Введение. Рост промышленного производства влечет за собой не только увеличение потребности в материалах, но и повышение требований к их свойствам в связи с

Предисловие

Рост промышленного производства влечет за собой не только увеличение потребности в материалах, но и повышение требований к их свойствам в связи с использованием машин и механизмов с более высокими параметрами, повышением их надежности, особенно в связи с автоматизацией производства.

Выбор материала для какой-либо определенной цели делают на основе его механических, технологических, физических и химических свойств. Определением связи этих свойств со структурой материала и целенаправленным изменением свойств в результате воздействия на структуру занимается материаловедение как обобщающая наука о материалах. Практическое использование полученных результатов является задачей технического материаловедения.

Одной из областей технического материаловедения является испытание материалов, важнейшая цель которого заключается в описании их свойств по характерным признакам и в выражении этих признаков в количественной форме. Необходимо также регулярно контролировать изменения свойств, происходящие в процессе изготовления изделий (производственный контроль). Кроме этого, при контроле изделий, машин, конструкций в ходе их эксплуатации необходимо выявлять недопустимые изменения свойств материала, а в случае повреждения – определять его причину.

При разработке материалов, их изготовлении, обработке и применении они должны подвергаться разнообразным испытаниям. Из различных и многообразных свойств материалов основными являются механические свойства, поэтому испытаниям механических свойств уделяется особое внимание.

Целью настоящего издания является оказание помощи студентам при изучении курса материаловедения в плане знакомства с наиболее важными механическими свойствами материалов и способами их определения. Предлагается к выполнению семь лабораторных работ. В начале каждой работы даются теоретические сведения, которые позволяют студентам правильно и осмысленно выполнять лабораторные работы. Дано краткое описание установок, приборов и машин, применяемых для проведения экспериментов, задания с методическими указаниями.

Перед выполнением работы студенты самостоятельно знакомятся с её содержанием: элементами теории, устройством установок, методикой испытаний, отвечают на контрольные вопросы для самопроверки. Сведения, приводимые в работах, достаточны для анализа полученных результатов и правильного составления письменного отчета.

Отчет по работе должен содержать: 1) название работы; 2) цель работы; 3) теоретическое обоснование, включая все рисунки; 4) порядок выполнения работы с необходимыми расчётами; 5) выводы по работе.

Лабораторные работы составлены в соответствии с рабочими учебными программами по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для технологических специальностей.

Рабочими программами предусмотрены следующие требования к знаниям и умениям студентов.

Студент должен:

а) иметь представление:

- об общей классификации материалов и преимущественных областях их применения;

- о механизмах деформации и разрушения материалов;

б) знать:

- основные типы, классы и группы материалов и их свойства;

- основные механические свойства материалов и способы их определения;

- факторы, влияющие на прочность, надежность и долговечность зделий; в) иметь опыт:

- использования современной технической и справочной литературы;

- проведения механических испытаний материалов;

- определения и расчета основных механических свойств.

Знание номенклатуры и механических характеристик различных материалов позволяет определить области их рационального использования с учетом эксплуатационных требований.

Введение

Механические свойства определяют конструкционную прочность материалов, то есть их прочность, надёжность и долговечность в процессе эксплуатации элементов конструкций, деталей машин и приборов, изготовленных из этих материалов. Механические свойства в численном виде характеризуют поведение материалов под действием внешних нагрузок, что позволяет сравнивать их между собой и рационально выбирать материалы для изготовления различных изделий.

Деформация – изменение размеров и формы тела, возникающих врезультате действия на него внешних нагрузок. Деформация, исчезающая после прекращения действия нагрузки, называется упругой. При этом тело полностью восстанавливает первоначальные форму и размеры. Деформация, остающаяся после снятия нагрузки, называется остаточной или пластической.

Способность материала сопротивляться деформации зависит от силы сцепления частиц. Эта сила характеризуется величиной механических напряжений, возникающих в каждой точке деформированного тела. Напряжение – единичная внутренняя сила, действующая в каждой точкедеформированного тела. Размерность напряжения – [МПа] (1 МПа = 1 Н/мм², 10 МПа ~ 1 кгс/мм²).

Полное напряжение для удобства расчётов раскладывается на две взаимно перпендикулярные составляющие: нормальное напряжение σ и касательное напряжение τ. Нормальные напряжения действуют по нормали к плоскости сечения тела. Они характеризуют стремление частиц материала сблизиться или удалиться друг от друга. Касательные напряжения действуют в плоскости сечения и характеризуют стремление частиц скользить относительно друг друга. Численные значения σ и τ зависят от выбора рассматриваемого сечения.

К основным механическим свойствам материалов относятся: прочность – способность материала сопротивляться пластическимдеформациям и разрушению; жёсткость – способность материала сопротивляться развитию значительныхупругих деформаций;

упругость – способность материала восстанавливать свою форму и размерыпосле прекращения действия значительных внешних нагрузок, вызвавших деформацию; пластичность – способность материала под действием внешних нагрузок

изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после устранения этих нагрузок; твердость – способность поверхностного слоя материала сопротивляться

местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него другого более твердого тела; ударная вязкость – способность материала сопротивляться действиюударных нагрузок.

Первое требование, предъявляемое к большинству изделий – это достаточная прочность. Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать еще особыми свойствами в зависимости от их назначения и условий эксплуатации. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью, для изготовления рессор и пружин применяют специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью. Вязкие материалы идут на изготовление деталей, которые при работе подвергаются ударной нагрузке, пластичные материалы хорошо обрабатываются давлением.

Механические свойства определяются по результатам механических испытаний стандартных образцов материалов. По виду деформации, испытываемой образцом, различают испытания на растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг, кручение. Каждое из этих испытаний отличается схемой нагружения образца, преобладающим направлением возникающих в образце напряжений, типом разрушения образца. Эти отличия отражены в таблице 1.

По характеру изменения действующей нагрузки во времени различают механические испытания: статические, динамические (или ударные) и усталостные.

Статическими называются испытания, при которых образецисследуемого материала подвергают действию постоянной или, чаще всего, медленно и плавно повышающейся нагрузки. Наиболее важны следующие виды статических испытаний:

– испытания на растяжение. Испытаниям на растяжение непрерывно и плавно повышающейся нагрузкой подвергаются практически все материалы. Это основной вид механических испытаний. Испытаниям постоянной нагрузкой подвергаются металлические материалы при температурах выше 300°С, а также полимеры уже при комнатной температуре;

– испытания на сжатие. Этому испытанию подвергаются строительные материалы (дерево, камень, кирпич, бетон), а также металлические и полимерные материалы специального назначения (например, материалы для подшипников).

– испытания на изгиб. Область применения этих испытаний – полимеры, строительные материалы, дерево, стекло, керамика, хрупкие металлические материалы.

– испытания на сдвиг. На сдвиг испытываются такие материалы, как

дерево, металлы для заклепок, материалы для режущего инструмента.

– испытания на кручение. Испытаниям на скручивание подвергают материалы для изготовления проволоки, а также малопластичные материалы (закалённые конструкционные и инструментальные стали).

По результатам статических испытаний определяют прочностные, упругие и пластические свойства материалов.

Динамические испытания характеризуются приложением к образцунагрузок с резким изменением их величины и большой скоростью деформации. Длительность всего испытания не превышает долей секунды. К этим испытаниям относятся удар, и даже взрыв. По результатам динамических испытаний в основном определяют величину работы,

Испытание на ударный изгиб (ударную вязкость) имеет наибольшее значение для определения сопротивления хрупкому разрушению вязких металлических и высокополимерных материалов. Это испытание является самым распространенным (после растяжения) сдаточным испытанием материалов во многих производствах.

Усталостные испытания проводятся при многократном циклическомприложении нагрузки к образцу. Такие испытания обычно длятся часами и сотнями часов. По их результатам определяют число циклов нагружения до разрушения образца при разных значениях напряжений. В конечном итоге определяют предел выносливости материала – предельные напряжения, которые образец выдерживает без разрушения в течение заданного числа циклов нагружения. Испытания на усталость проводятся на растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Им подвергаются все материалы.

Помимо перечисленных различают еще две группы испытаний. Первая группа – испытания на твердость.

Вторая группа – испытания на ползучесть и длительную прочность. Их обычно проводят при повышенных температурах для оценки характеристик жаропрочности материалов. Образцы в течение всего испытания находятся под постоянной нагрузкой. При испытаниях на ползучесть измеряют величину деформации в зависимости от времени испытания. При испытаниях на длительную прочность оценивают время до разрушения образца под действием определённых напряжений.

Механические испытания можно проводить при высоких и низких температурах, при наличии надрезов и исходных трещин, облучении и акустических воздействиях, нестационарных режимах, в агрессивных средах и различных других условиях.