Основные физико-механические характеристики материалов. Механические свойства материалов Механические свойства примеры

Следует различать механические характеристики материала, зависящие от его химического состава, структуры, термообработки, температуры, условий и скорости нагружегяя, и механические характеристики изготовленной из этого материала детали, на которые дополнительно влияют ее размеры и форма, а также условия взаимодействия с другими деталями и средой.

К основным механическим свойствам материала относят: прочность - способность сопротивляться нагрузкам без разрушения;

деформативность - способность изменять размеры и форму без разрушения;

упругость - способность восстанавливать первоначальные размеры и форму после снятия нагрузок;

пластичность - способность получать значительную деформацию, остающуюся после снятия нагрузки; эту деформацию называют остаточной;

твердость - способность сопротивляться при местных контактных воздействиях пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое;

сопротивление усталости - способность сопротивляться усталости, т. е. возникновению и развитию трещины под влиянием многократно повторяющихся нагружений.

Материалы, разрушающиеся при значительной остаточной деформации, называют пластичными, при очень малой - хрупкими.

Характеристики прочности, пластичности и твердости определяют при постепенно возрастающих нагрузках; они служат для оценки статической прочности материала. Сопротивление усталости определяют при циклически меняющихся нагрузках, по ней судят о работоспособности материала при переменных напряжениях

По мере увеличения нагрузки или времени ее действия происходит постепенное исчерпание способности материала сопротивляться дальнейшему нагружению; это явление называют повреждаемостью.

Один и тот же материал при различных условиях и скоростях нагружения и при разных температурах может обладать различными механическими свойствами. Количественная оценка механических свойств проводится при испытании стандартных образцов в определенных условиях нагружения.

К основным механическим характеристикам детали наряду с ее прочностью и сопротивлением усталости относят жесткость - способность сопротивляться изменению размеров и формы под действием нагрузок; противоположную характеристику называют податливостью.

Нагрузка, при которой происходит нарушение прочности детали, препятствующее ее дальнейшей работе, может значительно превосходить нагрузку, вызывающую местное разрушение материала в какой-либо точке, вследствие включения в работу ранее менее нагруженных участков детали. Способность детали сопротивляться разрушению при наличии трещин называют трещиностойкостью.

Большинство используемых конструкционных материалов (стали, алюминиевые и титановые сплавы) имеют одинаковые механические свойства по всем направлениям, т. е. являются изотропными. Наряду с ними встречаются материалы (дерево, многие композиционные материалы, т. е. состоящие из двух или нескольких компонентов), свойства которых по разным направлениям существенно различны. Их называют анизотропными. Механические характеристики деталей из композиционных материалов зависят от способа их изготовления.

Анизотропия может быть специально получена в процессе отливки (детали с направленной кристаллизацией или монокрнсталлической структурой) для обеспечения повышенной прочности в направлении действия наибольших нагрузок.

Механические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться действию приложенных к ним нагрузок, а механические характеристики выражают эти свойства количественно. Основными свойствами металлических материалов являются; прочность, пластичность (или вязкость), твердость, ударная вязкость, износоустойчивость, ползучесть и др.
Механические характеристики материалов определяются при механических испытаниях, которые в зависимости от характера действия нагрузки во времени делятся на статические, динамические и повторно-переменные.
В зависимости от способа приложения внешних сил (нагрузок) различают испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ударный изгиб и т. п.
Основные механические характеристики металлов и сплавов.
Временное сопротивление (предел прочности, предел прочности при растяжении- условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Истинное сопротивление разрыву (действительное напряжение) - напряжение, определяемое отношением нагрузки в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва.
Предел текучести (физический) - наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.
Предел текучести (условный) - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% длины участка образца, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики. Предел пропорциональности (условный)- напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации (в рассматриваемой точке), с осью нагрузок увеличивается на 50% своего значения на линейном упругом участке. Допускается увеличение тангенса угла наклона на 10 или 25%.
Предел упругости- условное напряжение, соответствующее появлению остаточной деформации. Допускается определение предела упругости с допусками до 0,005%, тогда соответственно будет обозначаться.
Относительное удлинение после разрыва- отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине. Различают относительные удлинения, полученные при испытании на образцах с пятикратным и десятикратным отношением длины к диаметру. Допускаются и другие отношения, например 2,5, при испытании отливок.
Относительное сужение после разрыва - отношение площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади его поперечного сечения.
Указанные характеристики механических свойств определяются при испытании материалов на растяжение по методам, изложенным в ГОСТ 1497-61, на цилиндрических и плоских образцах, формы и размеры которых установлены тем же стандартом. Испытания на растяжение при повышенных температурах (до 1200°С) установлены ГОСТ 9651-73, на дли-тельную прочность- ГОСТ 10145-62.
Модуль нормальной упругости- отношение напряжения к соответствующему ему относительному удлинению при растяжении (сжатии) в пределах упругих деформаций (закон Гука).
Ударная вязкость- механическая характеристика вязкости металла - определяется работой, расходуемой для ударного излома на маятниковом копре образца данного типа и отнесенной к рабочей площади поперечного сечения образца в месте надреза. Испытания при нормальной температуре проводятся по ГОСТ 9454-60, при пониженных - по ГОСТ 9455-60 и при повышенных - по ГОСТ 9656-61.
Предел выносливости (усталости) -максимальное напряжение, при котором материалы образца выдерживают без разрушения заданное количество симметричных циклов (от +Р до - Р), принимаемое за базу. Количество циклов задается техническими условиями и представляет большое число. Методы испытания металлов на выносливость регламентируются по ГОСТ 2860-65.
Предел прочности при сжатии - отношение разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения образца до испытания.
Условный предел ползучести- напряжение, вызывающее заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) за установленный промежуток времени при заданной температуре.
Твердость по Бринелю - определяется на твердомере ТШ путем вдавливания стального закаленного шарика р. испытуемый металл или сплав.
Твердость по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется вдавливанием в металл стального шарика диаметром ~ 1,6мм или конуса.(алмазно или твердосплавного) с утлом при вершине 120° на твердомере ТК. В зависимости от условий определения, которые стандартизованы ГОСТ 9013-68, различают три значения HR: HRA - для очень твердых материалов (шкала А) - испытание производится вдавливанием алмазного конуса; HRB - для мягкой стали (шкала В) - стального шарика; HRC - для закаленной стали (шкала С) - твердосплавного или алмазного конуса.
Глубина проникновения алмазного конуса при испытаниях в металле небольшая, что позволяет испытывать более тонкие изделия, чем при определении твердости по Бринелю, Твердость но Роквеллу является условной характеристикой, значение которой отсчитывается по шкале прибора.
Твердость по Виккерсу HV определяется вдавливанием алмазной стандартной правильной четырехгранной пирамиды. Определение числа твердости производится путем измерения длины диагоналей (среднее арифметическое суммы двух диагоналей) и пересчета по формуле
Стандартными нагрузками в зависимости от толщины образца приняты 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кгс. Выдержка времени под нагрузкой берется для черных металлов 10-15 секунд, для цветных - 28-32. Соответственно символ HV 10/30-500 означает: 500 - число твердости; 10 - нагрузку и 30 - время выдержки.
Метод Виккерса применяется для измерений твердости деталей малых сечений и твердых тонких поверхностных слоев цементированных, азотированных или цианированных изделий.

49.Вторичная кристаллизация металлов Вторичная кристаллизация имеет большое практическое значение и служит основой для ряда процессов термической обработки, старения и т. д., значительно изменяющих и улучшающих свойства сплавов. Большинство процессов вторичной кристаллизации связано с диффузией. Диффузия в твердых сплавах возможна по ряду причин. В частности, в растворах замещения она протекает бла-годаря наличию незаполненных узлов (вакансий) в решетках. Перемещаться могут как атомы растворителя, так и атомы растворенного вещества. При образовании растворов внедрения перемещение растворенных атомов происходит через междоузлия решеток.Диффузия протекает тем быстрее, чем больше разность концентр;.в п выше температура.I (од к о а г у л я ц и е й понимают рост крупных кристаллов за счет мелких; под с ф е р о и д и з а ц и е й - превращение вытянутых кристаллов в округленные. Оба процесса протекают вследствие стремления системы к уменьшению свободной энергии. В данном случае ЭТО достигается потому, что отношения суммы

поверхностей зерен к их объемам становятся меньше. Коагуляция и сфероидизация протекают тем легче, чем выше температура. На рис. 41 представлена диаграмма состояния сплава, в котором растворимость второго компонента в твердом растворе уменьшается. На этой диаграмме (в отличие от диаграммы рис. 39) появляется линия EQ, характеризующая выделение избыточных кристаллов компонента В, которые называются вторичными (В2), в отличие от первичных кристаллов (В\), которые выделяются по линии CD. Для примера рассмотрим ход образования вторичных кристаллов при охлаждении твердых растворов а с концентрацией К. При температуре t\ структура однофазна, при достижении линии EQ раствор становится насыщенным и по мере дальнейшего охлаждения из него выделяется избыточная фаза В2, последняя может выделяться по границам кристаллов а и принимать вид сетки. Здесь также сначала происходит образование зародышей и затем их рост Однако место появления зародышей и их рост заранее определено поверхностями первичных зерен. Иногда расположение вторичной фазы в виде сетки нежелательно, тогда или предупреждают ее образован не, или устраняют. Устраняют сетку по-разному, например, сфероидизирую-щим отжигом. Кристаллизация по диаграмме (рис. 41) дает возможность значительно изменять свойства сплава путем закалки и отпуска или путем старения.

50.ДС сплавов с неограниченной растворимостью компонентов Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях ине образуют химических соединений.

Компоненты: А, В.

Фазы: L, α.

Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз - жидкого раствора Lи твердого раствора α. Следовательно, трех фаз быть не может, кристаллизация при постоянной температуре не наблюдается и горизонтальной линии на диаграмме нет.

Диаграмма, изображенная на рис. 1, состоит из трех областей: жидкость, жидкость + твердый раствор и твердый раствор.

Линия АmВ является линией ликвидус, а линия АnВ - линией солидус. Процесскристаллизации изображается кривой охлаждениясплава (рис. 2).

Точка 1 соответствует началу кристаллизации , точка 2 - концу. Между точками 1 и 2 (т. е. между линиямиликвидус и солидус) сплав находится в двухфазном состоянии. При двух компонентах и двух фазах система моновариантна (с = k-f+1 = 2 - 2 + 1 = 1), т. е. если изменяется температура, то изменяется и концентрациякомпонентов в фазах; каждой температуре соответствуют строго определенные составы фаз. концентрация и количество фаз у сплава , лежащего между линиямисолидус и ликвидус, определяются правилом отрезков. Так, сплав К в точке а состоит из жидкой и твердой фаз. Состав жидкой фазы определится проекцией точки b, лежащей на линии ликвидус, а Состав твердой фазы - проекцией точки с, лежащей на линии солидус. Количество жидкой и твердой фаз определяется из следующих соотношений: количество жидкой фазы ac/bc, количество твердой фазы ba/bc.

Во всем интервалекристаллизации (от точки 1до точки 2) из жидкого сплава ,

имеющего исходную концентрацию К,выделяются кристаллы, более богатые тугоплавким компонентом. Состав первых кристаллов определится проекцией s. Закончиться кристаллизациясплава К должна в точке 2, когда последняя капля жидкости, имеющая Состав l, затвердеет. Отрезок, показывающий количество твердой фазы, равнялся нулю в точке /, когда только началась кристаллизация , и количеству всего сплава в точке 2, когда кристаллизация закончилась. Состав жидкости изменяется по кривой 1 - l, а Составкристаллов - по кривой s - 2, и в момент окончания кристаллизацииСоставкристаллов такой же, как и Состав исходной жидкости.

51.Температурные свойства материалов Для материалов вводят несколько характерных температурных точек, указывающих работоспособность и поведение материалов при изменении температуры. Нагревостойкость - максимальная температура, при которой не уменьшается срок службы материала. По этому параметру все материалы разделены на классы нагревостойкости.

Теплостойкость - температура, при которой происходит ухудшение характеристик при кратковременном ее достижении.
Термостойкость - температура, при которой происходят химические изменения материала.
Морозостойкость - способность работать при пониженных температурах (этот параметр важен для резин).
Горючесть - способность к воспламенению, поддержанию огня, самовоспламенению Это различные степени горючести. Все эти понятия определяют характерные температуры, при которых меняется какое-либо свойство материала. Есть некоторые температуры, характерные для всех материалов, есть температуры, специфичные для некоторых электротехнических материалов. при которых резко меняются какие-либо характеристики. Большинству материалов присущи точки плавления, кипения. Точка плавления - температура, при которой происходит переход из твердого состояния в жидкое. Не обладает точкой плавления жидкий гелий, он даже при нуле Кельвина остается жидким. К наиболее тугоплавким можно отнести вольфрам - 3387 °С, молибден 2622 °С, рений - 3180 °С, тантал - 3000°С. Есть тугоплавкие вещества среди керамик: карбид гафния HfC и карбид тантала TaC имеют точки плавления 2880 °С., нитрид и карбид титана - более 3000 °С. Есть материалы, в основном это термопластичные полимеры, которые обладают точкой размягчения, но до плавления дело не доходит, т.к. начинается разрушение полимерных молекул при повышенных температурах. У термореактивных полимеров даже до размягчения дело не доходит, материал раньше начинает разлагаться. Есть сплавы и другие сложные вещества у которых сложный процесс плавления: при некоторой температуре, называемой «солидус» происходит частичное расплавление, т.е. переход части вещества в жидкое состояние. Остальное вещество находится в твердом состоянии. Получается что-то типа кашицы. По мере повышения температуры все большая часть переходит в жидкое состояние, наконец при некоторой температуре, называемой «ликвидус» произойдет полное расплавление вещества. Например сплав олова и свинца для пайки, называемый попросту «припой», начинает плавиться примерно при 180 °С (точка солидус), а расплавляется примерно при 230 °С (точка ликвидус).

В любых процессах плавления, достижение определенной точки является необходимым, но недостаточным условием плавления. Для того, чтобы расплавить вещество нужно сообщить ему энергию, которая называется теплотой плавления. Она рассчитывается на один грамм (или на одну молекулу). Точка кипения - температура, при которой происходит переход из жидкого состояния в парообразное. Кипят практически все простые вещества, не кипят сложные органические соединения, они разлагаются при более низких температурах, не доходя до кипения. На точку кипения оказывает значительное влияние давление. Так, например для воды можно сдвинуть точку кипения от 100 °С до 373°С приложением давления в 225 атм. Кипение растворов, т.е. взаимно растворимых друг в друге веществ происходит сложным образом, кипят сразу два компонента, только в паре одного вещества больше, чем другого. Например слабый раствор спирта в воде выкипает так, что в паре спирта больше чем в воде. За счет этого работает перегонка и после конденсации пара получается спирт, но обогащенный водой. Есть смеси выкипающие одновременно, например 96% спирт. Здесь при кипении состав жидкости и состав пара одинаковы. После конденсации пара получается спирт точно такого же состава. Такие смеси называются азеотропными . Есть температуры специфичные для электротехнических материалов. Например для сегнетоэлектриков вводят т.н. точку Кюри . Оказывается, что сегнетоэлектрическое состояние вещества возникает только при пониженных температурах. Существует такая температура для каждого сегнетоэлектрика, выше которой домены не могут существовать и он превращается в параэлектрик. Такая температура называется точкой Кюри. Диэлектрическая проницаемость ниже точки Кюри велика, она слабо нарастает по мере подхода к точке Кюри. После достижения этой точки диэлектрическая проницаемость резко падает. Например, для наиболее распространенного сегнетоэлектрика: титаната бария, точка Кюри 120 °С, для цирконат-титаната свинца 270 °С, для некоторых органических сегнетоэлектриков температура Кюри отрицательна. Аналогичная температура (и тоже называется точка Кюри) имеется для ферромагнетиков. Поведение магнитной проницаемости подобно поведению диэлектрической проницаемости по мере повышения температуры и подхода к точке Кюри. Единственное отличие - падение магнитной проницаемости с ростом температуры происходит более резко после достижения точки Кюри. Значения точки Кюри для некоторых материалов: железо 770 °С, кобальт 1330°С, эрбий и гольмий (-253°С), керамика - в широком диапазоне температур. Для антиферромагнетиков аналогичная точка называется точкой Нееля .

Похожая информация.

Механические свойства оценивают способность материала сопротивляться механическим нагрузкам, характеризуют работоспособность изделий.

Механическими называются свойства, которые определяются при испытаниях под действием внешних нагрузок - результатом этих испытаний являются количественные характеристики механических свойств. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием напряжений (приводящих к деформации и разрушению), действующих как в процессе изготовления изделий (литье, сварка, обработка давлением и др.), так и при эксплуатации.

Стандартные характеристики механических свойств определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров посредством создания необратимой пластической деформации или разрушения образцов. Испытания проводят в условиях воздействия внешних нагрузок: растяжение, сжатие, кручение, удар; в условиях знакопеременных и изнашивающих нагрузок. Значения полученных характеристик обычно приводятся в справочниках.

Примером могут служить характеристики:

Сопротивление разрушению, оцениваемое пределом прочности, или временным сопротивлением - это максимальная удельная нагрузка (напряжение), которую выдерживает материал до разрушения при его растяжении;

Сопротивление пластической деформации, оцениваемое пределом текучести - это напряжение, при котором начинается пластическая деформация материала при растяжении;

Сопротивление упругим деформациям, оцениваемое пределом упругости - это напряжение, выше которого материал приобретает остаточные деформации;

Способность выдерживать пластические деформации, оцениваемые относительным удлинением образца при растяжении и относительным сужением его поперечного сечения;

Способность сопротивляться динамическим нагрузкам, оцениваемая ударной вязкостью;

Твердость, оцениваемая сопротивлением материала проникновению индентора (эталонного образца).

Механические свойства материалов определяют в статических и динамических условиях нагружения.

Эластичность характеризует упругие свойства полимера, способность материала к большим обратимым изменениям формы при малых нагрузках из-за колебания звеньев и способности макромолекул изгибаться.

К статическим испытаниям относятся также испытания на сжатие, кручение, изгиб и другие виды нагружения.

Общим недостатком статических методов определения физико-механических свойств материалов является необходимость разрушения образца, что исключает возможность дальнейшего использования детали по прямому назначению в результате вырезки из нее образца для испытания.

Определение твердости . Это метод неразрушающего контроля механических свойств материала при статической нагрузке. Твердость оценивают главным образом у металлов, так как для большинства неметаллических материалов твердость не является свойством, определяющим их работоспособность.

Твердость оценивают по сопротивлению материала проникновению в него при статической нагрузке инородного тела правильной геометрической формы, имеющего эталонную твердость (рис. 14).

Рис. 14 Определение твердости материалов: а - схема нагружения; б - измерение твердости по Бриннелю ; в - измерение твердости по Виккерсу

Вдавливание эталонного образца в испытуемый образец выполняется на специальных приборах, из которых чаще применяют приборы Бриннеля, Роквелла, Виккерса.

Метод Бриннеля является наиболее распространенным - в образец вдавливают шарик из закаленной стали. Диаметр отпечатка d отп измеряют с помощью лупы со шкалой. Далее по таблицам находят твердость материала. В испытаниях по методу Виккерса используется алмазный резец, а по методу Роквелла - алмазный конус.

Люминесценция (флюоресценция и фосфоресценция) - эффекты свечения при поглощении энергии падающего света, механического воздействия, химических реакций или тепла.

Оптические свойства веществ имеют огромное прикладное значение. Преломление света используется для изготовления линз оптических приборов, отражение - теплоизоляция: подбором соответствующих покрытий можно влиять на свойства материалов с целью поглощения или отражения теплового излучения, но пропуская видимый свет. Оконные стекла имеют характерный цвет для кондиционирования.

Широко применяются самоокрашивающиеся очки-хамелеоны, флюоресцирующие светильники и экраны осциллографов. Используются металлические покрытия (анодированный алюминий) для декоративных целей (значение имеет отражательная способность материала), прецизионные зеркала металлизированных поверхностей.

Декоративные свойства материалов определяются их внешним видом и зависят от их наружного рисунка, дизайна, текстуры, структуры, способа обработки поверхности, от наличия покрытий и рельефов.

Биологические свойства материалов определяются:

Их воздействием на окружающую среду, степенью их токсичности для живых организмов;

Их пригодностью для существования и развития каких-либо организмов (грибков, насекомых, плесени и пр.).

Методы определения механических свойств металлов разделяют на:
- статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
- динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
- циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).

Испытание на растяжение

При испытании на растяжение определяют предел прочности (σ в), предел текучести (σ т), относительное удлинение (δ ) и относительное сужение (ψ ). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.
Предел прочности (σ в) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).

Рис. 1. Диаграмма растяжения

Необходимо отметить, что при растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение Fо образца остается неизменным.

Предел текучести (σ т) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Рт / Fo). Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел текучести (σ 0.2) - напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Выбранное значение 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.

К характеристикам материала относят также предел упругости (σ пр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, σ 0,05 = Рпр / Fo (Рпр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).

Предел пропорциональности σ пц = Рпц / Fo (Рпц – максимальная нагрузка, при действии которой еще выполняется закон Гука).

Пластичность характеризуется относительным удлинением (δ ) и относительным сужением (ψ ):

δ = [(lk - lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,

где lk - конечная длина образца; lo и Fo - начальные длина и площадь поперечного сечения образца; Fk - площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.

Испытание на твердость

Нормативные документы:

ГОСТ 8.062—85 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений твердости по шкалам Бринелля»

ГЭТ 33—85 «Государственный специальный эталон единиц твердости по шкалам Бринелля»

Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора (рис.2).

а	б	в

Рис. 2. Схемы определения твердости по Бринеллю(а), Роквеллу(б) и Виккерсу(в)

Твердость металла по Бринеллю указывается буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 106, на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ К, Па.

Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для сталей с твердостью свыше НВ 450 и цветных металлов с твердостью более 200 НВ.

Для различных материалов установлена корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости НВ: σ в ≈ 3,4 НВ - для горячекатаных углеродистых сталей; σ в ≈ 4,5 НВ - для медных сплавов, σ в ≈ 3,5НВ - для алюминиевых сплавов.

Определение твердости методом Роквелла осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах.

При измерении твердости по методу Виккерса производят вдавливание в поверхность металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV. Перевод числа твердости HV в систему СИ производится аналогично переводу числа твердости НВ.

При измерении твердости по методу Шора шарик с индентором падает на образец, перпендикулярно его поверхности, а твердость определяется по высоте отскока шарика и обозначается HS.

Метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера - твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.

Испытание на ударную вязкость

Ударная вязкость характеризует способность материала оказывать сопротивление динамическим нагрузкам и проявляющейся при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре (рис.3). По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м 2 .

Для обозначения ударной вязкости применяют буквы КС и добавляют третью, которая указывает на вид надреза на образце: U, V, T. Запись KCU означает ударную вязкость образца с U-подобным надрезом, KCV - с V-подобным надрезом, а KCT - с трещиной, созданной в основании надреза. Работа разрушения образца при проведении ударных испытаний содержит две составляющие: работу зарождения трещины (Аз) и работу распространения трещины (Ар).

Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.

Рис. 3. Схема маятникового копра и ударного образца

При проведении ударных испытаний образцов с надрезом при низких температурах определяют порог хладноломкости, который характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. При переходе от вязкого к хрупкому разрушению наблюдается резкое снижение ударной вязкости в интервале температур, который имеет название температурный порог хладноломкости. При этом изменяется строение излома от волокнистого матового (вязкое разрушение) к кристаллическому блестящему (хрупкое разрушение). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tв.– tхр.) или одной температурой t50, при которой в изломе образца наблюдается 50% волокнистой составляющей или же величина ударной вязкости снижается в два раза.

О пригодности материала к работе при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, который определяется по разнице между температурой эксплуатации и переходной температурой хладноломкости, и чем он больше, тем надежнее материал.

Испытание на усталость

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, которые приводят к образованию трещин и разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости.

Предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения.

Предел выносливости обозначается σ R , где R - коэффициент асимметрии цикла.

Для определения предела выносливости проводят испытания не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только при одном напряжении до разрушения или при базовом числе циклов. Базовое число циклов должно быть не ниже 107 нагружений (для стали) и 108 (для цветных металлов).

Важной характеристикой конструкционной прочности является живучесть при циклическом нагружении, под которой понимают продолжительность эксплуатации детали от момента зарождения первой макроскопической усталостной трещины размером 0,5…1 мм до окончательного разрушения. Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безаварийная работа которых поддерживается путем раннего обнаружения и предотвращения дальнейшего развития усталостных трещин.

Закон Гука

Как известно, различные металлы и сплавы имеют разные механичес­кие и технологические свойства, которые предопределяют качество дета­лей машин, а также обрабатываемость металла. Эти свойства металла выявляют соответствующими испытаниями на растяжение, сжатие, изгиб, твердость и др.

Испытание на растяжение. Чтобы определить прочность металла, работающего на растяжение, изготовляют образец 1 и устанавливают его в зажимы (или захваты) 2 разрывной машины. Для этих целей чаще всего ис­пользуют машины с гидравлической системой передачи усилия или с вин­товой системой.

Растягивающая сила F (рис. 51) создает напряжение в испытываемом об­разце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превысит прочность об­разца, он разорвется.

Рис. 51

Результаты испытания обычно изображают в виде диаграммы. По оси абсцисс откладывают нагрузку F, по оси ординат - абсолютное удлине­ние?l.

Из диаграммы видно, что вначале образец удлиняется пропорционально нагрузке. Прямолинейный участок OA соответствует обратимым, упругим деформациям. При разгрузке образец принимает исходные размеры (этот процесс описывается все тем же прямолинейным участком кривой). Ис­кривленный участок АС соответствует необратимым, пластическим дефор­мациям. При разгрузке (штриховая прямая СВ) образец не возвращается к начальным размерам и сохраняет некоторую остаточную деформацию.

От точки С образец удлиняется без увеличения нагрузки. Горизонталь­ный участок СМ диаграммы называется площадкой текучести. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести.

Как показывают исследования, текучесть сопровождается значительными взаимными сдвигами кристаллов, в результате чего на поверхности образца по­являются линии, наклонные к оси образца под углом 45°. Претерпев состояние текучести, материал снова обретает способность сопротивляться растяжению (упрочняется), и диаграмма за точкой М поднимается вверх, хотя гораздо бо­лее полого, чем раньше. В точке D напряжение образца достигает своей наи­большей величины, и на образце появляется резкое местное сужение, так назы­ваемая шейка. Площадь сечения шейки быстро уменьшается и, как следст­вие, происходит разрыв образца, что на диаграмме соответствует положению точки К. Предел прочности образца определяют по формуле о пч = F D / S, где: S пч - предел прочности;

F D - нагрузка, при которой через определенный промежуток време­ни наступает разрушение растянутого образца, Н (кгс); S - площадь поперечного сечения образца в исходном положении, м 2 (мм 2).

Обычно при испытании различных металлов и сплавов на растяжение определяют относительное удлинение е - отношение прироста длины об­разца до разрыва к начальной длине образца. Его определяют по формуле? = ?l/l 0 -100,

где: ? - относительное удлинение;

L = l 1 - I 0 - абсолютное удлинение; l 0 - начальная длина образца; l 1 - длина образца после испытания. Экспериментально было установлено, что напряжение в материале при упругой деформации возрастает пропорционально относительному удлине­нию образца. Эта зависимость получила название закона Г у к а.

Для одностороннего (продольного) растяжения закон Гука имеет вид о = Е-?,

где: о = F/s - нормальное напряжение; F - растягивающая сила; s - площадь поперечного сечения;

Относительное удлинение;

Е - постоянная величина, зависящая от материала стержня.

Примечание. В системе СИ единицей измерения напряжений служит Пас­каль - напряжение, вызванное силой 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2 .

1 Па = 0,102 10 -4 кгс/см 2 ;

1 Па = 0,102 10 -6 кгс/мм 2 ;

1 кгс/см 2 = 9,81 10 4 Па;

1 кгс/мм 2 = 9,81 10 6 Па.

В связи с тем, что единица напряжения паскаль очень мала, приходится пользо­ваться более крупной единицей - мегапаскаль 1 МП а = 10 6 Па.

Госстандарт допускает к применению единицу ньютон на квадрат­ный миллиметр (Н/мм 2). Числовые значения напряжений, выраженные в Н/мм 2 и в МПа, совпадают. Единица Н/мм 2 удобна и потому, что размеры на чер­тежах проставляют в миллиметрах.

Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости при растяжении или модулем Юнга. Каков физический смысл моду­ля упругости? Обратимся к диаграмме растяжения образца (см. рис. 51, II). Модуль упругости на ней пропорционален тангенсу угла наклона а к оси аб­сцисс. Значит, чем круче прямая OA, тем жестче материал, и тем большее сопротивление оказывает он упругой деформации.

Для характеристики металла важно знать не только относительное удли­нение?, но и относительное сужение площади поперечного сечения, кото­рое также позволяет характеризовать пластичность материала.

Естественно, что при растяжении образца площадь поперечного сечения уменьшается. В месте разрыва она будет наименьшей. Относительное суже­ние определяют по формуле? = (S 0 - S 1) / S 0 100%,

где: ? - относительное сужение;

S 0 - площадь поперечного сечения образца до испытания; S 1 - площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке).

Чем больше относительное удлинение и относительное сужение попереч­ного сечения образца, тем более пластичен материал.

Кроме трех рассмотренных характеристик механических свойств метал­лов: предела прочности (o пч), относительного удлинения (е) и относитель­ного сужения (?), можно определить, пользуясь записанной на машине ди­аграммой, предел упругости (о y) и предел текучести (о m),

Испытание на сжатие. Для испытания металлов на сжатие (рис. 53) чаще всего применяют прессы, в которых сжимающая сила образуется путем увеличения гидравлического давления. При сжатии образца из плас­тичного материала, например малоуглеродистой стали (рис. 53, I), его по­перечные размеры увеличиваются, в то время как длина значительно уменьшается. Нарушение целостности образца при этом не происходит (рис. 54). Из диаграммы сжатия (рис. 53, II) видно, что в начальной стадии нагружения деформация возрастает пропорционально нагрузке, затем де­формация резко возрастает при незначительном увеличении на­грузки, далее рост деформации постепенно замедляется вследст­вие увеличения сечения образца.

Рис. 52

Рис. 53

Образцы из хрупких материалов при сжатии разрушаются (рис. 54, III). Например, стержень из чугуна при достижении разруша­ющей нагрузки распадается на части, которые сдвигаются относительно друг друга по косым площадкам (рис. 53, III).

Рис. 54

Для сжатия полностью применим закон Гука, согласно которому мате­риалы противодействуют сжатию пропорционально приложенной силе до предела упругости. Модуль упругости при сжатии для большинства мате­риалов равен модулю упругости при растяжении. Исключение составля­ют только некоторые хрупкие материалы - бетон, кирпич и т. д. Анало­гия в характере напряжения сжатия с напряжением растяжения позволяет описывать эти процессы одними и теми же математическими уравнени­ями.

Испытание на изгиб . При испытании на изгиб образец (брус) укла­дывают концами на две опоры и в середине нагружают (рис. 55). О сопро­тивлении материала изгибу судят по величине прогиба образца.

Рис. 55

Представим теперь себе в брусе воображаемые продольные волокна. При деформации изгиба волокна одной зоны сжимаются, другой - растягива­ются (рис. 55, II).

Между зонами сжатия и растяжения расположен нейтральный слой, во­локна которого не подвергаются деформации, то есть их длина не изменяет­ся. Из рис. 55 видно, что, чем больше волокна расположены от нейтрально­го слоя, тем большую деформацию они испытывают. Таким образом, мож­но сделать вывод, что при изгибе в поперечных сечениях бруса под действи­ем внутренних сил возникают нормальные напряжения сжатия и растяже­ния, величина которых зависит от положения рассматриваемых точек в се­чении. Наибольшие напряжения принято обозначать: в зоне сжатия - ? max , в зоне растяжения - ? m ах. В точках, расположенных на нейтраль­ной оси, напряжения равны нулю. Нормальные напряжения, возникающие в различных по высоте точках поперечного сечения, возрастают пропорци­онально расстоянию от нейтрального слоя и могут быть рассчитаны по фор­муле? = (Е z) / р,

где: ? - нормальные напряжения;

z - расстояние от интересующего нас волокна до нейтрального слоя; Е - модуль упругости; р - радиус кривизны нейтрального слоя.

Испытание на срез. При испытании на срез (рис. 56) металличес­кий образец 3, имеющий цилиндрическую форму, вставляют в отверстие приспособления, представляющего собой вилку 1 и диск 2. Машина вы­тягивает диск из вилки, вследствие чего происходит перемещение сред­ней части образца относительно крайних его частей. Рабочая площадь S (площадь среза) равна удвоенной площади поперечного сечения образца, так как срез происходит одно­временно по двум плоско­стям.

Рис. 56

При срезе все точки дефор­мируемых сечений, ограни­ченных плоскостями действу­ющих сил, смещаются на рав­ные расстояния, то есть мате­риал в этих точках испытыва­ет одинаковую деформацию. Это означает, что во всех точ­ках сечения будут одинако­вые действующие напряже­ния.

Величину напряжения оп­ределяют делением равнодействующей F внутренних (поперечных) сил на площадь поперечного сечения стержня S. Так как вектор напряжения рас­положен в плоскости сечения, в ней возникает касательное напряжение, определяемое по формуле r ср = F/2S, где: r ср - величина напряжения среза;

F - равнодействующая сила;

S - площадь поперечного сечения образца. Срез - это разрушение в результате сдвига одной части материала отно­сительно другой, возникающее под действием касательных напряжений. Для деформации сдвига справедлив закон Гука: в зоне упругости напряже­ния прямо пропорциональны относительным деформациям. Коэффициен­том пропорциональности служит величина модуля упругости при сдвиге G. Относительный сдвиг (угол сдвига) обозначается у. Таким образом, закон Гука для деформации сдвига имеет вид t = Gg, где: r = F/S - касательное напряжение; F - касательная сила; S - площадь сдвигающихся слоев; y - угол сдвига;

G - модуль сдвига, зависящий от материала тела.

Испытание на кручение. При испытании образцов на кручение один конец трубы 2 закрепляют неподвижно 1, другой вращают с помо­щью рычага 3 (рис. 57). Кручение характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня, вала, трубы под влиянием моментов (пар сил), действующих в этих сечениях. Если на поверхности стержня до приложения сил кручения нанести прямолинейные образующие (рис. 57, I), то после скручивания эти образующие принимают вид винтовых линий, а каждое поперечное сечение по отношению к соседнему повора­чивается на некоторый угол (см. рис. 57, II). Это значит, что в каждом сечении происходит деформация сдвига и возникают касательные на­пряжения. Степень смещения материала при кручении определяется уг­лами закручивания? и сдвига у. Абсолютная величина кручения опре­деляется углом закручивания рассматриваемого сечения относительно неподвижно закрепленного сечения. Наибольший угол закручивания получается на самом большом расстоянии от закрепленного конца стержня.

Рис. 57

Отношение угла закручивания? к длине участка I, подвергающегося кручению, называют относительным углом закручива­ния Q = ? / Z,

где: Q - относительный угол закручивания;

Угол закручивания;

Испытание на твердость. При опре­делении твердости материалов в завод­ской и лабораторной практике пользу­ются двумя методами: методом Бринелля и методом Роквелла.

Метод Бринелля. Этот метод основан на том, что при измерении твердости металлов стальной шарик 1 диаметром 2,5; 5 или 10 мм вдавливает­ся в поверхность испытуемого образца 2 при заданной нагрузке 3 от 625 Н до 30 кН (62,5 до 3000 кгс). После удаления нагрузки измеряется диаметр d отпе­чатка, оставшегося на поверхности об­разца (рис. 58), который тем меньше, чем тверже металл.

Рис. 58

Примечание. Стальной шарик должен быть выполнен из термически обрабо­танной стали твердостью не менее НВ850. Шероховатость поверхности R z не ни­же параметра 0,100 по ГОСТ 2789-73. На поверхности шарика не должно быть де­фектов, видимых с помощью лупы при 5-кратном увеличении.

Число твердости по Бринеллю вычисляются по формуле

D - диаметр шарика, мм;

d - диаметр отпечатка, мм.

Специальная таблица (ГОСТ 9012-59) дает возможность определить твер­дость наиболее распространенных металлов.

Следует отметить, что между твердостью стали по Бринеллю НВ и преде­лом ее прочности о пч для обычных углеродистых стилей существует соот­ношение, выраженное формулой о пч = 0,36 НВ.

Следовательно, зная твердость стали по Бринеллю, можно вычислить и предел прочности при растяжении.

Эта формула имеет большое практическое значение. Методом Бринел­ля обычно определяют твердость незакаленных сталей, чугуна, цветных металлов. Твердость же закаленных сталей измеряют на приборе Рок­велла.

Метод Роквелла. При измерении твердости металлов по этому методу наконечник стандартного типа (алмазный конус для твердых ме­таллов или стальной шарик - для более мягких) вдавливается в испыту­емый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагру­зок: предварительной (F 0) 100 Н (10 кгс) и окончательной (F 1) 1000 Н (100 кгс) - для шарика и 1500 Н (150 кгс) - для алмазного конуса.

Под действием предварительной нагрузки конус проникает в металл на глубину h 0 (рис. 59,I); при добавлении к предварительной основной нагруз­ки глубина отпечатка увеличивается до h (рис. 59, II) и после снятия основ­ной нагрузки остается равной h 1 (рис. 59, III).

Рис. 59

Глубина отпечатка h = h 1 - h 0 , полученная за счет основной нагрузки F 1 , характеризует твердость по Роквеллу. Испытания по методу Роквелла производят специальными приборами, снабженными индикатором, который показывает число твердости сразу по окончании испытания.

Индикатор имеет две шкалы: черную (С) для испытания алмазным кону­сом и красную (В) для испытания шариком.

Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах.

Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC50 (твердость 50 по шкале С).

Определение твердости тарированными на­пильниками . Твердость HRC может быть определена с помощью ряда напильников, подвергнутых термической обработке на различную твер­дость насечки. Обычно интервал насечек колеблется от 3 до 5 единиц HRC. Тарирование напильников производится по эталонным плиткам, твердость которых заранее точно определена на приборе.

Твердость испытуемой детали Определяется двумя напильниками с ми­нимальным интервалом по твердости, один из которых может только сколь­зить по детали, а второй ее слегка царапать. Если напильник с НRС62 цара­пает металл, а с HRC59 только скользит по поверхности детали, то твер­дость HRC60-61.

Практически этим способом пользуются для установления твердости ин­струментов (разверток, фрез и т. п.), твердость которых измерить иным спо­собом бывает трудно.

Существуют и другие способы определения твердости (способ Виккерса, эле­ктромагнитные способы и др.), которые в данной книге не рассматриваются.