3.4. Свойства материалов и методы их испытаний

Свойство – количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами. Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении под действием внешних нагрузок. В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при статическом (нагрузка возрастает медленно и плавно), динамическом (ударный характер нагрузки) и циклическом нагружении (нагрузка многократно меняется по величине или направлению).

Испытания на растяжение. При испытании материалов на растяжение получают характеристики прочности и пластичности (ГОСТ 1497-84). Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Пластичность – способность материала к пластической деформации без разрушения.

Д еформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением или абсолютной деформацией l, равной разности длин образца после растяжения l_k и исходной l₀: l = l_k – l₀. В процессе испытания регистрируется первичная диаграмма растяжения в координатах «нагрузка P – абсолютное удлинение l» (рис. 3.16). Чтобы исключить влияние размеров и формы деталей, испытания проводят на стандартных образцах, имеющих в поперечном сечении форму круга или прямоугольника. Абсолютные величины пересчитывают в относительные: нагрузку – в механическое напряжение ; где F₀ – площадь поперечного сечения образца до деформации; абсолютную деформацию – в относительную . Диаграмма называется диаграммой условных напряжений, поскольку площадь образца при растяжении изменяется.

На диаграмме растяжения выделяют участки деформации: упругой до нагрузки P_упр; пластической от P_упр до P_max; разрушения от P_max до P_к.

Прямолинейный участок диаграммы ОА указывает на пропорциональную зависимость между нагрузкой Р и удлинением l. Тангенс угла наклона к оси абсцисс характеризует модуль упругости Юнга: . Через модуль Юнга можно рассчитать скорость звука: , где ρ – плотность вещества. Кристаллы кубической сингонии не являются изотропными: для ГЦК кристаллов модуль Юнга увеличивается при движении от [100] к [111], для ОЦК кристаллов – уменьшается.

Деформирование выше P_упр идет при возрастающей нагрузке до P_max, так как металл упрочняется. Наклеп продолжает увеличиваться, хотя растягивающая нагрузка уменьшается от P_max до P_к. Это связано с появлением в образце местного утончения – шейки, в которой развивается основная пластическая деформация. Растягивающие напряжения в шейке растут, пока при нагрузке P_к не происходит разрушение.

Пределы упругости _упр, текучести _т и прочности _в определяются как отношение соответствующей нагрузки к исходной площади поперечного сечения образца F₀.

Теоретический предел упругости _упр – максимальное напряжение P_упр, до которого образец получает только упругую деформацию. Определить его трудно, поэтому используют условный предел упругости – напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005–0,05 % от начальной длины образца, которую указывают в обозначении.

Предел текучести – максимальное напряжение, при котором еще не появляется пластическая деформация.

Физический предел текучести _т – напряжение, вызывающее увеличение деформации образца при постоянной нагрузке. На диаграмме растяжения появляется площадка текучести. У большинства сплавов ее нет, для них используется другая характеристика.

Условный предел текучести _0,2 – напряжение, вызывающее пластическую деформацию образца 0,2 %.

Сплавы подразделяют по прочности в зависимости от величины предела текучести _0,2 (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Классификация сплавов по прочности

Класс материалов	0,2, МПа
	Сплавы железа (стали)	Сплавы алюминия	Сплавы титана
Низкой прочности Средней прочности Высокой прочности	650 650-1300 1300-1400	200 200-400 400	400 400-800 800

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения: .

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением  и относительным сужением :

, ,

где F_к – площадь поперечного сечения в месте разрыва. Принято считать металл «надежным» при   15 % и   45 %.

Испытания на изгиб. При испытании на изгиб в образце возникают растягивающие и сжимающие напряжения. По этой причине изгиб – более мягкий способ нагружения, чем растяжение. На изгиб испытывают не пластичные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения, керамику. Испытания проводят на образцах большой длины цилиндрической или прямоугольной формы, которые устанавливают на две опоры. Используют две схемы нагружения: сосредоточенной силой (применяют чаще) и двумя симметричными силами (испытания на чистый изгиб). Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.

Испытание на сжатие. Для чугуна, литых алюминиевых сплавов и прочих хрупких материалов применяют испытания на сжатие. Эти материалы разрушаются при растяжении путем отрыва, а при сжатии – срезом. При испытании определяют предел прочности на сжатие.

Твердость – сопротивление материала проникновению стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании. Чем больше сопротивление пластической деформации, тем выше твердость.

Метод Бринелля (рис. 3.17,а). Индентор – стальной закаленный шарик. Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки к площади сферической поверхности отпечатка:

,

где Р – нагрузка на шарик (кгс); d – диаметр отпечатка (мм). Диаметр шарика D и величину нагрузки P выбирают в зависимости от твердости материала. Число твердости тем выше, чем меньше диаметр отпечатка. Отклонение от линейной зависимости между Р и d наблюдается, когда шарик вдавливается с малой или очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток небольшого диаметра или с диаметром, близким к диаметру шарика. Наряду с пластической деформацией материала имеет место упругая деформация вдавливаемого шарика. Величина этой деформации искажает результаты измерений и возрастает при измерении твердых материалов. Поэтому испытания ограничивают измерением металлов небольшой и средней твердости (не более 450 НВ).

Для получения одинаковых чисел твердости при испытании шариками разных диаметров необходимо, чтобы угол  оставался постоянным (рис. 3.17,а), т. е. отношение нагрузки к квадратам диаметров шариков должно оставаться постоянным: . Это отношение различно для материалов разной твердости (МПа): 294 (сталь, чугун, высокопрочные сплавы); 98 (алюминий, медь, никель и их сплавы); 49 (магний и его сплавы); 24,5 (подшипниковые сплавы); 9,8 (олово, свинец).

При D = 10 мм, Р = 29400 Н и времени выдержки под нагрузкой 10 с твердость по Бринеллю обозначается символом НВ с указанием числа твердости. Размерность (кгс/мм² или МПа.) не ставится, например 200 НВ. При использовании шариков других диаметров указывают дополнительно три индекса. Например, 180 НВ_2,5/187,5/30 обозначает, что при D = 2,5 мм и времени выдержки 30 с под нагрузкой Р=187,5 кгс (1839 Н) число твердости по Бринеллю равно 180.

Предел прочности и число твердости по Бринеллю связаны соотношениями: для стали _в = 0,34 НВ; для медных сплавов _в = 0,53 НВ; для алюминиевых сплавов _в = 0,37 НВ.

М етод Роквелла. Предварительная нагрузка Р₀ = 98,07 Н (10 кгс), под действием которой индентор (алмазный конус или стальной закаленный шарик) вдавливается на глубину h₀, необходима для исключения влияния упругой деформации и шероховатости поверхности на результаты измерений (рис. 3.17,в). Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₁. После этого снимают нагрузку Р₁ но оставляют предварительную нагрузку Р₀. Под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h₀. Разность (h – h₀) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм.

Для испытания мягких материалов используется стальной шарик диаметром 1,588 мм и нагрузка Р₁ = 980,7 Н (100 кгс). Твердость отсчитывают по шкале «В» (от 25 до 100 единиц) и обозначают «HRB».

Для металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус с углом при вершине 120° и нагрузку Р₁ = 1471 Н (150 кгс). Твердость отсчитывают по шкале «С» (20–70 единиц), обозначают «HRC».

Для очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев применяют алмазный конус и нагрузку Р₁ = 588,4 Н (60 кгс), твердость отсчитывают по шкале «С» (70–85 единиц), обозначают «HRA».

Метод Виккерса. Индентор – алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине  = 136° (рис. 3.17,б). Диагональ отпечатка d₁ измеряют при помощи микроскопа, установленного на приборе. Нагрузка Р применяется от 10 до 1000 Н, нагрузка ниже 50 Н используется для определения твердости тонких изделий и поверхностных слоев металла. Число твердости обозначают символом «HV» и определяют по формуле

с указанием нагрузки P и времени выдержки индентора под нагрузкой, причем размерность твердости (кгс/мм²) не ставится. Продолжительность выдержки для сталей – 10–15 с, цветных металлов – 30 с. Например, 420 HV_10/15 означает, что число твердости 420 получено при нагрузке P = 10 кгс, приложенной в течение 15 с.

Микротвердость определяют вдавливанием в поверхность алмазной пирамиды при небольших нагрузках (0,01–2 Н). Размер диагонали отпечатка индентора определяют с помощью микроскопа. По формуле (как для метода Виккерса) определяют число твердости.

М етод царапания (по Моосу). Шкала относительной твердости минералов состоит из 10 эталонов твердости (рис. 3.18): тальк – 1 (24); гипс – 2 (360); кальцит – 3 (1090); флюорит – 4 (1890); апатит – 5 (5360); полевой шпат – 6 (7950); кварц – 7 (11200); топаз – 8 (14270); корунд – 9 (20600); алмаз – 10 (100600). В скобках – значения микротвердости минералов в МПа. Из представленных данных видно, насколько алмаз тверже наиболее твердых материалов. Если эталон с твердостью 5 царапает образец, который царапает эталон с твердостью 4, то относительная твердость образца – 4,5.

Динамический метод (по Шору). Шарик бросают на поверхность материала с заданной высоты. Чем больше величина отскока, тем выше упругие свойства.

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания проводят на образцах определенной формы и размеров. Ударную вязкость обозначают буквами KC. Третий символ показывает вид надреза на образце: острый (V), с радиусом закругления (U), наведенная трещина (Т). Образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 3.19) надрезом в сторону, противоположную удару маятника, который поднимают на высоту H. На разрушение образца затрачивается работа

A = P(H – h),

где P – вес маятника, h – высота подъема маятника после удара. Ударная вязкость определяется как отношение работы разрушения к площади поперечного сечения в месте надреза (Дж/м²).

З начение КС зависит от температуры. Для конструкционных материалов существует пороговая температура, при которой характер разрушения меняется скачкообразно (порог хладноломкости). Ниже данной температуры имеет место хрупкое разрушение (малая работа разрушения, склонность к образованию трещин), выше – вязкое разрушение (трещины распространяются с трудом). Для определения порога хладноломкости образцы испытывают при различных температурах и строят кривые в координатах «ударная вязкость – температура».

Хладноломкость – склонность металла переходить в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие ОЦК и ГПУ решетки.

Усталость – постепенное накопление повреждений в материале при повторных знакопеременных напряжениях, не превышающих предела текучести, приводящее к разрушению.

Выносливость – свойство металлов сопротивляться усталости.

Предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за базовое число циклов нагружения без разрушения.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться разным способам обработки.

Литейные свойства – определяются способностью материала к получению качественных отливок без трещин, раковин и других дефектов. Основные показатели: жидкотекучесть – способность жидкого металла заполнять полость литейной формы; усадка (линейная, объемная) – уменьшение объема материала в процессе затвердевания и охлаждения; ликвация – неоднородность химического состава отливки по объему.

Способность к обработке давлением – способность материала поддаваться пластической деформации в холодном и нагретом состоянии под действием внешних нагрузок без разрушения. Оценивается по степени допустимой деформации и силе сопротивления деформации.

Свариваемость – способность материала образовывать неразъемные соединения. Оценивается по качеству и прочности сварного шва.

Способность к обработке резанием – способность материала поддаваться обработке режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и качеству обработанной поверхности.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения. Количественный показатель: потеря массы материала детали за время работы.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред. Количественные показатели: скорость электрохимической коррозии, оцениваемая по изменению массы металла или линейных размеров образца; степень изменения механических свойств, оцениваемая по влиянию повреждений поверхности на материал.

Жаростойкость – способность материала сопротивляться поверхностному окислению в газовой среде при высокой температуре. Количественные показатели: скорость окисления, оцениваемая по изменению массы металла или толщины оксидной пленки на поверхности; допустимая рабочая температура металла, при которой скорость окисления не превышает заданного значения.

Жаропрочность – способность материала сохранять характеристики механической прочности при высоких температурах.

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