства материала влияют на его поведение при нагрузке. Модуль упругости материала влияет на то, насколько он прогибается под нагрузкой, а прочность материала определяет напряжения, которые он может выдержать до разрушения. Пластичность материала также играет важную роль в определении того, когда материал сломается, когда он нагружен сверх своего предела упругости.Поскольку каждая механическая система подвергается нагрузкам во время работы, важно понимать, как ведут себя материалы, из которых состоят эти механические системы.

На этой странице описываются механические свойства материалов, которые имеют отношение к проектированию и анализу механических систем.

Содержимое

Стресс и деформация

Соотношение между напряжением и деформацией в материале определяется путем испытания образца материала на растяжение или сжатие. В этом испытании к испытательному образцу прикладывается постоянно возрастающая осевая сила, и по мере увеличения нагрузки измеряется прогиб. Эти значения можно изобразить в виде кривой нагрузки-прогиба. Прогиб образца для испытаний зависит как от модуля упругости материала, так и от геометрии образца (площадь и длина). Поскольку нас интересует поведение материала без учета геометрии, полезно обобщить данные, чтобы убрать влияние геометрии. Это делается путем преобразования значений нагрузки в значения напряжения и преобразования значений прогиба в значения деформации:

Стресс:
Штамм:

В уравнении для напряжения P — это нагрузка, а A 0 — первоначальная площадь поперечного сечения испытуемого образца.В уравнении деформации L — это текущая длина образца, а L 0 — исходная длина.

Кривая напряжения-деформации

Значения напряжения и деформации, определенные при испытании на растяжение, могут быть построены в виде кривой напряжения-деформации , как показано ниже:



На приведенной выше диаграмме есть несколько интересных моментов:

  • P: Это предел пропорциональности , который представляет собой максимальное значение напряжения, при котором кривая напряжения-деформации является линейной.
  • E: Это предел упругости , который представляет собой максимальное значение напряжения, при котором не происходит остаточная деформация. Несмотря на то, что кривая между пределом пропорциональности и пределом упругости нелинейна, материал все еще остается упругим в этой области, и если снять нагрузку в этой точке или ниже, образец вернется к своей первоначальной длине.
  • Y: Это предел текучести , который представляет собой значение напряжения, выше которого деформация начнет быстро увеличиваться.Напряжение в пределе текучести называется пределом текучести , S ty . Для материалов без четко определенного предела текучести он обычно определяется с использованием метода смещения 0,2% , в котором проводится линия, параллельная линейной части кривой, которая пересекает ось x при значении деформации 0,002. Точка, в которой линия пересекает кривую напряжения-деформации, обозначается как точка текучести.
  • U: Эта точка соответствует пределу прочности , S tu , что является максимальным значением напряжения на диаграмме напряжение-деформация. Предел прочности также называют пределом прочности при растяжении . После достижения предельного напряжения образцы из пластичных материалов будут демонстрировать сужение , при котором площадь поперечного сечения в локализованной области образца значительно уменьшается.
  • F: Это точка излома или точка излома , которая является точкой, в которой материал разрушается и разделяется на две части.

Кривые напряжения-деформации обычно необходимы при анализе инженерного компонента.Однако данные о напряжении-деформации не всегда могут быть легко доступны. В этом случае довольно просто аппроксимировать кривую напряжения-деформации материала с помощью уравнения Рамберга-Осгуда.

Истинное напряжение и напряжение

Инженеры обычно работают с инженерным напряжением , которое представляет собой силу, деленную на исходную площадь образца до нагрузки: σ = P/A 0 . Однако по мере загрузки материала площадь уменьшается. Истинное напряжение , , представляет собой значение напряжения в материале с учетом фактической площади образца.Поскольку площадь уменьшается по мере нагружения материала, истинное напряжение выше инженерного напряжения.

На рисунке ниже показана инженерная кривая напряжения-деформации по сравнению с истинной кривой напряжение-деформация. Поскольку инженерное напряжение рассчитывается как сила, деленная на исходную площадь (которая является постоянной), инженерная кривая напряжения-деформации имеет ту же форму, что и кривая нагрузка-прогиб. Кривая инженерного напряжения-деформации падает после достижения предела прочности, потому что сила, которую может выдержать материал, падает, когда он начинает сужаться.Однако значение напряжения на истинной кривой напряжение-деформация всегда увеличивается по мере увеличения деформации. Это связано с тем, что при расчете истинного напряжения используется мгновенное значение площади. Даже когда сила, поддерживаемая материалом, падает, уменьшение площади образца перевешивает уменьшение силы, и напряжение продолжает расти.


Следует отметить, что инженерное напряжение и истинное напряжение практически одинаковы в линейно-упругой области кривой напряжения-деформации.Поскольку инженеры обычно работают в этой линейно-упругой области (необычно проектировать конструкцию, которая предназначена для работы за пределами предела упругости), допустимо работать с инженерным напряжением, а не с истинным напряжением.

Инженерная деформация представляет собой изменение длины, деленное на исходную длину: ε = ΔL/L 0 . Вместо того, чтобы просто вычислять одно значение ΔL, учтите, что изменение длины делится на множество небольших приращений, ΔL j .Деформацию также рассчитывают с малыми приращениями: ε j = ΔL j /L j , где ΔL j — изменение длины при приращении, а L j — длина в начале приращение. Поскольку эти приращения становятся бесконечно малыми, сумма деформаций приближается к истинной деформации:

Если предположить, что объем постоянен на всем протяжении прогиба, то истинное напряжение и деформация могут быть рассчитаны как:

Истинное напряжение:
Истинная деформация:

где и — истинные напряжения и деформации, а σ и ε — инженерные напряжения и деформации.

Закон Гука

Ниже предела пропорциональности кривой напряжение-деформация зависимость между напряжением и деформацией является линейной. Наклон этой линейной части кривой напряжения-деформации представляет собой модуль упругости , E, также называемый модулем Юнга и модулем упругости . Закон Гука выражает связь между модулем упругости, напряжением и деформацией материала в линейной области:

σ = E ε

, где σ — значение напряжения, а ε — значение деформации.

Закон Гука в сдвиге

Закон Гука также имеет форму, касающуюся касательных напряжений и деформаций:

т = G γ

где τ — значение напряжения сдвига, γ — значение деформации сдвига, а G — модуль упругости при сдвиге. Модуль упругости и модуль сдвига связаны соотношением:

где ν — коэффициент Пуассона.

Дополнительную информацию о законе Гука можно найти здесь.

Коэффициент Пуассона

Когда к материалу прикладывается нагрузка, он удлиняется, а площадь поперечного сечения уменьшается. Это уменьшение площади поперечного сечения называется поперечной деформацией и связано с осевой деформацией коэффициентом Пуассона , ν. Для круглого образца это уменьшение площади реализуется как уменьшение диаметра, а коэффициент Пуассона рассчитывается как:

Коэффициент Пуассона применяется только в пределах упругой области кривой напряжения-деформации и обычно составляет около 0,3 для большинства металлов. Теоретический максимальный предел коэффициента Пуассона равен 0,5.



Деформационное упрочнение

После текучести материал начинает испытывать высокую скорость пластической деформации.Как только материал становится пластичным, он начинает деформационно твердеть, что увеличивает прочность материала. На приведенных ниже кривых напряжение-деформация видно, что прочность материала увеличивается между точкой текучести Y и пределом прочности в точке U. Это увеличение прочности является результатом деформационного упрочнения.

Пластичный материал на рисунке ниже все еще способен выдерживать нагрузку даже после достижения предельной прочности. Однако после достижения предела прочности в точке U увеличение прочности за счет деформационного упрочнения опережает снижение несущей способности из-за уменьшения площади поперечного сечения.Между пределом прочности в точке U и точкой разрушения F техническая прочность материала снижается и возникает образование шейки.

На приведенной ниже кривой напряжение-деформация для хрупкого материала показана очень небольшая область деформационного упрочнения между пределом текучести Y и пределом прочности U. Обратите внимание, однако, что хрупкий материал может на самом деле вообще не проявлять каких-либо свойств текучести или деформационного упрочнения. — в этом случае материал выйдет из строя на линейной части кривой.Это чаще встречается в таких материалах, как керамика или бетон.

Поскольку область деформационного упрочнения возникает между пределом текучести и пределом текучести, отношение предела прочности к пределу текучести иногда используется как мера степени деформационного упрочнения материала. Это соотношение представляет собой коэффициент деформационного упрочнения :

Коэффициент деформационного упрочнения = S tu / S ty

Согласно Доулингу, типичные значения коэффициента деформационного упрочнения металлов находятся в диапазоне примерно от 1.2 до 1,4.

Если материал нагружен сверх предела упругости, он будет подвергаться остаточной деформации. После разгрузки материала упругая деформация восстановится (вернется к нулю), но пластическая деформация останется.

На рисунке ниже показана кривая напряжение-деформация материала, который был нагружен выше предела текучести Y. При первом нагружении материала напряжение и деформация следовали кривой OY-Y’, а затем нагрузка была снята после того, как напряжение достигло точки Y’.Поскольку материал был нагружен сверх предела упругости, восстанавливается только упругая часть деформации — теперь в материале есть некоторая постоянная деформация. Если бы материал загружался снова, он следовал бы по линии O’-Y’-F, где O’-Y’ — предыдущая линия разгрузки. Точка Y’ является новой точкой текучести. Обратите внимание, что линия O’-Y’ является линейной с наклоном, равным модулю упругости, а точка Y’ имеет более высокое значение напряжения, чем точка Y. Следовательно, материал теперь имеет более высокий предел текучести, чем раньше, что является результатом деформационного упрочнения, которое произошло при нагрузке материала сверх предела упругости.

За счет деформационного упрочнения материала теперь он имеет большую область упругости и более высокий предел текучести, но его пластичность была снижена (деформация между точками Y’-F меньше, чем деформация между точками Y-F).

Упругая и пластическая деформация

Вплоть до предела упругости деформация материала также является упругой и будет восстанавливаться при снятии нагрузки, так что материал возвращается к своей первоначальной длине. Однако, если материал нагружен сверх предела упругости, в материале возникнет остаточная деформация, которую также называют пластической деформацией.

На рисунке выше в материале существуют как упругие, так и пластические деформации. Если снять нагрузку в указанной точке (σ, ε), напряжение и деформация в материале будут следовать линии разгрузки, как показано. Упругая деформация и пластическая деформация указаны на рисунке и рассчитываются как:

Упругая деформация: ε e = σ/E
Пластиковая деформация: ε p = ε − ε e

где σ — напряжение в указанной точке, ε — деформация в указанной точке, E — модуль упругости.

Пластичность

Пластичность является показателем того, какую пластическую деформацию материал может выдержать, прежде чем он сломается. Пластичный материал может выдерживать большие деформации даже после того, как он начал поддаваться. Общие меры пластичности включают -процентное удлинение и -процентное уменьшение площади , как обсуждалось в этом разделе.

После разрыва образца во время испытания на растяжение измеряется окончательная длина образца и рассчитывается пластическая деформация при разрушении, также известная как деформация при разрыве :

где L f — конечная длина образца после разрыва, а L o — начальная длина образца.Важно отметить, что после разрыва образца упругая деформация, которая существовала, пока образец находился под нагрузкой, восстанавливается, поэтому измеренная разница между конечной и начальной длинами дает пластическую деформацию при разрушении. Это показано на рисунке ниже:

На рисунке видно, что пластическая деформация при разрушении ε f представляет собой деформацию, оставшуюся в материале после восстановления упругой деформации. Предельная деформация, ε u , является полной деформацией при разрушении (пластическая деформация плюс упругая деформация).

Удлинение процентов рассчитывается по пластической деформации при разрушении по формуле:

Процентное удлинение является обычно предоставляемым свойством материала, поэтому пластическая деформация при разрушении обычно рассчитывается на основе процентного удлинения:

ε f = eL / 100%

Предельная деформация учитывает как пластическую, так и упругую деформацию при разрушении:

ε u = ε f + С ту

Другим важным свойством материала, которое можно измерить во время испытания на растяжение, является уменьшение площади , которое рассчитывается по формуле:

Помните, что процентное удлинение и уменьшение площади составляют пластиковых компонентов осевой деформации и поперечной деформации соответственно.



Пластичные и хрупкие материалы

Пластичный материал может выдерживать большие деформации даже после того, как он начал поддаваться, тогда как хрупкий материал может выдерживать небольшую пластическую деформацию или вообще не выдерживать ее. На рисунке ниже показаны репрезентативные кривые напряжения-деформации для пластичного материала и хрупкого материала.

На рисунке выше видно, что пластичный материал значительно деформируется перед точкой разрушения F.Существует длинная область между пределом текучести в точке Y и пределом прочности в точке U, где материал деформационно упрочняется. Существует также длинная область между пределом прочности в точке U и точкой разрушения F, в которой площадь поперечного сечения материала быстро уменьшается и происходит образование шейки.

Можно видеть, что хрупкий материал на рисунке выше разрушается вскоре после достижения предела текучести. Кроме того, предел прочности совпадает с точкой разрушения. В этом случае шейки не происходит.

Поскольку площадь под кривой напряжения-деформации для пластичного материала выше, чем площадь под кривой напряжения-деформации для хрупкого материала, пластичный материал имеет более высокий модуль ударной вязкости — он может поглотить гораздо больше энергии деформации, прежде чем перерывы. Кроме того, из-за того, что пластичный материал очень сильно деформируется перед тем, как сломаться, его прогибы перед разрушением будут очень большими. Таким образом, будет визуально очевидно, что сбой неизбежен, и можно будет предпринять действия для разрешения ситуации до того, как произойдет бедствие.

Репрезентативная кривая напряжения-деформации для хрупкого материала показана ниже. Эта кривая показывает напряжение и деформацию как для растягивающей, так и для сжимающей нагрузки. Обратите внимание, что материал гораздо более устойчив к сжатию, чем к растяжению, как с точки зрения нагрузки, которую он может выдержать, так и с точки зрения деформации перед разрушением. Это характерно для хрупкого материала.


Энергия деформации

Когда к материалу прикладывается сила, он деформируется и накапливает потенциальную энергию, как пружина.Энергия деформации (т. е. количество потенциальной энергии, накопленной в результате деформации) равна работе, затраченной на деформацию материала. Полная энергия деформации соответствует площади под кривой отклонения нагрузки и выражается в дюймо-фунтах в обычных единицах США и Н-м в единицах СИ. Энергия упругой деформации может быть восстановлена, поэтому, если деформация остается в пределах предела упругости, то вся энергия деформации может быть восстановлена.

Энергия деформации рассчитывается как:

Общая форма: U = Работа = ∫ F дл (площадь под кривой нагрузки-прогиба)
В пределах предела эластичности: (площадь под кривой нагрузки-прогиба)
(потенциальная энергия пружины)

Обратите внимание, что есть два уравнения для энергии деформации в пределе упругости. Первое уравнение основано на площади под кривой отклонения нагрузки. Второе уравнение основано на уравнении потенциальной энергии, запасенной в пружине. Оба уравнения дают один и тот же результат, просто они выводятся несколько по-разному.

Плотность энергии деформации

Иногда удобнее работать с плотностью энергии деформации , которая представляет собой энергию деформации на единицу объема. Это равно площади под диаграммой напряжения-деформации:

где пределы в приведенном выше интеграле находятся в пределах от деформации от 0 до ε app , которая представляет собой деформацию, существующую в нагруженном материале.

Обратите внимание, что единицами плотности энергии деформации являются фунты на квадратный дюйм в обычных единицах США и Па в единицах СИ.

Модуль упругости

Модуль упругости представляет собой количество энергии деформации на единицу объема (т. е. плотность энергии деформации), которую материал может поглотить без возникновения остаточной деформации. Модуль упругости рассчитывается как площадь под кривой напряжения-деформации до предела упругости. Однако, поскольку предел упругости и предел текучести обычно очень близки, упругость можно аппроксимировать как площадь под кривой напряжения-деформации до предела текучести.Поскольку кривая напряжения-деформации почти линейна вплоть до предела упругости, эта область имеет треугольную форму.

Модуль упругости рассчитывается как:

общая форма
треугольной формы

где σ el и ε el — напряжение и деформация на пределе упругости, S ty — предел текучести при растяжении, а E — модуль упругости.

Обратите внимание, что единицы модуля упругости такие же, как единицы плотности энергии деформации, которые являются фунтами на квадратный дюйм в обычных единицах США и Па в единицах СИ.

Модуль прочности

Модуль ударной вязкости — это количество энергии деформации на единицу объема (т. е. плотность энергии деформации), которую материал может поглотить непосредственно перед разрушением. Модуль ударной вязкости рассчитывается как площадь под кривой напряжения-деформации до точки разрушения.

В некоторой степени требуется точный расчет общей площади под кривой напряжения-деформации для определения модуля ударной вязкости. Однако грубое приближение можно сделать, разделив кривую напряжения-деформации на треугольную и прямоугольную части, как показано на рисунке ниже. Высота участков равна среднему значению предела текучести и предела прочности.

Модуль жесткости может быть аппроксимирован как:

где S ty — предел текучести при растяжении, S tu — предел прочности при растяжении, ε y — деформация при текучести, ε u — предельная деформация (общая деформация при разрушении), а E — предел прочности при растяжении. модуль упругости.

Более точный расчет модуля ударной вязкости можно выполнить, используя уравнение Рамберга-Осгуда для аппроксимации кривой напряжение-деформация, а затем интегрируя площадь под кривой.

Следует отметить, какой большой вклад в ударную вязкость материала вносит площадь под пластической областью кривой напряжения-деформации (т. е. прямоугольная часть). Поскольку пластичный материал может выдерживать гораздо большую пластическую деформацию, чем хрупкий материал, пластичный материал будет иметь более высокий модуль ударной вязкости, чем хрупкий материал с таким же пределом текучести.Несмотря на то, что конструкции обычно предназначены для удержания напряжений в области упругости, пластичный материал с более высоким модулем ударной вязкости лучше подходит для применений, в которых может возникнуть случайная перегрузка.

Обратите внимание, что единицы модуля ударной вязкости такие же, как единицы плотности энергии деформации, которые являются фунтами на квадратный дюйм в обычных единицах США и Па в единицах СИ.



Приближение кривой напряжения-деформации

Обычно требуются кривые напряжения-деформации для материалов; однако без репрезентативных данных испытаний необходимо получить аппроксимацию кривой. Уравнение Рамберга-Осгуда можно использовать для аппроксимации кривой напряжения-деформации для материала, зная только предел текучести, предел прочности, модуль упругости и процентное удлинение материала (все это общие и легкодоступные свойства).

Уравнение Рамберга-Осгуда для полной деформации (упругой и пластической) как функции напряжения:

где σ — значение напряжения, E — модуль упругости материала, S ty — предел текучести материала при растяжении, а n — показатель деформационного упрочнения материала, который можно рассчитать на основе известных свойств материала как показано далее в этом разделе. (Примечание 1)

Объяснение вывода уравнения Рамберга-Осгуда дается в следующих разделах.

Уравнение Рамберга-Осгуда

Соотношение было предложено Рамбергом и Осгудом, которое часто используется для аппроксимации кривой напряжения-деформации материала. Эта зависимость является экспоненциальной и используется для описания пластической деформации в материале. Кривая напряжение-деформация в пластической области может быть аппроксимирована следующим образом:

σ = H ε p n

где в приведенном выше уравнении ε p представляет собой пластическую деформацию, H представляет собой коэффициент прочности в тех же единицах, что и напряжение, а n представляет собой показатель деформационного упрочнения и не имеет единиц измерения.

Упругая деформация в материале линейно пропорциональна напряжению:

σ = E ε e ε e = σ/E

где в приведенном выше уравнении ε e — упругая деформация, а E — модуль упругости.

Полная деформация материала представляет собой сумму упругой деформации и пластической деформации:

ε = ε e + е р

Определение констант для Рамберга-Осгуда

Чтобы уравнение Рамберга-Осгуда было полезным, должны быть известны значения констант n и H. Здесь дается обсуждение того, как определить константы для показательного уравнения.

Константы находятся:

где в приведенных выше уравнениях (σ 1 , ε 1 ) и (σ 2 , ε 2 ) соответствуют двум точкам в пластической области кривой напряжения-деформации. Тогда задача состоит в том, чтобы найти эти две точки, чтобы можно было вычислить константы.

Если предел текучести (S ty ), предел прочности (S tu ), модуль упругости (E) и пластическая деформация при разрушении (ε f ) для материала известны, то две точки в пластической области можно определить (точки текучести и предела прочности), и по этим точкам можно рассчитать кривую пластической области.Помните, что пластическую деформацию при разрушении можно рассчитать по процентному удлинению, eL, по формуле ε f = eL/100%. К счастью, все эти свойства материала общеизвестны.

Важно отметить, что уравнение для кривой пластической области, σ = H ε p n , зависит от пластической деформации, и поэтому нам нужно будет определить значения пластической деформации для двух представляющих интерес точек. Пластическая деформация может быть рассчитана по общей деформации с использованием:

ε p = ε − ε e = ε − σ/E

где в приведенном выше уравнении ε — полная деформация, а ε e — упругая деформация.

Таблица ниже используется для определения предела текучести и предела текучести:

Напряжение, σ Общая деформация, ε Упругая деформация, ε e Пластиковая деформация, ε p
Предел текучести: С ти S ty /E + 0,002 S ти 0,002
Конечная точка: С ту S ту /E + ε f С ту ε f

Обратите внимание, что при определении деформации в пределе текучести пластическая деформация равна 0.предполагалось 002. Это согласуется с методом смещения 0,2%, как описано ранее. Это допущение необходимо для того, чтобы поместить точку текучести в пластическую область кривой. Из приведенной выше таблицы видно, что предел текучести и предел прочности в области пластичности определяются как:

Предел текучести: ти , 0,002)
Конечная точка: (S ту , ε ф )

По двум точкам пластической области кривой можно рассчитать константы n и H для уравнения Рамберга-Осгуда.Показатель деформационного упрочнения n рассчитывается как: (Примечание 1)

Значение H рассчитывается с использованием точки текучести (S ty , 0,002) в качестве точки отсчета, хотя подойдет любая точка:

Теперь, когда константы n и H определены, уравнение для полной деформации как функции напряжения известно:

Приведенное выше уравнение можно упростить, подставив выражение для H. Окончательное уравнение для полной деформации как функции напряжения:


PDH Classroom предлагает курс повышения квалификации, основанный на этой справочной странице по механическим свойствам материалов. Этот курс можно использовать для выполнения кредитных требований PDH для поддержания вашей лицензии PE.

Теперь, когда вы прочитали эту справочную страницу, заработайте за это признание!


Примечания


Примечание 1. Показатель деформационного упрочнения в уравнении Рамберга-Осгуда

Показатель деформационного упрочнения, обозначаемый n, не следует путать с параметром Рамберга-Осгуда, который также обозначается n. Эти два параметра являются обратными друг другу, что только добавляет путаницы.Мы используем показатель деформационного упрочнения в уравнении Рамберга-Осгуда, а не параметр Рамберга-Осгуда. Причина, по которой мы используем показатель деформационного упрочнения, заключается в том, что это общее свойство материала, полезное вне контекста уравнения Рамберга-Осгуда.


Каталожные номера

Общие каталожные номера:

  1. Будинас-Нисбетт, «Машиностроение Шигли», 8-е изд.
  2. Доулинг, Норман Э. , «Механическое поведение материалов: инженерные методы деформации, разрушения и усталости», 3-е изд.
  3. Гир, Джеймс М., «Механика материалов», 6-е изд.
  4. Хиббелер, Рассел К., «Механика материалов», 10-е изд.
  5. Линдебург, Майкл Р., «Справочное руководство по машиностроению для экзамена PE», 13-е изд.

Технические характеристики и стандарты:

  1. ASTM E8, «Стандартные методы испытаний металлических материалов на растяжение», Американское общество испытаний и материалов, 2011 г.

Механические свойства инженерных материалов

Чтобы доработать материал для инженерного продукта или приложения, важно понимать механические свойства материала. Механические свойства материала — это те, которые влияют на механическую прочность и способность материала формоваться в подходящей форме. Некоторые типичные механические свойства материала включают в себя:

  • прочность
  • прочность
  • жесткость
  • Harderability
  • Brittlenity
  • Malloability
  • 1053
  • REDORE
  • Устойчивость
  • Усталость

прочность

Это свойство материала, которое противостоит деформации или разрушению материала под действием внешних сил или нагрузки. Материалы, которые мы дорабатываем для наших машиностроительных изделий, должны иметь достаточную механическую прочность, чтобы быть способными работать при различных механических усилиях или нагрузках.

Прочность

Способность материала поглощать энергию и пластически деформироваться без разрушения. Его числовое значение определяется количеством энергии в единице объема. Единицей измерения является Джоуль/м 3 . Значение ударной вязкости материала можно определить по напряженно-деформированным характеристикам материала.Для хорошей ударной вязкости материалы должны обладать хорошей прочностью, а также пластичностью.

Например: хрупкие материалы, имеющие хорошую прочность, но ограниченную пластичность, недостаточно прочны. И наоборот, материалы, обладающие хорошей пластичностью, но низкой прочностью, также недостаточно прочны. Следовательно, чтобы быть прочным, материал должен выдерживать как высокие нагрузки, так и деформации.

Твердость

Это способность материала сопротивляться постоянному изменению формы из-за внешнего напряжения. Существуют различные меры твердости – твердость при царапании, твердость при вдавливании и твердость по отскоку.

  1. Твердость к царапанью
    Твердость к царапанью – это способность материалов противостоять царапинам на внешнем поверхностном слое под действием внешней силы.
  2. Твердость при вдавливании
    Это способность материалов сопротивляться вмятинам из-за ударов внешних твердых и острых предметов.
  3. Твердость по отскоку
    Твердость по отскоку также называется динамической твердостью. Он определяется высотой «отскока» молотка с алмазным наконечником, падающего с фиксированной высоты на материал.

Прокаливаемость

Способность материала приобретать твердость путем термической обработки. Он определяется глубиной, до которой материал становится твердым. Единицей прокаливаемости в системе СИ является метр (по аналогии с длиной). Прокаливаемость материала обратно пропорциональна свариваемости материала.

Хрупкость

Хрупкость материала указывает на то, насколько легко он разрушается под действием силы или нагрузки. Когда хрупкий материал подвергается нагрузке, он потребляет очень мало энергии и разрушается без существенной деформации.Хрупкость обратна пластичности материала. Хрупкость материала зависит от температуры. Некоторые металлы, пластичные при нормальной температуре, становятся хрупкими при низкой температуре.

Ковкость

Ковкость – это свойство твердых материалов, которое показывает, насколько легко материал деформируется под действием напряжения сжатия. Ковкость часто классифицируют по способности материала формироваться в виде тонкого листа путем ковки или прокатки. Это механическое свойство является аспектом пластичности материала.Пластичность материала зависит от температуры. С повышением температуры пластичность материала увеличивается.

Пластичность

Пластичность – это свойство твердого материала, которое показывает, насколько легко материал деформируется под действием растягивающего напряжения. Пластичность часто классифицируют по способности материала растягиваться в проволоку при натяжении или волочении. Это механическое свойство также является аспектом пластичности материала и зависит от температуры. С повышением температуры пластичность материала увеличивается.

Ползучесть и скольжение

Ползучесть – это свойство материала, которое указывает на склонность материала к медленному перемещению и необратимой деформации под воздействием внешнего механического напряжения. Это происходит из-за длительного воздействия больших внешних механических нагрузок с пределом текучести. Ползучесть более выражена у материалов, подвергающихся длительному нагреву. Скольжение в материале представляет собой плоскость с высокой плотностью атомов.

Упругость

Упругость – это способность материала поглощать энергию, когда он упруго деформируется под действием напряжения, и высвобождать энергию при снятии напряжения.Доказательная упругость определяется как максимальная энергия, которая может быть поглощена без остаточной деформации. Модуль упругости определяется как максимальная энергия, которая может быть поглощена единицей объема без остаточной деформации. Его можно определить, интегрируя лечение напряжения-деформации от нуля до предела упругости. Его единицей является джоуль/м 3 .

Усталость

Усталость – это ослабление материала, вызванное многократной нагрузкой на материал. Когда материал подвергается циклическому нагружению и нагружению, превышающему определенное пороговое значение, но намного ниже прочности материала (предела предела прочности на растяжение или предела текучести), на границах зерен и границах раздела начинают образовываться микроскопические трещины.В конце концов трещина достигает критического размера. Эта трещина распространяется внезапно, и структура разрушается. Форма конструкции очень сильно влияет на усталость. Квадратные отверстия и острые углы приводят к повышенным напряжениям там, где зарождается усталостная трещина.

Обзор механических свойств металлов

В металлообрабатывающей промышленности механические свойства играют огромную роль при выборе подходящего сплава для каждой задачи. В процессе литья и механической обработки, а также в течение срока службы изделия выбранный материал будет подвергаться воздействию многих внешних сил.Производители должны создавать продукты, которые работают должным образом на каждом этапе пути. Зная механические свойства, специалисты-производители могут сделать правильный выбор материалов и процессов.

Механические свойства описывают реакцию материала на приложенные нагрузки или силы. Эти свойства непостоянны; они меняются в зависимости от температуры и других внешних факторов, поэтому производители должны иметь полное представление об условиях эксплуатации детали, прежде чем рекомендовать подходящий материал.Ключевые механические свойства металлов включают:

  • Прочность
  • Пластичность и пластичность
  • Прочность
  • Сопротивление усталости
  • Твердость

Физические свойства — это еще один способ различения металлов. Вы можете узнать больше о физических свойствах в нашем блоге здесь.

Стресс по сравнению с деформацией

Напряжение и деформация являются важными терминами при обсуждении механических свойств.Напряжение относится к силе, приложенной к объекту. Деформация относится к степени деформации объекта под действием этого напряжения.

Прочность металлов

Прочность можно измерить несколькими способами, но обычно она показывает, какую силу объект может выдержать, не согнувшись и не сломавшись. Отношение прочности к весу является ключевым свойством металлов, поскольку оно сообщает производителям, сколько материала необходимо использовать для удовлетворения конкретных требований прочности.

Прочность часто измеряется с точки зрения реакции материала на напряжения или приложенные силы в трех конфигурациях: сжатие , растяжение и сдвиг .Когда материал подвергается сжатию, на него действуют силы в направлении его центральной точки. Противоположное верно для напряжения, которое растягивает материал. Силы сдвига действуют параллельно друг другу в противоположных направлениях.

Пластичность и ковкость металлов

Несмотря на то, что прочность может быть хорошим предиктором реальной производительности, производителям необходимо продвигать материалы за пределы своих возможностей, чтобы формировать новые формы. Пластичность и ковкость показывают, насколько легко можно манипулировать материалом, не ломая его.Под пластичностью понимается реакция материала на растягивающее напряжение или его способность растягиваться, прокатываться или экструдироваться без разрушения. Ковкость относится к сжимающему напряжению, как и при сплющивании. Благодаря высокой пластичности алюминия он так широко используется для изготовления тонкой фольги.

Поскольку поведение материала меняется в зависимости от температуры, металл может иметь хорошую пластичность или ковкость при высоких температурах, но плохую пластичность или ковкость при комнатной температуре. Сотни лет назад кузнецы уже знали об этой переменной и нагревали изделия на основе железа до свечения, прежде чем придавать им форму.

Прочность: баланс между прочностью и пластичностью

Прочность представляет собой идеальный баланс между прочностью и пластичностью. Самые прочные металлы — это те, которые могут поглотить наибольшее количество энергии до разрушения. Проще говоря, самые прочные части труднее всего сломать.

Сопротивление усталости металлов

В реальных условиях металлические детали часто подвергаются повторяющимся нагрузкам в течение длительного периода времени. Хотя ни одно из этих напряжений, взятых по отдельности, не может повлиять на прочность, пластичность или ударную вязкость детали, само по себе повторение может привести к отказу.Фактически, по данным ASM International, усталость является причиной примерно 90% механических отказов.

Сопротивление усталости — это мера способности детали подвергаться повторяющимся циклическим нагрузкам без разрушения или необратимой деформации. Величина напряжения, близкая к предельной для материала, приведет к более раннему усталостному разрушению по сравнению с меньшим напряжением. Как и другие механические свойства, сопротивление усталости данного сплава зависит от температуры, при которой применяется напряжение, а также от других факторов окружающей среды.

Сопротивление усталости готовой детали зависит не только от ее материала, но и от наличия дефектов. Такие проблемы, как пористость, растрескивание или другие дефекты, возникшие во время производства, могут резко снизить сопротивление усталости детали. Чтобы узнать о распространенных дефектах литья и о том, как их предотвратить, прочитайте статью в нашем блоге.

Твердость

Твердость материалов может относиться к характеристикам по ряду параметров, включая сопротивление деформации, сопротивление царапанию или сопротивление порезу.Металлы демонстрируют сильную корреляцию между пределом прочности при растяжении и твердостью, а твердость стали часто можно увеличить, увеличив процентное содержание углерода.

Твердость можно измерить разными способами, и тест на твердость по Бринеллю является одним из наиболее распространенных для металлических изделий. Тест, впервые предложенный в 1900 году, заключается в вдавливании сферы из карбида или закаленной стали в поверхность измеряемой детали. Образовавшуюся вмятину на поверхности затем измеряют с помощью микроскопа и определяют число твердости по Бринеллю (BHN) как нагрузку, деленную на площадь поверхности вмятины.

Более твердые сплавы часто хуже поддаются механической обработке, что может создавать трудности при изготовлении изделий. Принимая во внимание дизайн для технологичности, иногда в целом лучше использовать менее твердый сплав для отливки, особенно если изделие будет подвергаться интенсивной механической обработке на более позднем этапе.

Выбор подходящего сплава на основе механических свойств

В мире производства наиболее важные механические свойства зависят от предполагаемого использования продукта. Поскольку механические свойства зависят от окружающей среды, процесс проектирования продукта должен включать тщательный анализ среды, в которой продукт будет работать, включая требования к температуре, влажности и нагрузке. Производители также должны учитывать все процессы формирования материала, прежде чем он станет конечным продуктом. Часто перед инженерами и металлургами стоит задача найти баланс между показателями производительности, такими как прочность, и показателями процесса, такими как обрабатываемость.

Процесс APQP может гарантировать, что перед выбором сплава будут учтены все соответствующие переменные, и лучшие литейщики будут следовать процедурам APQP при разработке продукта.Чтобы узнать больше об оптимальных этапах проектирования изделий при литье металлов и обработке на станках с ЧПУ, прочитайте нашу серию блогов здесь.

Узнайте больше о производстве высококачественной продукции с помощью литья металлов и обработки на станках с ЧПУ из нашей бесплатной электронной книги:

Механические свойства материалов в машиностроении

Независимо от того, изучаете ли вы машиностроение или просто освежаете свои технические знания, важно понимать механические свойства материалов, используемых в машиностроении.

Знание этой информации поможет вам быстро выбрать лучшие материалы для вашей конструкции с учетом различных факторов, в том числе: грузоподъемности, эластичности, твердости, прочности и многого другого.

Цель этой статьи — описать механические свойства, которые делают каждый материал уникальным. Познакомившись с этими терминами, вы сможете различать материалы и оценивать их полезность для вашего дизайнерского проекта.

Что такое материал?

Материал — это любое вещество, которое мы используем для изготовления вещей: дерево, стекло, сталь, пластик, золото, латунь, и это лишь некоторые из них.

В случае с металлами блестящие инженеры разработали способы смешивания некоторых из этих материалов вместе для получения новых желаемых механических свойств, таких как большая прочность, большая гибкость, меньший вес или повышенная долговечность. Мы рассмотрим эти свойства в следующем разделе.

Новые материалы называются сплавами или композитами в зависимости от используемых методов.

Список механических свойств

Вот некоторые из наиболее распространенных механических свойств, которые определяют различные типы материалов, а также более подробные описания для каждого из них:

  • Прочность (шесть типов)
  • Пластичность
  • Хрупкость
  • Прочность
  • Твердость
  • Прочность
  • Пластичность
  • Прокаливаемость
  • Ползучесть
  • Эластичность
  • Тепловое расширение

Прочность

Прочность материала можно оценить на основе величины нагрузки, которую он может выдержать до разрушения или деформации.

Существует шесть основных подкатегорий прочности:

  • Прочность на сжатие.  Способность материала выдерживать нагрузку, уменьшающую его размер. Думайте об этом как о сжимаемом материале.
  • Прочность на сдвиг.  Способность материала выдерживать нагрузки, которые заставляют внутреннюю структуру материала скользить относительно самой себя.
  • Прочность на растяжение (или предел прочности).  Способность материала выдерживать нагрузку, которая растягивает или разрывает его на части, без разрушения.
  • Предел текучести.  Способность материала выдерживать нагрузку, которая растягивает или разрывает его на части, не деформируясь.
  • Прочность на упругость.  Способность материала восстанавливать свою первоначальную форму после нагрузки.
  • Усталостная прочность.  Способность материала выдерживать повторяющиеся и/или переменные нагрузки (например, нагрузки и разгрузки).

Пластичность

Способность материала деформироваться и сохранять эту деформированную форму без разрушения при приложении к нему нагрузки.Глупая шпаклевка является примером пластичного материала.

Вы можете немного растянуть его, прежде чем он сломается, и он более или менее сохранит новую форму.

Хрупкость

Это механическое свойство относится к способности материала разрушаться без значительной деформации. Стекло и керамика являются примерами хрупких материалов, которые не столько деформируются, сколько разбиваются при ударе. Это противоположность пластичности.

Прочность

Прочность относится к тому, насколько хорошо материал справляется с разрушением под нагрузкой.Прочность содержит компоненты прочности и пластичности. Например, гипсовая шпаклевка, несмотря на высокую пластичность, не является жесткой, так как легко деформируется при растяжении (поэтому имеет очень малую прочность).

С другой стороны, прочный, но хрупкий материал, такой как керамика, также может считаться непрочным.

Резиновую подошву для обуви можно считать прочным материалом, поскольку она сочетает в себе свойства прочности и пластичности.

Твердость

Этот механический атрибут относится к способности материала сопротивляться локальному истиранию или вдавливанию в результате внешнего напряжения.Другими словами, это способность противостоять царапинам и вмятинам.

Примером твердого материала является алмаз.

Прочность

Способность материала выдерживать нагрузку или напряжение в течение длительного времени. Стресс может быть теплом, давлением, износом, повреждением или другими формами стресса.

Пластичность

Подобно пластичности, это механическое свойство относится к способности материала деформироваться (но не ломаться) и сохранять эту форму при сжатии или сжатии.Свинец является примером материала, который податлив, но не пластичен. Вы можете вбить его в разные формы, но когда вы потянете его, он сломается.

Прокаливаемость

Прокаливаемость относится к способности материала становиться более твердым при термической обработке, обычно используемой для описания стальных сплавов. Легче сделать сплавы, содержащие большее количество углерода, более твердыми с помощью нагрева, чем сплавы с меньшим количеством углерода, используя ту же самую термообработку.

Ползучесть

Ползучесть — это склонность материала к деформации со временем.Высокие температуры обычно ускоряют ползучесть, но ползучесть может происходить и при комнатной температуре, хотя и медленнее. Примером, когда вам не нужна ползучесть, являются реактивные двигатели. Чрезвычайно высокая температура может привести к очень быстрой ползучести многих обычных материалов. Поэтому важно использовать материалы, которые чрезвычайно устойчивы к ползучести.

Эластичность

Это механическое свойство относится к способности материала возвращаться к своей первоначальной форме при удалении фактора стресса. Резиновая лента является примером высокоэластичного материала.

Когда вы растягиваете резинку, а затем отпускаете ее, она легко принимает свою первоначальную форму.

Тепловое расширение

Тепловое расширение — это тенденция материала изменять форму, площадь или объем из-за изменений температуры. Примером материала, испытывающего тепловое расширение, является асфальт, который расширяется и трескается в жаркую погоду.

Механические свойства обычных материалов

Давайте посмотрим на механические свойства некоторых из этих широко используемых распространенных материалов:

  • Углеродное волокно
  • Сталь
  • Нержавеющая сталь
  • Поликарбонат
  • Стекловолокно
  • Титан
  • ПЛА
  • Медь
  • Латунь
  • Алюминий

Механические свойства углеродного волокна

Углеродное волокно представляет собой длинную цепь атомов углерода, связанных вместе.По свойствам материала углеродное волокно имеет:

  • Высокая прочность на растяжение
  • Высокое соотношение прочности и веса
  • Низкое тепловое расширение

Эти свойства делают углеродистую сталь популярной для использования в отраслях, где материалы должны быть легкими, но прочными, например, в автоспорте, аэрокосмической технике и вооруженных силах.

Недостатком углеродного волокна является то, что оно несколько хрупкое и может легко треснуть или расколоться при ударе.

Механические свойства стали

Сталь

представляет собой сплав, содержащий железо и углерод. Существует много типов стали с разным содержанием железа, углерода и других металлов, и каждый из них имеет немного разные свойства. Но по большей части общие свойства для большинства типов стали включают:

  • Высокая прочность на растяжение
  • Высокая твердость
  • Высокий предел текучести
  • Высокое соотношение веса и прочности
  • Высокая пластичность

Эти свойства делают сталь идеальным материалом для строительства зданий.На самом деле сталь имеет самое высокое отношение прочности к весу среди всех материалов, используемых в строительстве зданий.

Однако, если сталь не обработана, она может легко подвергнуться коррозии.

Механические свойства нержавеющей стали

Нержавеющая сталь

— это сплав стали, который был разработан, чтобы сделать сталь более устойчивой к коррозии за счет добавления в этот сплав хрома. Таким образом, помимо коррозионной стойкости, он обладает многими свойствами стали, в том числе:

  • Высокая прочность на растяжение
  • Высокая твердость
  • Высокий предел текучести
  • Высокое соотношение прочности и веса.
  • Высокая пластичность

Недостатком нержавеющей стали является то, что она не очень рентабельна, и поэтому вы видите, что она используется в небольших предметах, таких как наборы столового серебра.

Механические свойства поликарбоната

Поликарбонат (ПК) — это тип пластика, который по своей природе прозрачен. Это прочный и аморфный термопластичный полимер с отличными характеристиками. С ним легко работать, формовать и термоформовать. ПК хорошо известен тем, что сохраняет цвет и прочность с течением времени.

Некоторые характеристики поликарбоната:

  • Высокая ударопрочность

  • Высокая прочность на растяжение

  • Высокая размерная прочность

  • Превосходный электрический и тепловой изолятор

  • Простота изготовления и обработки

Он используется в широком ассортименте продукции, включая проигрыватели компакт-дисков и защитные каски, а также линзы для автомобильных фар, крыши и остекление.

Недостатком поликарбоната является то, что его очень легко поцарапать. В результате прозрачные поверхности, такие как поликарбонатные линзы в очках, обычно покрываются устойчивым к царапинам покрытием.

Механические свойства стекловолокна

Стекловолокно представляет собой материал, образованный из очень тонких стеклянных волокон. Он прочнее по весу, чем многие металлы, немагнитный, непроводящий и проницаемый для электромагнитных волн. Он требует минимального обслуживания, огнеупорен, является отличным электроизолятором и устойчив к атмосферным воздействиям.

Общие свойства стекловолокна включают:

  • Высокая прочность на растяжение
  • Размерная стабильность
  • Высокая термостойкость
  • Отличная ударная вязкость
  • Высокая износостойкость

Лучшее свойство стекловолокна — способность формовать различные сложные формы. Это объясняет, почему стекловолокно так популярно для изготовления ванн, лодок, самолетов, крыш и других целей. Недостатки включают необходимость частого повторного нанесения геля и возможность того, что содержащиеся в воздухе волокна раздражают пациентов с астмой.

Механические свойства титана

Металлический титан

— чрезвычайно прочный металл для промышленного применения, поскольку он устойчив к коррозии, а также легкий и прочный. Он на 40% легче стали, но в два раза прочнее высокопрочной стали. В результате титан используется в различных отраслях промышленности, в том числе авиационной и аэрокосмической. Некоторые из характеристик и свойств титана включают:

  • Высокая прочность
  • Низкая плотность
  • Самое высокое отношение прочности к плотности
  • Высокая пластичность
  • Естественная устойчивость к ржавчине и коррозии
  • Низкое тепловое расширение
  • Высокая температура плавления

Эти свойства делают его идеальным для использования в широком спектре аэрокосмических и военно-морских приложений, таких как самолеты, космические корабли, ракеты и корабли всех размеров.Из-за его нереактивности с кожей и костями он также используется в протезировании. Недостатки титана включают сложность литья и, как правило, более высокую стоимость, чем другие типы металлов.

Механические свойства полимолочной кислоты (PLA)

PLA (полимолочная кислота) представляет собой биоразлагаемый и перерабатываемый полиэфир, полученный из возобновляемого сырья. Популярность PLA выросла благодаря низкой стоимости производства из возобновляемых ресурсов.

PLA является наиболее часто используемым пластиковым филаментным материалом в 3D-печати из-за его скорости усадки.Некоторые общие свойства для большинства полимолочной кислоты включают:

  • Низкая степень усадки
  • Хорошая термообрабатываемость
  • Превосходная прочность на изгиб

Из-за проблем с проницаемостью полилактида, он по-прежнему считается худшим материалом для длительного хранения пищевых продуктов.

Механические свойства меди

Медь (Cu) — очень пластичный металл, который является исключительным проводником электричества и тепла. Медь встречается в природе в свободной металлической форме.Он используется в электротехнической, морской, оборонной, строительной, архитектурной и ювелирной промышленности. Некоторые характеристики и свойства меди включают:

Некоторые из недостатков меди включают ее высокую стоимость по сравнению с волоконно-оптическими кабелями, она более подвержена коррозии по сравнению с оптическим волокном и имеет более короткий ожидаемый срок службы. Медь более уязвима для электрических помех, чем оптоволокно, что приводит к менее четкой передаче. Волоконно-оптический кабель также имеет меньшую опасность поражения электрическим током, чем медный провод.

Механические свойства латуни

Латунь

— это медно-цинковый сплав с переменными пропорциями, который можно использовать для достижения различных механических, электрических и химических характеристик. Он хорошо известен своей долговечностью и работоспособностью. Современная латунь состоит из 67 процентов меди и 33 процентов цинка. Некоторые характеристики и свойства латуни включают:

Латунь

используется в различных продуктах из-за ее уникальных характеристик, включая трубопроводы, уплотнители и другие архитектурные элементы отделки, винты, нагреватели, музыкальное оборудование и гильзы для оружейных патронов.Латунь требует особого ухода из-за ее склонности к черноватому потускнению.

Механические свойства алюминия

Алюминий является самым распространенным металлом и третьим по распространенности элементом в мире, на его долю приходится 8% земной коры. Алюминий является наиболее часто используемым металлом после стали из-за его гибкости. Алюминий используется для изготовления банок, фольги, кухонной утвари, компонентов самолетов и т. д. Некоторые характеристики алюминия включают:

  • Низкая плотность
  • Отличная электро- и теплопроводность
  • Стойкий к коррозии
  • Легко отливается, обрабатывается и формуется
  • Немагнитный
  • Он имеет вторую по величине ковкость и шестую по величине пластичность среди всех металлов.

Некоторые из недостатков алюминия включают его высокую стоимость по сравнению с другими металлами, такими как сталь, сварка алюминия требует специальных процедур, которые являются дорогостоящими и занимают больше времени, чем другие методы. И по сравнению со сталью он легче мнётся и царапается.

 

* Изображение на обложке от Лео Фосдала на Unsplash

Механические свойства и износостойкость светоотверждаемых пакуемых композитных смол

Цели: Определение прочности на изгиб, модуля при изгибе, вязкости разрушения и износостойкости трех пакуемых композитов (Solitaire, Surefil, ALERT) и пакуемого ормоцера (Definite) в сравнении с усовершенствованным гибридным композитом (Tetric Ceram) и ионо-выделяющим композитом (Ariston). рНс).

Методы: Прочность на изгиб, модуль изгиба и вязкость разрушения каждого материала определяли при трехточечном изгибе (каждое испытание n = 10). Для оценки вязкости разрушения (K1C) использовались образцы с однокромочным изгибом с надрезом. Износ материалов (n = 8) определяли в конструкции «штифт на блоке» со сферическим антагонистом Degusit при вертикальной нагрузке 50 Н и количественно оценивали методом реплик с использованием 3D-лазерного сканера.Реплики были изготовлены после 6000, 10000, 30000 и 50000 циклов нагрузки. Средняя скорость износа (MWR (микрон 3 цикла-1)) была получена с помощью линейного регрессионного анализа в стационарном состоянии кривой время-износ. Все результаты были статистически проанализированы с помощью ANOVA и апостериорных тестов Tukey HSD (p < 0,05).

Результаты: ALERT показал самый высокий модуль упругости при изгибе (12,5 +/- 2,1 ГПа) и K1C (2. 3 +/- 0,2 МН м-3/2), но самая низкая износостойкость (8275 мкм 3 цикл-1). Солитер показал самую высокую износостойкость (1591 микрон 3 цикла-1), но значительно более низкую прочность на изгиб (81,6 +/- 10,0 МПа), модуль изгиба (4,4 +/- 0,3 ГПа) и K1C (1,4 +/- 0,2 МН·м). -3/2), чем все остальные материалы. Surefil показал значительно более высокий модуль изгиба (9,3 +/- 0,9 ГПа) и износостойкость (3028 микрон 3 цикл-1), чем Tetric Ceram (6,8 +/- 0,5 ГПа; 5417 микрон 3 цикл-1) и Ariston pHc (7.3 +/- 0,8 ГПа; 7194 мкм 3 цикл-1).

Значимость: Испытанные пакуемые композитные смолы значительно различались по своим механическим свойствам. Это исследование показало, что на характеристики разрушения и износа композитных смол большое влияние оказывает система наполнителя. В целом Surefil продемонстрировал хорошие параметры механики разрушения и низкую скорость износа.

Механические свойства технической керамики

Обзор
Наиболее популярными «сверхспособностями» технической керамики CoorsTek являются ее механические свойства.Усовершенствованные керамические материалы разработаны так, чтобы превосходить металлы и полимеры. Высокоэффективные механические прочности включают в себя твердость, износостойкость, жесткость, плотность, вязкость разрушения и другие механические требования, характерные для конкретного применения, которые часто превышают требования к стали, сплавам и пластмассам.

Механические свойства технической керамики

Твердость
ГПа (кг/мм 2 )
Техническая керамика CoorsTek известна своей исключительной твердостью.Наши материалы тверже всех известных металлов и природных материалов, за исключением алмаза. Срок службы керамических компонентов нередко увеличивается в 10–100 раз по сравнению с обычными металлами. Чем тверже материал, тем более он устойчив к локализованной остаточной деформации от вдавливания или истирания. Мы наблюдаем «макро» твердость на видимых поверхностях, но обычно она связана с сильными межмолекулярными связями на «микро» уровне.

Жесткость
МПа
Усовершенствованная керамика обладает высокой жесткостью и не поддается легкому изгибу.Это означает, что они обеспечивают исключительно жесткие и стабильные размерные характеристики. Фактически, керамика CoorsTek обеспечивает одно из самых высоких соотношений жесткости к весу для требовательных и легких приложений. Металлы часто деформируются, ползут или деформируются во время механической обработки или термоциклирования. Полимеры имеют тенденцию терять свою форму под давлением или даже при старении. Прочность на изгиб — это эффективная прочность материала при нагрузке на изгиб — комбинация прочности на сжатие (при сжатии) и прочности на растяжение (при разрыве).

Плотность (удельный вес) 
г/см2
Техническая керамика значительно легче высокопрочных металлов, как правило, в два раза легче сопоставимых металлических деталей. Многие транспортные, аэрокосмические, машиностроительные и бронетехника выигрывают от меньшей массы. Облегчение транспортных средств повышает производительность, повышает эффективность использования топлива и снижает затраты на энергию в течение всего срока службы транспортного средства. Уменьшение инерции во вращающемся оборудовании и станках может значительно уменьшить центробежные силы, обеспечивая более высокие скорости и более длительный срок службы.

Прочность на излом
K(l c)
Некоторые передовые керамические материалы разработаны для повышения ударной вязкости, способности материала противостоять разрушению. Вязкость разрушения измеряет количество энергии, которое материал может поглотить до разрушения. Прочность, как правило, выше для пластичных материалов, таких как полимеры и большинство металлов, потому что как упругая (обратимая), так и пластическая (необратимая) деформации позволяют этим материалам поглощать большое количество энергии. CoorsTek разрабатывает керамику для тяжелых условий эксплуатации с повышенной стойкостью к излому.

Механические свойства тонких пленок

  • G.E. Henein and W.R. Wagner: J. Appl. физ. , 1983, том. 54, стр. 6395–6400.

    Артикул КАС Google ученый

  • K. Рулон: J. Appl. физ. , 1976, том. 47, стр. 3224–29.

    Артикул Google ученый

  • П. Х. Таунсенд, Д. М. Барнетт и Т.А. Бруннер: J. Appl. физ. , 1987, том. 62, стр. 4438–44.

    Артикул Google ученый

  • J. H. van der Merwe: J. Appl. физ. , 1963, том. 34, стр. 123–27.

    Артикул Google ученый

  • Дж. В. Мэтьюз и А. Э. Блейксли: Дж. Крист. Рост , 1974, вып. 27, стр. 118–25.

    КАС Google ученый

  • Дж.У. Мэтьюз и А. Э. Блейксли: J. Cryst. Рост , 1975, вып. 29, стр. 273–80.

    Артикул КАС Google ученый

  • Дж. В. Мэтьюз: Дж. Вак. науч. Технол. , 1975, том. 12, стр. 126–33.

    Артикул КАС Google ученый

  • Э. Каспар и Х.-Дж. Herzog: Thin Solid Films , 1977, vol. 44, стр. 357–70.

    Артикул Google ученый

  • Дж.К. Бин, Л. К. Фельдман, А. Т. Фиори, С. Накахара и И. К. Робинсон: J. Vac. науч. Технол. А , 1984, том. 2, стр. 436–40.

    Артикул КАС Google ученый

  • Дж. Ю. Цао, Б. В. Додсон, С. Т. Пикро и Д. М. Корнелисон: Phys. Преподобный Летт. , 1987, том. 59, стр. 2455–58.

    Артикул КАС Google ученый

  • К. Гронет: Тел.D. Dissertation, Stanford University, Stanford, CA, 1988.

  • Y. Kohama, Y. Fukuda, and M. Seki: Appl. физ. лат. , 1988, том. 52, стр. 380–82.

    Артикул КАС Google ученый

  • P. L. Gourley, I. J. Fritz и L. R. Dawson: Appl. физ. лат. , 1988, том. 52, стр. 377–79.

    Артикул КАС Google ученый

  • стр.M. J. Maree, J. C. Barbour, J. F. van der Veen, K. L. Kavanagh, C. W. T. Bulle-Lieuwma и M. P. A. Viegers: J. Appl. физ. , 1987, том. 62, стр. 4413–20.

    Артикул КАС Google ученый

  • Б.W. Dodson and J. Y. Tsao: Appl. физ. лат. , 1987, том. 51, стр. 1325–27.

    Артикул КАС Google ученый

  • L. B. Freund: J. Appl. мех. , 1987, том. 54, стр. 553–57.

    КАС Статья Google ученый

  • Д. М. Барнетт: Стэнфордский университет, Стэнфорд, Калифорния, частное сообщение, 1987 г.

  • П. Хаасен и Х.Александр: Физика твердого тела , 1968, вып. 22, стр. 27–158.

    Google ученый

  • Х. Стейнхардт и С. Шафер: Acta Metall. , 1971, том. 19, стр. 65–70.

    Артикул КАС Google ученый

  • H. Steinhardt and P. Haasen: Phys. Статус Solidi A , 1978, vol. 49, стр. 93–101.

    Артикул КАС Google ученый

  • Вт.Hagen and H. Strunk: J. Appl. физ. , 1978, том. 17, стр. 85–87.

    Артикул КАС Google ученый

  • K. Rajan и M. Denhoff: J. Appl. физ. , 1987, том. 62, стр. 1710–16.

    Артикул КАС Google ученый

  • П. А. Флинн, Д. С. Гарднер и В. Д. Никс: IEEE Trans. на электронных устройствах , 1987, том. ЭД-34, с.689–99.

    Google ученый

  • M. F. Doerner and S. Brennan: J. Appl. физ. , 1988, том. 63, стр. 126–31.

    Артикул КАС Google ученый

  • П. Х. Таунсенд: доктор философии. Диссертация, Стэнфордский университет, Стэнфорд, Калифорния, 1987.

  • Д. С. Гарднер, Т. Л. Мичалка, П. А. Флинн, Т. В. Барби-младший: К. С. Сарасват и Дж. Д. Мейндл: Proc.2-й междунар. IEEE VLSI Multilevel Interconnection Conf. , 1985, стр. 102–10.

  • Т. С. Куан и М. Мураками: Металл. Транс. А , 1982, том. 13А, стр. 383–91.

    КАС Google ученый

  • М. Ф. Дёрнер, Д. С. Гарднер и В. Д. Никс: J. Mater. Рез. , 1986, том. 1, стр. 845–51.

    КАС Google ученый

  • М.Ф. Дернер: доктор философии. Диссертация, Стэнфордский университет, Стэнфорд, Калифорния, 1987.

  • Р. В. Армстронг: в Advances in Materials Research , H. Herman, изд., Interscience, New York, NY, 1970, vol. 4, стр. 101–46.

    Google ученый

  • А.Дж. Гриффин-младший, Ф. Р. Бротцен и К. Данн: Scripta Metall. , 1986, том. 20, стр. 1271–72.

    Артикул КАС Google ученый

  • A.J. Griffin, Jr., F.R. Brotzen, and C. Dunn: Thin Solid Films , 1987, vol. 150, стр. 237–44.

    Артикул КАС Google ученый

  • М. Нишибори и К. Киносита: Тонкие твердые пленки , 1978, том.48, стр. 325–31.

    Артикул Google ученый

  • Дж. Петика, Р. Хатчингс и У. К. Оливер: Phil. Маг. , 1983, том. A48, стр. 593–606.

    Артикул КАС Google ученый

  • Дж.L. Loubet, JM Georges, JM Marchesini и G. Meille: J. Tribol. , 1984, том. 106, стр. 43–48.

    КАС Статья Google ученый

  • П. Э. Виренга и А. Дж. Дж. Франкен: Philips Tech. , 1985, том. 42, стр. 85–92.

    Google ученый

  • H. Bangert, A. Kaminitschek, A. Wagendristel, A. Barna, P.B. Barna и G. Radnoczi: Thin Solid Films , 1986, vol.137, стр. 193–98.

    Артикул КАС Google ученый

  • Д. Стоун, В. Р. Лафонтен, П. Алексопулус, Т.-В. Ву и С.-Ю. Ли: Дж. Матер. Рез. , 1988, том. 3, стр. 141–47.

    КАС Google ученый

  • Дж.Б. Петика и В. К. Оливер: Mater. Рез. Симп. проц. , 1989, том. 130, стр. 13–23.

    КАС Google ученый

  • Д. Стоун, В. Лафонтен, С. Руофф и С.-Ю. Ли: Матер. Рез. соц. проц. , 1986, том. 72, стр. 43–49.

    Google ученый

  • Х.-Ю. Ю и Дж. К. М. Ли: J. Mater. науч. , 1977, том. 12, стр. 2214–22.

    Артикул КАС Google ученый

  • Х.-Ю. Ю, С. К. Сандей и Б. Б. Рат: Отчет военно-морской исследовательской лаборатории , отчет № 9168, Военно-морская исследовательская лаборатория, Вашингтон, округ Колумбия, 12 января 1989 г.

    Google ученый

  • M. F. Doerner and W. D. Nix: J. Mater. Рез., 1986, том. 1, стр. 601–09.

    Google ученый

  • И. Н. Снеддон: Междунар. Дж. Инж. науч. , 1965, том. 3, стр. 47–62.

    Артикул Google ученый

  • Р. Б. Кинг: Междунар. J. Структура твердых тел. , 1987, том. 23, стр. 1657–64.

    Артикул Google ученый

  • А. К. Бхаттачарья и В. Д. Никс: Междунар. J. Структура твердых тел. , 1988, том. 24, стр. 1287–98.

    Артикул Google ученый

  • М. Дж. Мэйо и В. Д. Никс: Acta Metall. , 1988, том. 36, стр. 2183–92.

    Артикул КАС Google ученый

  • М.J. Mayo and WD Nix: Proc. 8-й междунар. конф. по прочности металлов и сплавов , Тампере, Финляндия, П. О. Кеттунен, Т. К. Леписто и М. Э. Лехтонен, ред., Pergamon Press, Оксфорд, 1988, стр. 1415–20.

    Google ученый

  • M. J. Mayo: Sandia National Laboratories, Альбукерке, Нью-Мексико, неопубликованные исследования, 1989.

  • Рез. , 1988, том.