Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [ 32 ] 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57

штангу 12 в вертикальном направлении относительно захвата, можно менять масштаб шкалы силоизмерителя. Вранаение захвата 5 вместе с маятником создает крутящий момент, направленный противоположно этому вращению и равный моменту кручения, переданному на образец активным захватом 4. Отклонение маятника Л от вертикального положения приводит к перемещению конца 6 штанги 12, затем стержня 9 н стрелки 10 силоизмерителя. Перемещение стрелки прямо пропорционально моменту кручения Мкр, который служит мерой сопротивления образца деформации, заменяя при кручении усилие Р, измерявшееся в других статических испытаниях.

В качестве меры деформации в процессе испытания фиксируется угол закручивания ф. Для точного измерения этого угла, особенно в области малых деформаций, рекомендуется использовать зеркальный прибор Мартенса или другой тензометр с большой точностью. Схема измерения показана на рис. 110. Два зеркала /, крепятся на границах расчетной длины образца 4. Напротив каждого из зеркал устанавливают шкалы 3 и зрительные трубы 2, с помощью которых фиксируют отраженные в зеркалах показания шкалы.

Во время испытания каждый захват машины поворачивается на определенный угол (больший у активного захвата). Угол закручивания образца равен разности этих углов. Однако он включает паразитные деформации зажимов и головок образца. Для нх исключения угол закручивания определяют на расчетной длине /о, помещая зеркала на некотором расстоянии от головок: ф = ф1-ф2. В области малых углов (см. рис. ПО) tg2 ф1?«2ф1= (ai-ao) . и tg2 ф2=2 ф2= (6i-6о)/-ь, где и 6о - начальные отсчеты; fli и 6i-отсчеты по шкалам после закручивания. Отсюда угол закручивания

Ф Ф1 - Ф2 = К«1 - &i) - («о - bo)V2L - Д;21. (64)

Зная текущие значения крутящего момента и угла закручивания, можно построить диаграмму кручения в ко-

Рис. по. Схема измерения угла закручивания зеркальным прибором Мартенса

Ординатах А/кр-Ф (рис. 111). Эта диаграмма состоит из участка упругой (Ор) и пластической деформации pk. Йз-за отсутствия значительного местного сужения ниспадающего участка на диаграмме кручения не бывает, хотя после образования первых трещин деформация становится неравномерной, сосредоточиваясь вблизи излома.

По аналогии с другими статическими испытаниями при кручении определяют условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности, а также истинный (р> предел прочности. Но все эти свойства выражают не через нормальные, а через касатель- " иые напряжения. В области уп-ругой деформации кручением цилиндрического образца

-шах = MJW = Л1 ,р d/2J, =

= (65)

где d - диаметр рабочей части образца; W-момент сопротивления; 1р- полярный МО- Рис. II!. Диаграмма кручения

мент инерции сечения для круглого образца, Jp = nd/32.

Формула (65) дает хорошие результаты и в области малых пластических деформаций, но после значительного пластического течения она уже непригодна. По ней рассчитывают все перечисленные выше прочностные свойства при кручении, кроме истинного предела прочности. Последний определяют по формуле, учитывающей поправку на пластическую деформацию: 4 /., , dMr

(66)

где Мкр - наибольший крутящий момент, предшествующий разрушению образца; 6 - удельный угол закручивания перед разрушением (в радианах на 1 мм):

е = (Ф1"Ф2) о- (67)

Предел пропорциональности при кручении Тпц - Это условное касательное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, когда тангенс угла (см. рис. 111, р), образуемого касательной к диаграмме кручения и осью деформаций, превышает первоначальное значение (tg р) на 50 %.

Методига определения Тпц аналогична описанной на примере предела пропорциональности при растяжении. Вначале образец нагружают крутящим моментом, соответствующим касательному напряжению 30 МПа для стали и 10% от ожидаемого предела пропорциональности для других материалов. Затем на образец устанавливают тензометр и фиксируют его начальные показания. Дальнейшее нагружение производят ступенями, сначала большими, потом малыми, и после каждой ступени измеряют величину Л [см. формулу (64)]. Испытание заканчивают после того, как величина Д/ после очередной малой ступени превысит в 2-3 раза величину Ai~n, полученную от первой малой ступени. После этого рассчитывают среднее значение величин Д на участке нагружения малыми ступенями и найденное значение увеличивают на 50%. Крутящий момент, соответствующий этому полуторному углу закручивания, и есть Мкр.пц, по которому определяют по формуле (65) предел пропорциональности.

Предел упругости при кручении ту пр условное касательное напряжение, при котором образец подвергается остаточной сдвиговой деформации на заданную величину. Допуск на остаточную деформацию задается но величине относительного сдвига.

-[(Ф1 -(Р2)/2/о]-100%, (68)

который должен быть равен 0,0045; 0,0075 или 0,016 7о.

Методика определения предела упругости аналогична рассмотренной для Тпц. За предел упругости тупр принимают напряжение, при котором относительный сдвиг становится равным сумме сдвига в момент достижения Хпц и заданного допуска.

На стадии упругой деформации по результатам испытания на кручение может быть определен модуль сдвига:

С=Мкр, [(ф1- ф2)/р].

При использовании прибора Мартенса (см. рис. 110) расчет модуля сдвига ведут по рабочей формуле: G = = 64L(Mhp,-Мкр {[(аш~М~(ао-ММ"}, где Мкр, От, Ьт - величина крутящего момента и показания тензометра на последней ступени нагружения, после которой диаграмма Мкр-ф становится нелинейной.

Определяемый при кручении предел текучести обычно условный. Это касательное напряжение, вычисляемое по формуле (65), которому соответствует остаточный относительный сдвиг на 0,3% (то.з), что эквивалентно удли-

нению е=0,2 %\ Методика онределення предела текучести при помощи тензометра аналогична рассмотренной для Тупр. Если масштаб диаграммы кручения таков, что 1 мм по оси деформаций соответствует gO,l %, а по осп Лкр - не более 10 МПа касательного напряжения, то условный предел текучести то,з может быть найден графически так же, как ооа при растяжении (см. рис. 111).

Условный предел прочности при кручении Тпч соответствует моменту кручения перед разрушением, его рассчитывают без учета пластической деформации по формуле (65). Для определения истинного предела прочности по формуле (66) образец после начала пластической деформации нагружают небольшими ступенями до разрушения, измеряя Мкру ф1 и ф2 после каждой ступени. Затем вычисляют удельный угол закручивания О по формуле (67) н строят участок диаграммы кручения перед разрушением в координатах Мкр-б. По полученной кривой графически определяют величину dMp/dQ как тангенс угла между касательной к точке, соответствующей наибольшему крутящему моменту, и осью абсцисс.

Условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности при кручении имеют физический и технический смысл, аналогичный соответствующим прочностным свойствам при других статических испытаниях для материалов, разрушающихся после сжатия и изгиба и дающих первичную диаграмму растяжения без максимума. Для материалов, в которых при растяжении образуется шейка, величины Тпч и особенно /к являются более строгими характеристиками предельной прочности в условиях кручения, чем Ов, Sb и Sk при растяжении.

Основной характеристикой пластичности при кручении является относительный сдвиг g, определяемый по формуле (68) в момент разрушения. Величина g при этом включает как упругую, так и остаточную деформацию. Для пластичных материалов, у которых вклад упругой деформации по сравнению с пластической относительно мал, общий сдвиг можно без большой погрешности принять за остаточный. Для малопластичных металлов и сплавов при расчете остаточного относительного сдвига необходимо вычесть из общего у, определенного но формуле (68), упругий сдвиг gynp= (Тпц/G) • 100 %.

Разновидностью испытаний на кручение является проба на скручивание проволоки диаметром d менее 10 мм (ГОСТ 1545-80). Образец длиной lOOd зажимается в твердых губках захватов и скручивается при вращении

одного из них с постоянной скоростью (30-90 об/мин), в результате испытания определяют число оборотов активного захвата до момента разрушения проволоки. Это число и считают критерием ее качества (пластичности).

5. Влияние легирования и структуры

на механические свойства металлов

при статических испытаниях гладких образцов

Влияние легирования и структуры на механические свойства подробно рассматривается в обших и специальных разделах курса «Металловедение». Поэтому здесь сжато даются лишь самые важные и общие закономерности для свойств при статических испытаниях.

В гл. HI, говоря о влиянии примесей и легировании на деформационное упрочнение, упоминалось и об изменении уровня напряжений течения. Повышение этого уровня при легировании равносильно повышению отдельных прочностных характеристик: пределов текучести, прочности и др. Наиболее четко связаны с изменением параметров структуры в результате легирования характеристики (в частности, предел текучести) сопротивления сплавов малым деформациям. Предел прочности, истинное сопротивление разрыву, а также характеристики пластичности не однозначно зависят от легирования.

В табл. 12 даны зн£«чения предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения при одно-

Таблица 12

Механические свойства гладких образцов из конструкционных сплавов при одноосном растяжении (комнатная температура)

осном растяжении ряда важнейших конструкционных металлических материалов. Эта таблица дает общее представление об уровнях свойств этих материалов. Видно, что в пределах каждой группы сплавов диапазон изменения свойств очень широк и определяется составом и структурой сплавов.

Растворное упрочнение

При легировании металлов растворимыми добавками повышаются все прочностные характеристики. В частности, предел текучести поликристаллических сплавов - твер- б,11Па дых растворов замещения час-то прямо пропорционален концентрации легирующего элемента до 10-30% (ат.). На рис. 112 показаны зависимости условного предела текучести 01,0 твердых растворов на основе меди от содержания (С) добавки. Видно, что разные легирующие элементы оказывают различное упрочняющее действие. Для твердых растворов внедрения на основе о. ц. к. металлов чаще характерна пропорциональность предела текучести корню квадратному из концентрации. Важно подчеркнуть, что, зная концентрационные зависимости предела текучести двойных сплавов, можно с достаточно высокой точностью (при отсутствии упорядочения) рассчитывать предел текучести не силзно легированных многокомпонентных твердых растворов, используя правило аддитивности. Если, например, известно, что добавление 1 % (ат.) А1 к меди вызывает прирост ао,2 на 60 МПа, то таким же будет эффект при легировании а-латуни, и мы можем без эксперимента определить оог тронного твердого раствора Си- Zn-А1.

Наиболее важными для теории легирования являются вопросы о механизме упрочнения и целенаправленного выбора легирующих элементов, дающих наибольший прирост прочностных свойств.

Повышенная прочность сплавов - твердых растворов по сравнению с чистыми металлами обусловлена увеличе-

20 30

Рис. 112. Зависимость условного предела текучести (Oj ) от концентрации легирующих элементов б твердом растворе на основе медн (Френч и Хиббард)