книги из ГПНТБ / Технология металлов и других конструкционных материалов учеб. пособие

Гл а в а I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

ИСПЛАВОВ

§ 1. Механические свойства металлов и способы их определения

Общие сведения. Из многообразных свойств металлов и спла­ вов для инженера-машиностроителя— конструктора и технолога.— важнейшими являютсямеханические свойства, характеризующие способность металлов и сплавов сопротивляться деформированию и разрушению (в сочетании со способностью упруго и пластически де­ формироваться) под действием внешних механических сил. Меха­ нические свойства зависят от химического состава, структурного со­ стояния сплавов, способов их технологической обработки и ряда других факторов.

Для определения механических свойств из данного металла или сплава Изготовляются образцы, которые подвергаются затем испы­ танию на испытательных машинах. К образцу могут быть приложе­ ны различные усилия — растягивающие, сжимающие, скручиваю­ щие и др., под действием которых в образце возникает деформация, проявляющаяся в изменении размеров и формы. Деформации могут быть упругими и пластическими (остаточными).

Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки; при этом образец восстанавливает свои первоначальные размеры. При пла­ стической (остаточной) деформации те изменения размеров и фор­ мы, которые образец получил при испытании, сохраняются после снятия нагрузки.

При механических испытаниях определяются характеристики как в области упругой, так и в области пластической деформации. В зависимости от способа приложения нагрузки механические испы­ тания делятся на три вида:

1) статические, при которых нагрузка иа образец остается по­ стоянной в течение длительного времени или постепенно увеличи­ вается в процессе испытания;

2) динамические, когда нагрузка на образец возрастает мгно­ венно и действует в течение незначительного времени (носит харак­ тер удара);

3)испытания при повторных или знакопеременных нагрузках

т.е. при нагрузках, многократно изменяющихся по величине или по

S

величине и направлению; этот вид испытаний получил в настоящее время большое распространение и является одним из важных спосо­ бов оценки конструкционной прочности металлов.

К основным механическим свойствам относятся, твердость, проч­ ность, пластичность (вязкость), усталость, ползучесть, изнашивае­ мость.

Определение твердости. Твердость характёризует способность металла сопротивляться значительной пластической деформации при контактном напряжении на .поверхности образца или изделия. Испытание на твердость может производиться непосредственно на детали без ее разрушения. Поэтому оно широко применяется не

- Рис. 1. Способы определения твердости

только для изучения свойств металла, но и как метод контроля ка­ чества металла в деталях. Твердость связана определенным соот­ ношением с пределом прочности при растяжении, износостойкостью, режущими свойствами и др. Поэтому сложные и требующие значи­ тельного времени испытания на растяжение, износ и т. д. часто за­ меняются испытаниями на твердость, которые значительно дешевле и могут быть быстрее выполнены.

Наибольшее применение для определения твердости имеют ме­ тоды вдавливания.

По методу Бринелля (рис. 1, а) в испытуемый металл в течение определенного времени вдавливается под значительной нагрузкой Р (до 3 Т) стальной шарик (индентор) диаметром D, равным 2,5—- 10 мм. По диаметру отпечатка d судят о твердости металла. Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется как отношение нагруз­ ки к площади сферической поверхности отпечатка шарика:

НВ = ----------- 2Р _ —кГімм1.

K D ( D — V D 2 — d2)

На практике пользование этим способом упрощено. Зная диа­ метр шарика D и нагрузку Р и измерив после снятия нагрузки ди­ аметр отпечатка d, можно определить твердость по заранее состав­ ленной таблице (пользуясь тем, ч т о б формуле переменным для дан­ ного прибора является только d ).

6

Метод Виккерса (рис. 1, б) аналогичен предыдущему, только индентором служит алмазная четырехгранная пирамида. Усилие вдавливания Р — 1—120 кГ. Твердость вычисляется по формуле

где Р — нагрузка, кГ;

F — поверхность пирамидального отпечатка, мм2; d —диагональ отпечатка, мм;

а — угол при вершине между противоположными гранями пи­ рамиды (а = 136°).

В прибор Виккерса вмонтирован микроскоп, окуляр-микрометр которого позволяет измерять диагонали отпечатков с точностью до 0,001 мм. По замеренному значению d. пользуясь специальными та­ блицами, вычисленными для различных нагрузок Р, определяют чи­ сло твердости Я У.

Способ Виккерса применяется для небольших деталей и ин­ струментов, металлов высокой твердости, весьма малых сечений и тонких наружных слоев термически обработанных изделий.

Испытание твердости по Виккерсу имеет много общего с испы­ танием по Бринеллю, и твердости НВ и НѴ до величины 450 сов­ падают.

Метод Роквелла (рис. 1, в) основан на вдавливании алмазного конуса (а=120°) или стального шарика (£) = 1/16"= 1,6 мм) под определенной нагрузкой. Твердость в данном случае обратно про­ порциональна глубине вдавливания: чем тверже металл, тем на меньшую глубину проникает алмаз и тем большим будет число твер­ дости.

В приборе Роквелла на индентор действуют две последователь­ но прилагаемые нагрузки — предварительная Р0 в 10 кГ и общая Р (равная сумме предварительной и основной нагрузок) в 60,100 или 150 кГ. Предварительная нагрузка позволяет установить одинаково плотное соприкбсновение между алмазом (или шариком) и образ­ цом, избежав таким образом ошибок, вызываемых различной чисто­ той обработки поверхности образцов. Алмазный конус применяется для испытания твердых металлов (закаленной стали), а стальной шарик — для более мягких. Применяемая нагрузка устанавливает­ ся таким образом: 150 кГ — стандартная для алмаза; 100 кГ — стан­ дартная для шарика; 60 к Г — нестандартная для алмаза (тонкие детали).

Применение алмазного наконечника позволяет, измерять твер­ дость металлов с Н В > 450. Числа твердости по Роквеллу опреде­ ляются разностью в глубине внедрения конуса или шарика (hh h2) при предварительной и окончательной нагрузках. Циферблат инди­ катора имеет 100 делений и две шкалы — черную и красную. При испытании алмазным конусом отсчеты производятся по черной шка­ ле (HRC), а при испытании стальным шариком— по красной (HRB).

Определение прочности при растяжении. Прочность — способ-

7

постъ металла сопротивляться разрушению под действием внешней 'нагрузки — определяется в зависимости от характера деформирую­ щей нагрузки (растяжение, сжатие, кручение, изгиб, срез и т, д.).

Среди статических методов испытаний наиболее широкое рас­ пространение получило испытание при растяжении, в процессе кото­ рого образец деформируется плавно возрастающей нагрузкой до его разрушения (рис. 2, а). Для испытаний обычно применяются об­ разцы цилиндрической формы, у которых расчетная начальная дли­

на 10 в 5 или 10 раз больше ди­ аметра (пятикратные и десяти­ кратные образцы). Образец с диаметром do—20 мм называет­ ся нормальным.

При испытании замеряются приложенные усилия и соответ­ ствующие удлинения образца. На основании этих замеров строится диаграмма растяже­ ния (рис. 2, б). Современные конструкции машин для испы­ тания на статическое растяже­ ние имеют устройства, автома­ тически вычерчивающие диа­ грамму растяжения.

Если разделить нагрузки, соответствующие характерным точкам диаграммы, на пло­ щадь поперечного сечения об­

разца до растяжения, то можно определить следующие характери­ стики прочности: предел пропорциональности опц, предел упругости <То,os, предел текучести ат и предел прочности ав. Из них наиболее часто применяют в расчетах предел текучести и предел прочности.

Предел текучести (физический) — это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения рас­ тягивающей нагрузки:

от= --у-, кГ/мм2.

Предел прочности (временное сопротивление) — это условное напряжение, соответствующее максимальному усилию, которое мо­ жет выдержать образец до разрушения:

<тв = -д2-, кГ/мм2. ПО

Определение пластичности (вязкости). При проведении механи­ ческих испытаний на растяжение можно также определить две важ­ ные характеристики пластичности — относительное удлинение и относительное сужение.

8

Относительное удлинение рассчитывается обычно как отноше­ ние приращения длины образца после разрыва /к к его исходной рас­ четной длине /о;

Относительное сужение определяется как отношение уменьше­ ния площади поперечного сечения образца после разрыва к перво­ начальной площади:

tj) = - 0 - f K . 1 0 0 /о .

*о Относительное удлинение б и относительное сужение характе­

ризуют способность металла получать пластические деформации — свойство, важное в технологии ковки, штамповки, прокатки и т. д.

Механические свойства образцов, определенные путем медлен­ ного повышения нагрузки, во многих случаях не соответствуют дей­ ствительным условиям нагружения деталей в работе, когда нагруз­ ка возрастает очень быстро. Поэтому возникает необходимость ис­ следовать свойства металла при ударе. Так как в данном случае невозможно достаточно точно определить нагрузку (напряжение), то обычно при ударных испытаниях определяют работу, затрачиваемую на разрушение образца. Количество работы, поглощенной образцом при разрушении ударом, зависит от пластичности испытуемого ма­ териала, формы и размера образца, расстояния между опорами, формы надреза и т. д. В СССР применяются стандартные образцы сечением 10x10 мм и с вырезом в средней части радиусом г=1 мм на глубину 2 мм (рис. 3, а).

Работа излома определяется на специальных маятниковых коп­ рах (рис. 3, б). Перед испытанием маятник 1 отводится на угол а, а затем отпускается и падает. При падении маятник разрушает об­ разец 3, помещенный на опорах копра, и, продолжая двигаться по инерции, поднимается на некоторый угол. Этот угол взлета маятника отсчитывается на шкале 4 по положению стрелки указателя 2.

Работа, затраченная на разрушение образца, принимается рав­ ной разности энергии маятника в его положениях до и после удара:

AH—G(H — h)Kr ■м,

гдей — вес маятника, кГ; Н — высота подъема маятника до удара, м;

h — высота взлета маятника после уДара, м.

Работа удара Ап определяется обычно по шкале, укрепленной на испытательном копре и градуированной в килограммометрах, или но таблицам, имеющимся при каждом маятниковом копре.

Ударная вязкость характеризуется работой, расходуемой на ударный излом образца, отнесенной к площади поперечного сечения образца в месте надреза:

а„ — -ф- кГ • м/см2. Го

9