W celu oceny właściwości użytkowych produktów oraz określenia właściwości fizycznych i mechanicznych materiałów stosuje się różne instrukcje, GOST oraz inne dokumenty regulacyjne i doradcze. Zalecane są również metody badania zniszczenia całej serii produktów lub próbek tego samego rodzaju materiału. Nie jest to bardzo ekonomiczna metoda, ale skuteczna.
Definicja cech
Główne cechy właściwości mechanicznych materiałów są następujące.
1. Wytrzymałość na rozciąganie lub wytrzymałość na rozciąganie - siła naprężenia, która jest ustalona przy największym obciążeniu przed zniszczeniem próbki. Charakterystyki mechaniczne wytrzymałości i plastyczności materiałów opisują właściwości ciał stałych w zakresie odporności na nieodwracalne zmiany kształtu i zniszczenia pod wpływem obciążeń zewnętrznych.
2. Warunkowa granica plastyczności to naprężenie, gdy odkształcenie szczątkowe osiąga 0,2% długości próbki. To jestnajmniejsze naprężenie, podczas gdy próbka nadal odkształca się bez zauważalnego wzrostu naprężenia.
3. Granica wytrzymałości długotrwałej nazywana jest największym naprężeniem w danej temperaturze, powodującym zniszczenie próbki przez określony czas. Określenie właściwości mechanicznych materiałów koncentruje się na ostatecznych jednostkach wytrzymałości długoterminowej - zniszczenie następuje w temperaturze 7000 stopni Celsjusza w ciągu 100 godzin.
4. Warunkową granicą pełzania jest naprężenie, które powoduje w danej temperaturze przez określony czas w próbce dane wydłużenie, a także szybkość pełzania. Granicą jest deformacja metalu przez 100 godzin w temperaturze 7000 stopni Celsjusza o 0,2%. Pełzanie to pewna szybkość deformacji metali pod stałym obciążeniem i wysoką temperaturą przez długi czas. Odporność na ciepło to odporność materiału na pękanie i pełzanie.
5. Granica zmęczenia jest najwyższą wartością naprężenia w cyklu, gdy nie występuje zniszczenie zmęczeniowe. Liczba cykli ładowania może być podana lub dowolna, w zależności od tego, jak zaplanowane jest badanie mechaniczne materiałów. Właściwości mechaniczne obejmują zmęczenie i wytrzymałość materiału. Pod działaniem obciążeń w cyklu kumulują się uszkodzenia, powstają pęknięcia, prowadzące do zniszczenia. To jest zmęczenie. A właściwością wytrzymałości zmęczeniowej jest wytrzymałość.
Rozciągnij i obkurcz
Materiały używane w inżynieriipraktyki są podzielone na dwie grupy. Pierwsza jest plastyczna, do zniszczenia której muszą pojawić się znaczne odkształcenia szczątkowe, druga jest krucha, zapadająca się przy bardzo małych odkształceniach. Oczywiście taki podział jest bardzo arbitralny, ponieważ każdy materiał, w zależności od stworzonych warunków, może zachowywać się zarówno jako kruchy, jak i ciągliwy. Zależy to od charakteru stanu naprężenia, temperatury, szybkości odkształcenia i innych czynników.
Właściwości mechaniczne materiałów przy rozciąganiu i ściskaniu są wymowne zarówno dla plastycznych, jak i kruchych. Na przykład stal miękka jest testowana na rozciąganie, a żeliwo na ściskanie. Żeliwo jest kruche, stal jest ciągliwa. Materiały kruche mają większą wytrzymałość na ściskanie, natomiast odkształcenie rozciągające jest gorsze. Plastik ma w przybliżeniu takie same właściwości mechaniczne jak materiały przy ściskaniu i rozciąganiu. Jednak ich próg jest nadal określany przez rozciąganie. To właśnie te metody mogą dokładniej określić właściwości mechaniczne materiałów. Wykres rozciągania i ściskania pokazano na ilustracjach do tego artykułu.
Kruchość i plastyczność
Co to jest plastyczność i kruchość? Pierwsza to zdolność do nie zapadania się, otrzymywania odkształceń szczątkowych w dużych ilościach. Ta właściwość ma decydujące znaczenie dla najważniejszych operacji technologicznych. Gięcie, ciągnienie, ciągnienie, tłoczenie i wiele innych operacji zależy od właściwości plastyczności. Materiały ciągliwe obejmują wyżarzoną miedź, mosiądz, aluminium, stal miękką, złoto i tym podobne. Znacznie mniej plastyczny brązi opona twarda. Prawie wszystkie stale stopowe są bardzo słabo ciągliwe.
Charakterystykę wytrzymałościową materiałów z tworzyw sztucznych porównuje się z granicą plastyczności, która zostanie omówiona poniżej. Na właściwości kruchości i plastyczności duży wpływ ma temperatura i szybkość ładowania. Szybkie naciąganie powoduje, że materiał staje się kruchy, a powolne napinanie ciągliwe. Na przykład szkło jest materiałem kruchym, ale może wytrzymać długotrwałe obciążenie, jeśli temperatura jest normalna, to znaczy wykazuje właściwości plastyczności. Stal miękka jest ciągliwa, ale pod obciążeniem udarowym wydaje się być materiałem kruchym.
Metoda wariacji
Właściwości fizyko-mechaniczne materiałów są określane przez wzbudzanie drganiami wzdłużnymi, zginającymi, skrętnymi i innymi, jeszcze bardziej złożonymi rodzajami drgań oraz w zależności od wielkości próbek, kształtów, rodzajów odbiornika i wzbudnicy, metody mocowań i schematów przykładania obciążeń dynamicznych. Wyroby wielkogabarytowe podlegają również badaniom tą metodą, jeśli znacząco zmieni się sposób stosowania w metodach przykładania obciążenia, wzbudzania drgań i ich rejestracji. Tę samą metodę stosuje się do określenia właściwości mechanicznych materiałów, gdy konieczna jest ocena sztywności konstrukcji wielkogabarytowych. Metoda ta nie jest jednak wykorzystywana do lokalnego określania właściwości materiału w produkcie. Praktyczne zastosowanie techniki jest możliwe tylko wtedy, gdy znane są wymiary geometryczne i gęstość, gdy możliwe jest mocowanie produktu na podporach oraz naprodukt - konwertery, wymagane są określone warunki temperaturowe itp.
Na przykład podczas zmiany reżimów temperaturowych następuje taka lub inna zmiana, właściwości mechaniczne materiałów zmieniają się po podgrzaniu. W tych warunkach prawie wszystkie ciała rozszerzają się, co wpływa na ich strukturę. Każde ciało ma pewne właściwości mechaniczne materiałów, z których się składa. Jeśli te cechy nie zmieniają się we wszystkich kierunkach i pozostają takie same, takie ciało nazywamy izotropowym. Jeśli zmienią się właściwości fizyczne i mechaniczne materiałów - anizotropowe. Ta ostatnia jest cechą charakterystyczną prawie wszystkich materiałów, tylko w różnym stopniu. Ale są na przykład stale, których anizotropia jest bardzo znikoma. Jest to najbardziej widoczne w takich naturalnych materiałach jak drewno. W warunkach produkcyjnych właściwości mechaniczne materiałów są określane poprzez kontrolę jakości, w której stosuje się różne GOST. Oszacowanie niejednorodności uzyskuje się z przetwarzania statystycznego, gdy podsumowuje się wyniki testu. Próbki powinny być liczne i wycięte z konkretnego projektu. Ta metoda uzyskiwania cech technologicznych jest uważana za dość pracochłonną.
Metoda akustyczna
Istnieje wiele akustycznych metod określania właściwości mechanicznych materiałów i ich charakterystyk, a wszystkie różnią się sposobem wprowadzania, odbioru i rejestracji oscylacji w trybie sinusoidalnym i impulsowym. Metody akustyczne wykorzystywane są do badania np. materiałów budowlanych, ich grubości i stanu naprężenia podczas defektoskopii. Charakterystyki mechaniczne materiałów konstrukcyjnych określa się również metodami akustycznymi. Obecnie opracowywane i masowo produkowane są różne elektroniczne urządzenia akustyczne, które umożliwiają rejestrację fal sprężystych, ich parametrów propagacji zarówno w trybie sinusoidalnym, jak i impulsowym. Na ich podstawie określa się właściwości mechaniczne wytrzymałości materiałów. W przypadku zastosowania oscylacji sprężystych o małej intensywności metoda ta staje się całkowicie bezpieczna.
Wadą metody akustycznej jest konieczność kontaktu akustycznego, który nie zawsze jest możliwy. Dlatego prace te nie są zbyt wydajne, jeśli konieczne jest pilne uzyskanie właściwości mechanicznych wytrzymałości materiałów. Na wynik duży wpływ ma stan powierzchni, kształty geometryczne i wymiary badanego produktu, a także środowisko, w którym przeprowadzane są testy. Aby przezwyciężyć te trudności, należy rozwiązać konkretny problem ściśle określoną metodą akustyczną lub przeciwnie, zastosować kilka z nich na raz, zależy to od konkretnej sytuacji. Na przykład włókno szklane dobrze nadaje się do takich badań, ponieważ prędkość propagacji fal sprężystych jest dobra, a zatem sondowanie od końca do końca jest szeroko stosowane, gdy odbiornik i nadajnik znajdują się na przeciwległych powierzchniach próbki.
Defektoskopia
Metody defektoskopii są wykorzystywane do kontroli jakości materiałów w różnych gałęziach przemysłu. Istnieją metody nieniszczące i niszczące. Nieniszczące obejmują następujące elementy.
1. Defektoskopia magnetyczna służy do określenia pęknięć powierzchniowych i braku penetracji. Obszary, które mają takie defekty, charakteryzują się zbłąkanymi polami. Możesz je wykryć za pomocą specjalnych urządzeń lub po prostu nałożyć warstwę proszku magnetycznego na całą powierzchnię. W miejscach ubytków lokalizacja proszku zmieni się nawet po nałożeniu.
2. Defektoskopię przeprowadza się również za pomocą ultradźwięków. Wiązka kierunkowa będzie odbijana (rozproszona) w różny sposób, nawet jeśli w głębi próbki występują jakiekolwiek nieciągłości.
3. Wady materiału dobrze pokazuje metoda badań radiacyjna, oparta na różnicy w pochłanianiu promieniowania przez ośrodek o różnej gęstości. Wykorzystywane są defektoskopia gamma i promieniowanie rentgenowskie.
4. Wykrywanie defektów chemicznych. Jeżeli powierzchnia jest trawiona słabym roztworem kwasu azotowego, solnego lub ich mieszaniną (aqua regia), to w miejscach, w których występują defekty, pojawia się sieć w postaci czarnych pasków. Możesz zastosować metodę, w której usuwa się odciski siarki. W miejscach, gdzie materiał jest niejednorodny, siarka powinna zmienić kolor.
Metody niszczące
Metody niszczące są tu już częściowo zdemontowane. Próbki są badane pod kątem zginania, ściskania, rozciągania, czyli stosowane są statyczne metody niszczące. Jeśli produktsą badane przy zmiennych obciążeniach cyklicznych przy zginaniu udarowym - określane są właściwości dynamiczne. Metody makroskopowe rysują ogólny obraz struktury materiału w dużych objętościach. Do takiego badania potrzebne są specjalnie wypolerowane próbki, które poddawane są trawieniu. Można więc zidentyfikować kształt i układ ziaren np. w stali, obecność kryształów z odkształceniami, włókien, otoczek, pęcherzyków, pęknięć i innych niejednorodności stopu.
Metody mikroskopowe badają mikrostrukturę i ujawniają najmniejsze defekty. W ten sam sposób próbki są wstępnie szlifowane, polerowane, a następnie wytrawiane. Dalsze testy obejmują zastosowanie mikroskopów elektrycznych i optycznych oraz analizy dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego. Podstawą tej metody jest interferencja promieni, które są rozpraszane przez atomy substancji. Właściwości materiału są kontrolowane poprzez analizę wzoru dyfrakcji rentgenowskiej. Właściwości mechaniczne materiałów decydują o ich wytrzymałości, co jest najważniejsze w przypadku konstrukcji budowlanych, które są niezawodne i bezpieczne w eksploatacji. Dlatego materiał jest dokładnie testowany różnymi metodami w każdych warunkach, które jest w stanie zaakceptować bez utraty wysokiego poziomu właściwości mechanicznych.
Metody kontroli
W przypadku prowadzenia nieniszczących badań właściwości materiałów ogromne znaczenie ma właściwy dobór skutecznych metod. Najdokładniejsze i najbardziej interesujące pod tym względem są metody wykrywania wad – kontrola defektów. Tutaj konieczne jest poznanie i zrozumienie różnic między metodami wdrażania metod wykrywania wad a metodami określania właściwości fizycznychwłaściwości mechaniczne, ponieważ zasadniczo różnią się od siebie. Jeśli te ostatnie opierają się na kontroli parametrów fizycznych i ich późniejszej korelacji z właściwościami mechanicznymi materiału, to wykrywanie wad opiera się na bezpośredniej konwersji promieniowania, które odbija się od defektu lub przechodzi przez kontrolowane środowisko.
Najlepszą rzeczą jest oczywiście kompleksowa kontrola. Złożoność polega na określeniu optymalnych parametrów fizycznych, które można wykorzystać do określenia wytrzymałości oraz innych właściwości fizycznych i mechanicznych próbki. Równocześnie opracowuje się, a następnie wdraża optymalny zestaw środków do kontroli wad konstrukcyjnych. I wreszcie pojawia się całościowa ocena tego materiału: o jego działaniu decyduje cały szereg parametrów, które pomogły określić metody nieniszczące.
Testowanie mechaniczne
Własności mechaniczne materiałów są testowane i oceniane za pomocą tych testów. Ten rodzaj kontroli pojawił się dawno temu, ale nadal nie stracił na aktualności. Nawet nowoczesne materiały high-tech są często i ostro krytykowane przez konsumentów. A to sugeruje, że badania należy przeprowadzać ostrożniej. Jak już wspomniano, testy mechaniczne można podzielić na dwa typy: statyczne i dynamiczne. Te pierwsze sprawdzają produkt lub próbkę pod kątem skręcania, rozciągania, ściskania, zginania, a te drugie pod kątem twardości i udarności. Nowoczesny sprzęt pomaga wykonywać te niezbyt proste procedury z zachowaniem wysokiej jakości i identyfikować wszystkie problemy operacyjne.właściwości tego materiału.
Test rozciągania może wykazać odporność materiału na skutki przyłożonego stałego lub rosnącego naprężenia rozciągającego. Metoda jest stara, sprawdzona i zrozumiała, stosowana od bardzo dawna i nadal jest szeroko stosowana. Próbka jest rozciągana wzdłuż osi wzdłużnej za pomocą uchwytu w maszynie wytrzymałościowej. Szybkość rozciągania próbki jest stała, obciążenie jest mierzone przez specjalny czujnik. Jednocześnie monitorowane jest wydłużenie, a także jego zgodność z przyłożonym obciążeniem. Wyniki takich testów są niezwykle przydatne, jeśli mają powstać nowe projekty, ponieważ nikt jeszcze nie wie, jak będą się zachowywać pod obciążeniem. Tylko identyfikacja wszystkich parametrów elastyczności materiału może sugerować. Maksymalne naprężenie - granica plastyczności określa maksymalne obciążenie, jakie może wytrzymać dany materiał. Pomoże to obliczyć margines bezpieczeństwa.
Test twardości
Sztywność materiału jest obliczana na podstawie modułu sprężystości. Połączenie płynności i twardości pomaga określić elastyczność materiału. Jeśli proces technologiczny obejmuje takie operacje jak przeciąganie, walcowanie, prasowanie, to po prostu konieczne jest poznanie wielkości możliwego odkształcenia plastycznego. Dzięki wysokiej plastyczności materiał będzie mógł przybrać dowolny kształt pod odpowiednim obciążeniem. Test kompresji może również służyć jako metoda wyznaczania marginesu bezpieczeństwa. Zwłaszcza jeśli materiał jest delikatny.
Twardość jest testowana przy użyciuIdentator, który jest wykonany z dużo twardszego materiału. Najczęściej test ten przeprowadza się metodą Brinella (kula jest wciskana), Vickersa (identyfikator w kształcie piramidy) lub Rockwella (stosowany jest stożek). Identyfikator jest wciskany w powierzchnię materiału z określoną siłą przez określony czas, a następnie badany jest odcisk pozostający na próbce. Istnieją inne dość szeroko stosowane testy: na udarność, na przykład, gdy wytrzymałość materiału jest oceniana w momencie przyłożenia obciążenia.
