8.4. Механические свойства

Механические свойства являются важными характеристиками порошковых материалов и изделий, определяющими их эксплуатационную пригодность. Обычно оценивают прочность, твердость и ударную вязкость порошковых изделий.

Прочность. Наиболее показательным и объективным качеством порошкового изделия является его предел прочности при растяжении. Он характеризует прочность контактов между частицами. Как уже отмечалось, с ростом пористости предел прочности порошкового изделия падает. Зависимость между прочностью и пористостью изучалась многими исследователями. Результаты этих исследований представляют собой эмпирические формулы, представленные в табл. 8.3, где σ и σ_к – соответственно предел прочности пористого и компактного материалов; П – относительная пористость порошкового материала; β – параметр, характеризующий неоднородность распределения напряжений по сечению образца. Наличие нескольких зависимостей вида σ = f(П) объясняется как сложностью проблемы, так и возможной несопоставимостью исходных данных и методов исследований.

Таблица 8.3. Зависимость прочности порошковых материалов от пористости

Автор	Зависимость	Значения констант
Бальшин Красовский Рышкевич Щербань Трощенко и Красовский Хейнес Вейл Харвей Герман	σ = σк(1 – П)m σ = σк(1 – П/Пн)m σ = σк exp (–b П)m σ = σк (1 – П2) exp (–b П)m σ = σк(1 – 1,5П) /(1 – 1,5 β П) σ = σк(1 – 1,5П) /(1 – 1,5 b П) σ = σк(1 – 1,5П) /(1 + А П) σ = σк(1 – к)3 / [(к3 + (1 - к)3] σ = (1 – П)m σк/D	m = 3-6 Пн – пористость порошка при свободной засыпке b = 4-7 β = 2 b = 5 для стали А – параметр К = [3П/(4π)]1/3 m = 4 – 7; П = 0,1 - 0,4; D=4-6 мкм

Относительная пористость далеко не единственный фактор, определяющий прочность порошковых заготовок. В значительной степени прочность и другие механические свойства зависят от величины контактной поверхности и характера контактов между частицами. Оксидные пленки на поверхности порошковых частиц и другие неметаллические включения могут в большей степени, чем округлые поры снижать прочность. В свою очередь, на состояние межчастичных контактов оказывают влияние физико-химические характеристики исходных порошков, условия формования заготовок, среда, температура, продолжительность спекания и финишная термическая обработка. Таким образом, при одинаковом химическом составе и сопоставимой пористости, порошковые изделия, изготовленные разными технологическими способами, могут существенно различаться по свойствам.

У многих порошковых изделий с низкой пластичностью разрушение связано с появлением микротрещин или других дефектов критического размера. Связь между разрушающим напряжением и размером критической трещины описывается формулой Гриффитса:

σ_f = 2(Еγ/π l)^1/2, (8.3)

где s_f – разрушающее напряжение; Е – модуль нормальной упругости; g - поверхностная энергия раскрытия трещины; l - половина длины трещины

При хрупком разрушении трещина критического размера продолжает самопроизвольный рост, поскольку по мере увеличения ее длины требуется все меньшее разрушающее напряжение. В этом случае проиcходит макроскопическое разрушение образца или изделия, находящегося под нагрузкой. Источниками зарождения трещин в структуре порошкового материала могут быть различные дефекты, играющие роль концентраторов напряжений. Концентрация напряжений возникает у устья (края) дефекта, причем коэффициент концентрации напряжений тем больше, чем острее дефект и больше его длина:

К = 2 (l/r)^1/2, (8.4)

где r – радиус закругления в вершине дефекта длиной l.

Минимальная концентрация напряжений у округлых дефектов, поскольку у сферы. (l/r) = 1. Гораздо выше концентрация напряжений у трещин или дефектов пленочного типа. Предположим, что в структуре порошкового материала имеются дефекты в виде частиц оксидной пленки толщиной 50 нм (50×10^-9 м) и протяженностью 200 мкм (200×10^-6 м). При таких размерах концентрация напряжений у вершины дефекта будет в 125 раз выше среднего значения напряжения, как это следует из простого расчета по формуле (8.4). Если мы имеем дело со сталью, у которой теоретический предел прочности составляет ~ 20000 МПа, то у рассматриваемого дефекта напряжения достигнут теоретического предела прочности при среднем значении напряжения 160 МПа. Дальнейшее поведение такого дефекта будет зависеть от хрупкости материала. Если материал разрушается хрупко, то дефект сыграет роль трещины, которая будет распространяться самопроизвольно до полного разрушения образца. Обычно хрупкому разрушению предшествует микропластическая деформация, которая может приводить к затуплению дефекта, т.е. увеличивать радиус трещины при ее вершине. Если при этом дробь l/r уменьшается, то трещина может прекратить свой рост при данном уровне среднего напряжения. Подобное поведение трещины наблюдается при вязком разрушении.

У порошковых материалов и заготовок, склонных к хрупкому разрушению, характеристики прочности часто определяют по результатам испытаний на изгиб. Эти испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 18228 на образцах прямоугольного сечения 30х12х6 мм. Различие в толщине по длине образца не должны превышать 0,1 мм. Образцы получают прессованием и спеканием в тех же условиях, что и готовые изделия. Допускается использовать образцы, вырезанные из готовых изделий. Приспособление для испытаний на изгиб состоит из двух цилиндрических опор (роликов), установленных на расстоянии 25,0 ± 0,2 мм друг от друга и изгибающего ролика, расположенного на одинаковом расстоянии от опор. Ролики должны иметь диаметр 3,0 ± 0,1 мм, длину не менее 20 мм и твердость не менее 700 HV. Предел прочности при поперечном изгибе σ_изг вычисляют по формуле:

σ_изг = 3Рl/2bh², (8.5)

где Р – разрушающая нагрузка; l – расстояние между опорами; b – ширина образца; h – толщина образца. За предел прочности принимается среднее арифметическое результатов не менее пяти определений, округленное до ближайших 10 Н/мм².

В последние годы для оценки работоспособности материалов в изделиях применяют термин «конструктивная прочность». Одним из показателей этой прочности является вязкость разрушения материала или критический коэффициент интенсивности напряжений К_1с, который характеризует способность материала сопротивляться разрушению при наличии трещины или трещиноподобного дефекта. По коэффициенту К_1с можно вычислить предельно допустимое напряжение или длину критической трещины. Вязкость разрушения зависит от химического состава, свойств исходных порошков, условий их компактирования и остаточной пористости. С увеличением пористости вязкость разрушения снижается.

Существует несколько методик определения вязкости разрушения, однако они довольно трудоемкие и дорогие из-за сложной формы образцов. Наиболее простая методика предусматривает испытание цилиндрических образцов с круговым надрезом или круговой усталостной трещиной. В цилиндрическом образце диаметром D делают круговой надрез диаметром d, при соотношении d/ D = 0.707. Для этих условий К_1с (МПа·м^1/2) составит:

К_1с = 0,414σ_н D^1/2, (8.6)

где σ_н = Р_м/F_н, МПа; Р_м – разрушающая нагрузка Н; F_н – площадь образца в плоскости надреза, м².

Расчет по формуле (8.6) дает хорошие результаты при соблюдении условия σ_н ≤ 1,1σ_т (σ_т – предел текучести материала), Если σ_н > 1,1σ_т , то соответственно увеличивают D, сохраняя соотношение d/ D = 0.707.

Ударная вязкость. В соответствии с ГОСТ 26528-85 испытаниям на ударную вязкость (ударный изгиб) подвергают образцы порошковых материалов квадратного сечения 10х10 мм (±0,2 мм) длиной 55±1мм без надрезов, роль которых играют поры. Для беспористых и малопористых материалов допускается использование образцов с надрезами. Испытания проводят на маятниковых копрах. Показатель ударной вязкости КС (Дж/м²) получают делением работы, затраченной на разрушение образца, на поперечное сечение образца.

КС = А/S = ml (cos β – cos α )/S, (8.7)

Где m – масса маятника; l – расстояние центра тяжести маятника от оси вращения; α и β – угол подъема маятника до (α ) и после (β) разрушения образца.

Обычно низкие значения ударной вязкости порошковых материалов связаны с негативным влиянием пор и неметаллических включений. С повышением плотности порошковых материалов их ударная вязкость растет. Термическая обработка порошковых материалов, формирующая мелкозернистую структуру, также приводит к повышению ударной вязкости.

Твердость. Под твердостью материала понимают сопротивление деформации при проникновении в него постороннего тела. Существует много методов измерения твердости, но чаще всего твердость определяют методами Бринелля, Виккерса и Роквелла. По методу Бринелля твердость оценивают вдавливанием в поверхность изделия стального шарика. Число твердости по Бринеллю (НВ) – частное от деления нагрузки на площадь отпечатка. Метод Виккерса основан на вдавливании в поверхность изделия четырехгранной алмазной пирамидки с квадратным основанием и углом при вершине 136 ± 0,5^о. На поверхности образца образуется отпечаток в форме квадрата. Твердость (НV) рассчитывают по формуле НV = 1,854 Р/d², где Р – нагрузка, кгс; d – диагональ отпечатка, мм. При определении d следует измерять обе диагонали квадрата и брать среднее арифметическое. При методе Роквелла индентором обычно служит алмазный конус с углом при вершине 120^о и стальной шарик диаметром ~1,6 мм. Числом твердости является величина, обратная глубине вдавливания. Имеются три шкалы: шкала С (единицы измерения HRC); шкала А (HRA) и шкала В (HRВ).

Методы НВ и HRВ применяют для мягких материалов, методы HRC и HRA для твердых материалов, а НV – для тонких слоев. Описанные методы позволяют определить среднюю макроскопическую твердость материала. Для того, чтобы определить твердость отдельных структурных составляющих используют метод измерения микротвердости. Индентором служит алмазная пирамидка, подобная той, что в методе Виккерса. Нагрузка от 2 до 200 г выбирается в зависимости от размера и твердости структурных составляющих.

Надо отметить, что у литых (беспористых) материалов между твердостью и прочностью существует прямая корреляция. Например, у конструкционных сталей число твердости по Бринеллю примерно в три раза больше предела прочности при растяжении. Наличие такой корреляции позволяет измерение твердости использовать как упрощенный неразрушающий метод приближенной оценки прочности. У порошковых пористых материалов нет такой корреляции между прочностью и твердостью, тем не менее, твердость в определенной мере характеризует плотность материала, твердость частиц и силы связи между частицами.

Контрольные вопросы

1. Какова связь между структурой пористого тела и его свойствами?

2. Перечислите структурные составляющие порошкового материала.

3. Расскажите об особенностях приготовления шлифов пористых материалов.

4. Расскажите о методах оценки пористости порошковых материалов.

5. Приведите приближенную количественную оценку влияния пористости на прочность порошковых материалов.

6. Расскажите о методах оценки прочности порошковых изделий.

7. Расскажите о методах измерения твердости порошковых изделий.