Механические свойства

Способность металла сопротивляться воздейст­вию внешних сил характеризуется механически­ми свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свой­ства: прочность, упругость, пластичность, удар­ную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подверга­ют воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамически­ ми или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение— величина нагрузки, отне­сенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация — изме­нение формы и размеров твердого тела под вли­янием приложенных внешних сил. Различают де­формации: растяжения, сжатия, изгиба, круче­ния, среза. (рис.8). В действительности матери­ал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пла­стичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое рас­тяжение (ГОСТ 1497—73). Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значе­ния деформации, а по оси ординат — нагрузки, приложенные к образцу.

Прочность — способность материала со­противляться разрушению под действием нагру­зок и оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности мате­риала является также удельная прочность — от­ношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности Q_в (временное со­противление) — это условное напряжение в Па (Н/м²), соответствующее наибольшей нагруз­ке, предшествующей разрушению образца: Qв = P_max)/Fo_> где Рmах — наибольшая нагрузка, Н; fo—начальная площадь поперечного сечения, рабочей части образца, м². Истинное сопротивле­ние разрыву Sk — это напряжение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения об­разца после разрыва F_K(S_K=P_к/F_K).

Предел текучести (физический) Qт — это наи­меньшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: Qт = Рт/Fо, где Р_т — нагрузка, при ко­торой наблюдается площадка текучести, Н.

Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких ма­териалов определяют предел текучести (услов­ный), при котором остаточное удлинение достига­ет 0,2% от расчетной длины образца: Qо,₂ = P_0,2 / F_o.

Упругость — способность материала вос­станавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р_уп оце­нивают пределом пропорциональности _Qпц и пределом упругости Оуп.

Предел пропорциональности Q_пц — напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напря­жением и деформацией образца о_пц=Рпи/Fо.

Предел упругости (условный) Q₀,₀₅ — это условное напряжение в МПа, соответствую­щее нагрузке, при которой остаточная деформа­ция впервые достигает 0,05% от расчетной длины образца 1₀: do.os = Po,o5/^Fo, где Po.os — нагрузка предела упругости, Н.

Пластичность,т. е. способность материа­ла принимать новую форму и размеры под дей­ствием внешних сил не разрушаясь, характери­зуется относительным удлинением и относительным сужением.

Относительное удлинение (после разрыва) б — это отношение приращения Ок—Ь) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине 1о, выра­женное в процентах: ,6=-{(1„—1о)/1о] 100%.

Относительное сужение (после разры­ва) — это отношение разности начальной и минимальной площадей (Fo—F_K) поперечного се­чения образца после разрыва к начальной пло­щади fo поперечного сечения, выраженное в про­центах: T|>=[('Fo—F_K)/Fo] 100%.

Чем больше значения - относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пла­стичен. У хрупких материалов эти значения близ­ки к нулю. Хрупкость конструкционного матери­ала является отрицательным свойством.

Ударная вязкость, т. е. способность материала сопротивляться динамическим нагруз­кам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м³) в месте надре­за KC = W/F.

Для испытания (ГОСТ 9454—78) изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свобод­но падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.

Определение ударной вязкости особенно важно для некоторых металлов, работающих при ми­нусовых температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем ниже порог хлад­ноломкости, т. е. температура, при которой вяз­кое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость — снижение ударной вязкости при низких темпе­ратурах.

Циклическая вязкость — это способ­ность материалов поглощать энергию при повторно-переменных нагрузках. Материалы с высо­кой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной прежде временного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных де­талей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.

Твердостью называют способность мате­риала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструмен­ты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностно-упрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Определение твердости металла методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)

Способ Бринелля (ГОСТ 9012-59) основа на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твер­дости и толщины испытываемого металла. Твер­дость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Испытание прово­дят следующим образом. На поверхности образ­ца, твердость которого нужно измерить, напиль­ником или абразивным кругом зачищают пло­щадку размером 3—5 см². Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкоснове­ния со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавлива­ет шарик в испытываемый образец. На поверхности металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металл мягче.

За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диа­метром d и глубиной t,-который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 4.9, а).

Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптиче­ской лупы (с делениями) и по полученному зна­чению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.

Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых ре­зультатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, на­пример закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.

Для испытания твердых материалов применя­ют способ Роквелла (ГОСТ 9013—59). В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный ша­рик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная ве­личина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испыта­ние проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчиты­вают по циферблату индикатора, установленно­му на приборе. Во всех случаях предваритель­ная нагрузка Pо равна 100 Н.

При испытании металлов с высокой твердо­стью применяют алмазный конус и общую на­грузку P = Po-r"Pi=» 1500 Н. Твердость отсчитыва­ют по шкале «С» и обозначают HRC.

Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчиты­вается по шкале «В» и обозначается HRB. При испытании очень твердых или тонких из­делий используют алмазный конус и общую на­грузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 — твердость 50 по шкале «С».

При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999—75) в качестве вдавливае­мого в материал наконечника используют четы­рехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют на­грузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения на­грузки для определения твердости тонких Изде­лий и твердых, упрочненных поверхностных сло­ев металла). Числовое значение твердости опре­деляют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифме­тическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. При­мер обозначения твердости - по Виккерсу — HV 500.

Для оценки твердости металлов в малых объ­емах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмаз­ную четырехгранную пирамиду (с углом при вер­шине 136 , таким же, как и у пирамиды при испы­тании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05—5 Н, а размер отпечат­ка 5—30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-3, снабженном механиз­мом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.

Усталостью называют процесс постепен­ного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентра­цией напряжений в отдельных его объемах, в ко­торых имеются неметаллические включения, га­зовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный из­лом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть 1 излома с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок,

Рис. 4.10. Усталостный излом

другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-перемен­ного изгибания вращающегося образца, закреп­ленного одним или обоими концами, а также ма­шины для испытаний на растяжение — сжатие и на повторно-переменное кручение. В. результа­те испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

Выносливость — свойство материала про­тивостоять усталости. Предел выносливости — это максимальное напряжение, которое может выдержать металл без разрушения заданное число циклов нагружений. Между пределом вынос­ливости и пределом прочности существует при­ближенная зависимость: _Q-1~0,43в; а-0.36в, где ct_i и о_гр — соответственно пределы вынос­ливости при изгибе и растяжении — сжатии.