Механические свойства металлов и сплавов

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1.Статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

2.Динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.

3.Повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение: получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца Δl (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. Δl = f(P).

Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения Δl от напряжения δ (рис. 3.1).

Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки.

Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.

Предел пропорциональности (σ_пц) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

σ_пц = Р_пц / Fо,

где Fо – начальная площадь поперечного сечения расчетной части образца.

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа.

 

Рис. 3.1. Диаграмма растяжения: а – абсолютная, б – относительная; в – схема определения условного предела текучести

 

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%).

В обозначении указывается значение остаточной деформации (σ_0,05).

σ_0,05 = Р_0,05 / Fо

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.

Физический предел текучести (σ_т) – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.

σ_т = Р_т / Fо,

где Р_т – нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 3.1)

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести (σ_0,2) – это напряжение вызывающее остаточную деформацию δ = 0,2%

σ_0,2 = Р_0,2 / Fо,

где Р_0,2 – нагрузка, соответствующая остаточному удлинению Δl_0,2=0,002l₀

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.

Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности.

В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца.

Предел прочности или временное сопротивление (σ_в) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке Р_в, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

σ_в = Р_в / Fо

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение.

Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца.

S_k = P_k / F_k,

где P_k – нагрузка в момент разрыва; F_k - конечная площадь поперечного сечения образца

Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность - способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Показатели пластичности:

- относительное удлинение

, где

l_o и l_k – начальная и конечная длина образца; Δl_ост – абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.

- относительное сужение

,

где Fo - начальная площадь поперечного сечения; F_k - площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.

Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке. Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости (рис. 3.3).

 

Рис. 3.2. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

 

Твердость по Бринеллю

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис. 3.3 а)

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – P = 30D², литой бронзы и латуни – P = 10D², алюминия и других очень мягких металлов – P = 2,5D².

Продолжительность выдержки Ƭ: для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F.

Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; τ = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / τ, НВ 5/ 250 /30 – 80.

 

Метод Виккерса

Твердость определяется по величине отпечатка (рис. 3.3 в).

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136^o.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F.

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Обозначается 500 HV _10/30, где 10 нагрузка в кгс, 30 с- время действия нагрузки, 500 твердость (кгс/мм²); 500 HV – твердость по Виккерсу, полученная при силе 30 кгс и времени выдержки 10...15 с.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Метод Роквелла

Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 3.3 б)

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1,6 мм, для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка Ро (10 кгс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой Ро.

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (табл. 3.1).

Основные шкалы твердости по Роквеллу

Таблица 3.1.

Шкала	Индентор	Нагрузка Р, кгс
А	Алмазный конус с углом 120° при вершине	60 кгс
В	Шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закаленной стали)	100 кгс
С	Алмазный конус с углом 120° при вершине	150 кгс

 

Твердость обратно пропорциональна глубине вдавливания. Чем тверже метал – тем меньше глубина вдавливания Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка. К недостатку метода относится меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Роквелла.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 кг.

Метод царапания

Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.

 

Динамический метод (по Шору)

Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.

Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

С повышением температуры вязкость увеличивается.

Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

 

Основные характеристики усталостной прочности

Предел выносливости– максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N.

Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время.

Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.

 

3.2. Конструкционная прочность материалов

 

В результате испытаний получают характеристики:

-силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, предел выносливости);

-деформационные (относительное удлинение, относительное сужение);

-энергетические (ударная вязкость).

Все они характеризуют общую прочность материала независимо от назначения, конструкции и условий эксплуатации. Высокое качество детали может быть достигнуто только при учете всех особенностей, которые имеют место в процессе работы детали, и которые определяют ее конструкционную прочность.

Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации.

На конструкционную прочность влияют следующие факторы: 1) конструкционные особенности детали (форма и размеры); 2) механизмы различных видов разрушения детали; 3) состояние материала в поверхностном слое детали; 4) процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе.

Необходимым условием создания качественных конструкций при экономном использовании материала является учет дополнительных критериев, влияющих на конструкционную прочность. Этими критериями являются надежность и долговечность.

Надежность – свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению.

Развитие хрупкого разрушения происходит при низких температурах, при наличии трещин, при повышенных остаточных напряжениях, а также при развитии усталостных процессов и коррозии.

Критериями, определяющими надежность, являются температурные пороги хладоломкости, сопротивление распространению трещин, ударная вязкость, характеристики пластичности, живучесть.

Долговечность – способность детали сохранять работоспособность до определенного состояния.

Долговечность определяется усталостью металла, процессами износа, коррозии и другими, которые вызывают постепенное разрушение и не влекут аварийных последствий, то есть условиями работы.

Критериями, определяющими долговечность, являются усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность.

Общими принципами выбора критериев для оценки конструкционной прочности являются:

-аналогия вида напряженного состояния в испытываемых образцах и изделиях;

-аналогия условий испытания образцов и условий эксплуатации (температура, среда, порядок нагружения);

-аналогия характера разрушения и вида излома в образце и изделии.