Механические и специальные свойства материалов

Свойство – это качественная или количественная характеристика материала, определяющая общность или отличие его от других материалов и служащая основой выбора материала для использования его в конкретных условиях.

Выбор осуществляют, оценивая эксплуатационные, технологические и стоимостные свойства материала.

Эксплуатационные свойства определяют работоспособность изготовленных из этого материала деталей машин и приборов, их силовые и скоростные параметры, надежность и долговечность.

К основным эксплуатационным свойствам относятся:- механические свойства при обычных условиях испытаний; жаростойкость; коррозионная стойкость; жаропрочность; особые физические свойства (электрические, магнитные; теплофизические и т.п.).

Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформациям и разрушению под действием внешних механических нагрузок.

Характеристики механических свойств, измеренные при лабораторных испытаниях стандартных образцов, относятся только к материалу, но не учитывают влияния конструкции детали и машины в целом, а также условий эксплуатации. Тем не менее, именно эта группа показателей механических свойств используется для оценки материала и на стадии проектирования, и на стадии изготовления машины.

Кроме того, механические свойства материала зависят от скорости приложения нагрузки, температуры, напряженного состояния (например, могут различаться при растяжении и кручении) и пр.

Основные стандартные параметры, характеризующие механические свойства, определяют при испытаниях образцов на статическое растяжение (при медленном и плавном возрастании нагрузки). Механическое поведение материала при таком испытании описывает диаграмма растяжения, построенная в координатах s-e.

Здесь s = P/F – внутренние напряжения, равные отношению приложенной нагрузки P к площади сечения образца F, нормального к этой нагрузке. s = [кгс/м²] = 10[Н./м²] или [Па]. e = Dl/l₀ – относительная деформация, изменение рабочей длины образца Dl , отнесенное к исходной длине l₀.

Вначале приложения нагрузки и роста внутренних напряжений образец, как всякое твердое тело, деформируется упруго. Упругая деформация растет пропорционально увеличению напряжений. В упругой области выполняется закон Гука: s = Еe. При снятии нагрузки и исчезновении вызванных ею напряжений упругая деформация тоже исчезает, образец возвращается к исходным размерам.

Коэффициент пропорциональности Е называется модулем нормальной упругости или модулем Юнга. Он является константой данного материала, характеризует его жесткость и силу межатомного взаимодействия. Модуль Юнга может быть найден как тангенс угла наклона упругого участка кривой деформации - Е = tga.

Другие характеристики, которые могут быть определены по кривой растяжения:

s_упр – предел упругости – максимальное напряжение, которое вызывает обратимые (упругие) деформации. Точно определить s_упр трудно из-за весьма малых упругих деформаций (e_упр<0,2%).

s_т (s₀₂)– предел текучести, напряжение, при котором происходит отклонение от пропорциональной взаимосвязи s-e и начинает развиваться необратимая (пластическая) деформация. Физический предел текучести - s_т может быть определен для сплавов, у которых на диаграмме деформаций явно выражена площадка текучести. В противном случае определяют условный предел текучести - s₀₂, напряжение, которое соответствует остаточной деформации e_ост=0,2%.

s_в – временное сопротивление разрушению или предел прочности, максимальное напряжение, которое может выдержать образец до разрушения.

Государственные стандарты на отливки и прокат качественной стали регламентируют следующие характеристики механических свойств, определяемых при статическом растяжении: Е, s_т(s₀₂), s_в, d, f. Здесь d - относительное удлинение, [%], и f - относительное сужение, [%] , которые характеризует пластичность материала.

В некоторых сплавах пластическая деформация не развивается, а сразу за областью упругого деформирования наступает разрушение. Так, например, ведет себя серый чугун для отливок. Диаграмма его деформации имеет вид:

Поэтому механические свойства серого чугуна характеризуются пределом прочности (временным сопротивлением разрушению), s_в и модулем упругости: Е = tga.

Механические свойства чугуна в большой степени зависят от условий кристаллизации. В разных литейных цехах прочность отливок из чугунов одного состава может существенно различаться, и одинаковые свойства могут быть у чугунов с разным составом. Поэтому маркировка чугуна для отливок производится по его прочности.

Например, СЧ20 – серый чугун с пределом прочности 20кгс/мм²<s_в<25кгс/мм², следующая марка СЧ25 регламентирует прочность в пределах от 25кгс/мм² до 30кгс/мм², при этом образцы для испытаний изготавливают из стержня Æ30 мм, отлитого в сырую песчано-глинистую форму, что обеспечивает фиксированную скорость охлаждения литой заготовки.

Еще более распространенным статическим испытанием является определение твердости.

Под твердостью следует понимать сопротивление материала вдавливанию другого твердого тела – индентора.

В зависимости от размеров, твердости и структурной однородности твердого тела применяют разные методы испытания. Эти методы различаются формой и материалом индентора, а также нагрузкой на индентор.

Наиболее распространены следующие методы:

- метод Бринелля, определение твердости металлов вдавливанием в испытуемый образец стального закаленного шарика. Твердость по Бринеллю указывается в единицах НВ (Hardness Brinell)., применяется для определения общей твердости металлом и сплавов, в том числе сплавов, структура которых состоит из фаз разной твердости, как, например, у серого чугуна;

- метод Роквелла определение твердости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемый образец алмазного конуса (шкалы А и С, соответствующие различным нагрузкам) или стального закаленного шарика (шкала В). Твердость указывается в единицах HR (Hardness Rockwell) с добавлением обозначения шкалы (HRA, HRB, HRC);

- метод Виккерса определение твердости металлов HV(Hardness Vickers), производится путем вдавливания в испытуемый образец алмазной пирамиды силой (нагрузкой) от нескольких гамм до 5 кг. Твердость по Виккерсу указывается в единицах –кгс/мм² или МПа. Этот метод может применяться для определения твердости тонких упрочненных или, напротив, разупрочненных слоев, для испытания малых по сечению объектов и т.п.;

- метод определения микротвердости, Н_m позволяет измерить твердость отдельных фаз микроструктуры сплавов, так как микротвердомер снабжен микроскопом с увеличением до ´500 (по крайней мере, на отечественных приборах).

Для определения твердости материалов в полевых условиях используют тарированные напильники или метод Шора, по которому твердость определяют с помощью склероскопа по высоте отскакивания легкого бойка с алмазным наконечником, падающего на поверхность испытываемого массивного тела с определенной высоты.

Большинство деталей машин в процессе работы подвергаются динамическим нагрузкам, т.е. нагрузкам, возрастающим с очень высокой скоростью, например, ударам.

При динамическом нагружении материалы склонны к наиболее опасному хрупкому разрушению, вероятность такого разрушения усиливается в присутствии концентраторов напряжений, таких как надрезы.

Поэтому для определения механических свойств технических сплавов производят динамические испытания при ударном изгибе.

В результате этих испытаний определяют удельную энергию, затраченную на разрушение образца – ударную вязкость: KCU = К/S₀ [МДж/м²], где К – энергия, затраченная на разрушение образца, а S₀ – поперечное сечение образца, по которому он разрушен.

Для увеличения жесткости испытаний на образце со стороны, противоположной удару, делают надрез U-Б V-образной формы или наводят трещину, соответственно полученная в результате испытаний характеристика - ударная вязкость, обозначается KCU, KCV или KCT.

Испытания проводятся на машине, которая называется маятниковый копер. Образец – параллелепипед сечением 10´10 мм, длиной 55 мм ( могут применяться стандартные образцы других размеров).

Проводя испытания при пониженных температурах, определяют склонность материалов к охрупчиванию в условиях холода.

Строя по результатам испытаний сериальные кривые зависимости КСU-t°, находят порог хладноломкости (критическую температуру хрупкости) t_хр температуру, при которой ударная вязкость резко снижается, вследствие перехода материала в хрупкое состояние.

Для изготовления деталей машин, которые эксплуатируются в условиях низких температур, необходимо использовать материалы с низким порогом хладноломкости, чтобы исключить аварийные поломки из-за низкотемпературного охрупчивания.

Переход от вязкого разрушения к хрупкому сопровождается изменением вида излома.

Вязкий излом имеет матовый волокнистый вид, хрупкий характеризуется блестящим кристаллическим рельефом.

Поэтому иногда порог хладноломкости, t₅₀ - определяют как температуру, при которой 50% площади излома имеет волокнистый (вязкий) рельеф, а 50 % кристаллический (хрупкий).

Многие детали машин: шестерни, валы, шатуны и пр., работают в условиях циклически меняющихся нагрузок. За время цикла t напряжения в таких деталях меняются от s_min до s_max.

При таком режиме работы в материале накапливаются повреждения, и развивается усталостное разрушение при напряжениях ниже статического предела прочности s_в

Разрушение от усталости сопровождается характерным видом излома.

1- очаг (фокус) излома – место зарождения усталостной трещины;

2- зона усталости – медленно, постепенно растущая усталостная трещина;

3- зона долома – сечение, разрушенное при однократном нагружении в последнем цикле.

Способность материала противостоять усталости называется выносливостью. О выносливости материала судят по пределу выносливости s_-1, который определяется по результатам циклических испытаний и с помощью усталостной кривой, построенной на базе определенного числа цикловN, обычно, N_к = 10⁶.

N – циклическая долговечность – число циклов работы материала до образования усталостной трещины.

s_к- ограниченный (малоцикловый) предел усталости, напряжение которое может выдержать материал в течение N_к числа циклов нагружения;

s_-1 – физический предел усталости, напряжение, при котором материал может работать бесконечно долго.

Все эти виды испытаний на растяжение, твердость, ударную вязкость и усталостную прочность, стандартизированы и проводятся в соответствии с ГОСТами. ГОСТом на испытания оговариваются: места и способ отбора образцов, форма и размера их, характеристики испытательных машин, условия испытаний, измерения и расчет определяемых характеристик.

Результаты испытаний сравнивают с требованиями ГОСТов на продукцию.