Для чего служит концентратор напряжений

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Концентраторы напряжения ( отверстия в теле детали, резкие переходы от более толстого к тонкому сечению, механические надрезы, трещины и др.) могут существенно снизить прочность некоторых материалов, поэтому образцы испытывают на чувствительность к надрезу и трещине. Длительное воздействие статических нагрузок и повышенной температуры вызывает необходимость проведения испытаний на ползучесть. Проводятся испытания на износ и истирание, на коррозионную усталость и склонность к коррозионному растрескиванию, на термостойкость и другие виды испытаний. [1]

Концентраторы напряжений могут служить источником коррозионного растрескивания титана в том случае, если электролит ( растворы солей, морская вода) попадает в концентратор напряжений после нагружения. При попадании электролита в концентратор до нагружения детали титан проявляет высокую стойкость к коррозионному растрескиванию. Поскольку в дымососы электролит попадает в основном после нагружения, при конструировании рабочего колеса из титана необходимо исключить концентраторы напряжения. Контактная или гальваническая коррозия часто наблюдается в конструкциях из разнородных материалов. [3]

Концентраторы напряжений в свою очередь способствуют коррозионному растрескиванию сплавов. Растрескивание напряженного металла можно условно рассматривать как процесс, состоящий из нескольких стадий: начальной, когда разрушение идет только в одной микрообласти, и последующих стадий, вовремя которых происходит углубление начального микроразрушения, приводящего к мгновенному разрушению металла. [4]

Концентраторы напряжений вызывают неравномерное распределение напряжений и деформаций при нагру-жении. Многие концентраторы таковы, что при нагруже-нии в отдельных участках элемента могут возникать пластические деформации. В результате этого после разгрузки сосуда от испытательного давления в окрестности концентратора возможно возникновение полей остаточных напряжений, отличающихся от таковых при нагружении. Причем в зонах, где возникли пластические деформации при нагружении, реализуются напряжения сжатия. [5]

Концентраторы напряжений существенно снижают усталостную прочность и долговечность материалов В95Т и Д16Т при циклическом нагружении их на воздухе. Степень снижения усталостной прочности и долговечности зависит от типа концентратора напряжения, материала и базы испытания. [6]

Концентраторы напряжений в центре образца обеспечивали поперечную деформацию металла шва: в нем развивалась продольная трещина. Однако при такой схеме испытаний в деформации, кроме металла шва, участвовал и основной металл, что отрицательно сказывалось на точности результатов. [7]

Концентраторы напряжений приводят к снижению конструктивной прочности металла. [8]

Концентраторы напряжения ( отверстия в теле детали, резкие переходы от более толстого к тонкому сечению, механические надрезы, трещины и др.) могут существенно снизить прочность некоторых материалов, поэтому образцы испытывают на чувствительность к надрезу и трещине. Длительное воздействие статических нагрузок и повышенной температуры вызывает необходимость проведения испытаний на ползучесть. Проводятся испытания на износ и истирание, на коррозионную усталость и склонность к коррозионному растрескиванию, на термостойкость и другие виды испытаний. [9]

Концентраторы напряжений в виде механических дефектов поверхности стали или коррозионных язв с наибольшей вероятностью становятся локальными анодами при частичном повреждении пассивной пленки на поверхности арматуры, например хлор-ионааии. [12]

Концентраторы напряжений в виде отверстий в образцах сверлят, боковые выточки получают шлифовальным кругом, заправленным под, требуемый угол и радиус. Профиль выточек и диаметр отверстий на образцах контролируют при увеличении на проекторе инструментального микроскопа. [14]

Концентраторы напряжений ( в макромасштабе) могут быть определены как резкие изменения в геометрии или свойствах материала, вызывающие изменения величины действующих нагрузок и ( или) интенсивности напряжений. Изменение толщины или отверстия в слоистом композите является примером влияния геометрии на концентрацию напряжений. Концентрация напряжений из-за изменений в свойствах материала возникает, например, тогда, когда в слоистый композит в процессе его изготовления вводят металлические вкладыши или прокладки. В этом разделе рассматриваются только концентраторы напряжений, порожденные нарушениями непрерывности материала. Резкие изменения в свойствах материала почти всегда связаны с клеевыми или механическими соединениями, анализ которых содержится в следующем разделе главы. Концентраторы напряжений могут быть двух типов: заранее известными ( или заданными) и случайными. Концентраторы первого типа образуются при формовании изделий или в результате их механической обработки. Некоторые вопросы общего характера, касающиеся этих проблем, будут рассмотрены раздельно, однако основное внимание уделено исследованию концентраторов в виде заранее заданных круговых отверстий. [15]

Источник

Способы снижения влияния концентраторов напряжений на усталостную прочность валов и осей

В нашей работе мы часто сталкиваемся явлением, поломки тех или иных деталей оборудования. По виду разрушения эти поломки часто имеют усталостный характер, как раз на участках концентрации напряжений.

Что такое концентрация напряжений

Концентрацией напряжений называют резкое возрастание напряжений в местах резкого изменения формы тела (в районе внутренних углов, выточек, отверстий, канавок и т.д.). В местах концентрации напряжений несправедлива гипотеза плоских сечений и формулы сопротивления материалов неприменимы.

Ярко выражены усталостные повреждения в цилиндрических деталях по типу валов. На рис. 1 приведен пример вала, с усталостной поломкой которого (рис. 2) пришлось столкнуться на практике нашему коллективу.

Рисунок 1 – Вал-шестерня в составе валковой машины Рисунок 2 – Общий вид поломки вала

Как видно, на рис. 2 поломка имеет явные признаки усталостного разрушения детали. Об этом свидетельствует характер излома, а также это косвенно подтверждается наличием значительного износа рабочих поверхностей зубчатой шестерни. Кроме того, в процессе эксплуатации происходили кратковременные перегрузки линии привода, которые не приводили к аварийным ситуациям благодаря наличию клиноременной передачи и защиты по току электродвигателя. Тем не менее, наличие даже кратковременных перегрузок способствовало развитию усталостных процессов в данном валу. Но одним из важных моментов, который оказал существенное влияние на усталостное разрушение вала, являлось наличие концентраторов напряжений на участках перехода — галтели были очень малы, а перепад диаметра от основного тела вала к шестерне значительный.

Данный практический эпизод дал нам повод для обновления в памяти знаний о концентраторах напряжений, что в дальнейшем привело нас к разработке ряда технических решений по деталям оборудования, которым занимается наш коллектив. Разработанные решения касались изменения профиля некоторых валов с целью снижения концентрации напряжений на участках перехода.

Далее приведем краткую информацию, которой мы руководствовались при поиске рациональных конструктивных решений, а также ту, которая может быть полезна нашим читателям.

И как всегда, по традиции, просим делится Вашим мнением и знаниями, ведь мы работая в небольшом коллективе, сталкиваясь с большим количеством разнообразных задач, не можем обладать полнотой знаний по всем направлениям машиностроения, ремонта и эксплуатации оборудования и любой совет и конструктивную критику воспринимаем с благодарностью.

Типы концентраторов напряжений

Концентраторы напряжений в совокупности с действием повышенных нагрузок способствуют образованию трещин в деталях машин. За счет оптимизации геометрических параметров деталей возможно повысить ресурс деталей работающих в условиях воздействия переменных нагрузок. К таким способам оптимизации можно отнести создание разгрузочных канавок, скругление углов перехода, смещение концентраторов в менее нагруженные участки детали и т. п.

Особенностью многих концентраторов напряжений в деталях является то, что они расположены на участках технологических переходов, в которых как раз и возникают пиковые напряжения (рис. 1).

Рисунок 3 – Пример типичных концентраторов напряжений

(a) и (b) – вал с радиальной канавкой при растяжении;
(c) и (d) ступенчатая плоская пластина, подвергаемая изгибу;
(e) и (f) вал подвергаемый кручению;
(а), (в) и (д) – расчеты произведены Ansys;
(б), (г) и (е) – расчеты произведены в Inventor.

К примеру, у деталей исходная заготовка которой представляет собой поковку, при последующей механической обработке происходит удаление упрочненных участков. Кроме того, переходы формы кованых и штампованных деталей имеют пониженную прочность на этих участках за счет вытяжки металла.

Для литых заготовок концентраторы образуются на участках перехода формы за счет нарушения структуры металла при кристаллизации и охлаждении. На таких участках высока вероятность возникновения микротрещин, присутствия пористости металла и остаточных напряжений.

Таким образом существуют два типа концентраторов напряжений — обусловленные геометрическими параметрами детали и технологические.

Концентраторы напряжений в валах и осях

На рис. 3 представлены типичные примеры участков перехода формы валов и осей.

В качестве иллюстрации эффективности применения разгрузочных канавок на рис. 5 приведен простой пример расчетной модели.

Рисунок 5 – Пример моделирования снижения концентрации напряжений

Снижение усталостной прочности валов происходит также при напрессовке деталей. Снизить негативное влияние на показатели прочности применяют следующие методы:

В качестве примера применения описанных выше подходов на рис. 7, 8 приведен пример разработанного вала с модифицированными концентраторами напряжений.

Рис. 7. Модель вала с модифицированными концентраторами напряжений Рис. 8. Чертеж вала с модифицированными концентраторами напряжений

При конструировании данного вала, как видно из чертежа, применены отдельные приемы увеличения усталостной прочности. Кроме того, данный вал, как и тот, что представлен на рис.1, подвергается кратковременным перегрузкам, поэтому изначально расчеты велись с учетом максимальных нагрузок, которые могут быть на 30…50% выше номинальных. Это сделано было, по той причине, что зачастую клиенты, желая сэкономить на оборудовании, просят дать им машину с заведомо меньшей несущей способностью, при этом работают на пределе ее технических характеристик. При этом никто не гарантирует возникновения внештатных колебаний технологической нагрузки.

Расчет вала производился классическими методами сопротивления материалов, т.е. мы не прибегали в данном случае к моделированию нагруженности вала в специализированных компьютерных системах с применением метода конечных элементов.

Вал показанный на рис.1. также был модифицирован, но по просьбе нашего клиента мы не выкладываем его рабочий чертеж.

Резюме

В процессе нашей повседневной работы мы порой забываем о простейших приемах повышения ресурса эксплуатации деталей, поэтому периодически приходится заново открывать для себя давно известные правила. Что-то приходит с практикой, а кое-где нужен совет более опытного товарища. Мы надеемся на взаимопонимание наших читателей и будем ждать советов и практических рекомендаций.

Источник

Для чего служит концентратор напряжений

К наиболее распространенным концентраторам напряжений относятся 1) соединения с натягом, 2) галтели, 3) шпоночные пазы, 4) поперечные отверстия и 5) шлицы. [c.140]

Если в одном сечении встречаются несколько концентраторов напряжения, то в расчет вводится тот, который дает наивысший коэффициент концентрации ка- Поэтому конструктору важно знать какой концентратор наиболее опасен из числа встречающихся совместно. Рассмотрим наиболее распространенную комбинацию из прессовой посадки, галтели и шпоночного паза- [c.140]

Для смазки деталей, насаживаемых на оси, обычно устраиваются поперечные сверления, которые являются значительными концентраторами напряжения. В смазке нуждаются подшипники качения и скольжения. В подшипниках качения, делающих невысокое число оборотов, во многих случаях можно ограничиться периодической смазкой раз в один год или в шесть месяцев. В этом случае сверления отпадают. Поэтому отказ от подшипников скольжения помимо других преимуществ позволяет ликвидировать такой опасный концентратор напряжения, как поперечное отверстие. В тех случаях, когда сверле- [c.143]

Необходимо обратить внимание еще на одно важнейшее обстоятельство, которое е всегда учитывается. Оно- заключается в том, что более прочные стали (легированные) чувствительнее к концентраторам напряжений, чем более мягкие и вязкие стали. Это приводит к тому, что в некоторых случаях применение более дорогих легированных сталей е дает увеличения долговечности или снижения веса, а потому становится нерациональным. Поэтому применение легированных сталей должно сопровождаться соответствующим конструктивно-экономическим анализом. [c.144]

Концентраторы напряжений в наибольшей степени сказываются при усталостных, т. е. многократно воздействующих нагрузках. При однократном приложении нагрузки (статическое нагружение) воздействие много слабее, так как при этом возникают локальные деформации металла, снижающие коэффициент концентрации напряжений. Поэтому следует признать, что попытки испытывать детали путем нагружения статической нагрузкой являются ошибочными [12]. [c.31]

Уже на ранних стадиях исследования усталости было замечено, что детали чаще всего ломаются по смазочным отверстиям в валах, по шпоночным канавкам и по углам. Исследования показали, что такие неоднородности на детали ровной формы могут увеличивать напряжения в своей зоне до трех и более раз (например, смазочное отверстие с острыми кромками). Было установлено, что влияние этих концентраторов напряжений можно снизить, если предусмотреть большие радиусы внутренних переходов и скругления внешних кромок. Очень большой вред могут нанести царапины от поспешной механической обработки или обработки неверно выбранным или тупым инструментом. [c.99]

Концентраторы напряжений в наибольшей степени сказываются при усталостном нагружении, т. е. при многократном воздействии нагрузок. В условиях статического нагружения, при однократном приложении нагрузки, их воздействие проявляется во много раз слабее. Отчасти это объясняется тем, что при высоких статических напряжениях возникают локальные деформации металла, которые снижают коэффициент концентрации напряжений. Несмотря на то, что это общеизвестно, до сих пор широко распространена и упорно сохраняется практика выполнения статических испытаний под нагрузкой, которая строится на совершенно ошибочном предположении, будто таким образом можно установить работоспособность изделия. [c.100]

Влияние концентраторов напряжений на усталостную прочность образцов и деталей показано на рис. 16. Это условная схема, так же, лак экспериментальные данные о поведении материалов в интервале от прочности при однократном нагружении до предела усталости, крайне немногочисленны. [c.100]

Действие разгружающих надрезов основано на том, что добавление надреза в менее напряженном месте сечения детали уменьшает пики напряжений в зоне основного концентратора, действующего на том же сечении. [c.22]

В ходе НИР установлено, что эффект от ПХС достигается за счет образования диэлектрического, химически инертного защитного покрытия с одновременным изменением физико-механических свойств поверхностного слоя детали увеличением ее микротвердости (в 1,5-2 раза), значительного уменьшения коэффициента трения, залечивания микродефектов, поверхностных концентраторов напряжения. [c.157]

При работе деталей с переменным напряжением критерием прочности является предел выносливости. Величина по—следнего зависит не только от качества материалов, но и от конструкции детали, ее размеров, переходов сечений, различных концентраторов напряжений, состояния поверхности, термической и термохимической обработки и, наконец, среды, в которой работают детали. [c.120]

Наиболее широко распространены в машиностроении отливки из epqro чугуна. Это объясняется его отличными технологическими качествами, удовлетворяющими условиям литья деталей самой сложной конфигурации, относительной дешевизной производства литья и хорошей механической обрабатываемостью. Важными конструктивными свойствами серого чугуна являются способность поглощать вибрации, износостойкость и независимость предела выносливости от таких концентраторов напряжений, как царапины, риски и т.п. [c.138]

Эффективность поверхностного накле-п а. Поверхностный наклеп, выполняемый различными способами (дробеструйная обдувка, обкатка роликами или шариками, чеканка специальными бойками и др.), обеспечивает повышение твердости и других механических свойств поверхностного слоя. Одновременно с наклепом в нем возникают остаточные сжимающие напряжения. Эти напряжения значительно снижают или даже полностью ликвидируют отрицательное влияние концентраторов напряжений, расположенных, как правило, на поверхности деталей. В результате возрастает усталостная прочность и соответственно увеличиваются сроки службы деталей. [c.71]

Источник

КОНЦЕНТРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ

Факультет повышения квалификации и переподготовки руководящих

работников и специалистов инженерного профиля ИПК УО «ПГУ»

Подразделение переподготовки и повышения квалификации

по специальности «Химическая технология производства

и переработки органических материалов»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

для слушателей курсов

повышения квалификации специалистов,

НОВОПОЛОЦК 2007

Надежность оборудования потенциально опасных производств

В зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации надежность включает:

в отдельности или сочетание этих свойств.

Долговечность— свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

В каждый определенный момент времени объект может находиться в работоспособном, неработоспособном и предельном состояниях.

Объект работоспособен, если он выполняет свои функции, а значения всех его основных эксплуатационных характеристик соответствуют нормативно-технической документации. При несоблюдении этих условий объект неработоспособен.

Предельным называют такое состояние объекта, при котором возникает необходимость во временном или окончательном прекращении применения объекта по назначению. Переход объекта из работоспособного состояния в неработоспособное называют отказом, а переход в предельное состояние – исчерпанием ресурса.

Критерии отказа – это совокупность признаков, характеризующих неработоспособное состояние объекта, при котором использование объекта по назначению должно быть прекращено и он должен быть отправлен в ремонт или списан.

В соответствии с требованиями ГОСТ 27.002-89 и ГОСТ 27.003-90 критерии отказов и предельных состояний устанавливаются индивидуально для каждого вида объекта техническими условиями или стандартами.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ С ПОЗИЦИИ НАДЕЖНОСТИ.

Для материалов нефтехимического оборудования, аккумулирующих большое количество упругой энергии (сжатого газа), наряду с пластичностью и вязкостью особое значение приобретает и показатель прочности. При этом следует отметить, что, как правило, пластичность, трещиностойкость и сопротивление хрупкому разрушению стали снижаются с повышением ее прочности.

Однако и для нефтехимического оборудования не стоит забывать про возможность возникновения циклических нагрузок. Циклические нагрузки в большинстве случаев приводят к образованию усталостных трещин у концентраторов напряжений, которые в конечном итоге могут привести к разрушению оборудования.

Сопротивление материала зарождению трещины определяется способностью металла и сварных соединений к локальной пластической деформации в концентраторе напряжений.

Сопротивление стали развитию трещины, зависит от вязкости стали. Разрушения по телу металла чаще всего происходят в сталях с недостаточным уровнем вязких свойств.

Дополнительная особенность. Испытания, максимально гарантирующие отсутствие хрупкого разрушения материалов нефтехимического оборудования, а также его хладостойкость являются испытания на ударную вязкость полнотолщинных образцов – образцов ДВТТ (DWTT). Проведение именно указанных испытаний следует указывать в требованиях проекта, что в последствии должно отражаться в сертификате качества на трубы.

Таким образом, надежность и долговечность нефтехимического оборудования в значительной мере определяются уровнем механических свойств и качеством материала.

Под механическими свойствами материала подразумеваются, прежде всего, прочность и вязкопластические характеристики стали.

Под качеством стали для нефтехимического оборудования целесообразно понимать однородность металла по объему и отсутствие поверхностных дефектов, что определяется, в частности, химическим составом, содержанием вредных примесей и неметаллических включений, а также технологией производства металла. Только в этом случае механические свойства стали могут характеризовать пригодность и надежность материала для нефтехимического оборудования.

В общем случае требования к сталям для нефтехимического оборудования можно сформулировать следующим образом:

— по химическому составу – сталь должна содержать такие элементы, как ниобий, ванадий, титан, алюминий; содержание углерода, марганца, серы, фосфора должно быть минимальным.

Указанные требования могут быть реализованы следующими технологическими приемами: выплавка стали в конвертере или электропечи, внепечная обработка, прокатка в регулируемых интервалах температур, в частности при пониженных температурах и с ускоренным охлаждением.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1. статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

2. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.

3. повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение: ГОСТ 1497-90 получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. .

Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения Δl от напряжения σ

Рис. 1. Диаграмма растяжения: а – абсолютная, б – относительная; в – схема определения условного предела текучести

Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки.

Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.

Предел пропорциональности ( ) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа.

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%).

В обозначении указывается значение остаточной деформации .

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.

Физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести – это напряжение вызывающее остаточную деформацию

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.

Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности.

В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца.

Предел прочности – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой b, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке c происходит разрушение.

Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца (рис. 2.).

Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.

Рис. 2. Истинная диаграмма растяжения

— конечная площадь поперечного сечения образца.

Истинные напряжения определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения в данный момент времени.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность –– способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Это свойство используют при обработке металлов давлением.

 относительное удлинения.

и – начальная и конечная длина образца.

– абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.

— начальная площадь поперечного сечения

-площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.

Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.

Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 7.1.

Рис. 3. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-79)

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.3 а)

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .

Продолжительность выдержки τ: для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; τ= 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P /τ, НВ 5/ 250 /30 – 80.

Метод Роквелла ГОСТ 9013

Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 3 б)

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 кгс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой .

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (табл. 1)

Таблица 1.Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Метод Виккерса (ГОСТ 2999-85)

Твердость определяется по величине отпечатка (рис.3 в).

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости (ГОСТ 9450-92) – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс

Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

Можно нанести царапину шириной 10 мкм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.

Динамический метод (по Шору)

Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.

Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

С повышением температуры вязкость увеличивается (см. рис. 4).

Предел текучести S_т существенно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву S_от не зависит от температуры. При температуре выше Т_в предел текучести меньше сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии.

При температуре ниже Т_н сопротивление отрыву меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур

Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Рис. 4. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Способы оценки вязкости.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту (рис. 5)

Рис.5. Схема испытания на ударную вязкость: а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом; в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

На разрушение образца затрачивается работа:

где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара.

ГОСТ 9454 – 78 ударную вязкость обозначает KCV. KCU. KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 5 в)

Серийные испытания для оценки склонности металла к хладоломкости и определения критических порогов хладоломкости.

Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура ( а_н – Т) (рис. 5 г), определяя пороги хладоломкости.

– к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски),

– к скорости деформации.

Оценка вязкости по виду излома.

При вязком состоянии металла в изломе более 90 % волокон, за верхний порог хладоломкости Т_в принимается температура, обеспечивающая такое состояние. При хрупком состоянии металла в изломе 10 % волокон, за нижний порог хладоломкости Т_н принимается температура, обеспечивающая такое состояние. В технике за порог хладоломкости принимают температуру, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40 o С.

Испытания на выностивость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности.

Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.

Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис.6.

1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение

2 – постепенное распространение трещины, гладкая притертая поверхность

3 – окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается, а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое

Рис 6. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе круглого образца

Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“. Схема представлена на рис. 7.

Рис. 7. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б)

Предел выносливости ( – при симметричном изменении нагрузки, – при несимметричном изменении нагрузки) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N.

Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время.

Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.

КОНЦЕНТРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ

(виды и способы выявления)

Концентраторы напряжений можно разделить на две группы наружные и внутренние.

Наружными концентраторами напряжений являются чаще всего конструктивные элементы:

– наружные элементы сварных швов;

– переходы разнотолщинных элементов и др.

Внутренними концентраторами напряжений являются чаще всего различные дефекты внутреннего строения металлов и сварных швов:

– трещины внутренние и наружные в том числи и микротрещины и др.

Кроме того, концентраторы напряжений можно разделить на явные (выявляемые визуально при внешнем осмотре) и скрытые (можно обнаружить только при помощи специальных инструментов или приборов).

Концентраторы напряжений в конструкции можно выявить при следующих видах работ:

– изучении технической документации;

– толщинометрии элементов конструкции;

– испытании на твердость;

Дата добавления: 2018-06-01 ; просмотров: 1492 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник