Интерьер 

Основные физико-механические характеристики материалов. Механические свойства материалов Способность металла работать в условиях циклических нагрузок существенно зависит от условий нагружения

Критерии выбора материала

Свойства – это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.
Выделяют три основные группы свойств: эксплуатационные, технологические и стоимостные, которые лежат в основе выбора материала и определяют техническую и экономическую целесообразность его применения. Первостепенное значение имеют эксплуатационные свойства.
Эксплуатационными называют свойства материала, которые определяют работоспособность деталей машин, приборов и инструментов, их силовые, скоростные, стоимостные и другие технико-эксплуатационные показатели.
Работоспособность подавляющего большинства деталей машин и изделий обеспечивает уровень механических свойств, которые характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки. Так как условия нагружения деталей машин разнообразны, то механические свойства включают большую группу показателей.
В зависимости от изменения во времени нагрузки подразделяют на статические и динамические. Статическое нагружение характеризуется малой скоростью изменения своей величины, а динамические нагрузки изменяются во времени с большими скоростями, например, при ударном нагружении. Кроме того, нагрузки подразделяют на растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие и срезывающие. Изменение нагрузки может иметь периодически повторяющийся характер, вследствие чего их называют повторно- переменными или циклическими. В условиях эксплуатации машин воздействие перечисленных нагрузок может проявляться в различных сочетаниях.
Под воздействием внешних нагрузок, а также структурно-фазовых превращений в материале конструкций возникают внутренние силы, которые могут быть выражены через внешние нагрузки. Внутренние силы, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения тела, называют напряжениями . Введение понятия напряжений позволяет проводить расчеты на прочность конструкций и их элементов.
В простейшем случае осевого растяжения цилиндрического стержня напряжение σ опеределяют как отношение растягивающее силы Р к начальной площади поперечного сечения Fo , т.е.

σ = P/Fo

Действие внешних сил приводит к деформации тела, т.е. к изменению его размером и формы. Деформация, исчезающая после разгрузки, называется упругой, а остающаяся в теле – пластической (остаточной).
Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию химически активной рабочей среды, если такое воздействие становится значительным, то определяющим становятся физико-химические свойства материала – жаростойкость и коррозионная стойкость.
Жаростойкость характеризует способность материала противостоять химической коррозии в атмосфере сухих газов при высокой температуре. У металлов нагрев сопровождается образованием на поверхности оксидного слоя (окалины).
Коррозионная стойкость – это способность металла противостоять электрохимический коррозии, которая развивается при наличие жидкой среды на поверхности металла и ее электрохимической неоднородности.
Для некоторых деталей машин, важные значение имеют физические свойства, характеризующие поведение материалов в магнитных, электрических и тепловых полях, а также под воздействием потоков высокой энергии или радиации. Их принято подразделять на магнитные, электрические, теплофизические и радиационные.
Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по технологическим свойствам . К ним относят литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Технологические свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.
К последней группе основных свойств относится стоимость материала, которая оценивает экономичность его использования. Ее количественным показателем является – оптовая цена – стоимость единицы массы материалы в виде слитков, профилей, порошка, штучных и сварных заготовок, по которым завод-изготовитель реализует свою продукцию машиностроительным и приборостроительным предприятиям.

Механические свойства, определяемые при статических нагрузках

Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению или особенность его поведения в процессе разрушения. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), пластичности, твердости и вязкости. Основную группу таких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров. Полученные при таких испытаниях показатели механических свойств оценивают поведение материалов под внешней нагрузкой без учета конструкции детали и условий эксплуатации.
По способу приложения нагрузок различают статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг или срез. Наиболее распространены испытания на растяжения (ГОСТ 1497-84), которые дают возможность определить несколько важных показателей механических свойств.

Испытание на растяжение . При растяжении стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка – удлинение образца (рис.1). На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации до нагрузки Рупр .; равномерной пластической деформации от Рупр. до Рmax и сосредоточенной пластической деформации от Рmax до Рк . Прямолинейной участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Рпц. Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.

Рис. 1. Диаграмма растяжения пластичного металла (а) и диаграммы
условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов.
Диаграмма истинных напряжений (штриховая линия) дана для сравнения.

Пластическая деформация выше Р упр. идет при возрастающей нагрузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упрочнение материала при деформации называется наклепом.

Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Р max до Р к (рис.1, а). Это объясняется появлением в образце местного утонения-шейки, в котором в основном сосредотачивается пластическая деформация. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышается до тех пор, пока образец не разрушится.
При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяются делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент (рис.1,б). Эти напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условиями напряжениями, считая, что поперечное сечение F o образца остается неизменным.

Напряжения σ упр., σ т, σ в - стандартные характеристики прочности. Каждая получается делением соответствующей нагрузки Р упр. Р т и Р max на начальную площадь поперечного сечения F о .

Пределом упругости σ упр. называют напряжение, при котором пластическая деформация достигает значений 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают σ 0,005, σ 0,02, σ 0,05 .

Условный предел текучести – это напряжение, которому соответствует пластическая деформация равная 0,2%; его обозначают σ 0,2 . Физический предел текучести σ т определяют по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако, при испытаниях на растяжение у большинства сплавов нет площадки текучести на диаграммах. Выбранная пластическая деформация 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.

Временное сопротивление характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению:

σ в = Р max / F o

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ:

где lk -конечная длина образца; lо и Fo – начальная длина и площадь поперечного сечения образца; Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Для малопластичных материалов испытания на растяжение (рис. 1,в) вызывают значительные затруднения. Такие материалы, как правило, подвергают испытаниям на изгиб.

Испытание на изгиб . При испытании на изгиб в образце возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. На изгиб испытывают чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения и керамику. Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.

Предел прочности при изгибе вычисляют по формуле:

σ и = M / W,

где М – наибольший изгибающий момент; W – момент сопротивления сечения, для образа круглого сечения

W = πd 3 / 32

(где d – диаметр образца), а для образцов прямоугольного сечения W = bh 2 /6 , где b, h – ширина и высота образца).
Испытания на твердость . Под твердостью понимается способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела – индентора. В качестве индентора используют закаленный стальной шарик или алмазный наконечник в виде конуса или пирамиды. При вдавливании поверхностные слои материала испытывают значительную пластическую деформацию. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток. Особенность происходящей пластической деформации состоит в том, что вблизи наконечника возникает сложное напряженное состояние, близкое к всестороннему неравномерному сжатию. По этой причине пластическую деформацию испытывают не только пластические, но и хрупкие материалы.
Таким образом, твердость характеризует сопротивление материала пластической деформации. Такое же сопротивление оценивает и временное сопротивление, при определении которого возникает сосредоточенная деформация в области шейки. Поэтому для целого ряда материалов численные значения твердости и временного сопротивления пропорциональны. На практике широко применяют четыре метода измерения твердости: твердость по Бринеллю, твердость по Виккерсу, твердость по Роквеллу и микротвердость.
При определении твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) в поверхность образца вдавливают закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм при действии нагрузки от 5000Н до 30000Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d.
При измерении твердости по Бринеллю используют заранее составленные таблицы, указывающие число твердости НВ В зависимости от диаметра отпечатка и выбранной нагрузки, чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.
Способ измерения по Бринеллю используют для сталей с твердостью < 450 НВ, цветных металлов с твердостью < 200 НВ. Для них установлена корреляционная связь между временным сопротивлением (в МПа) и числом твердости НВ:
σ в » 3,4 НВ – для горячекатаных углеродистых сталей;
σ в » 4,5 НВ – для медных сплавов;
σ в » 3,5 НВ – для алюминиевых сплавов.
При стандартном методе измерения по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) в поверхность образца вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 139°. Отпечаток получается в виде квадрата, диагональ которого измеряют после снятия нагрузки. Число твердости НV определяют с помощью специальных таблиц по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.

Метод Виккерса применяют главным образом для материалов, имеющих высокую твердость, а также для испытания на твердость деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев. Как правило, используют небольшие нагрузки: 10,30,50,100,200,500 Н. Чем тоньше сечение детали или исследуемый слой, тем меньше выбирают нагрузку.
Число твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имеющих твердость до 450 НВ, практически совпадают.
Измерение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) наиболее универсален и наименее трудоемок. Число твердости зависит от глубины вдавливания наконечника, в качестве которого используют алмазный конус с углом при вершине 120 0 или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Для различных комбинаций нагрузок и наконечников прибор Роквелла имеет три измерительных шкалы: А.В.С. Твердость по Роквеллу обозначают цифрами, определяющими уровень твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости, например: 70HRA, 58HRC, 50HRB. Числа твердости по Роквеллу не имеют точных соотношений с числами твердости по Бринеллю и Виккерсу.
Шкала А (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка 600Н). Эту шкалу применяют для особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких (0,6-1,0 мм) слоев. Пределы измерения твердости по этой шкале 70-85.
 Шкала В (наконечник – стальной шарик, общая нагрузка 1000Н). При этой шкале определяют твердость сравнительно мягких материалов (<400НВ). Пределы измерения твердости 25-100.

Шкала С (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка 1500Н). Эту шкалу используют для твердых материалов (> 450НВ), например закаленных сталей. Пределы измерения твердости по этой шкале 20-67. Определение микротвердости (ГОСТ 9450-76) осуществляют вдавливанием в поверхность образца алмазной пирамиды при небольших нагрузках (0,05-5Н) с последующим измерением диагонали отпечатка. Этим методом оценивают твердость отдельных зерен, структурных составляющих, тонких слоев или тонких деталей.

Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках

При работе деталей машин возможны динамические нагрузки, при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению. Опасность разрушения усиливают надрезы – концентраторы напряжения. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влиянием этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (рис. 2). Стандартный образец устанавливают на две споры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникова копра определяют работу К , затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость:

КС = К / S 0 1 , [МДж/м 2 ],

где S 0 1 , площадь поперечного сечения образца в месте надреза.


Рис. 2. Схема маятникова копра (а) и испытание на удар (б):
1 – образец; 2 – маятник; 3 – шкала; 4 – стрелка шкалы; 5- тормоз.

В соответствии с ГОСТ 9454-78 предусмотрены испытания образцов трех видов: U-образным (радиус надреза r=1 мм); V-образным (r=0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза. Соответственно ударную вязкость обозначает: КСU, KCV, KCT. Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости – температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости. Хладноломкость - способность металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих объемно-центрированную кубическую (ОЦК) или гексагональную плотноупакованную (ГП) решетку. Она отсутствует у металлов с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой.

Механические свойства, определяемые при переменных циклических нагрузках

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью (ГОСТ 23207-78). О способности материалы работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость (ГОСТ 25.502-79). Их проводят на специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение (растяжение – сжатие, изгиб, кручение). Образцы испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости, которая строится в координатах: максимальное напряжение цикла σ max / или σ в ) – число циклов. Кривые усталости позволяют определять следующие критерии выносливости:

- циклическую прочность , которая характеризует несущую способность материала, т.е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы.- циклическую долговечность – число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживает материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении.

Кроме определения рассмотренных критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость . Их проводят при высоких напряжениях (выше σ 0,2 ) и малой частоте нагружения (обычно не более 6 ГЦ). Эти испытания имитируют условия работы конструкций (например, самолетных), которые воспринимают редкие, но значительные циклические нагрузки.

Глава XIV
ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ

§ 72. Механические свойства металлов и сплавов


Металлы в отличие от неметаллов имеют следующие характерные признаки: внешний блеск, хорошую проводимость теплоты и электрического тока, достаточно высокую прочность, хорошую ковкость и свариваемость, кристаллическое строение тела, определенную температуру плавления и кристаллизации.
Металлы и сплавы классифицируют по числу, содержанию и характеру легирующих компонентов и по степени чистоты. Компонентом называют химический элемент, входящий в состав металла или сплава. Компоненты подразделяют на основные и легирующие. Основным называют компонент, который преобладает в металле или сплаве, легирующим - компонент, вводимый в состав сплава для получения необходимых свойств.
По числу компонентов металлы разделяют на простые металлы и металлические сплавы. Простым металлом называют металл, не содержащий в себе легирующих компонентов, металлическим сплавом называют сложное кристаллическое вещество, в составе которого имеется несколько металлов и металлоидов. Сплавы бывают двух-, трех- и более компонентными.
По содержанию легирующих компонентов сплавы делят на низко-, средне- и высоколегированные. Низколегированным называют сплав, содержащий в своем составе легирующих компонентов менее 2,5%, среднелегированным - 2,5-10%, высоколегированным - более 10%.
По степени чистоты металлы и сплавы делят на металлы пониженной, средней, повышенной, высокой чистоты и особо чистые.
К механическим свойствам металлов и сплавов относятся: прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, ползучесть и усталость.

Рис. 76. Виды нагрузок, вызывающих изменение формы металла или cплава


Прочность - это способность металла или сплава противостоять деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок - растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих и срезающих (рис. 76). Нагрузки бывают внешними (вес, давление и др.) и внутренними (изменение размеров тела от нагревания и охлаждения, изменение структуры металла и т. д.), а также статическими, т. е. постоянными по величине и направлению действия, или динамическими, т. е. переменными по величине, направлению и продолжительности действия. Методы определения прочности рассмотрены отдельно.
Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Применяют следующие способы испытания твердости металлов и сплавов вдавливанием в поверхность образца:
стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм - определение твердости по Бринеллю;
стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом 120° - определение твердости по Роквеллу;
правильной четырехгранной алмазной пирамиды – определение твердости по Виккерсу.
Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки (рис. 77).


Рис. 77. Деформация, характеризующая упругость (после снятия нагрузки образец возвращается в исходное положение)


Пластичностью называется способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия.
Ударной вязкостью называется способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Ударная вязкость измеряется в кгс м/см 2 (Дж/м 2).
Ползучестью называется свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).
Усталостью называется постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок; свойство выдерживать эти нагрузки называется выносливостью.
Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение. При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности (временное сопротивление) σв, предел текучести (физический) σ т, предел текучести условный (технический) σ 0,2 , предел пропорциональности σпц, истинное сопротивление разрыву S к и относительное удлинение и сужение δ, φ.


Рис. 78. Диаграмма растяжения (зависимость удлинения ∆l от нагрузки Р)


Рассмотрим показанную на рис. 78 диаграмму, на которой по вертикальной оси отложена приложенная нагрузка Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси - абсолютное удлинение ∆l образца. Такие диаграммы строят по результатам растяжения образцов на специальных испытательных разрывных машинах. Полученная кривая позволяет судить о прочности образца на растяжение.
Начальный прямолинейный участок 0-Р пц характеризует упругость образца, пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Р пц - нагрузка при пределе пропорциональности).
Точка Р׳ т резкого перегиба кривой определяет величину нагрузки при верхнем пределе текучести. Участок Р׳ т -Р т (площадка текучести), параллельный горизонтальной оси 0-∆l, в пределах которого образец удлиняется при постоянной внешней нагрузке.
Точка Р в отмечает наибольшую растягивающую силу - нагрузку при пределе прочности, по которой рассчитывают предел прочности материала образца.
Точка Р к определяет величину растягивающей силы в момент разрушения образца.
Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) - это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца: σ в =P в /F 0 , где F 0 - площадь поперечного сечения образца перед испытанием, мм 2 (м 2); Р в - наибольшая растягивающая сила, кгс (Н).
Предел текучести (физический) - это наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется): σт=P т /F 0 , где Р т – нагрузка растяжения, вызывающая удлинение образца на площадке текучести, кгс (Н).
Предел текучести условный (технический) σ 0,2 – это напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2%: σ 0,2 = Р׳ т /F 0 , где Р т - нагрузка растяжения в начале площадки текучести, кгс (Н).
Предел пропорциональности σ пц - условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями: σ пц =Р пц /F 0 , где Р пц - нагрузка в конце площадки упругости, кгс (Н).
Истинное сопротивление разрыву - это напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образца в шейке: Sк=P к /F, где Р к - нагрузка в момент разрыва образца, кгс (Н); F - истинное сечение образца в момент разрыва, мм 2 (м 2).
Относительное удлинение δ и относительное сужение – φ определяются по формулам: δ=∆l/l 0 ∙100%, φ=(F 0 -F)/F∙100%, где ∆l=l 1 -l 0 - абсолютное удлинение образца при разрыве; l 1 - длина образца в момент разрыва; l 0 - первоначальная длина образца; F 0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца; F - площадь образца после разрыва.

К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.

Пластичность - способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.

Твердость - способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю) , а после закалки - 500 . . . 600 НВ.

Ударная вязкость - способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см 2 или кгс м/см), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.

Упругость - способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм 2), который равен отношению напряжения а к вызванной им упругой деформации . Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.

Механические свойства металлов

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Оценка свойств

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

  1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
  2. Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
  3. Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Конструкторская прочность металлов

Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

  • критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
  • критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).

Критерии оценки

Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

Металлами называют химические вещества и элементы, которые характеризуются такими свойствами, как хорошей проводимостью тепла и электрического тока, непрозрачностью, но способны отражать свет, ковкостью, и пластичностью. Металлы используют практически во всех отраслях, сферах нашей жизни. Из них делают различные механизмы, машины, оборудование, приборы и еще очень много разных вещей. Все металлы разделяют по числу, характером и содержанием легирующих частиц (компонентов) и по величине чистоты. Компонентами называются химические частицы, которые могут входить в состав сплава или металла. Обычно каждый металл имеет свои уникальные возможности. Но для его использования выделяют отдельный ряд свойств. Эти свойства называются механическими. В данной статье будут рассмотрены механические свойства металлов.

Понятие механических свойств металлов

Что означают эти механические свойства? Они описывают и объясняют способность того или иного металла осуществлять сопротивление на силовые факторы из внешней среды. И соответственно есть числовые показатели, указывающие степень сопротивления того или иного металла. К основным механическим свойствам металлов и сплавов на сегодняшний день относят твердость, вязкость, прочность, ползучесть, пластичность, износоустойчивость, и ударную вязкость. Величины этих свойств определяют во время опытов, предусматривающие силовую нагрузку на металл или сплав. И такие нагрузки подразделяют на динамические, статические и повторно-переменные. Испытания металла проводят такими способами как растяжение, скручивание, сгибание, сжатия и ударное сгибания.

Понятие прочности металла

Под прочностью металла понимают способностью сплава или металла осуществлять сопротивление, как внешним силовым факторам, так и внутренним факторам, и таким образом не поддаваться деформации. Если внешние факторы вполне понятны, т.е. это удар, пресс, нажим, то к внутренним относятся нагрев, или охлаждения, изменение структуры исследуемого вещества.

Определение твердости металла

Твердостью металла является его способность противостоять или осуществлять сопротивление телу, которое намного тверже.

Твердость проверяют методами вдавливания в исследуемый материал шариков определенных размеров или алмазной пирамиды. Твердость определяют по трем показателям, а именно по Бринеллю, по Роквеллу и по Виккерсу.

Твердость по Бринеллю определяется в результате вдавливания стального шарика, который имеет диаметр два с половиной миллиметра, или пять или десять миллиметров.

Для определения твердости по Роквеллу вдавливается или стальной шарик, который имеет диаметр 1,58 мм, или алмазный конус, который имеет угол на своей вершине 120 °. Различают несколько значений твердости, а именно очень твердую, мягкую сталь и закаленную сталь. Для первого вида твердости используют вдавливания алмазного конуса, для второго применяют стальной шарик, а для последнего вида принимают алмазный или твердосплавный конус. Система Роквелла в результате неглубокого погружения алмазного конуса в исследуемый материал позволяет исследовать металл более точно, чем система Бринелля.

Что касается определения твердости по системе Виккерса, то при его методике используется алмазная пирамида, которая имеет правильную четырехгранную форму. После того, как подвергли воздействию металл со стороны пирамиды, то есть ее погрузили в металл на определенную величину, осуществляют расчеты, отталкиваясь от величины диагоналей вмятины в металле. Там даже разработаны специальные таблицы. Этот метод применяют для измерения твердости металлических деталей, имеющих небольшое поперечное сечение, а также для поверхностных слоев, имеющих большую твердость и малую тонкость.

Упругость, ударная вязкость, ползучесть и усталость

Механические свойства металлов и сплавов также включают в себя и упругость. Под ней понимают способность металла восстанавливать свою первоначальную форму после того, как прекратились внешние силы.

Такое свойство как пластичность означает возможность сплава или металла изменять свои формы во время нагрузки и сохранять уже новые формы после прекращения нагрузки.

Под ударной вязкостью понимают свойство металла, что дает сопротивление действию ударной нагрузки. То есть по металл бьют каким-то специально заготовленным материалом, а металл, в свою очередь, или выдерживает, или разрушается. Единицей измерения является Джоуль на квадратный метр.

Под свойством ползучесть понимается способность металлов или сплавов непрерывно и медленно изменять свою форму, другими словами деформироваться под воздействием нагрузки в течение длительного времени.

Восновные механические свойства металлов включают еще такое понятие как усталость, или умеренное разрушение структуры металла в течение времени при непрерывном числе переменных нагрузок.

И еще

Каждая механическая характеристика имеет свой предел, или свою границу, после которой наступает разрушение структуры металла. Если вам нужно произвести определение механических свойств металлов, а точнее параметры растяжения, то следует выделить временное сопротивление, истинное сопротивление разрыва, и предел текучести. Под временным сопротивлением понимают условное состояние сопротивления, которое соответствует сильной нагрузке, после превышения силы которой, произойдет разрушение кристаллической сетки металла. Истинное сопротивление разрыва определяется следующим образом: доля нагрузки во время разрыва делится на площадь поперечного сечения металла, где произошел разрыв. Пределом текучести называется такая нагрузка, которая является минимальной и при которой металл начинает деформироваться. Этот предел текучести называют еще физическим. Есть еще один предел текучести, который называют условным. Под ним понимают нагрузки, при которых происходит растяжение образца металла на 0,2 процента от его длины. Кроме этих есть еще другие показатели, которые характеризуют механические свойства металлов и сплавов.

При характеристике прочности также используют границу пропорциональности. Это такой размер нагрузки, который дает отклонение линейной корреляции между величиной нагрузки и величиной удлинения и может достигать 10-15%.

А пределом упругости является величина нагрузки, при которой происходит деформация.

§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА


Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 8). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Рис. 8. Виды деформаций:
а - сжатие, б - растяжение, в - кручение, г - срез, д - изгиб



Рис. 9. Диаграмма растяжения:
а - условная диаграмма в координатах Р-∆l, б – условная диаграмма напряжений и диаграмма истинных напряжений


Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение (ГОСТ 1497-73). Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат - нагрузки, приложенные к образцу.
Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность – отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности σ в (временное сопротивление) - это условное напряжение в Па (Н/м 2), соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: σ в =P max /F 0 , где P max - наибольшая нагрузка, Н; F 0 - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м 2 . Истинное сопротивление разрыву S к - это напряжение, определяемое отношением нагрузки Р к в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва F к (S к = Р к / F к).
Предел текучести (физический) σ т - это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: σ т =Р т /F 0 , где Р т - нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.
Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца: σ 0,2 =Р 0,2 /F 0 .
Упругость - способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р уп оценивают пределом пропорциональности σ пц и пределом упругости σ уп.
Предел пропорциональности σ пц - напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца σ пц =Р пц /F 0 .
Предел упругости (условный) σ 0,05 - это условное напряжение в МПа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05% от расчетной длины образца l0: σ 0,05 =P 0,05 /F 0 , где P 0,05 - нагрузка предела упругости, Н.
Пластичность , т. е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение (после разрыва) δ - это отношение приращения (l к -l 0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине l 0 , выраженное в процентах: δ=[(l к -l 0)/l 0 ]100%.
Относительное сужение (после разрыва) φ - это отношение разности начальной и минимальной площадей (F 0 -F к) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади F 0 поперечного сечения, выраженное в процентах: φ=[(F 0 -F к)/F 0 ]100%.
Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен. У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционного материала является отрицательным свойством.
Ударная вязкость , т. е. способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м 2) в месте надреза КС=W/F.
Для испытания (ГОСТ 9454-78) изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.
Определение ударной вязкости особенно важно для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем ниже порог хладноломкости, т. е. температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость - снижение ударной вязкости при низких температурах.
Циклическая вязкость - это способность материалов поглощать энергию при повторнопеременных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных деталей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.
Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностноупрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).
Способ Бринелля (ГОСТ 9012-59) основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытываемого металла. Твердость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Испытание проводят следующим образом. На поверхности образца, твердость которого нужно измерить, напильником или абразивным кругом зачищают площадку размером 3-5 см 2 . Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкосновения со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавливает шарик в испытываемый образец. На поверхности металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металл мягче.
За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диаметром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 10, а).


Рис. 10. Определение твердости металла методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)


Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптической лупы (с делениями) и по полученному значению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.
Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых результатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, например закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.
Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013-59). В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная величина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытание проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р 0 равна 100 Н.
При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и общую нагрузку P=P 0 +P 1 =1500 Н. Твердость отсчитывают по шкале «С» и обозначают HRC.
Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчитывается по шкале «В» и обозначается HRB.
При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмазный конус и общую нагрузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 - твердость 50 по шкале «С».
При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999-75) в качестве вдавливаемого в материал наконечника используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения нагрузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев металла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу – HV 500.
Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости . Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05-5 Н, а размер отпечатка 5-30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-3, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.
Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть излома 1 с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, а также машины для испытаний на растяжение – сжатие и на повторно-переменное кручение. В результате испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.