Para avaliar as propriedades de desempenho dos produtos e determinar as características físicas e mecânicas dos materiais, várias instruções, GOSTs e outros documentos regulatórios e consultivos são usados. Também são recomendados métodos para testar a destruição de toda uma série de produtos ou amostras do mesmo tipo de material. Este não é um método muito econômico, mas é eficaz.
Definição das características
As principais características das propriedades mecânicas dos materiais são as seguintes.
1. Resistência à tração ou resistência à tração - aquela força de tensão que é fixada na carga mais alta antes da destruição da amostra. As características mecânicas de resistência e plasticidade dos materiais descrevem as propriedades dos sólidos para resistir a mudanças irreversíveis de forma e destruição sob a influência de cargas externas.
2. O limite de escoamento condicional é a tensão quando a deformação residual atinge 0,2% do comprimento da amostra. Isso éa menor tensão enquanto a amostra continua a se deformar sem um aumento perceptível na tensão.
3. O limite de resistência a longo prazo é chamado de maior tensão, a uma determinada temperatura, causando a destruição da amostra por um determinado tempo. A determinação das características mecânicas dos materiais concentra-se nas unidades finais de resistência a longo prazo - a destruição ocorre a 7.000 graus Celsius em 100 horas.
4. O limite de fluência condicional é a tensão que causa em uma determinada temperatura por um determinado tempo na amostra um determinado alongamento, bem como a taxa de fluência. O limite é a deformação do metal por 100 horas a 7.000 graus Celsius em 0,2%. A fluência é uma certa taxa de deformação de metais sob carga constante e alta temperatura por um longo tempo. A resistência ao calor é a resistência de um material à fratura e fluência.
5. O limite de fadiga é o valor mais alto da tensão de ciclo quando a falha por fadiga não ocorre. O número de ciclos de carregamento pode ser dado ou arbitrário, dependendo de como o teste mecânico dos materiais é planejado. As características mecânicas incluem fadiga e resistência do material. Sob a ação de cargas no ciclo, os danos se acumulam, as rachaduras são formadas, levando à destruição. Isso é fadiga. E a propriedade de resistência à fadiga é resistência.
Esticar e encolher
Materiais usados em engenhariaprática são divididos em dois grupos. O primeiro é plástico, para cuja destruição devem aparecer deformações residuais significativas, o segundo é frágil, colapsando em deformações muito pequenas. Naturalmente, tal divisão é muito arbitrária, pois cada material, dependendo das condições criadas, pode se comportar tanto como frágil quanto como dúctil. Depende da natureza do estado de tensão, temperatura, taxa de deformação e outros fatores.
As características mecânicas dos materiais em tração e compressão são eloquentes tanto para dúcteis quanto para frágeis. Por exemplo, o aço macio é testado em tração, enquanto o ferro fundido é testado em compressão. O ferro fundido é frágil, o aço é dúctil. Materiais frágeis têm maior resistência à compressão, enquanto a deformação por tração é pior. O plástico tem aproximadamente as mesmas características mecânicas dos materiais em compressão e tração. No entanto, seu limiar ainda é determinado pelo alongamento. São esses métodos que podem determinar com mais precisão as características mecânicas dos materiais. O diagrama de tensão e compressão é mostrado nas ilustrações deste artigo.
Fragilidade e plasticidade
O que é plasticidade e fragilidade? A primeira é a capacidade de não colapsar, recebendo deformações residuais em grande quantidade. Esta propriedade é decisiva para as operações tecnológicas mais importantes. Dobrar, trefilar, trefilar, estampar e muitas outras operações dependem das características da plasticidade. Os materiais dúcteis incluem cobre recozido, latão, alumínio, aço macio, ouro e similares. Muito menos bronze dúctile durais. Quase todos os aços ligados são muito fracamente dúcteis.
As características de resistência dos materiais plásticos são comparadas com o limite de escoamento, que será discutido abaixo. As propriedades de fragilidade e plasticidade são muito influenciadas pela temperatura e taxa de carregamento. A tensão rápida torna o material quebradiço, enquanto a tensão lenta o torna dúctil. Por exemplo, o vidro é um material frágil, mas pode suportar uma carga de longo prazo se a temperatura for normal, ou seja, mostrar as propriedades da plasticidade. E o aço macio é dúctil, mas sob carga de choque parece um material frágil.
Método de variação
As características físico-mecânicas dos materiais são determinadas pela excitação de vibrações longitudinais, de flexão, de torção e outras ainda mais complexas, e dependendo do tamanho das amostras, formas, tipos de receptor e excitador, métodos de fixação e esquemas de aplicação de cargas dinâmicas. Produtos de grande porte também estão sujeitos a testes usando este método, se o método de aplicação nos métodos de aplicação da carga, excitação de vibrações e registro delas for significativamente alterado. O mesmo método é usado para determinar as características mecânicas dos materiais quando é necessário avaliar a rigidez de estruturas de grande porte. No entanto, este método não é usado para determinação local das características do material em um produto. A aplicação prática da técnica só é possível quando as dimensões geométricas e a densidade são conhecidas, quando é possível fixar o produto em suportes e naproduto - conversores, certas condições de temperatura são necessárias, etc.
Por exemplo, ao mudar os regimes de temperatura, ocorre uma ou outra mudança, as características mecânicas dos materiais tornam-se diferentes quando aquecidos. Quase todos os corpos se expandem nessas condições, o que afeta sua estrutura. Qualquer corpo tem certas características mecânicas dos materiais de que é composto. Se essas características não mudam em todas as direções e permanecem as mesmas, tal corpo é chamado de isotrópico. Se as características físicas e mecânicas dos materiais mudarem - anisotrópicas. Este último é uma característica de quase todos os materiais, apenas em uma extensão diferente. Mas existem, por exemplo, aços, onde a anisotropia é muito insignificante. É mais pronunciado em materiais naturais como a madeira. Nas condições de produção, as características mecânicas dos materiais são determinadas através do controle de qualidade, onde são utilizados vários GOSTs. Uma estimativa de heterogeneidade é obtida a partir do processamento estatístico quando os resultados do teste são resumidos. As amostras devem ser numerosas e cortadas a partir de um desenho específico. Este método de obtenção de características tecnológicas é considerado bastante trabalhoso.
Método acústico
Existem muitos métodos acústicos para determinar as propriedades mecânicas dos materiais e suas características, e todos eles diferem nas formas de entrada, recepção e registro de oscilações nos modos sinusoidal e pulsado. Métodos acústicos são usados no estudo, por exemplo, de materiais de construção, sua espessura e estado de tensão, durante a detecção de falhas. As características mecânicas dos materiais estruturais também são determinadas por métodos acústicos. Vários dispositivos acústicos eletrônicos já estão sendo desenvolvidos e produzidos em massa, que permitem o registro de ondas elásticas, seus parâmetros de propagação tanto no modo sinusoidal quanto no pulsado. Com base neles, são determinadas as características mecânicas da resistência dos materiais. Se forem utilizadas oscilações elásticas de baixa intensidade, este método torna-se absolutamente seguro.
A desvantagem do método acústico é a necessidade de contato acústico, o que nem sempre é possível. Portanto, esses trabalhos não são muito produtivos se for necessário obter com urgência as características mecânicas da resistência dos materiais. O resultado é muito influenciado pelo estado da superfície, pelas formas geométricas e dimensões do produto em estudo, bem como pelo ambiente onde os testes são realizados. Para superar essas dificuldades, um problema específico deve ser resolvido por um método acústico estritamente definido ou, pelo contrário, vários deles devem ser usados ao mesmo tempo, dependendo da situação específica. Por exemplo, a fibra de vidro se presta bem a esse estudo, pois a velocidade de propagação das ondas elásticas é boa e, portanto, a sondagem de ponta a ponta é amplamente utilizada, quando o receptor e o emissor estão localizados em superfícies opostas da amostra.
Defectoscopia
Os métodos de defectoscopia são usados para controlar a qualidade dos materiais em várias indústrias. Existem métodos não destrutivos e destrutivos. Não destrutivos incluem o seguinte.
1. A detecção de falhas magnéticas é usada para determinar rachaduras na superfície e f alta de penetração. As áreas que apresentam tais defeitos são caracterizadas por campos dispersos. Você pode detectá-los com dispositivos especiais ou simplesmente aplicar uma camada de pó magnético em toda a superfície. Em locais de defeitos, a localização do pó mudará mesmo quando aplicado.
2. A defectoscopia também é realizada com a ajuda de ultra-som. O feixe direcional será refletido (espalhado) de forma diferente, mesmo se houver descontinuidades no interior da amostra.
3. Defeitos no material são bem evidenciados pelo método de pesquisa de radiação, baseado na diferença na absorção de radiação por um meio de densidade diferente. Detecção de falhas gama e raios-X são usados.
4. Detecção de falhas químicas. Se a superfície for gravada com uma solução fraca de ácido nítrico, ácido clorídrico ou uma mistura deles (aqua regia), então, em locais onde há defeitos, aparece uma rede na forma de listras pretas. Você pode aplicar um método no qual as impressões de enxofre são removidas. Em locais onde o material não é homogêneo, o enxofre deve mudar de cor.
Métodos destrutivos
Métodos destrutivos já estão parcialmente desmontados aqui. As amostras são testadas para flexão, compressão, tensão, ou seja, são usados métodos destrutivos estáticos. Se o produtosão testados com cargas cíclicas variáveis na flexão de impacto - as propriedades dinâmicas são determinadas. Os métodos macroscópicos traçam um quadro geral da estrutura do material e em grandes volumes. Para tal estudo, são necessárias amostras especialmente polidas, que são submetidas ao ataque ácido. Assim, é possível identificar a forma e disposição dos grãos, por exemplo, no aço, a presença de cristais com deformação, fibras, cascas, bolhas, trincas e outras heterogeneidades da liga.
Os métodos microscópicos estudam a microestrutura e revelam os menores defeitos. As amostras são preliminarmente moídas, polidas e depois gravadas da mesma maneira. Testes adicionais envolvem o uso de microscópios elétricos e ópticos e análise de difração de raios-X. A base deste método é a interferência de raios que são espalhados pelos átomos de uma substância. As características do material são controladas pela análise do padrão de difração de raios X. As características mecânicas dos materiais determinam sua resistência, que é o principal para a construção de estruturas confiáveis e seguras em operação. Portanto, o material é testado cuidadosamente e por diferentes métodos em todas as condições que é capaz de aceitar sem perder um alto nível de características mecânicas.
Métodos de controle
Para a realização de ensaios não destrutivos das características dos materiais, a escolha certa de métodos eficazes é de grande importância. Os mais precisos e interessantes a esse respeito são os métodos de detecção de falhas - controle de defeitos. Aqui é necessário conhecer e compreender as diferenças entre os métodos de implementação dos métodos de detecção de falhas e os métodos de determinação docaracterísticas mecânicas, uma vez que são fundamentalmente diferentes umas das outras. Se estes últimos são baseados no controle de parâmetros físicos e sua posterior correlação com as características mecânicas do material, então a detecção de defeitos é baseada na conversão direta da radiação que é refletida de um defeito ou passa por um ambiente controlado.
A melhor coisa, claro, é o controle complexo. A complexidade está na determinação dos parâmetros físicos ótimos, que podem ser usados para identificar a resistência e outras características físicas e mecânicas da amostra. E também, ao mesmo tempo, um conjunto ótimo de meios para controlar defeitos estruturais é desenvolvido e implementado. E, por fim, surge uma avaliação integral deste material: seu desempenho é determinado por toda uma gama de parâmetros que ajudaram a determinar métodos não destrutivos.
Teste mecânico
As propriedades mecânicas dos materiais são testadas e avaliadas com a ajuda desses testes. Esse tipo de controle surgiu há muito tempo, mas ainda não perdeu sua relevância. Mesmo os materiais modernos de alta tecnologia são frequentemente e severamente criticados pelos consumidores. E isso sugere que os exames devem ser realizados com mais cuidado. Como já mencionado, os ensaios mecânicos podem ser divididos em dois tipos: estáticos e dinâmicos. Os primeiros verificam o produto ou amostra quanto à torção, tensão, compressão, flexão e os segundos quanto à dureza e resistência ao impacto. Equipamentos modernos ajudam a realizar esses procedimentos não muito simples com alta qualidade e a identificar todos os problemas operacionais.propriedades deste material.
Os testes de tensão podem revelar a resistência de um material aos efeitos da tensão de tração constante ou crescente aplicada. O método é antigo, testado e compreensível, usado há muito tempo e ainda é amplamente utilizado. A amostra é esticada ao longo do eixo longitudinal por meio de um acessório na máquina de teste. A taxa de tração da amostra é constante, a carga é medida por um sensor especial. Ao mesmo tempo, o alongamento é monitorado, bem como sua conformidade com a carga aplicada. Os resultados de tais testes são extremamente úteis para a realização de novos projetos, pois ainda não se sabe como eles se comportarão sob carga. Somente a identificação de todos os parâmetros da elasticidade do material pode sugerir. Tensão máxima - o limite de escoamento faz a definição da carga máxima que um determinado material pode suportar. Isso ajudará a calcular a margem de segurança.
Teste de dureza
A rigidez do material é calculada a partir do módulo de elasticidade. A combinação de fluidez e dureza ajuda a determinar a elasticidade do material. Se o processo tecnológico contém operações como brochamento, laminação, prensagem, é simplesmente necessário conhecer a magnitude da possível deformação plástica. Com alta plasticidade, o material poderá assumir qualquer forma sob a carga apropriada. Um teste de compressão também pode servir como método para determinar a margem de segurança. Especialmente se o material for frágil.
A dureza é testada usandoIdentator, que é feito de um material muito mais duro. Na maioria das vezes, este teste é realizado de acordo com o método Brinell (uma bola é pressionada), Vickers (um identificador em forma de pirâmide) ou Rockwell (um cone é usado). Um identificador é pressionado na superfície do material com uma certa força por um determinado período de tempo e, em seguida, a impressão restante na amostra é estudada. Existem outros testes bastante utilizados: para resistência ao impacto, por exemplo, quando a resistência de um material é avaliada no momento da aplicação de uma carga.
