2. Механические свойства металлов
Рабочие нагрузки (напряжения) вызывают в деталях машин деформации и разрушения. Напряжение – сила, действующая на единицу площади. Нормальные напряжения, σ – вызывают растяжение, сжатие, касательные напряжения, τ – сдвиг, кручение. Различают упругую и пластическую деформацию. Упругая деформация – исчезает после снятия нагрузки, а пластическая деформация – остается, изменяя форму и размеры детали, структуру и свойства металла.
К основным механическим свойствам металлов относятся: прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость и выносливость. Их определяют при статических, динамических или циклических испытаниях.
2.1. Характеристики
механических свойств, определяемые при
статическом растяжении
а)
σ
Испытания на растяжение проводят на специальных машинах и стандартных образцах с начальной длиной l0 и площадью поперечного сечения F0 (рис. 8 а). Растягивающая нагрузка Р нарастает плавно, образец постепенно удлиняется и разрушается. При этом записывают диаграмму растяжения в координатах “нагрузка – удлинение образца”, которая приводится к диаграмме условных напряжений в координатах “напряжение (σ) - относительное удлинение (δ)” (рис.7). Напряжение – нагрузка (сила), действующая на единицу площади (σ=P/F0, МПа).
а)
б)
Рис.7. Диаграммы растяжения пластичного (а) и малопластичного (б) материалов
Тангенс угла наклона линейного участка диаграммы растяжения характеризует модуль упругости E=tgα.
2.1.1. Характеристики прочности
Предел пропорциональности, σпц – максимальное напряжение, соответствующее линейному участку кривой растяжения.
Предел упругости, σупр – напряжение, при котором остаточная деформация принимает заданное значение 0,05% и меньше, обозначается – – σ0,002, σ0,02 и σ0,05.
Предел текучести, σТ – напряжение, при котором материал деформируется (течет) без увеличения нагрузки. Для пластичных материалов это напряжение соответствует площадке текучести (рис. 7 а). Для малопластичных материалов, применяют условный предел текучести, σ0,2 – напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,2% (рис. 7б).
Предел прочности (временное сопротивление), σв – максимальное напряжение, предшествующее разрушению образца:
.
2.1.2. Характеристики пластичности
Относительное
удлинение:
δ =
∙100%;
ιк
– конечная длина образца.
Относительное сужение: ψ = ∙100%; Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
2.2. Методы определения твердости металлов
Твердость – свойство металла сопротивляться пластической деформации при внедрении в его поверхность твердого тела – индентора.
Твердость по Бринеллю. Индентор – стальной шарик диаметром от 2,5 до 10 мм. Нагрузка – 2500..30000Н. После снятия нагрузки остается отпечаток (лунка) диаметром d (рис.8а). Твердость определяется как отношение нагрузки Р к площади отпечатка: НВ=Р/FОТП (МПа). Обычно твердость определяют по таблицам. Способ Бринелля применяют для металлов малой и средней твердости – до 450 НВ.
а)
б)
Рис.8. Схема определения твердости: а) - по Бринеллю; б) - по Виккерсу.
Твердость по Виккерсу. Индентор – четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136°, нагрузка Р – 10..1000 Н (Рис.8б). Твердость рассчитывают по среднему арифметическому диагоналей отпечатка d (мм) по формуле: НV= 0,189 Р/d2 (МПа) или определяют по таблицам. Метод применяют для деталей малых сечений и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.
Твердость по Роквеллу. Метод универсален и прост. Прибор имеет шкалы А,В,С. Твердость – величина безразмерная и считывается со шкал (табл.1). Нагрузка складывается из предварительной Р0=100 Н и основной Р1.
Таблица 1
Шкала |
Индентор |
Нагрузка Р = Р0 + Р1, Н |
Измеряемые объекты |
HRA |
Алмазный конус |
600 |
Особо твердые материалы, тонкие листы и слои (0,5…1,0мм) Пределы измерения твердости 70…85HRA |
HRB |
Стальной шарик |
1000 |
Мягкие металлы (<450HB) Пределы измерения твердости 25…100HRB |
HRC |
Алмазный конус |
1500 |
Твердые материалы (>450HB) Пределы измерения твердости 20…67HRC |