El ensayo de tracción del metal consiste en estirar la muestra trazando la dependencia del alargamiento de la muestra (Δl) de la carga aplicada (P), con la posterior reconstrucción de este diagrama en un diagrama de tensiones condicionales (σ - ε)
Las pruebas de tracción se llevan a cabo de acuerdo con, según el mismo GOST, también se determinan las muestras en las que se realizan las pruebas.
Como se mencionó anteriormente, durante la prueba, se construye un diagrama de tracción de metal. Tiene varias zonas características:
- Sección OA - sección de proporcionalidad entre la carga P y el alargamiento ∆l. Esta es el área donde se conserva la ley de Hooke. Esta proporcionalidad fue descubierta por Robert Hooke en 1670 y más tarde se denominó ley de Hooke.
- Sección OV - sección de deformación elástica. Es decir, si se aplica a la muestra una carga que no exceda Ru y luego se descarga, durante la descarga, las deformaciones de la muestra disminuirán de acuerdo con la misma ley según la cual aumentaron durante la carga.
Sobre el punto B, el diagrama de tensión se desvía de la línea recta: la deformación comienza a crecer más rápido que la carga y el diagrama adquiere una forma curvilínea. Con una carga correspondiente a Pt (punto C), el diagrama entra en una sección horizontal. En esta etapa, el espécimen recibe un alargamiento residual significativo con poco o ningún incremento en la carga. La obtención de tal sección en el diagrama de tensión se explica por la propiedad del material de deformarse bajo una carga constante. Esta propiedad se denomina fluidez del material, y la sección del diagrama de tensión paralela al eje x se denomina meseta de fluencia.
A veces, la plataforma de rendimiento es ondulada. Esto se refiere más a menudo al estiramiento de materiales plásticos y se explica por el hecho de que primero se forma un adelgazamiento local de la sección, luego este adelgazamiento pasa al volumen vecino del material, y este proceso se desarrolla hasta que, como resultado de la propagación de tal onda, se produce un alargamiento uniforme general correspondiente al límite elástico. Cuando hay un diente de fluencia, al determinar las propiedades mecánicas del material, se introducen los conceptos de límites de fluencia superior e inferior.
Después de la aparición de la meseta de rendimiento, el material vuelve a adquirir la capacidad de resistir el estiramiento y el diagrama se eleva. En el punto D, la fuerza alcanza su valor máximo Pmax. Cuando se alcanza la fuerza Pmax, aparece un estrecho estrechamiento local, el cuello, en la muestra. Una disminución en el área de la sección transversal del cuello provoca una caída en la carga y, en el momento correspondiente al punto K del diagrama, la muestra se rompe.
La carga aplicada a la tracción del espécimen depende de la geometría de ese espécimen. Cuanto mayor sea el área de la sección transversal, mayor será la carga requerida para estirar la muestra. Por esta razón, el diagrama de máquina resultante no proporciona una evaluación cualitativa de las propiedades mecánicas del material. Para eliminar la influencia de la geometría de la muestra, el diagrama de computadora se reconstruye en las coordenadas σ - ε dividiendo las ordenadas P por el área de la sección transversal inicial de la muestra A0 y las abscisas ∆l por lo. Un diagrama reordenado de esta manera se llama diagrama de tensión condicional. Ya de acuerdo con este nuevo diagrama, se determinan las características mecánicas del material.
Se determinan las siguientes características mecánicas:
límite de proporcionalidad σpts- el mayor estrés, después de lo cual se viola la validez de la ley de Hooke σ = Еε, donde Е es el módulo de elasticidad longitudinal, o el módulo de elasticidad del primer tipo. En este caso, E \u003d σ / ε \u003d tgα, es decir, el módulo E es la tangente del ángulo de inclinación de la parte rectilínea del diagrama al eje de abscisas
Límite elástico σу- tensión condicional correspondiente a la aparición de deformaciones residuales de cierto valor especificado (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); la tolerancia para la deformación residual se indica en el índice en σу
Límite elástico σt- tensión en la que hay un aumento en la deformación sin un aumento notable en la carga de tracción
también asignar límite elástico condicional- esta es la tensión condicional en la que la deformación residual alcanza un valor determinado (normalmente el 0,2 % de la longitud de trabajo de la muestra; entonces el límite elástico condicional se denota como σ0,2). El valor de σ0.2 se determina, por regla general, para materiales que no tienen plataforma o diente de cedencia en el diagrama.
Propiedades mecánicas de los metales.
El comportamiento de un metal bajo carga está determinado por sus propiedades mecánicas (resistencia, ductilidad, dureza, elasticidad, rigidez, tenacidad). Los métodos de prueba para las propiedades mecánicas, según la naturaleza de la carga, se dividen en tres grupos: estáticos, cuando la carga aumenta lentamente (suavemente); dinámico: la carga aumenta a alta velocidad (instantáneamente) - impacto; cíclico: con cargas variables repetitivas, cuando la carga cambia muchas veces en magnitud y signo (ensayos de fatiga).
Propiedades mecánicas de los metales bajo carga estática. Como resultado de las pruebas, se determinan las siguientes características de los metales: resistencia, ductilidad, dureza, elasticidad, rigidez.
Fuerza- la propiedad de un metal para resistir la deformación plástica y la destrucción bajo la acción de fuerzas externas. Dada la dependencia del método de carga estática, existen resistencias a la tracción, compresión y flexión.
Ensayos de tracción. Para las pruebas, se utilizan especímenes cilíndricos o planos especiales. La longitud de la muestra calculada es diez o cinco veces el diámetro. La muestra se fija en una máquina de ensayo y se carga. Los resultados de la prueba se reflejan en el diagrama de tracción.
En el diagrama de tracción de metales dúctiles (Fig. 13, a), se pueden distinguir tres secciones: OA - rectilínea, correspondiente a la deformación elástica; AB - curvilíneo, correspondiente a la deformación elástico-plástica con carga creciente; BC - correspondiente a la deformación elastoplástica cuando se reduce la carga. En el punto C, la muestra se destruye, dividiéndola en dos partes.
Desde el comienzo de la deformación (punto O) hasta el punto A, la muestra se deforma en proporción a la carga aplicada. La sección OA es una línea recta. La tensión máxima, que no excede el límite proporcional, prácticamente solo causa una deformación elástica, en este sentido, a menudo se le llama Límite elástico metal.
Arroz. 13. Diagrama de deformaciones de metales dúctiles:
a - con una plataforma de rendimiento; b - sin límite elástico
Cuando se prueban metales dúctiles, se forma un área de fluencia AA¢ en la curva de tracción. En este caso, el voltaje correspondiente a esta área, s t, se llama límite elástico físico. Resistencia a la fluencia física: ϶ᴛᴏ la tensión más baja a la que el metal se deforma (fluye) sin un cambio notable en la carga.
El esfuerzo que provoca una deformación permanente igual al 0,2% de la longitud original de la muestra se llama límite elástico condicional(σ 0.2).
La sección A¢B (ver Fig. 13, a) corresponde a un aumento adicional en la carga y una deformación plástica más significativa en todo el volumen de la muestra de metal. El esfuerzo correspondiente a la mayor carga (punto B) que precede a la destrucción de la muestra se llama resistencia temporal, o resistencia a la tracciónσ pulg. Esta es una característica de la resistencia estática:
s en = R máximo / F 0 , (3)
donde R max es la carga máxima (tensión) que precede a la falla de la muestra, MPa;
F 0 es el área de la sección transversal inicial de la muestra, m2.
En los metales dúctiles, a partir de la tensión σ in, la deformación se concentra (localiza) en una sección de la muestra, donde aparece un estrechamiento, el llamado cuello. Como resultado del desarrollo de múltiples deslizamientos, se forman muchas vacantes y dislocaciones en el cuello y surgen discontinuidades embrionarias. Al unirse, forman una fisura que se propaga en la dirección transversal de la tensión y la muestra se destruye (punto C). La curva de tracción de la muestra sin el límite elástico se muestra en la Fig. . 13, b.
El plastico- la propiedad de un metal de deformarse plásticamente sin colapsar bajo la influencia de fuerzas externas. Esta es una de las propiedades mecánicas importantes del metal, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ en combinación con una alta resistencia lo convierte en el principal material estructural. Para determinar la plasticidad, no se requieren muestras ni equipo. Después de la prueba de tracción del metal, se miden estos mismos especímenes y se determinan las características de ductilidad. Indicadores de plasticidad: alargamiento relativo δ y estrechamiento relativo ψ.
Alargamiento relativoδ generalmente se denomina la relación de elongación absoluta, es decir, incrementos de la longitud estimada de la muestra después de la ruptura ( yo – yo 0), a su longitud estimada original yo 0 , expresado en porcentaje:
donde yo 0 es la longitud inicial de la muestra, mm;
yo es la longitud de la muestra después de la ruptura, mm.
Estrechamiento relativo y se conoce comúnmente como la relación de estrechamiento absoluto, es decir, la reducción en el área de la sección transversal de la muestra después de la ruptura ( F sobre - F), a su área de la sección transversal original, expresada en porcentaje:
donde F 0 - área de la sección transversal inicial de la muestra, mm 2;
F es el área de la sección transversal de la muestra después de la ruptura, mm 2 .
Dureza- la propiedad de un metal de resistir la introducción de otro cuerpo más sólido en él. Para determinar la dureza, a menudo no se requiere la fabricación de muestras especiales, las pruebas se realizan sin destruir el metal.
La dureza del metal se puede determinar por métodos directos e indirectos: indentación, rayado, retroceso elástico, método magnético. Los métodos directos consisten en el hecho de que una punta dura (indentador) de varias formas de acero endurecido, diamante o aleación dura (bola, cono, pirámide) se presiona en el metal. Después de quitar la carga del indentador, queda una huella en el metal, cuyo tamaño caracteriza la dureza.
Hay muchos métodos para determinar la dureza de los metales. Pero solo unos pocos de ellos han encontrado una amplia aplicación en la ingeniería mecánica. Todos ellos llevan el nombre de sus creadores.
método Brinell. Una bola de acero endurecido con un diámetro de 10 se presiona contra una superficie plana de metal; 5 o 2,5 mm (Fig. 14, a). Después de retirar la carga, queda una huella (agujero) en el metal. El diámetro de indentación d se mide con un microscopio especial con una precisión de 0,05 mm. En la práctica, se utiliza una tabla especial en la que cada diámetro de impresión corresponde a un cierto número de dureza HB.
El diámetro de la bola y la carga se establecen en función del metal que se está probando, su dureza y espesor. Es importante señalar que para el acero y el hierro fundido, la carga P = 3000 kg, el diámetro de la bola d = 10 mm. Por ejemplo, la dureza del hierro comercialmente puro, según Brynnell, es de 80 a 90 unidades HB.
El método Brinell no se recomienda para metales con una dureza superior a HB450, ya que la bola se puede deformar y se obtendrá un resultado distorsionado. Este método se utiliza principalmente para medir la dureza del metal sin templar en piezas brutas y productos semielaborados.
método Rockwell. La dureza está determinada por la profundidad de la huella. La punta es una bola de acero endurecido con un diámetro de 1,58 mm para metales blandos o un cono de diamante con un ángulo de vértice de 120 ° para metales duros y superduros (más de HRC70) (Fig. 14, b).
La bola y el cono se presionan en el metal con una carga de 60, 100 o 150 kᴦ. La lectura de los resultados de la medición está determinada por la indicación de la flecha en la escala del indicador del probador de dureza (Fig. 15, a). Después de encender la carga, la flecha se mueve a lo largo de la escala del indicador de dureza (Fig. 15, b) e indica el valor de dureza (Fig. 15, c).
Arroz. 15. Indicaciones del indicador del dispositivo TC
Cuando se presiona una bola de acero, la carga es de 100 kg (lectura en la escala interna (roja) del indicador), la dureza se designa como HRB. Cuando se presiona el cono de diamante, la lectura de dureza se lleva a cabo de acuerdo con la indicación de la flecha en la escala exterior (negra) del indicador (ver Fig. 15, c). Carga 150 kg - para metales duros. Este es el método principal para medir la dureza de los aceros templados. La designación de dureza es HRC. Para metales muy duros, así como piezas pequeñas, la carga es de 60 kg, la designación de dureza es HRA.
La determinación de la dureza Rockwell permite probar metales blandos y duros, y las impresiones de una bola o un cono son muy pequeñas y, por lo tanto, se puede medir la dureza de las piezas acabadas. Las mediciones no requieren ningún cálculo: el número de dureza se lee en la escala del indicador de dureza. La superficie a ensayar debe ser rectificada.
metodo vickers. Se presiona una pirámide de diamante de cuatro lados en la superficie de prueba (rectificada o pulida) bajo una carga de 5, 10, 20, 30, 50, 100 kᴦ. El metal deja una huella cuadrada. Usando un microscopio especial de un probador de dureza, se mide el tamaño de la diagonal de la impresión (Fig. 16). Conociendo la carga sobre la pirámide y el tamaño de la huella diagonal, las tablas determinan la dureza del metal, denotada como HV.
Este método es universal. Se puede utilizar para determinar la dureza de piezas de pequeño espesor y finas capas superficiales de alta dureza (después de nitrurar, nitrocarburizar, etc.). Cuanto más delgado sea el metal, menor debe ser la carga sobre la pirámide, pero cuanto mayor sea la carga, más preciso será el resultado.
Fuerza bajo carga dinámica(pruebas de resistencia al impacto - impacto) Durante el funcionamiento, muchas partes de la máquina experimentan cargas dinámicas (impacto). Para determinar la resistencia del metal al impacto y al mismo tiempo evaluar su tendencia a la fractura frágil, se realizan ensayos de flexión por impacto. En consecuencia, determina fuerza de impacto– característica de la fuerza dinámica.
Para determinar la resistencia al impacto, se utilizan 20 tipos de muestras (generalmente de 10 ´ 10 ´ 55 mm de tamaño) con una muesca en forma de U o V. Una incisión en el medio de la muestra se denomina comúnmente concentrador. Las pruebas se llevan a cabo en un probador de impacto de péndulo 1 (Fig. 17, a). El péndulo 2, al caer desde cierta altura, destruye la muestra 3, montada libremente sobre dos soportes de copra (Fig. 17, b). trabajo de impacto PARA(J o kgf × m) gastado en la fractura (destrucción) de la muestra se fija mediante una flecha en la escala de copra y se determina a partir de la diferencia en la energía del péndulo en su posición antes y después del impacto. Se puede determinar mediante la fórmula:
PARA = GRAMO (h 1 – h 2), (6)
donde GRAMO es el peso del péndulo, N;
h 1 – altura de elevación del péndulo antes de la destrucción de la muestra, m;
h 2 – altura de elevación del péndulo después de la destrucción, m.
La resistencia al impacto se denota por KS (designación anterior - una n) y se calcula como la relación del trabajo invertido en la destrucción de la muestra PARA, al área de la sección transversal de la muestra en la muesca F, MJ/m2:
Kansas(un norte) = PARA / F. (7)
Si la muestra tiene una muesca en forma de U, se agrega la letra U a la designación de resistencia al impacto ( KCU), y si tiene forma de V, entonces se le agrega la letra V ( CV). Por ejemplo, KCU\u003d 1 kgf × m / cm 2 \u003d 98 kJ / m 2.
La determinación de la resistencia al impacto es la forma más simple y reveladora de evaluar la capacidad de los metales con una red cúbica centrada en el cuerpo a la fragilidad cuando operan a bajas temperaturas, lo que se denomina fragilidad en frío.
En la práctica, la fragilidad en frío se determina mediante pruebas de impacto de una serie de muestras a varias temperaturas decrecientes (desde temperatura ambiente hasta menos 100 °C). Los resultados de la prueba se trazan en un gráfico en las coordenadas "resistencia al impacto - temperatura de prueba". La temperatura a la que se produce la disminución de la tenacidad se denomina temperatura frágil crítica, o umbral de fragilidad en frío. El umbral de fragilidad en frío es la temperatura negativa a la que el metal pasa de un estado dúctil a uno quebradizo.
Fuerza bajo carga cíclica(pruebas de fatiga). Muchas partes (ejes, resortes, rieles, engranajes) están sujetas a cargas variables repetidas durante la operación. La destrucción de tales partes durante la operación ocurre como resultado de la carga cíclica a un voltaje mucho más bajo que la resistencia a la tracción del metal. El proceso de acumulación gradual de tensión en el metal bajo la acción de cargas cíclicas, que lleva a la formación de grietas y destrucción, se denomina comúnmente fatiga. La propiedad de un metal para soportar una gran cantidad de ciclos. voltajes variables, es decir, resistir la fatiga, se denomina comúnmente resistencia, o cíclico (fatiga) fuerza.
Resistencia a la fatiga - la capacidad de un metal para resistir deformaciones elásticas y plásticas bajo cargas variables. Se caracteriza por la tensión más alta s -1, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ soporta el metal bajo un número infinito de ciclos de carga sin colapsar y comúnmente se le llama límite de fatiga o límite de resistencia. Para el acero estructural al carbono, se supone que el límite de fatiga es (0,4 - 0,5) s pulg.
El valor del límite de fatiga depende de varios factores: el grado de contaminación del metal con inclusiones no metálicas, la macro y microestructura del metal, el estado de la superficie, la forma y el tamaño de la pieza, etc. .
La fractura de metales bajo fatiga difiere de la falla bajo cargas simples por un tipo especial de fractura. Con una carga alterna, se produce una acumulación gradual de tensión debido al movimiento de las dislocaciones. La superficie de la pieza, como la parte más cargada de la sección, sufre microdeformación y aparecen microfisuras en la zona endurecida por trabajo (templada por deformación). De las muchas microfisuras, solo se desarrolla la que tiene la punta más afilada y está ubicada más favorablemente en relación con la tensión que actúa.
La parte fisurada de la sección de la pieza no soporta la carga, y se redistribuye a la parte restante, que va disminuyendo continuamente hasta que se produce la destrucción instantánea. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, una fractura por fatiga se caracteriza por al menos la presencia de una zona de fisura 1 de crecimiento progresivo y una zona de rotura 2 (Fig. 18).
Una característica importante de la resistencia estructural (confiabilidad) de un metal es la capacidad de supervivencia bajo carga cíclica.
Vitalidad- ϶ᴛᴏ la capacidad del metal para trabajar en un estado dañado después de la formación de una grieta. Se mide por el número de ciclos de carga hasta la falla o la tasa de desarrollo de una grieta por fatiga en voltaje dado. La vitalidad es una propiedad independiente, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ no depende de otras propiedades del metal. La capacidad de supervivencia es importante para evaluar el rendimiento de las piezas, cuyo funcionamiento se controla mediante varios métodos de detección de fallas. Cuanto más lenta sea la tasa de desarrollo de grietas por fatiga, más fácil será detectarlas.
Para aumentar la resistencia a la fatiga de las piezas, es deseable crear una tensión de compresión en las capas superficiales del metal mediante métodos de endurecimiento superficial (mecánicos, térmicos o químico-térmicos).
3. aleaciones de metales
Los metales puros en la mayoría de los casos no proporcionan el conjunto requerido de propiedades mecánicas y tecnológicas, en este sentido, para la fabricación de piezas de máquinas, las aleaciones metálicas son las más utilizadas: sustancias con propiedades metálicas, que son una combinación de cualquier metal (base de aleación ) con otros metales o no metales. Por ejemplo, el latón es una aleación de cobre (metal) con zinc (metal), el acero es una aleación de hierro (metal) con carbono (no metal). La mayoría de las aleaciones se obtienen por fusión, es decir, combinando los componentes de una aleación en estado líquido. Hay otras formas de formar aleaciones. Entonces, las aleaciones de cermet se forman sinterizando a partir de polvos.
Bajo las propiedades mecánicas entendemos las características que determinan el comportamiento del metal (u otro material) bajo la acción de fuerzas mecánicas externas aplicadas. Las propiedades mecánicas suelen incluir la resistencia de un metal (aleación) a la deformación (resistencia) y la resistencia a la fractura (plasticidad, tenacidad), así como la capacidad del metal para no colapsar en presencia de grietas.
Como resultado de las pruebas mecánicas, se obtienen valores numéricos de propiedades mecánicas, es decir. valores de tensión o deformación en los que se producen cambios en los estados físicos y mecánicos del material.
Al evaluar las propiedades mecánicas de los materiales metálicos, se distinguen varios grupos de sus criterios.
1. Criterios determinados con independencia de las características de diseño y naturaleza de las prestaciones de los productos. Estos criterios se encuentran mediante ensayos estándar de probetas lisas en tensión, compresión, flexión, dureza (ensayos estáticos) o flexión por impacto de probetas con muescas (ensayo dinámico).
2. Criterios para evaluar la resistencia estructural del material, que están en mayor correlación con las propiedades de servicio este producto y caracteriza el desempeño del material en condiciones de operación. El criterio de resistencia estructural de los materiales metálicos se puede dividir en dos grupos:
Criterios que determinan la fiabilidad de los materiales metálicos frente a fracturas repentinas (viscosidad, fractura, trabajo absorbido durante la propagación de grietas, capacidad de supervivencia, etc.)
Criterios que determinan la durabilidad de los productos (resistencia a la fatiga, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, etc.)
3. Criterios para evaluar la resistencia de la estructura en su conjunto (resistencia estructural), determinada en pruebas de banco, naturales y de operación.
Para resolver problemas prácticos de la metalurgia, es necesario determinar tanto las propiedades mecánicas estándar como los criterios de resistencia estructural.
7. Métodos de prueba
7.1. Ensayos de tracción. Para esta prueba se utiliza una muestra cilíndrica con engrosamientos a lo largo de los bordes (Fig. 6).
Arroz. 6. Muestras para ensayos de tracción
La muestra se fija en las mordazas de la máquina de ensayo y se somete a tensión. En las máquinas modernas, la velocidad de estiramiento puede variar ampliamente de 0,003 a 3000 mm/min. Las máquinas de prueba están equipadas con un dispositivo que registra el resultado de la prueba: la curva de deformación (Fig. 7). De acuerdo con los resultados de las pruebas de tracción, se determinan las características de resistencia y ductilidad.
Aplicar tensión a un metal provoca deformación. La deformación puede ser elástica, desapareciendo después de retirar la carga, y plástica, permaneciendo después de retirar la carga. En el diagrama anterior (Fig. 7a), la deformación elástica se caracteriza por la línea OA y su continuación (línea discontinua).
Por encima del punto A, se rompe la proporcionalidad entre tensión y deformación. La tensión provoca no solo deformación elástica, sino también plástica residual. Su valor es igual al segmento horizontal desde la línea discontinua hasta la curva continua.
Durante la deformación elástica bajo la influencia de fuerzas externas, cambia la distancia entre los átomos en la red cristalina. La remoción de la carga elimina la causa que provocó el cambio en la distancia interatómica, los átomos regresan a sus lugares originales y la deformación desaparece.
Durante la deformación plástica, una parte del cristal se mueve en relación con la otra. Cuando se retira la carga, la parte desplazada del cristal no volverá a su lugar anterior, la deformación permanecerá.
Se muestra en la figura. 7a, la dependencia RAW entre la tensión aplicada externamente (s) y la deformación relativa (e) causada por ella caracteriza las propiedades relativas de los metales. La pendiente de la recta OA muestra la rigidez del metal, la tangente de la pendiente es proporcional al módulo de elasticidad (E), la tensión s A corresponde al momento de ocurrencia de la deformación plástica, en medidas técnicas una característica llamada el límite elástico s 0,2 (tensión que provoca una deformación permanente igual al 0,2% de la longitud u otro tamaño de muestra). El esfuerzo máximo s en corresponde al esfuerzo máximo alcanzado en tracción y se denomina resistencia a la tracción.
Arroz. 7. Cambio de tensión con el estrés
La cantidad de deformación plástica que precede a la falla y se define como un cambio relativo en la longitud (o sección transversal) - el llamado extensión relativa d (o estrechamiento relativo y), caracterizar la ductilidad del metal.
Alargamiento relativo: d \u003d (l a - l 0) 100 / l 0
Estrechamiento relativo: y \u003d (F 0 - F k) 100 / F 0
donde l 0 y l k - la longitud de la muestra, y F 0 y F al área de la sección transversal de la muestra antes y después de la destrucción, respectivamente.
Las características de los materiales s 0.2, s B, d, y y E son básicas: se incluyen en GOST para el suministro de materiales estructurales, en los certificados de prueba de aceptación y también se incluyen en los cálculos de resistencia y recursos.
7.2. Prueba de flexión. Para materiales frágiles, las pruebas de flexión son ampliamente utilizadas. Más a menudo, las pruebas se llevan a cabo con una carga concentrada en una muestra que se encuentra sobre dos soportes. La resistencia a la flexión s bend (s max) se calcula mediante la fórmula:
s izg (s max) \u003d M max / w,
donde M max es el momento de flexión máximo, w es el área de la sección transversal de la muestra.
7.3. Pruebas de impacto. La resistencia al impacto se entiende como la capacidad de un material para absorber energía mecánica en el proceso de deformación y destrucción bajo la acción de una carga de impacto. Por lo general, la resistencia al impacto se estima por el trabajo requerido para la deformación y destrucción de una muestra prismática con una muesca transversal de un lado cuando se prueba la flexión por impacto, relacionada condicionalmente con la sección transversal de la muestra en la base de la muesca (j/m2 , nm/m2, kgf×m/cm2); denotado por el símbolo a.
La destrucción de la muestra, situada sobre dos soportes, se realiza mediante el golpe del péndulo de la copra (Fig. 8 a).
Arroz. 8. Esquema del péndulo de una copra (a) y tipos de muestras (b) para pruebas de impacto
Las pruebas se llevan a cabo utilizando uno de los tipos de muestras que se muestran en la fig. 8b, que, con la misma sección transversal (10x10 mm), tienen cortes de 2 mm de profundidad, es decir, en el lugar de la destrucción, la sección neta es de 8x10 mm. En este último caso, se hace mecánicamente una muesca de 1 mm de profundidad y luego se crea una fisura por fatiga también de 1 mm de profundidad. Las incisiones se realizan con diferente nitidez r = 1 mm (muesca en forma de U) y r = 0,25 mm (muesca en forma de V).
El trabajo de destrucción de la muestra A n consta de dos componentes: el trabajo de iniciación de grietas (A c) y el trabajo de propagación de grietas (A p), es decir Y n \u003d A s + A r.
El trabajo de iniciación de grietas se entiende como el trabajo realizado en la macrodeformación de la muestra antes de la iniciación de grietas en el fondo de la muesca. El valor de A s para esto es proporcional al volumen deformable del metal, y este último es proporcional a la agudeza de la muesca.
En este sentido, al probar muestras con diferente nitidez de muesca, trazamos los datos obtenidos en un gráfico en las coordenadas a-r y dibujamos una línea recta que pasa por estos dos puntos hasta que se cruza con el eje y (Fig. 9).
Arroz. 9. Gráfico para determinar el trabajo de una fisura por extrapolación
Extrapolando, por lo tanto, los valores del radio de la muesca a cero, obtenemos la resistencia al impacto de la muestra con una muesca. cero esos. trabajo sobre propagación de grietas A p.
El trabajo sobre la propagación de grietas se puede obtener mediante otro método: prueba directa de muestras con una grieta aplicada previamente (la tercera opción para preparar muestras para pruebas de impacto (Fig. 8b). Obviamente, al probar una muestra de este tipo, la resistencia al impacto resultante es igual al trabajo de propagación, ya que la grieta está lista y A s \u003d 0, entonces A n \u003d A p.
Un material estructural fiable es aquel en el que el trabajo para propagar una fisura es cero.
Como resultado de probar muestras con una muesca en impactadores de péndulo, además de determinar el trabajo total А n gastado en la deformación y destrucción de una muestra de este tipo, también se calcula el trabajo específico por unidad de área KS = А n / S o , donde S o es el área transversal neta de las muestras en el sitio de la incisión antes de la prueba. Dependiendo del tipo de muesca, el trabajo específico se designa como KCU cuando se usa una muesca en forma de U, KCV si se usa una muesca en forma de V y KCT cuando se prueba una muestra con una grieta.
Para determinar el umbral de fragilidad en frío, se realizan pruebas de impacto a varias temperaturas. Para muchos metales y aleaciones, el mecanismo de fractura cambia a ciertas temperaturas. La fractura dúctil con temperatura decreciente es reemplazada por fractura frágil. El intervalo de temperatura de cambio en la naturaleza de la destrucción se llama umbral de fragilidad en frío.
La fractura dúctil se caracteriza por una fractura fibrosa y cierto trabajo de propagación de grietas, mientras que la fractura frágil se caracteriza por una fractura cristalina con un valor casi nulo del trabajo de propagación de grietas. El umbral de fragilidad en frío se caracteriza por el rango de temperatura en el que el contenido de fibra en la fractura (%B) o el trabajo para propagar una fisura (A p) cambia del 100 % (o algún valor de A p) a cero. Una curva similar a la que se muestra en la Fig. 10 se llama serial porque. su construcción requiere una serie de pruebas a diferentes temperaturas.
Arroz. 10. Curvas seriales
El umbral de fragilidad en frío se caracteriza por dos temperaturas: T in (temperatura por encima de la cual el limo es completamente viscoso) y T n (por debajo de esta temperatura, la fractura es completamente frágil y A p = 0). Si el umbral de fragilidad en frío se caracteriza por un dígito, entonces se indica el medio del umbral T 50 (la temperatura a la que el 50% de la fibra en la fractura o el valor de A p se redujo a la mitad). esta temperatura llamada temperatura semi-frágil.
7.4. Ensayos de dureza. La dureza de un material se entiende como la resistencia a la penetración de un cuerpo extraño (indentador), es decir, la dureza también caracteriza la resistencia a la deformación.
Arroz. 11. Esquemas de prueba de dureza.
a - según Brinell, b - según Rockwell, c - según Vickers
El método más común para determinar la dureza es el método Brinell (Fig. 11a), cuando se introduce una bola con un diámetro D en la muestra de prueba bajo la acción de una fuerza P. El número de dureza Brinell HB es la carga P dividida por la superficie esférica de la huella con un diámetro d.
En el método Rockwell (Fig. 11b), un cono de diamante sirve como indentador. El número de dureza es el recíproco de la profundidad de indentación (h).
Con el método Vickers (Fig. 11c), se presiona una pirámide de diamante y se juzga la dureza (HV) a lo largo de la diagonal de la impresión (d).
Las pruebas mecánicas son de suma importancia en la industria. De acuerdo con esto, se han desarrollado varios métodos de prueba mediante los cuales se determinan las propiedades mecánicas de los metales.
Los ensayos más habituales son los ensayos estáticos de tracción, dinámicos y de dureza.
estático llamados ensayos en los que el material sometido a ensayo se somete a una fuerza constante oa una fuerza que aumenta muy lentamente.
Las pruebas dinámicas son pruebas en las que el metal que se está probando se somete a un impacto o fuerza que aumenta muy rápidamente.
Además, existen pruebas de fatiga, desgaste, fluencia, que dan una imagen más completa de las propiedades de los metales.
Ensayos de tracción. La prueba de tracción estática es un método muy común de prueba mecánica. Para ensayos estáticos, muestras redondas o muestras planas para materiales laminares ( figura 20). Las muestras constan de una pieza de trabajo y cabezales diseñados para fijarse en las mordazas de una máquina de ensayo de tracción. Longitud estimada yo 0 se toma un poco menos que la longitud de trabajo yo 1 . Los tamaños de muestra están estandarizados. El diámetro de la parte de trabajo de la muestra redonda es de 20 milímetro. Las muestras de otros diámetros se denominan proporcionales.
Figura 20. Muestras para ensayos estáticos de metales:
1 - redondo, 2 - plano
La fuerza de tracción crea tensión en la muestra de prueba y hace que se alargue; cuando la tensión supera la resistencia a la tracción, se rompe.
Sobre el fig.21 se da el diagrama de tensión del acero dulce, construido en el sistema de coordenadas rectangulares. La fuerza se traza a lo largo del eje y R kg, a lo largo de la abscisa - deformación (alargamiento absoluto de la muestra yo milímetro). Este diagrama se obtiene aumentando gradualmente la fuerza de tracción hasta que la muestra se rompe.
Figura 21. Tabla de tensión de acero dulce
valor de voltaje en cualquier punto del diagrama se puede determinar dividiendo el esfuerzo R en el área de la sección transversal de la muestra.
En el diagrama se pueden observar varios puntos característicos. Trama OA es un segmento de línea y muestra que hasta el punto PERO el alargamiento de la muestra es proporcional a la fuerza (carga); cada incremento de carga corresponde al mismo incremento de deformación. Esta relación entre el alargamiento del espécimen y la carga aplicada es la ley de la proporcionalidad.
Con más carga de la muestra, se observa una desviación de la ley de proporcionalidad: aparece una sección curvilínea en el diagrama. Al punto EN las deformaciones de la muestra son elásticas.
punto DESDE el diagrama muestra el comienzo de una plataforma horizontal, que muestra que la muestra se alarga sin aumentar la carga: el metal parece estar fluyendo. El esfuerzo más pequeño al que continúa la deformación de la muestra sin aumentar la carga se llama límite elástico físico. Límite elástico T está determinada por la fórmula
kg milímetro 2 ,
donde R desde .
La fluidez es típica solo para el acero recocido con bajo contenido de carbono y para algunos grados de latón. Los aceros con alto contenido de carbono y otros metales no tienen una meseta de rendimiento. Para tales metales, el límite elástico condicional se determina a un alargamiento residual de 0,2%. La tensión a la que una muestra de tracción recibe un alargamiento residual igual al 0,2% de su longitud efectiva se denomina límite elástico condicional y se denota 0.2
kg milímetro 2 .
Punto D muestra la carga máxima más grande que la muestra puede soportar. El esfuerzo condicional correspondiente a la mayor carga que precede a la destrucción de la muestra se llama resistencia a la tracción(resistencia a la tracción temporal) y está determinada por la fórmula
kg milímetro 2 ,
donde PAGS .
por punto D alargamiento yo 3 muestra y el estrechamiento de su sección transversal ocurre uniformemente a lo largo de toda la parte de trabajo. Al llegar al punto D la deformación de la muestra se concentra en el lugar de menor resistencia y mayor elongación yo 4 procede debido a la formación de un cuello, a lo largo del cual la muestra se rompe bajo carga R PARA .
A la rotura, deformación elástica. yo paquete el alargamiento residual absoluto también desaparece yo ost se formará a partir de una elongación uniforme yo 1 y elongación de local yo 2 , es decir.
yo ost = yo 1 + yo 2 .
Para evaluar la ductilidad de un metal, es importante conocer el alargamiento relativo y el relativo estrechamiento del área de la sección transversal en porcentajes
El alargamiento relativo (en %) está determinado por la fórmula
,
donde yo 1 - la longitud de la muestra después de romperse, milímetro;
yo 0 - la longitud estimada de la muestra, milímetro;
El alargamiento reduce simultáneamente el área de la sección transversal. En el punto de quiebre, esta área será la más pequeña. La contracción relativa (en %) está determinada por la fórmula
,
donde F 0 es el área de la sección transversal inicial de la muestra, milímetro 2 ;
F 1 - área en el descanso, milímetro 2 .
Para metales frágiles, el alargamiento relativo y contracción relativa cerca de cero; en metales dúctiles alcanzan varias decenas de por ciento.
Por lo tanto, la prueba de tracción estática da características de resistencia: paquete , T (o 0,2 ) y características de plasticidad - Y .
Ensayos de dureza .
Las pruebas de dureza se llevan a cabo mediante indentación de una punta dura.
Por el método Brinell diámetro de la bola de acero endurecido D (10; 5 o 2,5 milímetro) se presiona contra la muestra de ensayo con fuerza R (3000;1000; 750kg o menos). Como resultado, queda una huella en la superficie de la muestra en forma de un segmento esférico con un diámetro D (fig.22). El tamaño de la huella será tanto menor cuanto más duro sea el metal. número de dureza Brinell media pensión calculado por la fórmula
kg milímetro 2 ,
;F- superficie de la huella milímetro 2 .
Figura 22. esquema de prueba Brinell
Para productos pequeños, se utilizan bolas de menor diámetro con fuerzas de indentación más bajas. El espesor del metal debajo de la huella debe ser al menos diez veces la profundidad de la huella, y la distancia desde el centro de la huella hasta la superficie cortada debe ser al menos D .
Para las pruebas de dureza Brinell, actualmente se utilizan principalmente prensas de palanca.
Los estudios han demostrado que entre la resistencia a la tracción de los metales en tensión en y dureza Brinell media pensión hay una dependencia:
para acero laminado y forjado en = 0.36media pensión ;
para fundición de acero ............... en =(0.3-0.4) media pensión :
para fundición gris .......... en =0.1 media pensión .
El método Brinell puede probar materiales con dureza. media pensión hasta 450; si los materiales son más duros, la bola de acero puede deformarse. Este método tampoco es adecuado para probar material de láminas delgadas.
método Rockwell La prueba de dureza se realiza presionando una bola de acero con un diámetro de D =1.58milímetro(116 pulgadas) o 120 0 cono de diamante.
La bola de acero se utiliza para probar metales blandos (dureza inferior a 220 Brinell) bajo una carga de 100 kg, cono de diamante - para probar metales duros con una carga de 150 kg. La muestra se coloca en el escenario 2 del instrumento Rockwell ( fig.23) y girando el volante 1 levántelo hasta que entre en contacto con el cono de diamante 3 (o bola de acero). La rotación del volante se continúa hasta que la presión del cono o bola sea igual a 10 kg(precarga), que se indica con la pequeña flecha del indicador 4. A continuación, aplique la carga principal con el mango 5. La muesca dura 5-6 segundo, luego se elimina la carga principal. Después de eso, la flecha grande del indicador muestra el valor de la dureza.
Figura 23. prensa rockwell
El dial indicador tiene dos escalas: rojo EN para probar con una bola de acero y negro DESDE para probar con un cono de diamante.
La dureza Rockwell es un valor condicional que caracteriza la diferencia en la profundidad de la indentación. El número de dureza Rockwell se denota HORA con la adición del índice de la escala en la que se realizó la prueba, por ejemplo HORA EN o HORA DESDE. Para probar materiales muy duros, se utiliza un cono de diamante con una carga de 60 kg. La lectura se hace en una escala negra.
el método Vickers, que permite medir la dureza de metales y aleaciones tanto blandas como muy duras; es adecuado para determinar la dureza de capas superficiales finas (p. ej., en tratamientos químico-térmicos).
De acuerdo con este método, se presiona en la muestra una pirámide de diamante tetraédrica con un ángulo de vértice de 136 0. La carga se puede aplicar de 5 a 120 kg. La huella se mide usando un microscopio ubicado en el dispositivo.
El número de dureza está determinado por la fórmula.
kg milímetro 2 ,
;F - el área de la huella piramidal, milímetro 2
Valor práctico alto voltaje tomado de las tablas.
Ensayos de microdureza producido por indentación de una pirámide de diamante con un ángulo en la parte superior de 136 0 bajo una carga de 2 a 200 GRAMO; el número de dureza se expresa kg milímetro 2 . Este método se puede utilizar para determinar la dureza de componentes estructurales individuales de aleaciones, piezas pequeñas, hilos metálicos, películas de óxido, etc. Sobre el Fig. 24, un se muestra el dispositivo PMT-3 para pruebas de microdureza.
La mesa 11 y el soporte 4 del tubo descansan sobre el marco 1 del dispositivo. El objeto de prueba 2 se instala en una mesa debajo de la lente 9, a través de la cual se enfoca el microscopio y los hilos se instalan usando un microscopio ocular 6. Luego, la pirámide de diamante 10 se presiona en el objeto de prueba durante 5-7 segundo. Después de quitar la carga con un microscopio, mida la diagonal D (figura 24b), alineando la intersección de los hilos del principio con la esquina derecha de la impresión (líneas discontinuas), y luego con la izquierda (líneas sólidas).
El tamaño de la diagonal determina el área de la huella y la dureza según la fórmula anterior ( alto voltaje norte ).
Otras pruebas mecánicas .Pruebas de impacto llevado a cabo para partes de máquinas y mecanismos que experimentan cargas de choque (dinámicas), ya que algunos metales con una resistencia estática suficientemente alta se destruyen con cargas de choque bajas, por ejemplo, acero con una estructura de grano grueso y hierro fundido.
Las pruebas de impacto de flexión se llevan a cabo en muestras de forma estándar en dispositivos llamados probadores de impacto de péndulo.
La resistencia al impacto se llama resistencia al impacto y se mide en kilogramos por centímetro cuadrado.
Figura 24. Dispositivo PMT-3 para pruebas de microdureza
fuerza de impacto pero norte calculado por la fórmula
kg metro cm 2 ,
donde PERO norte es el trabajo de impacto gastado en la fractura de la muestra, kg metro;
F es el área de la sección transversal de la muestra en el sitio de la incisión, cm 2 .
Pruebas de fatiga. Muchas partes de la máquina (bielas del motor, cigüeñales, etc.) están sujetas a cargas que cambian en magnitud y dirección durante la operación. Con tales esfuerzos alternados repetitivamente, el metal cambia gradualmente de un estado dúctil a uno quebradizo (cansado). El estado frágil se explica por la aparición de microfisuras, que gradualmente se expanden y debilitan el metal. Como resultado, la falla ocurre con esfuerzos menores que la resistencia a la tracción.
Las microfisuras aparecen y se desarrollan desde la superficie principalmente en secciones con rupturas pronunciadas en la línea de contorno (por ejemplo, en presencia de ranuras clave, agujeros, etc.).
Pruebas de fatiga ( resistencia) se producen en diferentes máquinas. Las máquinas de ensayo más comunes son:
flexión durante la rotación;
en tensión-compresión;
al torcer.
Para metales que operan en condiciones difíciles, las máquinas de ensayo están equipadas con instalaciones y dispositivos que permiten realizar ensayos a temperaturas elevadas y bajas, con corrosión y bajo otras condiciones especiales.
Figura 25. Prueba de extrusión
Pruebas tecnológicas (muestras). Determinan la posibilidad de realizar ciertas operaciones tecnológicas con un metal determinado.
Prueba de extrusión Sirve para determinar la capacidad de las láminas delgadas de metal para estampar en frío y embutir. El ensayo consiste en extruir el agujero con una cabeza redondeada 1 ( fig.25) hasta que aparezca la primera grieta en la placa 2 sujeta en la superficie anular.
La profundidad del agujero extruido en la aparición de la primera fisura es una medida cuantitativa de la muestra.
Prueba de flexión determina la capacidad del metal para resistir la flexión repetida y se utiliza para evaluar la calidad del material laminado con un espesor de hasta 5 milímetro, así como alambres y barras.
Proyecto de prueba determina la capacidad del metal frío para tomar una forma dada bajo compresión. Se considera que una muestra cilíndrica cuya altura es igual a dos diámetros ha superado el ensayo si, durante el recalcado a una altura determinada, no aparecen en ella grietas, desgarros ni roturas.
Prueba de soldabilidad. Se sueldan dos barras del metal a ensayar y se someten a ensayo de flexión o tracción, después de lo cual se comparan los resultados con los correspondientes a una muestra sólida (sin soldar) del mismo metal. Con buena soldabilidad, la resistencia a la tracción de la soldadura debe corresponder al menos al 80% de la resistencia a la tracción de la barra sólida.
Métodos de análisis físico y químico.
Macroanálisis. Para el macroanálisis, se prepara una sección de muestra, o una fractura, que revela la macroestructura: la estructura del metal y la aleación, visible a simple vista o con un aumento bajo de hasta x 5 veces.
La preparación de la sección consiste en nivelar y rectificar la superficie en una amoladora. Luego, la sección se graba con reactivos que disuelven o tiñen partes de la sección que son diferentes en composición u orientación.
Con la ayuda del macroanálisis, es posible detectar cavidades de contracción y friabilidad, huecos, grietas, inclusiones no metálicas (escoria, grafito en fundición gris, etc.), la presencia y la naturaleza de la ubicación de algunas impurezas nocivas, como como azufre.
Microanálisis. Una microsección para microanálisis se prepara de la misma manera que para macroanálisis, sin embargo, después de moler se pule hasta obtener un acabado de espejo.
Una sección delgada usando un microscopio metalográfico revela la microestructura: la presencia, cantidad y forma de ciertos componentes estructurales, contaminación con inclusiones extrañas. La presencia y el tamaño de los poros se determinan a partir de secciones sin grabar; para revelar la estructura principal, la sección se somete a grabado. Dado que los metales son opacos, las secciones delgadas de ellos solo se pueden estudiar con luz reflejada usando un microscopio metalográfico.
Sobre el figura 26 se muestra un diagrama que explica la visibilidad de los límites de grano de una sección grabada de un metal monofásico. Bajo la acción de los reactivos durante el grabado, el metal se disuelve más fuertemente a lo largo de los límites del grano, como resultado de lo cual se forman allí depresiones-micropúas. Los rayos de luz se dispersan en ellos, por lo que los límites de grano bajo el microscopio son más oscuros; los rayos de la superficie plana de los granos se reflejan y cada grano en la sección delgada parece ser ligero, mientras que a menudo se observan diferentes colores de grano, lo que se explica por una solubilidad desigual debido a la anisotropía.
Figura 26. Esquema de reflexión de rayos por una sección grabada.
metálico monofásico
Junto con el microscopio óptico convencional, se utiliza ampliamente un microscopio electrónico, en el que se utilizan haces de electrones en lugar de haces de luz: estos haces son emitidos por una espiral de tungsteno caliente. Un microscopio electrónico proporciona un aumento óptico-electrónico de hasta decenas de miles de veces.
análisis de difracción de rayos X permite establecer los tipos de redes cristalinas de metales y aleaciones, así como sus parámetros. Determinar la estructura de los metales, colocar átomos en una red cristalina y medir la distancia entre ellos se basa en la difracción (reflexión) de los rayos X por filas de átomos en un cristal, ya que la longitud de onda de estos rayos es proporcional a las distancias interatómicas. en cristales. Conociendo la longitud de onda de los rayos X, se puede calcular la distancia entre los átomos en un cristal y construir un modelo para la disposición de los átomos.
análisis de rayos x(transmisión) se basa en la penetración de rayos X a través de cuerpos que son opacos a la luz visible. Al pasar a través de los metales, los rayos X se absorben parcialmente, y los rayos se absorben más fuertemente por el metal sólido que en aquellas partes donde se encuentran inclusiones o grietas de gas y escoria. La magnitud, forma y naturaleza de estos defectos se pueden observar en una pantalla luminosa, instalada a lo largo de los rayos detrás de la parte en estudio. Dado que los rayos X actúan sobre la emulsión fotográfica como los rayos de luz, la pantalla luminosa se puede reemplazar por un casete de película y se puede obtener una imagen del objeto.
Por lo tanto, la transiluminación de rayos X puede detectar incluso defectos microscópicos dentro de la pieza.
Análisis térmico se reduce a identificar puntos críticos durante el calentamiento y enfriamiento de metales y aleaciones y se acompaña de la construcción de curvas en las coordenadas "temperatura - tiempo".
Si no se producen transformaciones de fase en el metal, la curva de enfriamiento (calentamiento) será suave, sin torceduras ni salientes; si, al enfriar (o calentar) el metal, se producen transformaciones de fase en él, que van acompañadas de la liberación (durante el calentamiento - absorción) de calor, aparecerán secciones horizontales o rupturas en la curva (es decir, cambios en la dirección de la curva ). Estas roturas y secciones horizontales permiten determinar las temperaturas de transformación.
Análisis dilatométrico(dilatometría - del lat. expandir) se basa en la medición de los cambios de volumen que ocurren en un metal o aleación durante las transformaciones de fase, y se utiliza para determinar puntos críticos en muestras sólidas. El análisis dilatométrico se lleva a cabo en instrumentos dilatómetros.
Defectoscopia.Detección de defectos magnéticos Se utiliza para detectar defectos en piezas sujetas a altas tensiones alternas. Defectos como grietas, líneas finas, burbujas, inclusiones no metálicas, etc., se vuelven muy peligrosos en condiciones de carga variable, ya que reducen la resistencia dinámica de las piezas.
La prueba magnética consta de tres operaciones principales: magnetización de productos, recubrimiento con polvo ferromagnético, inspección externa y desmagnetización de productos.
En los productos magnetizados con defectos, las líneas de fuerza magnéticas, que tienden a rodear los lugares de los defectos (debido a su reducida permeabilidad magnética), superan la superficie del producto y luego penetran en él, formando un campo magnético no homogéneo. Por lo tanto, cuando los productos se recubren con polvo magnético, las partículas de este último se ubican sobre el defecto, formando patrones bien definidos ( fig.27). Por la naturaleza de estos dibujos, se juzga el tamaño y la forma de los defectos metálicos.
Detección ultrasónica de fallas le permite probar cualquier metal (no solo ferromagnético) y detectar defectos en el espesor del metal a una profundidad considerable que no son detectados por el método magnético.
Para estudiar el metal se utilizan vibraciones ultrasónicas con una frecuencia de 2 a 10 millones de frecuencias. Hz. A tal frecuencia, las vibraciones se propagan en el metal, como rayos, casi sin dispersarse por los lados: pueden "ver a través" de los metales a una profundidad de más de 1 metro.
Figura 27. La disposición de las líneas del campo magnético en
detalles defectuosos
El ultrasonido se refleja en la interfaz entre medios de diferente porosidad. Por lo tanto, cuando se propaga en un metal, el ultrasonido no pasa a través de grietas, conchas, inclusiones no metálicas, formando así una sombra acústica ( figura 28). Aquí, pero- zona de sombra acústica.
Para la emisión y recepción de ultrasonidos se utilizan emisores y receptores piezoeléctricos, respectivamente.
Aplicación de isótopos radiactivos (átomos marcados).En la metalurgia y la ciencia de los metales, los isótopos radiactivos se utilizan para diversos fines. Por ejemplo, los isótopos radiactivos de fósforo, azufre, manganeso, etc. se introducen en la escoria y se estudia la tasa de transición de estos elementos al metal y la tasa de restauración de su distribución de equilibrio entre el metal y la escoria en fundidos metalúrgicos cuando la temperatura o cambia la composición de la escoria. La introducción de carbono radiactivo en el hierro durante la cementación permite estudiar la velocidad de difusión y la distribución del carbono en el mismo.
Figura 28. Esquema de examen ultrasónico de un detalle.
Para revelar la distribución del estaño en el níquel, se agrega estaño radiactivo a la aleación líquida. La aleación endurecida se coloca en un casete con una placa fotográfica y, después de una exposición adecuada, se revela la placa.
Sobre el figura 29 se da una microradioautografía de tal aleación, de la cual (por la distribución del oscurecimiento) está claro que el estaño radiactivo, y con él ordinario, bordea los granos de níquel.
Figura 29. Microrradiografía de aleación de níquel-estaño
Los isótopos radiactivos ayudan a monitorear el desgaste del revestimiento refractario en altos hornos o partes de máquinas.
Bajo la acción de fuerzas, el metal puede cambiar su forma y dimensiones, es decir, deformarse.
Arroz. 2. Tipos de deformaciones de las varillas: pero - extensión;
b - compresión; en- doblar; GRAMO- torsión; D- rodaja
Deformaciones puede ser elástico Y plástico (residual). Las deformaciones elásticas desaparecen después de retirar la carga, mientras que las deformaciones plásticas permanecen.
La magnitud de las deformaciones depende del valor de las fuerzas actuantes y los tipos, de la dirección de aplicación de las fuerzas. Los más comunes son los siguientes
principales tipos de deformaciones: tensión, compresión, flexión, torsión Y Corte. En la práctica, el metal sufre uno o más tipos de deformación dependiendo de las fuerzas aplicadas.
Al elegir un metal para la fabricación de estructuras, piezas, herramientas, proceden de sus propiedades mecánicas. propiedades mecánicas Se llama un conjunto de cualidades que caracterizan la capacidad de los metales para resistir la deformación cuando se aplican fuerzas. Las propiedades mecánicas son resistencia, elasticidad, plasticidad, dureza, tenacidad, resistencia a la fatiga (resistencia) y otros Para determinar las propiedades mecánicas del metal, se prueba en laboratorios en máquinas especiales.
Ensayos de tracción de metales. El ensayo de tracción de metales permite determinar las propiedades mecánicas más importantes de los metales: resistencia, elasticidad y plasticidad (Fig. 3).
Arroz. 3. Diagrama de estiramiento de metales:
a - plástico; B - frágil
Fuerza- la capacidad de los metales para resistir la destrucción bajo la acción de cargas externas. Elasticidad- la capacidad de los metales para restaurar su forma y dimensiones originales después de la terminación de las cargas que causaron su cambio. Plasticidad - la capacidad de los metales para cambiar irreversiblemente su forma y tamaño sin colapsar bajo la acción de cargas. La propiedad opuesta de la plasticidad es la fragilidad.
Se sabe que una carga aplicada a una varilla metálica provoca esfuerzos de tracción en la misma, que se definen como la relación entre la carga y el área de la sección transversal de la varilla.
σ = F/F ,
donde σ - tensión, Pa;
F- área de la sección transversal, m 2.
La comparación de la resistencia y elasticidad de los metales se lleva a cabo en términos de la magnitud de los esfuerzos últimos.
La fuerza generalmente se determina resistencia a la tracción, que es igual a la relación de la carga máxima (máxima) que causó la destrucción de la varilla al área de su sección transversal inicial:
σ EN\u003d Pmáx / F sobre
F sobre- el área de la sección transversal inicial de la varilla, m 2.
La resistencia a la tracción, también llamada resistencia a la tracción, es la característica más importante. Si las tensiones en el producto, la estructura o la herramienta superan la resistencia a la tracción, se destruyen.
Se evalúa la elasticidad Límite elástico, que es igual a la relación de la carga máxima que no provoca deformaciones residuales de la varilla al área de su sección transversal inicial
σ y \u003d Rup / Fo ,
donde Rup- la mayor carga que no provoca deformaciones residuales, N.
Si las tensiones en las piezas superan el límite elástico, cambiarán de forma y tamaño, lo que puede tener consecuencias catastróficas.
La plasticidad de los metales se caracteriza por un alargamiento relativo y un estrechamiento transversal relativo.
Alargamiento relativo es la relación del incremento en la longitud de la barra después de la ruptura a su longitud original:
ι - ι 0
δ = ──────100
donde ι 0 - la longitud inicial de la muestra, mm;
ι es la longitud de la muestra después de la ruptura, mm;
ι - ι 0 =۵ ι - alargamiento absoluto, mm.
Estrechamiento relativo es la relación de la reducción en el área de la sección transversal de la barra después de la ruptura al área inicial de su sección transversal:
Ψ = ────── 100
donde F sobre- área de la sección transversal inicial de la varilla;
F- área de la sección transversal de la varilla después de la ruptura, mm 2;
F o-F = ۵F- estrechamiento absoluto, mm 2.
Cuanto mayor sea el valor del alargamiento y la contracción relativos, más dúctil será el metal. En metales quebradizos, estos valores son insignificantes o iguales a cero. La fragilidad del metal es una propiedad negativa y la ductilidad es positiva.
La prueba de tracción de metales se lleva a cabo en máquinas de prueba de tracción, que proporcionan la aplicación de estática, es decir, cargas constantes o que aumentan gradualmente.
Los metales frágiles (hierro fundido, acero endurecido, etc.), que trabajan en flexión, se prueban no solo en tensión, sino también en flexión. En este caso, la resistencia última a la flexión (σ IZG) se determina según las fórmulas apropiadas. Las pruebas se llevan a cabo en máquinas de prueba de tracción, que tienen dispositivos especiales para esto en forma de dos soportes, sobre los cuales se coloca la muestra. En el medio de la muestra, se crea una carga que aumenta uniformemente hasta que se destruye.
El límite de resistencia a la flexión es la característica más importante de los metales de las estructuras que trabajan en flexión. La prueba de flexión se aplica a la mayoría de los metales de construcción naval.
Pruebas de dureza de metales. dureza es la capacidad de un metal para resistir la penetración de otro material más duro en él.
Actualmente, se utilizan una variedad de métodos para probar la dureza de los metales. Los métodos más comunes son aquellos en los que se presiona un penetrador de punta especial (bola, cono o pirámide) en el metal bajo la acción de una carga estática. Estos métodos llevan el nombre de sus autores: Brinell, Rockwell y Vickers. La dureza también se determina mediante la indentación por impacto de la pelota (método Poldi) y por el método de retroceso elástico del golpeador (método Shor).
Aproximadamente, la dureza también se puede estimar a partir de los huecos dejados por un trazador, un punzón, un cincel y otras herramientas de corte. La dureza se juzga por la profundidad de la huella dejada en el metal por una punta o herramientas de corte. Cuanto mayor sea la profundidad de la huella a la misma carga sobre el material implantado del mismo tamaño, menor será la dureza y viceversa.
Al probar la dureza del metal, puede determinar fácil y rápidamente sus propiedades mecánicas, no solo en los laboratorios, sino también en la producción. Por el valor de la dureza, se pueden juzgar aproximadamente otras propiedades mecánicas de los metales: resistencia, resistencia al desgaste, etc., así como la maquinabilidad. Cuanto más duro es el metal, más difícil es trabajarlo.
Dependiendo de la dureza, se eligen los metales para la fabricación de determinadas piezas, estructuras y herramientas. Considere los métodos más comunes para probar la dureza de los metales.
método Brinell consiste en presionar bajo la acción de una carga estática en la superficie de la muestra de prueba de una bola de acero con un diámetro de 2,5; 5 o 10 mm.
La dureza Brinell se expresa en números de dureza HB (H - dureza, B - Brinell).
La prueba de dureza Brinell se lleva a cabo en instrumentos que utilizan muestras y piezas planas o redondas. Para obtener resultados precisos, la superficie de las muestras debe estar libre de óxido, incrustaciones, abolladuras, etc.
método Rockwell consiste en presionar bajo la acción de una carga estática en la superficie del metal ensayado un cono de diamante o una bola de acero templado con un diámetro de 1,59 mm.
En los dispositivos Rockwell (probadores de dureza), a diferencia de los dispositivos Brinell, el número de dureza se determina directamente en la escala del indicador.
Los números de dureza Rockwell no tienen dimensión y se indican con el símbolo HR (H - dureza, R - Rockwell). La designación de la escala indicadora (A, B o C) en la que se midió la dureza y el valor numérico correspondiente de dureza se agregan al símbolo.
El método Rockwell puede probar metales blandos y duros, así como productos terminados, ya que las impresiones de la punta son insignificantes. La prueba toma poco tiempo (no más de 50 s), no requiere ninguna medición; las lecturas se leen directamente en la escala del indicador.
metodo vickers consiste en presionar una pirámide de diamante tetraédrica en la superficie del metal ensayado bajo la acción de una carga estática.
método Poldi consiste en presionar una bola de acero bajo la acción de una carga dinámica (choque) en la superficie del metal ensayado y la muestra de referencia.
De acuerdo con la relación de las áreas o diámetros de las impresiones, la dureza del metal se determina mediante el cálculo de las tablas. Cuanto más pequeña sea la indentación en el metal de prueba, más grande será en comparación con la indentación en la muestra de referencia, y viceversa.
Pruebas de metales para la resistencia al impacto. percusión viscosidad(resistencia dinámica) es la capacidad de los metales para resistir la acción de cargas de choque (dinámicas).
Muchas piezas de máquinas, estructuras y herramientas experimentan cargas de impacto durante el funcionamiento. Por ejemplo, las estructuras de los barcos están expuestas al oleaje, al hielo, etc. Por lo tanto, en su fabricación se debe tener en cuenta esta característica tan importante.
Los metales que se rompen fácilmente bajo cargas de choque se llaman frágil. No son adecuados para la fabricación de piezas que funcionen bajo cargas de choque. viscoso llamados metales que fallan bajo cargas de impacto significativas y deformaciones plásticas significativas.
La prueba de impacto de metales se lleva a cabo en mecanismos llamados impactadores de péndulo. Consiste en la fractura por impacto (flexión) del péndulo de copra de la muestra y en el cálculo del trabajo invertido en la destrucción de la muestra.
El péndulo se eleva a cierta altura. NORTE. Desde esta altura cae libremente, destruye la muestra y vuelve a subir hasta cierta altura. H. Trabajo realizado para romper la probeta.
A \u003d P (H - h) o A = p.v.(cosβ - cosα),
donde R- gravedad (peso) del péndulo, N;
H es la altura del péndulo antes del impacto, m;
h- altura del péndulo después del impacto, m;
yo- longitud del péndulo, m
La resistencia al impacto del metal está determinada por el valor de la resistencia al impacto específica una h, igual a la relación del trabajo invertido en la destrucción de la muestra al área de su sección transversal en el lugar de destrucción:
una H = A/F
donde PERO- el trabajo dedicado a la destrucción de la muestra, J;
F- área de la sección transversal de la muestra en el sitio de destrucción, m 2 .
Un impulsor de impacto de péndulo moderno tiene una escala graduada directamente en unidades de trabajo. Si elevamos el péndulo a cierta altura H, entonces la flecha mostrará la reserva de energía del péndulo antes del impacto enfermeroen julios Después de la destrucción de la muestra, el péndulo sube a cierta altura h, en este momento, la flecha mostrará la reserva de energía del péndulo Ph después del golpe. Entonces la dureza
y H =(pH - Ph) / F.
La resistencia al impacto no solo depende del tipo de metal, sino también de su temperatura, composición química, estructura, etc. Por ejemplo, dos grados de acero con diferentes estructuras pueden tener valores de resistencia al impacto completamente diferentes, pero casi las mismas propiedades mecánicas.
Ensayo de metales para la resistencia a la fatiga (resistencia). Muchas partes de máquinas y mecanismos, algunas estructuras y herramientas durante el funcionamiento están sujetas a cargas variables, es decir, cambian en valor, dirección o en valor y dirección al mismo tiempo. Por ejemplo, los cascos de los barcos, las piezas de las máquinas (árboles, ejes, bielas, cigüeñales) están sujetos a tales cargas.
Como resultado de la exposición prolongada a cargas variables, la resistencia del metal disminuye y la pieza, estructura o herramienta se destruye. La destrucción del metal a menudo ocurre con tensiones que son mucho menores que la resistencia a la tracción y, a veces, incluso menores que la resistencia a la fluencia.
La capacidad de los metales para resistir fallas por fatiga se llama resistencia a la fatiga (resistencia). Su indicador es el límite de fatiga (resistencia), que se determina durante las pruebas en máquinas especiales. Se realizan ensayos de flexión variable, tensión-compresión y torsión.
El método más utilizado es el ensayo de flexión durante la rotación (Fig. 4). En este caso, un extremo de la muestra se fija en el mandril y se suspende una carga del otro extremo a través de un cojinete de bolas. Durante la rotación, las fibras exteriores de la muestra experimentarán alternativamente fuerzas de tracción y compresión. Al llegar a un cierto número de cambios (ciclos), la muestra se destruye. El número de ciclos está determinado por el contador instalado en la máquina.
Arroz. 4. Esquema de prueba de resistencia a la fatiga de la muestra: 1 - mandril de máquina; 2 - muestra;
Cojinete de fricción
límite de fatiga metales es la tensión máxima a la que la muestra aún puede soportar un número ilimitado de ciclos sin romperse. Los límites de fatiga significan:
al doblar - σ -1;
en tensión-compresión - σ- 1 p ;
con torsión - τ -1.
Entre el límite de fatiga y la resistencia a la tracción, existe la siguiente relación aproximada:
σ -1 == 0.47σ pulgadas; σ -1p = 0,32σ pulgadas; τ -1 \u003d 0.22σ pulg.
La resistencia a la fatiga depende del valor de las tensiones variables, el estado de las superficies de las piezas y otros factores. Debe tenerse en cuenta al crear, por ejemplo, barcos de alta velocidad, aviones supersónicos, naves espaciales, turbinas potentes que experimentan cargas variables durante la operación.
Los metales que operan en condiciones difíciles se prueban a temperaturas elevadas y bajas, en condiciones de corrosión, durante la abrasión, etc.
Propiedades tecnológicas caracterizar la capacidad de procesamiento de los metales, cuyo propósito es dar a los metales ciertas formas, tamaños y propiedades. Estos incluyen: propiedades de fundición, maleabilidad, soldabilidad, templabilidad, maquinabilidad, etc. El comportamiento del metal durante el procesamiento está determinado por muestras tecnológicas.
Las muestras tecnológicas se utilizan principalmente para determinar la idoneidad de un material para un método de procesamiento en particular. Los resultados de las pruebas tecnológicas se juzgan por el estado de la superficie después de la prueba (sin grietas, rasgaduras, fracturas). Las siguientes muestras tecnológicas son las más comunes: para doblar en estados fríos y calientes; para doblado y extrusión; en borrador; para distribución y compresión de tuberías; Chispa - chispear.
PARA propiedades físicas Los metales y aleaciones incluyen: densidad, punto de fusión, conductividad térmica, conductividad eléctrica, expansión térmica, capacidad calorífica específica y capacidad de magnetización (Tabla 1).
Propiedades químicas- la capacidad de los metales y aleaciones para resistir ambiente que se manifiesta de diversas formas. Bajo la influencia del oxígeno atmosférico y la humedad, los metales se corroen: el hierro fundido y el acero se oxidan; el bronce se cubre con una capa verde de óxido de cobre; El acero, cuando se calienta en hornos sin atmósfera protectora, se oxida, se convierte en incrustaciones y se disuelve en ácido sulfúrico.
Los metales y aleaciones que son resistentes a la oxidación a altas temperaturas de calentamiento se denominan resistentes al calor o resistentes a las incrustaciones. Se utilizan para fabricar piezas como válvulas para motores de combustión interna, etc. El oro, la plata y los aceros inoxidables son poco susceptibles a la corrosión.