Механические свойства.

Твердость – 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. Наиболее распространены методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 1.16).

Твердость по Бринеллю. Индентор - стальной закаленный шарик диаметром D 2,5, 5 и 10 мм, в зависимости от толщины изделия. Нагрузка Р меняется в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически не обработанной стали и чугуна – Р = 30 D², литой бронзы и латуни – Р = 10 D², алюминия и других очень мягких металлов – Р = 2,5 D². Продолжительность выдержки: сталь, чугун – 10 с, латунь, бронза – 30 с. Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля. Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется как отношение приложенной нагрузки Р к площади сферической поверхности отпечатка F:

Временное сопротивление и число твердости по Бринеллю связаны между собой: для стали s_в = 0,34 НВ, для алюминиевых сплавов s_в = 0,35 НВ, для медных сплавов s_в = 0,45 НВ.

Метод Роквелла. Индентор для мягких материалов (до НВ 230) - стальной шарик диаметром = 1,6 мм, для твердых – конус алмазный. Нагружение происходит в два этапа. Предварительная нагрузка P₀ = 100 Н для плотного соприкосновения наконечника с образцом, затем – основная нагрузка Р₁ . В течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка: Р₂ = P₀ + Р₁ . После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой P₀. В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости: при испытании алмазным конусом и нагрузке P₁ = 1400 Н – шкала С, твердость обозначается HRC: при испытании алмазным конусом и нагрузке P₁ = 500 Н – шкала А (HRA); при испытании стальным закаленным шариком и нагрузке P₁ = 900 Н – шкала В (HRВ). Единица твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,02 мм.

Метод Виккерса. Твердость определяется по величине отпечатка индентора – алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136^o (см., рис. 1.16,в). Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе. Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонких изделий, поверхностных слоев.

В некоторых случаях определяют микротвердость отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Измеряется при вдавливании алмазной пирамиды при нагрузке менее 2 Н. Размер отпечатка определяют под микроскопом, а затем по специальным таблицам пересчитывают на число твердости - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Метод царапания (по Моосу). Десятибалльная шкала относительной твердости минералов предложена немецким ученым Ф. Моосом в 1811 году. Она состоит из 10 эталонов твердости: тальк – 1; гипс – 2; кальцит – 3; флюорит – 4; апатит – 5; ортоклаз – 6; кварц – 7; топаз – 8; корунд – 9; алмаз – 10. Относительная твердость определяется путем царапания эталоном поверхности испытываемого объекта. Например, эталон, имеющий твердость 5, царапает исследуемый образец. Образец оставляет след на поверхности другого эталона с твердостью 4. Твердость образца (минерала) примерно равна 4,5.

Динамический метод (по Шору). Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах маятникового копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту (рис. 1.17).

На разрушение образца затрачивается работа: А = Р∙(Н – h), где Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара. Ударная вязкость (a_n) определяется как отношение работы разрушения к площади поперечного сечения (F) в месте надреза: a_n = A / F. Испытания проводят на образцах с разными надрезами. По ГОСТу 9454–78 ударную вязкость обозначают KCV. KCU. KCT. Где KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т). Значение КС сильно зависит от температуры. Для большинства конструкционных материалов существует пороговое значение температуры, при которой характер разрушения скачкообразно меняется: ниже – хрупкое разрушение (малая работа разрушения, склонность к образованию трещин); выше – вязкое разрушение (большая работа разрушения, трещины распространяются с трудом).

Хладоломкость – склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллические решетки.

Способы оценки вязкости. Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому (внезапному) разрушению. Проводят серийные испытания образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура, определяя порог хладоломкости – температурный интервал изменения характера разрушения. Чем ниже порог, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски) к скорости деформации.

Выносливость. Испытания на выносливость дают характеристики усталостной прочности. Усталость – разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести. Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости. Предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за большое число циклов нагружения.

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

Технологические свойства – характеризуют способность материала подвергаться разным способам холодной и горячей обработки.

Литейные свойства – способность материала к получению качественных отливок. Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму. Усадка (линейная и объемная) – способность материала изменять размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Ликвация – неоднородность химического состава отливки по объему.

Способность материала к обработке давлением – изменение формы и размеров под влиянием внешних нагрузок без разрушения. Критерием годности является отсутствие дефектов после испытания.

Свариваемость – способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.

Способность к обработке резанием. Характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству обработанного поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства – характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

Антифрикционность – способность материалов образовывать прочные граничные слои, уменьшающие трение, а также легко (упруго или пластически) деформироваться или изнашиваться. Это способствует равномерному распределению нагрузки по поверхности соприкосновения (свойство прирабатываемости). К антифрикционности также относят микрогеометрическое строение поверхности (степень шероховатости или пористости) и способность материала "поглощать" твердые абразивные частицы, попавшие на поверхность трения, предохраняя тем самым детали от износа.