Череповецкий государственный университет Методы и средства измерений, испытаний

Череповецкий государственный университет Методы и средства измерений, испытаний и контроля 5 -й семестр Испытания металлов и сплавов Курс лекций Разработчик: Кабаков П. З. Череповец 2009 г.

Тема 4. ТЕХНОЛОГИИ ИЗМЕРЕНИЙ 4. 1. Методы и средства измерения линейных и угловых размеров тел. 4. 2. Методы и средства измерения электрических величин 4. 3. Методы и средства измерения и контроля давления. 4. 4. Методы и средства измерения расхода и количества вещества. 4. 5. Методы и средства измерения уровня. 4. 6. Методы и средства измерения температуры. 4. 7. Методы и средства измерения химического состава и свойств веществ 4. 8. Методы и средства измерения вязкости. 4. 9. Методы и средства измерения содержания влаги. Тема 5. ИСПЫТАНИЯ И КОНТРОЛЬ Введение. Роль измерений, испытаний и контроля в повышении качества продукции, услуг и производства Общие сведения об испытаниях и контроле качества продукции ОАО «Северсталь» .

Испытания металлов и сплавов Цель испытания материалов состоит в том, чтобы оценить качество материала, определить его механические и эксплуатационные характеристики и выявить причины потери прочности. Различаю следующие методы испытаний: 1. Химические методы 2. Механические методы 3. Оптические и физические методы 4. Специальные методы 1. Химические методы испытаний. Химические испытания обычно состоят в том, что стандартными методами качественного и количественного химического анализа определяется состав материала и устанавливается наличие или отсутствие нежелательных и легирующих примесей. Х. испытания могут дополняются оценкой стойкости материалов, в частности с покрытиями, к коррозии под действием химических реагентов. Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 3

2. Механические методы. Механические испытания обычно проводят для выяснения поведения материала в определенном напряженном состоянии. Такие испытания дают важную информацию о прочности и пластичности металла. Испытания • на растяжение • на ударную вязкость • на усталость • на глубокую вытяжку • на ползучесть • на определение твердости • на излом Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению. Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 4

Испытания на растяжение Это - один из самых распространенных видов механических испытаний. Подготовленный образец помещают в захваты испытательного стенда, который прикладывает к нему растягивающие усилия. Регистрируется удлинение, соответствующее каждому значению растягивающего напряжения. По этим данным строиться диаграмма напряжение – деформация из которой определяются основные механические характеристики-свойства: предела пропорциональности (упругости), условный предел текучести, предел прочности (временное сопротивление) и относительное удлинение. Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 5

Испытания на растяжение Результаты механических испытаний Наиболее пластичный образец? ? ? Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 6

Испытания на растяжение Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца Начальный участок является линейным (участок упругой деформации). Затем начинается область пластической деформации (3 -4). Эта деформация остаётся и после снятия приложенной нагрузки. Переход в пластическую область обнаруживается не только по проявлению остаточных деформаций, но и по уменьшению наклона кривой с увеличением степени деформации. Данный участок диаграммы обычно называют площадкой (зоной) общей текучести, так как пластические деформации образуются по всей рабочей длине образца. Точки: 1. Предел прочности (временное сопротивление разрушению) 2. Условный предел текучести (σ0. 2) 3. Предел пропорциональности (упругости) 4. Точка разрушения 5. Деформация (удлинение) при условном пределе текучести (обычно 0, 2 %) Δl, мм Типичная диаграмма σ — ε Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 7

Испытания на растяжение Основные характеристики механических свойств металлов: Условный предел текучести (s 0, 2) – это напряжение, при котором образец получает остаточное (пластическое) удлинение, равное 0, 2 % своей расчетной длины Временное сопротивление (предел прочности) sb – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца Относительное остаточное удлинение (δ, %) определяется по формуле Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 8

Примеры Металлы и сплавы Состояние Предел текучести, МПа Предел прочности на растяжение, МПа Удлинение, % Малоуглеродистая сталь (0, 2% С) Горячекатанная 300 450 35 Среднеуглеродистая сталь (0, 4% С, 0, 5% Mn) Упрочненная и отпущенная 450 700 21 Высокопрочная сталь (0, 4% С, 1, 0% Mn, 1, 5% Si, 2, 0% Cr, 0, 5% Мo) Упрочненная и отпущенная 1750 2300 11 Серый чугун После литья – 175– 300 0, 4 Алюминий технически чистый Отожженный 35 90 45 Алюминий технически чистый Деформационноупрочненный 150 170 15 Алюминиевый сплав (4, 5% Cu, 1, 5% Mg, 0, 6% Mn) Упрочненный старением 360 500 13 Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) Полностью отожженная 80 300 66 Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) Деформационноупрочненная 500 530 8 Вольфрам, проволока Тянутая до диаметра 0, 63 мм 2200 2300 2, 5 Свинец После литья 0, 006 12 30 Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 9

Испытания на ударную вязкость Ударной вязкостью называется отношение работы, необходимой для разрушения образца, к площади поперечного сечения образца в месте надреза. Вязкость противоположна хрупкости. Это способность материала сопротивляться разрушению, поглощая энергию удара. Чем выше вязкость, тем меньше скорость роста трещины. Хрупкое разрушение стали было причиной многочисленных аварий, таких, как неожиданные прорывы трубопроводов, взрывы сосудов давления и складских резервуаров, обвалы мостов. Рассмотрим 2 вида ударной вязкости, отличающихся видом надреза образца: а) KCU б) KCV КС = Еразр. /Fизлома, Еразр. = mg(H 1 -Н 2) E разр. – энергия, необходимая для разрушения образца, F излома – площадь поверхности излома, ЕИ - Дж/м 2. Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 10

Испытания на ударную вязкость ИСО 179 (ASTM D 256) При использовании метода Шарпи призматический образец металла с надрезом подставляют под удар отведенного маятника. Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по расстоянию, на которое маятник отклоняется после удара – Н 2. Маятниковый копёр для испытания материалов на ударную вязкость Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 11

Испытания на глубокую вытяжку Образец листового металла зажимается между двумя кольцами, и в него вдавливается шаровой пуансон. Глубина вдавливания и время до разрушения являются показателями пластичности материала и измеряется в «мм» . Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 12

Испытания на усталость Такие испытания имеют целью исследование поведения металла при циклическом приложении нагрузок и определение предела выносливости материала, т. е. напряжения, ниже которого материал не разрушается после заданного числа циклов нагружения. Чаще всего применяется машина для испытания на усталость при изгибе. При этом наружные волокна цилиндрического образца подвергаются действию циклически меняющихся напряжений - то растягивающих, то сжимающих. Испытание на усталость образцов с тороидальной рабочей частью в условии изгиба с вращением Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 13

Определение твердости. Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации. Твердость чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания "индентора" (наконечника) определенной формы под действием известной нагрузки. Твердость - очень хороший показатель физического состояния металла, по которому можно с уверенностью судить о его внутренней структуре. Инденторы а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 14

Испытания на излом. В таких испытаниях образец разрушают резким ударом, а затем излом исследуют под микроскопом, выявляя поры, включения, волосовины, флокены и сегрегацию. Подобные испытания позволяют приблизительно оценить размер зерна, толщину закаленного слоя, глубину цементации или обезуглероживания и другие элементы структуры в сталях. Испытания на ползучесть. В таких испытаниях оценивается совместное влияние длительного приложения нагрузки и повышенной температуры на пластическое поведение материалов при напряжениях, не превышающих предела текучести, определяемого в испытаниях малой длительности. Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 15

Оптические и физические методы: 1. Микроскопическое исследования 2. Радиографический контроль 3. Ультразвуковой контроль Микроскопическое исследования. Металлургический и (в меньшей степени) поляризационный микроскопы часто позволяют надежно судить о качестве материала и его пригодности для рассматриваемого вида применения. При этом удается определить структурные характеристики, в частности размеры и форму зерен, фазовые соотношения, наличие и распределение диспергированных инородных материалов. Радиографический контроль. Рентгеновское или гамма-излучение направляется на испытуемую деталь с одной стороны и регистрируется на фотопленке, расположенной по другую сторону. На полученной теневой рентгено- или гаммаграмме выявляются такие несовершенства, как поры, сегрегация и трещины. Произведя облучение в двух разных направлениях, можно определить точное расположение дефекта. Такой метод часто применяется для контроля качества сварных швов и слябов (поиск внутренних дефектов). Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 16

Оптические и физические методы: 3. Ультразвуковой контроль. Ультразвук — упругие колебания высокой частоты. Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до миллиарда Гц. Если в металл послать короткий импульс ультразвука, то он частично отразится от внутреннего дефекта - трещины или включения. Отраженные ультразвуковые сигналы регистрируются приемным преобразователем, усиливаются и представляются на экране электронного осциллографа. По измеренному времени их прихода к поверхности можно вычислить глубину дефекта, от которого отразился сигнал, если известна скорость звука в данном металле. Контроль проводится весьма быстро и зачастую не требует выведения детали из эксплуатации. Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 17

3. Ультразвуковой контроль. Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 18

Специальные методы. Существует ряд специализированных методов контроля, имеющих ограниченную применимость, которые разрабатываются под единичные виды продукции или процессы. К ним относится, например, метод прослушивания со стетоскопом, основанный на изменении вибрационных характеристик материала при наличии внутренних дефектов. Иногда проводят испытания на циклическую вязкость для определения демпфирующей способности материала, т. е. его способности поглощать вибрации. Она оценивается по работе, превращающейся в теплоту в единице объема материала за один полный цикл обращения напряжения. Инженеру, занимающемуся проектированием строений и машин, подверженных вибрациям, важно знать демпфирующую способность конструкционных материалов. Испытания металлов и сплавов Череповецкий государственный университет 19