Механические свойства

 

Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению под действием внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность материала сопротивляться раз­рушающему воздействию внешних сил.

Твердость — это способность материала сопротивляться вне­дрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться раз­рушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под дей­ствием внешних сил без остаточных деформаций.

5.1.1.Статические испытания на растяжение.При статических испытаниях на растяжение определяют величины, характеризующие сопротивление материалов деформации и разрушению. К сопротивлению материалов деформации относится предел прочности (временное сопротивление) σ_в, а к разрушению – пластичность δ. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l₀ и диаметром d₀. Образец растягивается под действием приложенной силы Р (рис. 1.16, а) до разрушения. Внешняя нагрузка Р вызывает в образце напряжение и деформацию.

Машины для испытания на растяжение снабжены прибором, записыващим диаграмму растяжения, услие - удлинение (Р - ∆l). На рис. 1.16, б приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали. Затем по этой кривой строится диаграмма σ-∆l. После проведения испытаний определяются следующие характеристики механических свойств.

Предел упругости σ_у— это максимальное напряжение при котором в образце не возникают пластические деформации. Согласно рис. 1.16, б определяется по формуле

Предел текучести σ_т— это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ_0,2— напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.

Рис.1.16. Статические испытания на растяжение: а – схема испытания;

б – диаграмма растяжения с площадкой текучести; в – без площадки текучести

Предел прочности (или временное сопротивление) σ_в— это напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдержи­вает образец при испытании:

Относительное удлинение после разрыва δ— отношение при­ращения длины образца при растяжении к начальной длине l₀, %:

где l_к — длина образца после разрыва, l₀ — первоначальная длина образца.

Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся после снятия нагрузки).

Относительным сужением после разрыва ψ называется умень­шение площади поперечного сечения образца, отнесенное к началь­ному сечению образца, %:

где F_к — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.2.1.2. Определение твёрдости материалов

В зависимости от скорости приложения нагрузки на индентор методы измерения твёрдости делятся на статические (нагрузка прикладывается плавно и непрерывно) и динамические (нагрузка прикладывается ударом), а в зависимости от способа приложения нагрузки – на методы вдавливания, царапания и упругой отдачи. Твердость – свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации (или разрушению) при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого тела (индентора), имеющего определенную форму и размер^[1] . Однако такое определение твёрдости может быть справедливо только для метода вдавливания. При других методах измерения твёрдости (маятниковом, царапании, упругого отскока и т. д.) данное определение может быть другим.

Твёрдость имеет большое практическое значение, так как косвенно характеризует такие свойства металлов как износостойкость, режущие свойства, конструкционную прочность и др. Определение этих свойств требует значительного времени, а измерение твёрдости выполняется значительно быстрее и при меньших затратах. Кроме того, испытание на твёрдость осуществляется непосредственно на деталях без их разрушения, что позволяет оценивать качество металла в готовых изделиях.

Из статических методов измерения твердости металлов и сплавов наибольшее распространение получили способы измерения твёрдости вдавливанием. Суть этих методов заключается во внедрении в испытываемый материал более твердого индентора. Выбор материала и формы индентора (шарик, конус или пирамида) зависит от твердости исследуемого материала, размеров и конфигурации образцов и изделий. При вдавливании индентора деформация происходит в небольшом объеме, окруженном недефор-мированным металлом по схеме всестороннего неравномерного сжатия с малой долей нормальных растягивающих напряжений. Поэтому пластическую деформацию испытывают и малопластичные металлы, которые при других видах механических испытаний разрушаются хрупко (например, чугун). В результате вдавливания наконечника в поверхностные слои металла за счёт пластической деформации после снятия нагрузки остаётся отпечаток, по размерам которого и судят о твёрдости. По имени исследователей, предложив-ших использовать ту или иную форму индентора, различают следующие способы измерения твёрдости внедрением: твердость по Бринеллю (метод Бринелля), твердость по Роквеллу (метод Роквелла), твердость по Виккерсу (метод Виккерса) и др.

Определение твердости по Бринеллю^[2].Сущность метода заключается во вдавливании шарика (стального или из твердого сплава) в образец (изделие) под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно к поверхности образца в течение определённого промежутка времени и измерении диаметра отпечатка после снятия нагрузки (рис. 1.17, а).

Рис. 1.17. Схема измерения твердости металла методом Бринеля:

а – вдавливание индентора под нагрузкой P; б - схема измерения диаметра отпечатка микроскопом МПБ-2 (лупой Бринелля); в - общий вид микроскопа МПБ- 2: 1 – окуляр; 2 – кольцо наведения резкости линейки внутри окуляра;

3 – установочное кольцо для наведения резкости лунки; 4 – объектив; 5 – осно-вание с отверстием

Метод используется при измерении твердости относительно мягких материалов (незакаленной стали, чугуна, цветных металлов и их сплавов). Число твердости по Бринеллю (МПа) определяется отношением приложенной нагрузки P (МН) к площади поверхности сферического отпечатка F (м²) по формуле:

(1)

где D – диаметр вдавливаемого шарика, м;

d – диаметр отпечатка, м;

На практике значение твёрдости не вычисляют по этой формуле, а определяют по таблице ГОСТ 9012-59 по измеренной величине диаметра отпечатка. Диаметры шариков стандартизированы: рекомендуется применять шаровые инденторы с диаметрами в 1; 2; 2,5; 5; 10 мм.

Между числом твёрдости по Бринеллю и пределом прочности металлов σ_в, МПа, существует эмпирическая зависимость:

σ_в = k·НВ, где k – коэффициент.

Приведём эти зависимости для некоторых материалов (табл. 3).

Таблица 3

Зависимость между числом твёрдости и пределом прочности для некоторых материалов

НВ	σв, МПа	НВ	σв, МПа
Стали	Медь и её сплавы
1200…1750	3,4 · НВ	после отжига	5,5 · НВ
1750…4500	3,5 · НВ	наклёпанная	4,0 · НВ
алюминий	дуралюминий
200…450	3,3…3,6 · НВ	после отжига	3,6 · НВ
Чугун и сплавы титана	1, 0 · НВ	закалка+старение	3,5 · НВ

Режимы измерения твёрдости (диаметр шарика, нагрузка, время нагружения) выбираются в зависимости от толщины образца и твёрдости испытуемого материала по табл.4.

Таблица 4

Ориентировочные параметры испытаний по ГОСТ 9012-59

 

Материал	НВ,	Толщина испытуемого образца S, мм	Диаметр шарика D, мм	Нагрузка КD2=Р, МПа (кгс)	Время под нагр., с
Чёрные металлы		>6		30D2 = 29420 (3000)
3-6		30D2 =7355 (750)
<3	2,5	30D2 =1840 (187,5)
	>6		10D2= 9807 (1000)
3-6		10D2 = 2452 (250)
<3	2,5	10D2= 612,5 (62,5)
Цветные металлы на осно-ве меди; дуралю-мины		>6		30D2 = 29420 (3000)
3-6		30D2 = 7355 ( 750)
<3	2,5	30D2 = 1840 (187,5)
	>6		10D2 =9807 (1000)
3-6		10D2 = 2452(250)
<3	2,5	10D2 = 612,5 (62,5)
Сплавы Mg, Al, Sn, Pb, баббит		>6		2,5D2 =2452 (250)
3-6		2,5D2 =612,5 (62,5)
<3	2,5	2,5D2 =162 (16,5)

Для получения одинаковых чисел твердости при испытании одного и того же материала шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Для этого твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D²:

(1.3)

Это соотношение должно быть разным для металлов с различной твердостью (см. табл. 5.2). Диаметр шарика D и соответствующее усилие Р выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах: 0,24 D ≤ d≤ 0,6 D.

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчетного микроскопа МПБ-2, называемого также лупой Бринелля (рис. 1.17, в). Микроскоп представляет собой полую металлическую трубку (корпус) с плоским основанием 5. В верхней части трубки располагается окуляр 1, а в нижней части – объектив 4. Для измерения диаметра отпечатка в окуляре размещается прозрачная шкала с делениями. В центре основания микроскопа расположено отверстие, которое накладывается на лунку таким образом, чтобы нулевая отметка линейки окуляра совпала с краем лунки. Диаметр лунки d измеряют с точностью 0,05 мм в двух взаимноперпендикулярных направлениях. Для определения твердости следует принимать среднюю из полученных величин. На рис. 1.16, б показано расположение шкалы линейки микроскопа относительно кромок лунки. Диаметр лунки, как видно из рисунка, равен 4, 35 мм. Время нагружения зависит от материала образца (см. табл. 4).

Твердость по Бринеллю обозначают символом НВ (Hardness Brinell):

۰НВ - при применении стального шарика (твердость детали должна быть менее 450 единиц);

۰HBW - при применении шарика из твердого сплава (твердость детали 450…650 единиц).

Примеры обозначений:

1) при определении твердости стальным шариком или шариком из твердого сплава диаметром 10 мм при нагрузке 3000 кгс (29420 Н) и продолжительности выдержки 10…15 секунд твердость по Бринеллю обозначают только числовым значением твердости и символом НВ или НВW (например, 300 НВ; 600 HBW);

2) если испытания проведены при других условиях (отличающихся от приведённых в табл. 5.2), то запись будет иметь следующий вид: 250 НВ 5/750 ‒ твердость по Бринеллю 250, измеренная стальным шариком диаметром 5 мм, при нагрузке 750 кгс (7355 Н) и продолжительности выдержки 10…15 с;

3) 575 HBW 2,5/187,5/30 ‒ твердость по Бринеллю 575, измерен-ная шариком из твердого сплава диаметром 2,5 мм, при нагрузке 187,5 кгс (1839 Н) и продолжительности выдержки под нагрузкой 30 с.)

При измерении твердости по Бринеллю должны соблюдаться следующие условия:

۰ минимальная толщина образца должна быть не менее 10-крат-ной глубины отпечатка;

۰расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 4d; расстояние от центра отпечатка до края образца – не менее 2,5d; для металлов с твердостью менее 35 единиц эти расстояния должны быть соответственно 6d и 3d;

۰образцы с твёрдостью выше 450 НВ или 650 HBW (кгс/мм²) испытывать запрещается (во избежание деформации и разрушения индентора);

۰ из условия геометрического подобия диаметры отпечатков должны находиться в пределах d=(0,24…0,6) D.

Метод измерения твердости по Роквеллу^[3].Сущность метода заключается во вдавливании алмазного конуса или стального шарика в образец (изделие) под действием последовательно прилагаемых предварительной Р₀ = 98 Н (10 кгс) и основной Р₁ нагрузок и измерении глубины вдавливания индентора h после снятия основной нагрузки (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Схемы внедрения алмазного (а) и шарового (б) инденторов при измерении твердости по Роквеллу: I– предварительное нагружение; II –окончательное нагружение; III – измерение

Суммарная нагрузка составляет Р = Р₀+Р₁. При использовании в качестве индентора алмазного конуса Р=150 кг, а при использовании стального шарика–100 кг. При данной суммарной нагрузке Р индентор внедрится в материал на глубину h₁ от поверхности образца. Затем нагрузка Р₁ снимается. Индентор при этом из-за упругости испытуемого материала переместится на расстояние «е» от исходной измерительной поверхности, что соответствует остаточной глубине проникновения наконечника. Твёрдостью по Роквеллу принято считать расстояние t в условных единицах, на которое индентор не дошёл до глубины, равной 0,2 мм (конус) или 0, 26 мм (стальной шарик) от измерительной поверхности. Все перемещения индентора при измерении твёрдости фикси-руются индикатором часового типа, по круговой шкале которого определяют значение твёрдости (рис. 1.19.). Выбор нагрузки и индентора для определения твёрдости материала по Роквеллу осуществляют по данным табл. 3. Индикатор имеет две шкалы (чёрную и красную), которые размещены на одном циферблате. Цена деления обеих шкал одинакова и соответствуют сотой части окружности шкалы и равна 0,002 мм глубины вдавливания.

а	б
Рис. 1.19. Индикатор пресса Роквелла ТК-2 с циферблатной шкалой твёрдости: а – положение стрелок до испытания материала; б – положение стрелок после предварительного нагружения, когда маленькая стрелка совпадает с точкой, а большая – на нуле шкалы

При этом шкала глубин (чёрная) будет иметь при испытании конусным наконечником 0,2/0,002 = 100 делений, а при испытании шаровым наконечником (красная шкала) 0,26/0,002 = 130 делений. Из-за разницы делений шкалы смещены относительно друг друга на 30 единиц (см. рис. 1.19).

При измерении алмазным конусом используется чёрная шкала, имеющая 100 делений (шкалы С и А). По шкале С обычно измеряют твёрдость закалённых сталей. По шкале А проводят измерение тонких изделий или тонких слоёв. Эта шкала полностью совпадает со шкалой С, но измерения проводятся при меньшей нагрузке и меньшей глубине проникновения.

Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC, HRF).

Таблица 3

Выбор нагрузки и наконечника для испытания твердости по Роквеллу

Шкала	Вид нако-нечника	Допускаемые пределы шкалы	Общее усилие,	Назначение
HRC чёрная	Конус	20…67		а) высокоуглеродистая отожженная сталь; б) закаленная сталь
HRA Черная	Конус	70 … 85		а) высокотвердые сплавы; б) тонкие твердые поверхностные слои
1
HRB Красная	Шарик	25… 100		а) среднеуглеродистая отожженная сталь; б) твердые цветные сплавы
HRF Красная	Шарик	50…100		мягкие цветные сплавы

При измерении стальным шариком используются красная шкала В и F, имеющая 130 делений (считая от общего нуля). По шкале В производят измерение твёрдости при её умеренных значениях, а по шкале F определяют твёрдость цветных металлов и сплавов.

При измерении твёрдости, кроме нагрузки на индентор, важное значение имеет время приложения нагрузки. Продолжительность процесса вдавливания при суммарной нагрузке P₀ + P₁ зависит от ползучести испытываемого материала. Для случая испытания по Роквеллу экспериментально установлено, что продолжительность вдавливания при суммарной нагрузке на индентор составляет:

۰ 2…3 с – для материалов с не зависящей от времени пласти-ческой деформацией;

۰6…8 с – для материалов с зависящей от времени пластической деформацией;

۰20…30 с – для материалов с существенно зависящей от време-ни пластической деформацией.

Достоинством этого метода является возможность измерения твердости в широком диапазоне как очень твердых, так и сравни-тельно мягких материалов. Но методом Роквелла не рекомендуется измерять, например, твердость серых чугунов и цветных сплавов, содержащих структурные составляющие, резко отличаю­щиеся по своим механическим свойствам. Это объясняется тем, что отпе­чаток, получаемый при вдавливании конуса или шарика диаметром 1,588 мм, достаточно мал и не всегда может равномерно охватить все составляющие структуры, что приведет к большому разбросу данных по твердости. С другой стороны малый размер отпечатков позволяет

проводить испытания на уже готовых деталях. Испытания занимают мало времени, и число твёрдости читается прямо на шкале прибора.

Благодаря этим преимуществам метод Роквелла нашёл широкое практическое применение вследствие меньшей трудоемкости по сравнению с методом Бринелля, возможностей определения твердости закалённых сталей и тонких поверхностных слоев. Сравнение чисел твердости по Роквеллу и по Бринеллю приведено в приложении.

Значения твердости по Роквеллу можно пересчитать на твердость по Бринеллю с помощью эмпирических переводных таблиц (см. лаб. раб № 1).

Метод Супер-Роквелла .Применяется для измерения твёрдости тонких слоёв на поверхности металлов.При измерении твердости очень тонких слоев (менее 0,3 мм) используются шкалы N (индентор – алмазный конус) и Т (индентор – стальной шарик). Нагрузки для каждой шкалы - 15, 30, 45 кгс. Предварительная нагрузка составляет 3 кгс, а цена деления шкалы индикатора – 1 мкм. Как и число твердости по Роквеллу, число поверхностной твердости по Супер-Роквеллу выражено символом HR и сопровождается указанием шкалы замера. Например, 81 HR30N представляет собой число поверхностной твердости по Роквеллу 81 по шкале 30N.

Определение твердости по Виккерсу^[4].Метод измерения твердости по Виккерсу регламентирует ГОСТ 2999-75 (в редакции 1987 г). Сущность метода заключается во внедрении алмазного индентора в форме правильной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136° в образец (изделие) под нагрузкой Р (кгс) и измерении диагонали отпечатка d (мм) после снятия нагрузки (рис. 1.20).

 

Рис. 1.20. Схема измерения твёрдости по Виккерсу

Значения твердости определяются как отношение величины приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка и формально имеют размерность кгс/мм² (Н/мм²) по формуле

(5.6)

где HV −твёрдость по Виккерсу, кг/мм²;

α − наклон алмазного индентера пирамидальной формы;

P − испытательное усилие;

d − средняя длина диагонали отпечатка, мм.

На практике число твёрдости HV определяют по специальным таблицам по измеренной величине диагонали отпечака d.

При использовании метода Виккерса наиболее предпочтительны нагрузки 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кг. В стандартном случае применяют нагрузку 30 кгс (294 Н). Числа твёрдости по Виккерсу и Бринеллю имеют одинаковую размерность и для материалов с твёрдостью до 450 НВ практически совпадают.

Примеры обозначений. Запись значения твердости в 500 единиц при нагрузке 30 кгс и времени выдержки под нагрузкой 10...15 с обозначается как 500 HV, значение твердости в 220 единиц при нагрузке 10 кгс и времени выдержки 40 с − 220 HV 10/40.

Метод Виккерса используется для определения твердости дета-лей малой толщины и тонких поверхностных слоев (азотирование, борирование, цианирование и т. д.), имеющих высокую твёрдость.