Механические свойства определяют поведение металла под нагрузкой. Характеристики механических свойств получают при механических испытаниях . Для этого воздействуют на образец из данного материала какой-то силой и замеряют реакцию материала.
Под действием различных внешних сил металл деформируется и разрушается. Но величиной приложенной нагрузки нельзя охарактеризовать условия нагружения. Важно знать, на какую площадь поперечного сечения эта нагрузка действует.
За характеристику нагружения принимают напряжение – отношение силы к площади сечения, на которую она действует:
Напряжение, действующее на любую произвольно взятую площадку, можно разложить на нормальную составляющую σ , перпендикулярную площадке, и касательную t .
При одинаковой нагрузке P
деформация стержней (рис. 30) будет разной: второй удлинится больше, так как площадь его поперечного сечения меньше.
Так как Напряжение во втором стержне будет больше, поэтому он получит большую деформацию.
Напряжение, которое выдерживает металл, является его основной механической характеристикой, не зависящей от размеров изделия.
Прочность
Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних и внутренних напряжений.
Государственные стандарты предусматривают получение характеристик прочности при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Все это – статические испытания , с постепенным, плавным возрастанием нагрузки.
Наиболее информативно испытание на растяжение на разрывной машине; его и проводят в большинстве случаев для получения стандартных характеристик прочности (рис. 32).
Разрывная машина снабжена устройством для записи так называемой диаграммы растяжения – графика зависимости между приложенной нагрузкой P и удлинением образца Dl (рис. 31). Современные машины имеют выход на компьютер, который не только записывает диаграмму, но и рассчитывает характеристики прочности.
Из этого испытания можно получить следующие характеристики прочности:
предел упругости [МПа] – это наибольшее напряжение, после которого образец возвращается к прежней форме и размерам;
предел текучести [МПа] – это напряжение пластического течения металла без увеличения нагрузки;
предел прочности [МПа] – это наибольшее напряжение, которое металл выдерживает, не разрушаясь.
Истинный, или физический предел текучести определить трудно: не у всех металлов образуется «площадка текучести». Поэтому чаще всего определяют условный предел текучести , который вызывает остаточную деформацию 0,2 %: » .
Прочностные расчеты чаще ведут по пределу текучести, так как значительная пластическая деформация большинства деталей и конструкций недопустима. Но и предел прочности знать необходимо, так как он показывает, при каком напряжении начнется разрушение.
Пластичность
Пластичность – это способность металла деформироваться без разрушения.
Характеристики пластичности определяют из того же испытания на растяжение. Это
относительное удлинение 
[%]
относительное сужение 
[%], где
l 0 и l К, мм – длина образца до и после испытания;
F 0 и F К, мм 2 – начальная и конечная площадь поперечного сечения образца (рис. 32).
Относительное удлинение и относительное сужение являются одновременно и критериями надежности: материал, имеющий бóльшие значения d и y, более надежен.
Твердость
Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела.
Методы измерения, приборы, обозначение, единицы измерения твердости описаны в методических указаниях к лабораторной работе «Определение твердости металлов и сплавов». Изучить самостоятельно!
Вязкость
Вязкость – это способность материала сопротивляться разрушению при ударных, динамических нагрузках.
Характеристика вязкости определяется при испытании на ударный изгиб. Это, в отличие от всех предыдущих, динамическое испытание, при котором нагрузка прилагается к образцу с очень большой скоростью, за тысячные доли секунды.
Испытание проводится на маятниковом копре (рис. 33).
Тяжелый маятник, поднятый на определенный угол, отпускают. На пути движения маятника находится образец. Удар ножа маятника разрушает его. Произведенная при разрушении работа определяется как разность между потенциальной энергией маятника до и после испытания.
Ударная вязкость – это работа разрушения образца, отнесенная к площади поперечного сечения:
[Дж/м 2 ], где
A Р – работа разрушения,
F – площадь поперечного сечения образца.
Образец должен иметь надрез – концентратор напряжения. Обозначение ударной вязкости зависит от вида надреза (рис. 34).
Для одного и того же материала KCU
> KCV
> KCT
, т. е. чем острее надрез, тем легче разрушается материал.
Ударная вязкость тоже является критерием надежности материала, гарантией, что он не будет разрушаться хрупко, внезапно.
Строго говоря, ударная вязкость является комплексной характеристикой, включающей удельную работу зарождения трещины a
з и удельную работу распространения трещины a
р. Для более достоверной оценки надежности материала методом экстраполяции определяют ударную вязкость при радиусе концентратора r
, стремящемся к нулю. Это и будет работа распространения трещины a
р, позволяющая оценить надежность (зародыши трещин в материале есть почти всегда, вопрос в том, будут ли они расти).
Испытание на растяжение металла заключаются в растяжении образца с построением графика зависимости удлинения образца (Δl) от прилагаемой нагрузки (P), с последующим перестроением этой диаграммы в диаграмму условных напряжений (σ - ε)
Испытания на растяжение проводятся по , по этому же ГОСТу определяются и образцы на которых проводятся испытания.
Как уже говорилось выше, при испытаниях строится диаграмма растяжения металла. На ней есть несколько характерных участков:
- Участок ОА - участок пропорциональности между нагрузкой Р и удлинением ∆l. Это участок, на котором сохраняется закон Гука. Данная пропорциональность была открыта Робертом Гуком в 1670 г. и в дальнейшем получила название закона Гука.
- Участок ОВ - участок упругой деформации. Т.е., если к образцу приложить нагрузку, не превышающую Ру, а потом разгрузить, то при разгрузке деформации образца будут уменьшаться по тому же закону, по которому они увеличивались при нагружении
Выше точки В диаграмма растяжения отходит от прямой - деформация начинает расти быстрее нагрузки, и диаграмма принимает криволинейный вид. При нагрузке, соответствующей Рт (точка С), диаграмма переходит в горизонтальный участок. В этой стадии образец получает значительное остаточное удлинение практически без увеличения нагрузки. Получение такого участка на диаграмме растяжения объясняется свойством материала деформироваться при постоянной нагрузке. Это свойство называется текучестью материала, а участок диаграммы растяжения, параллельный оси абсцисс, называется площадкой текучести.
Иногда площадка текучести носит волнообразный характер. Это чаще касается растяжения пластичных материалов и объясняется тем, что вначале образуется местное утонение сечения, затем это утонение переходит на соседний объем материала и этот процесс развивается до тех пор, пока в результате распространения такой волны не возникает общее равномерное удлинение, отвечающее площадке текучести. Когда имеется зуб текучести, при определении механических свойств материала, вводят понятия о верхнем и нижнем пределах текучести.
После появления площадки текучести, материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению и диаграмма поднимается вверх. В точке D усилие достигает максимального значения Pmax. При достижении усилия Pmax на образце появляется резкое местное сужение - шейка. Уменьшение площади сечения шейки вызывает падение нагрузки и в момент, соответствующий точке K диаграммы, происходит разрыв образца.
Прилагаемая нагрузка для растяжения образца зависит от геометрии этого образца. Чем больше площадь сечения, тем более высокая нагрузка необходима для растяжения образца. По этой причине, получаемая машинная диаграмма не дает качественной оценки механических свойств материала. Чтобы исключить влияние геометрии образца, машинную диаграмму перестраивают в координатах σ − ε путем деления ординат P на первоначальную площадь сечения образца A0 и абсцисс ∆l на lо. Перестроенная таким образом диаграмма называется диаграммой условных напряжений. Уже по этой, новой диаграмме, определяют механические характеристики материала.
Определяются следующие механические характеристики:
Предел пропорциональности σпц
– наибольшее напряжение, после которого нарушается справедливость закона Гука σ = Еε , где Е – модуль продольной упругости, или модуль упругости первого рода. При этом Е =σ/ε = tgα , т. е. модуль E это тангенс угла наклона прямолинейной части диаграммы к оси абсцисс
Предел упругости σу
- условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций определенной заданной величины (0,05; 0,001; 0,003; 0,005%); допуск на остаточную деформацию указывается в индексе при σу
Предел текучести σт – напряжение, при котором происходит увеличение деформации без заметного увеличения растягивающей нагрузки
Также выделяют условный предел текучести - это условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает определенной величины (обычно 0,2% от рабочей длины образца; тогда условный предел текучести обозначают как σ0,2). Величину σ0,2 определяют, как правило, для материалов, у которых на диаграмме отсутствует площадка или зуб текучести
Механические испытания металлов - это определение механических свойств металлических сплавов (для краткости - металлов), их способности выдерживать разного рода нагрузки в определенных пределах. По характеру действия на металл нагрузки, а соответственно, и испытания разделяют на статические (растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамические (ударные - ударная вязкость, твердость), усталостные (многократные циклические нагружения), длительные (воздействие атмосферных сред, ползучесть, релаксация) и специальные. Из всего многообразия испытаний основными являются испытания на растяжение, твердость, удар, изгиб и некоторые другие.
При испытаниях металлов на растяжение используют унифицированные образцы и специальные машины. В процессе испытаний по мере нарастания усилия все изменения, происходящие с металлическим образцом, фиксируются в виде диаграммы (рис. 2.5) с координатами: нагрузка по оси ординат и удлинение по оси абсцисс. С помощью диаграммы определяют предел пропорциональности апц, предел текучести ат, максимальное усилие - временное сопротивление aD и разрыв. Предел пропорциональности - это наибольшее напряжение (отношение усилия к площади сечения образца), до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией, когда образец упруго деформируется пропорционально нагрузке, т.е. во сколько раз увеличивается нагрузка, во столько же раз увеличивается удлинение. Если нагрузку снять, то длина образца вернется к начальной или увеличится незначительно (на 0,03... 0,001 %), определяя предел упругости.
Предел текучести - это напряжение, при котором образец деформируется (удлиняется) без заметного увеличения растягивающей нагрузки (горизонтальная площадка на диаграмме). Если снять нагрузку, то длина образца практически не уменьшится. При дальнейшем увеличении нагрузки на образец создается напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке на растяжение, предшествующей разрушению образца, называемое временным сопротивлением ав (пределом прочности при растяжении). Далее удлинение образца увеличивается, образуется шейка, по которой образец разрывается.
Диаграмма растяжения дает возможность судить о способности металла деформироваться (растягиваться), не разрушаясь, т.е. харастеризует его пластические свойства, которые можно выразить также относительным удлинением и сужением образца в момент разрыва (оба параметра выражают в процентах).
Относительное удлинение - это отношение приращения длины образца в момент перед разрывом к первоначальной его длине. Относительное сужение - это отношение уменьшения площади поперечного сечения шейки образца в месте его разрыва к первоначальной площади поперечного сечения образца.
Испытание на твердость - простой и быстрый способ проверки прочности металлического материала (далее для краткости металла) в условиях сложнонапряженного состояния. В производстве наиболее широко применяют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также некоторые другие. Поверхностные слои испытуемого металла не должны иметь поверхностных дефектов (трещин, царапин и др.).
Суть способа определения твердости методом Бринелля (твердость НВ) заключается во вдавливании стального закаленного шарика в испытуемый образец (изделие) при заданном режиме (величина нагрузки, продолжительность нагружения). После окончания испытания определяют площадь отпечатка (лунки) от шарика и вычисляют отношение величины усилия, с которым вдавливался шарик, к площади отпечатка в испытуемом образце (изделии).
Учитывая по опыту предполагаемую твердость испытуемого образца, применяют шарики разных диаметров (2,5; 5 и 10 мм) и нагрузки 0,6...30 кН (62,5...3 000 кгс). На практике используют таблицы перевода диаметра отпечатка в число твёрдости НВ. Данный способ определения твердости имеет ряд недостатков: отпечаток шарика повреждает поверхность изделия; сравнительно велико время измерения твердости; невозможно измерить твердость изделий, соизмеримую с твердостью шарика (шарик деформируется); затруднительно измерить твердость тонких и мелких изделий (происходит их деформация). В чертежах и технической документации твердость по Бринеллю обозначают НВ.
При определении твердости методом Роквелла используется прибор, в котором индентор - твердый наконечник 6 (рис. 2.6) под действием нагрузки проникает в поверхность испытуемого металла, по измеряется при этом не диаметр, а глубина отпечатка. Прибор настольного типа, имеет индикатор 8 с тремя шкалами - А. В, С для отсчета твердости соответственно в диапазонах 20... 50;
25... 100; 20 ... 70 единиц шкалы. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 2 мкм. При работе со шкалами А и С наконечником служит алмазный конус с углом 120° при вершине или конус из твердого сплава. Алмазный конус применяют при испытаниях твердых сплавов, а твердосплавный конус - для деталей неответственного назначения твердостью 20...50 единиц.
Рис. 2.6. Прибор Роквелла для определения
твердости:
I - рукоятка освобождения груза; 2 - груз; 3 - маховик; 4 - подъемный
винт; 5 - столик; 6 - наконечник прибора; 7 - образец испытуемого
металла; 8 - индикатор
При работе со шкалой В инден-тором служит маленький стальной шарик диаметром 1,588 мм (1/16 дюйма). Шкала В предназначена для измерения твердости сравнительно мягких металлов, так как при значительной твердости шарик деформируется и проникает в материал слабо, на глубину менее 0,06 мм. При пользовании шкалой С наконечником является алмазный конус, в этом случае прибором измеряют твердость закаленных деталей. В производственных условиях, как правило, пользуются шкалой С. Вдавливание наконечников осуществляют при определенной нагрузке. Так, при измерении по шкалам А, В и С нагрузка составляет соответственно 600; 1 ООО; 1 500 Н, твердость обозначают в соответствии со шкалой - HRA, HRB, HRC (величины ее безразмерные).
При работе на приборе Роквелла образец испытуемого металла 7 размещают на столике 5 и с помощью маховика 3 подъемным винтом 4 и грузом 2 создают требуемое усилие на наконечнике 6, фиксируя его перемещение по шкале индикатора 8. Затем поворотом рукоятки 7 снимают усилие с испытуемого металла и определяют значение твердости по шкале твердомера (индикатор).
Метод Виккерса - способ определения твердости материала вдавливанием в испытуемое изделие алмазного наконечника (ин-дентора), имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с двухгранным углом при вершине 136°. Твердость по Виккерсу HV - отношение нагрузки на индентор к площади пирамидальной поверхности отпечатка. Выбор вдавливающей нагрузки
50... 1000 Н (5... 100 кгс) зависит от твердости и толщины проверяемого образца.
Известны другие способы испытаний металлов на твердость, например, на приборе Шора и динамическим вдавливанием шарика. В тех случаях, когда твердость закаленной или закаленной и шлифованной детали необходимо определить, не оставив какого-либо следа от замера, пользуются прибором Шора, принцип работы которого основан на упругой отдаче - высоте отскока легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытываемого тела с определенной высоты.
Твердость на приборе Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскока бойка с алмазным наконечником. Оценка приближенная, так как, например, степень упругости тонкой пластинки и массивной детали большой толщины при одинаковой твердости будет разной. Но, поскольку прибор Шора портативен, его удобно применять для контроля твердости значительных по размерам деталей.
Для ориентировочного определения твердости очень больших изделий (например, вал прокатного стана) можно использовать ручной прибор Польди (рис. 2.7), действие которого основано на динамическом вдавливании шарика. В специальной обойме 3 находится боек 2 с буртиком, в который упирается пружина 7. В щель, находящуюся в нижней части обоймы 3, вставляются стальной шарик 6 и эталонная пластина 4 с известной твердостью. При определении твердости прибор устанавливают на проверяемую деталь 5 в месте измерения и по верхней части бойка 2 ударяют молотком 1 со средней силой один раз. После этого сравниваются размеры отпечатков лунок на проверяемой детали 5 и эталонной пластине 4, полученных одновременно от шарика при ударе по бойку. Далее по специальной таблице определяют число твердости испытуемого изделия.
Кроме рассмотренных твердомеров в производстве применяют универсальные портативные электронные твердомеры ТЭМП-2, ТЭМП-З, предназна-ченные для измерения твердости разных материалов (стали, меди, алюминия, резины и др.) и изделий из них (трубопроводов, рельсов, шестерен, отливок, поковок и др.) с использованием шкал Бринелля (НВ), Роквелла (HRC), Шора (HSD) и Виккерса (HV).
Рис. 2.7. Ручной прибор Польди для определения
твердости:
1 - молоток; 2- боек; 3 - обойма; 4- эталонная пластина; 5 - проверяемая
деталь; 6 -шарик; 7 - пружина; -- -аправление
усилия на боек
Принцип работы твердомеров динамический, основан на определении отношения скорости удара и отскока ударника 6 (рис. 2.8) (шарика 7 диаметром 3 мм), которое преобразуется электронным блоком 1 в трехзначное число условной твердости, отображаемое на жидкокристаллическом (ЖК) индикаторе 2 (например, 462). По измеренному числу условной твердости с помощью переводных таблиц находят числа твердости, соответствующие известным шкалам твердости.
Рис. 2.8. Портативный электронный твердомер ТЭМП-З:
1 - электронный блок; 2 - ЖК-индикатор; 3 - толкатель; 4 - спусковая
кнопка; 5 - датчик; 6 - ударник; 7 - шарик; 8 - опорное кольцо; 9 -
испытываемая поверхность изделия
Для измерения твердости этим методом прибор подготавливают следующим образом. Толкателем 3, расположенным на электронном блоке 1, заталкивают шарик 7, находящийся в датчике 5, в цанговый зажим и одновременно взводят спусковую кнопку 4, находящуюся сверху датчика 5. Далее датчик плотно прижимают опорным кольцом 8 к испытываемой поверхности 9 изделия и нажимают на спусковую кнопку 4. После соударения ударника 6 с испытуемой поверхностью изделия на ЖК-индикаторе появится результат в виде трехзначного числа условной твердости.
Окончательным значением измеренной условной твердости является среднее арифметическое пяти измерений. Один раз в год выполняют периодическую поверку прибора, пользуясь образцовыми мерами твердости не ниже второго разряда соответствующих шкал твердости (Бринелля, Роквелла, Шора и Виккерса), соблюдая при этом нормированные условия. С помощью указанных приборов кроме твердости можно определять временное сопротивление (предел прочности на растяжение) и предел текучести.
Наряду с твердомерами в производстве для определения твердости материала используют тарированные напильники. С их помощью контролируют твердость стальных деталей в тех случаях, когда нет твердомера или когда площадь для измерения очень мала или место недоступно для индентора прибора, а также тогда, когда изделие имеет весьма значительные размеры. Тарированные напильники - это напильники с заведомо известной твердостью, изготовленные из стали У10, они бывают трехгранные, квадратные и круглые с определенной насечкой. Сцепляемость насечки напильника с контролируемым металлом определяется по наличию следов царапания на контролируемой детали без смятия вершин зубьев на напильнике. В процессе эксплуатации острота зубьев напильника должна периодически проверяться на сцепляемость с контрольными образцами (кольцами). Напильники изготавливают двух групп твердости, соответственно для контроля нижнего и верхнего пределов твердости изделий. Контрольные кольца (пластинки) делают грех видов с твердостью 57...59; 59...61 и 61 ...63 HRC для поверки тарированных напильников, твердость которых соответствует пределам твердости контрольных образцов.
Испытание на удар (ударный изгиб) является одной из важнейших характеристик (динамической) прочности металлов. Особенно важно также испытание изделйй, работающих при ударных и знакопеременных нагрузках и при низких температурах. В этом случае металл, легко разрушающийся под действием удара без заметной пластической деформации, называют хрупким, а металл, разрушающийся под действием ударной нагрузки после значительной пластической деформации, - вязким. Установлено, что металл, хорошо работающий при испытании в статических условиях, разрушается при ударной нагрузке, так как не обладает ударной вязкостью.
Для испытания на ударную вязкость (сопротивления материала ударным
нагрузкам) применяют маятниковый копер Шарпи
(рис. 2.9), на котором разрушают специальный образец - мена-же,
представляющий собой стальной брусок прямоугольной формы с односторонним
U- или V-образным надрезом посередине. Маятник копра с определенной
высоты ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу, разрушая
его. При этом определяют работу, совершенную маятником до удара и после
удара, учитывая его массу и высоты падения Н и подъема h после
разрушения образца. Разницу работ относят к площади поперечного сечения
образца. Полученное при делении частное и характеризует ударную вязкость
металла: чем вязкость меньше, тем материал более хрупкий.
Испытанию на изгиб подвергают хрупкие материалы (закаленная сталь, чугун), которые разрушаются без заметной пластической деформации. Так как момент начала разрушения определить не представляется возможным, то об изгибе судят по отношению изгибающего момента к соответствующему прогибу. Кроме этого, проводят испытание на кручение для определения пределов пропорциональности, упругости, текучести и других характеристик материала, из которого изготовлены ответственные детали (коленчатые валы, шатуны), работающие при большой нагрузке на кручение.
Рис. 2.9. Маятниковый копер Шарпи:
1 - маятник; 2 - образец; Н, h - высоты падения и подъема маятника;----
-траектория движения маятника
Помимо рассмотренных проводятся и другие испытания металлов, например, на усталость, ползучесть и длительную прочность. Усталость - это изменение состояния материала изделия до его разрушения под действием многократных знакопеременных (циклических) нагрузок, которые изменяются по величине или направлению, или и по величине, и по направлению. В результате длительной службы металл постепенно переходит из пластического состояния в хрупкое («устает»). Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости (пределом усталости) - наибольшим напряжением цикла, которое может выдержать материал без разрушения, при заданном числе повторно-переменных нагружений (циклы нагружения). Например, для стали установлены 5 млн циклов нагружения, для легких литейных сплавов - 20 млн. Такие испытания проводят на специальных машинах, в которых образец подвергают чередующимся напряжениям сжатия и растяжения, знакопеременным изгибам, кручению, повторным ударным нагрузкам и другим видам силового воздействия.
Ползучесть (крип) - это медленное нарастание пластической деформации материала под воздействием длительно действующей нагрузки при определенной температуре, по величине меньшей нагрузки, создающей остаточную деформацию (т.с. меньше, чем предел текучести материала детали при данной температуре). При этом пластическая деформация может достигнуть такой величины, которая изменяет форму, размеры изделия и приводит к его разрушению. Ползучести подвержены почти все конструкционные материалы, но для чугуна и стали она существенна при нагреве свыше 300 °С и возрастает с повышением температуры. У металлов с низкой температурой плавления (свинец, алюминий) и полимерных материалов (резина, каучук, пластмассы) ползучесть наблюдается при комнатной температуре. Испытывают металл на ползучесть на специальной установке, в которой образец при заданной температуре нагружается грузом постоянной массы в течение длительного времени (например, 10 тыс. ч). При этом периодически точными приборами измеряют величину деформации. С увеличением нагрузки и повышением температуры образца степень его деформации увеличивается. Предел ползучести - это такое напряжение, которое за 100 тыс. ч вызывает удлинение образца при определенной температуре не более I %. Длительная прочность - это прочность материала, который в течение длительного времени находился в состоянии ползучести. Предел длительной прочности - напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной температуре за определенное время, соответствующее условиям эксплуатации изделий.
Испытания материалов необходимы для создания надежных машин, способных длительное время работать без поломок и аварий в чрезвычайно тяжелых условиях. Это винты самолетов и вертолетов, роторы турбин, детали ракет, паропроводы, паровые котлы и другое оборудование.
Для устройств, работающих в иных условиях, проводят специфические испытания, подтверждающие их высокую надежность и работоспособность.
Механические свойства металлов
Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, жесткостью, вязкостью). Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).
Механические свойства металлов при статическом нагружении. В результате испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.
Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. Учитывая зависимость отспособа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.
Испытания на растяжение. Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетная длина образца равна десяти- или пятикратному диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. Результаты испытаний отражают на диаграмме растяжения.
На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 13, а) можно выделить три участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; ВС – соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.
От начала деформации (точка О) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА – прямая линия. Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, в связи с этим его часто называют пределом упругости металла.
Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичных металлов:
а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести
При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка текучести АА¢. В этом случае напряжение, отвечающее этой площадке, s т называют физическим пределом текучести . Физический предел текучести - ϶ᴛᴏ наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести (σ 0,2).
Участок А¢В (см. рис 13, а) соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (точка В), предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением , или пределом прочности при растяжении σ в. Это характеристика статической прочности:
s в = Р max / F 0 , (3)
где Р max – наибольшая нагрузка (напряжение), предшествующая разрушению образца, МПа;
F 0 – начальная площадь поперечного сечения образца, м 2 .
У пластичных металлов, начиная с напряжения σ в, деформация сосредоточивается (локализуется) в одном участке образца, где появляется сужение, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется множество вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности. Сливаясь, они образуют трещину, которая распространяется в поперечном направлении растяжению, и образец разрушается (точка С). Кривая растяжения образца без площадки текучести показана на рис. 13, б.
Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. После испытания металла на растяжение эти же образцы измеряют и определяют характеристики пластичности. Показатели пластичности – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.
Относительным удлинением δ принято называть отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l – l 0), к его первоначальной расчетной длине l 0 , выраженное в процентах:
где l 0 – первоначальная длина образца, мм;
l – длина образца после разрыва, мм.
Относительным сужением y принято называть отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (F о – F ), к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:
где F 0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ;
F – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм 2 .
Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.
Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, размер которого характеризует твердость.
Существует множество методов определения твердости металлов. Но лишь некоторые из них нашли широкое применение в машиностроении. Все они названы в честь своих создателей.
Метод Бринелля . В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм (рис. 14, а). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой каждому диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.
Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от испытуемого металла, его твердости и толщины. Важно заметить, что для стали и чугуна нагрузка Р = 3000 кг, диаметр шарика d = 10 мм. К примеру, твердость технически чистого железа, по Бринеллю, равна 80 – 90 единицам НВ.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и получится искаженный результат. Этот метод в основном используется для измерения твердости неупрочненного металла заготовок и полуфабрикатов.
Метод Роквелла . Твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120° – для твердых и сверхтвердых (более HRC70) металлов (рис. 14, б).
Шарик и конус вдавливаются в металл нагрузкой 60, 100 или 150 кᴦ. Отсчет результатов измерений определяется по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 15, а). После включения нагрузки стрелка перемещается по шкале индикатора твердомера (рис. 15, б) и указывает значение твердости (рис. 15, в).
Рис. 15. Показания индикатора прибора ТК
При вдавливании стального шарика нагрузка – 100 кг (отсчет по внутренней (красной) шкале индикатора), твердость обозначают как НRВ. При вдавливании алмазного конуса отсчет твердости осуществляется по показанию стрелки на наружной (черной) шкале индикатора (см. рис. 15, в). Нагрузка 150 кг – для твердых металлов. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также мелких деталей нагрузка – 60 кг, обозначение твердости – НRА.
Определение твердости по Роквеллу дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы, а отпечатки от шарика или конуса очень малы, в связи с этим можно измерять твердость готовых деталей. Измерения не требуют никаких вычислений – число твердости читается на шкале индикатора твердомера. Поверхность для испытания должна быть шлифованной.
Метод Виккерса . В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50, 100 кᴦ. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют величину диагонали отпечатка (рис. 16). Зная нагрузку на пирамиду и величину диагонали отпечатка, по таблицам определяют твердость металла, обозначаемую как HV.
Этот метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроцементации и т. п.). Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, но чем больше нагрузка, тем точнее получаемый результат.
Прочность при динамическом нагружении (испытания на ударную вязкость – на удар).В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб. В результате определяют ударную вязкость – характеристику динамической прочности.
Для определения ударной вязкости применяют 20 типов образцов (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца принято называть концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 17, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 17, б). Работа удара К (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:
К = G (h 1 – h 2), (6)
где G – вес маятника, Н;
h 1 – высота подъема маятника до разрушения образца, м;
h 2 – высота подъема маятника после разрушения, м.
Ударная вязкость обозначается КС (прежнее обозначение – a н) и подсчитывается как отношение работы, затраченной на разрушение образца К , к площади поперечного сечения образца в месте надреза F , МДж/м 2:
КС (a н) = К / F . (7)
В случае если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вязкости добавляется буква U (КСU ), а если V-образный, то добавляется буква V (КСV ). К примеру, KCU = 1 кгс×м/см 2 = 98 кДж/м 2 .
Определение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки способности металлов, имеющих объемно центрированную кубическую решетку, к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью .
Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до минус 100°С). Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания». Температура, при которой происходит падение ударной вязкости, принято называть критической температурой хрупкости , или порогом хладноломкости . Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит из вязкого состояния в хрупкое.
Прочность при циклическом нагружении (испытания на усталость). Многие детали (валы, рессоры, рельсы, шестерни) в процессе работы подвергаются повторно-переменным нагрузкам. Разрушение таких деталей при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, принято называть уста-лостью . Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, принято называть выносливостью , или циклической (усталостной ) прочностью .
Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках. Она характеризуется наибольшим напряжением s -1 , ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ выдерживает металл при бесконечно большом числе циклов нагружения не разрушаясь и принято называть пределом усталости, или пределом выносливости. Для углеродистой конструкционной стали предел усталости принимается равным (0,4 – 0,5) s в.
Значение предела выносливости зависит от целого ряда факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.
Разрушение металлов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленное движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получает только та͵ которая имеет наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположена по отношению к действующему напряжению.
Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и она перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается, пока не произойдет мгновенное разрушение. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, для усталостного излома характерно, как минимум, наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2 (рис. 18).
Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.
Живучесть - ϶ᴛᴏ способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины. Она измеряется числом циклов нагружения до разрушения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.
Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими или химико-термическими).
3. металлические сплавы
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, в связи с этим для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами, представляющие собой сочетание какого-либо металла (основа сплава) с другими металлами или неметаллами. К примеру, латунь – сплав меди (металл) с цинком (металл), сталь – сплав железа (металл) с углеродом (неметалл). Большинство сплавов получают путем сплавления, т. е. соединения компонентов сплава в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, металлокерамические сплавы образуются путем спекания из порошков.
