1. Классификация типов испытаний

Все методы испытания механических испытаний можно подразделить на 3 типа:

1. статические;

2. динамические;

3. выносливость.

Статические методы испытаний характеризуются следующими особенностями:

1. Спокойным, плавным и относительно медленным изменением нагрузки и малой скоростью деформации во время испытания.

2. Возможностью простого измерения с достаточной точностью величины деформации в любой момент испытания.

3. Малой величиной ускорения движущихся испытательных машин во время испытания, что позволяет ими пренебречь.

4. Возможностью с достаточной точностью определять величину усилий , приложенных к образцу, в любой момент испытания, методом простого статического равновесия.

В результате статических испытаний представляется возможным определение следующих характеристик механических свойств: величину усилий, напряжений, сопротивления деформации в момент испытания, величину абсолютной и относительной деформации.

Динамические испытания характеризуются:

1. Резким приложением нагрузки с изменением величины, при больших скоростях деформации, при которых длительность всего испытания не превышает нескольких тысячных секунды.

2. Наличием значительных сил инерции в подвижных частях испытательных машин, что исключает возможность пренебрежения ими.

3. Невозможностью определения усилий передаваемых образцу в момент испытания.

Обычные динамические испытания не дают представления о величине напряжений в образце и их изменении в процессе испытания. При динамических испытаниях определяется общее количество работы, затраченное на разрушение.

Испытания на выносливость являются частным случаем статических испытаний с той разницей, что при испытании на выносливость величина нагрузки прикладываемая к образцу, остается постоянной в процессе испытания или изменяется по определенному циклическому закону.

2. Взаимосвязь структуры и механических свойств конструкционных материалов

Характеристики механических свойств очень чувствительны к изменениям структуры. Среди существующего многообразия структурных параметров следует выделить наиболее влиятельные:

1. Дефекты кристаллического строения металлов и сплавов.

2. Размер зерна.

3. Форма и строение кристаллов образующих сплав.

4. Количество, форма и размеры упрочняющей фазы.

5. Кристаллографическая ориентация основной и упрочняющей фазы.

6. Форма, размеры и взаимное расположение фазовых составляющих.

7. Количество, размеры и форма неметаллических включений и др.

Связь структуры со свойствами не всегда является прямой. Примером такой связи является роль дефектов кристаллического строения. Известно, что дислокации играют очень важную роль в металлах. Без учета влияния этих дефектов не представляется возможным объяснение ряда процессов, имеющих место при испытании механических свойств. Невозможно объяснить механизм пластической деформации, деформационное упрочнение, различие между теоретической и реальной прочностью металлов и сплавов. Неоднозначное влияние плотности дислокаций на прочность металлов можно представить в виде графика, рис.1.

В случае отсутствия дислокаций, пример бездефектных монокристаллов, предел прочности железа достигает ≈1400 МПа. По мере увеличения плотности дислокаций до - 1/ предел прочности достигает своего минимума ≈300 МПа, что соответствует поликристаллическому железу в отожженном состоянии. Дальнейшее повышение плотности дислокаций до 1/ сопровождается увеличением предела прочности. При более высокой плотности дислокаций железо переходит в хрупкое состояние и разрушается в процессе деформации.

Размер зерна является важнейшим структурным параметром, позволяющим менять характеристики механических свойств в широких пределах. Известно, что с измельчением зерна повышается пластичность и прочность. В поликристаллических металлах и сплавах каждое зерно имеет свою кристаллографическую ориентировку. Учитывая это деформация будет протекать от зерна к зерну. Начавшись в одном зерне она остановится дойдя до границы с соседним зерном, так как плоскость сдвига не имеет продолжения в соседнем зерне. Деформация получит дальнейшее развитие в новом направлении после преодоления границы, обладающей большим сопротивлением деформации чем зерно ввиду большой плотности дислокаций на границе. После достижения определенной величины напряжений на границе деформация получит дальнейшее развитие в соседнем зерне, рис.2.

В процессе разрушения происходит зарождение трещины как результат пластической деформации. Зародившаяся трещина развивается вдоль определенной кристаллографической плоскости и дойдя до границы зерна она остановится. Чем больше трещина будет встречать на своем пути границ зерен, тем больше будет остановок в ее развитии. Следовательно, с измельчением зерна будет замедляться ее развитие, будет наблюдаться уменьшение скорости ее развития. С изменением скорости развития меняется характер разрушения. Чем меньше скорость развития трещины, тем выше склонность к вязкому разрушению, рис.3.

Форма и строение кристаллов оказывают существенное влияние на механические свойства. Этому фактору было уделено большое внимание Д. К. Чернова. Им было показано, что свойства горячедеформированных сталей значительно превышают свойства сталей в литом состоянии. Объяснение влиянию этого фактора заключается в том, что в литом состоянии кристаллы имеют дендритное строение, обусловленное химической неоднородностью как в объеме каждого кристалла, так и по сечению закристаллизовавшихся отливок. При нагреве под горячую деформацию протекают диффузионные процессы, что сопровождается выравниванием химического состава. Выдержка при нагреве под деформацию вызывает рост зерна, что отрицательно скажется на свойствах. В процессе деформации зерно будет измельчаться. Таким образом, горячая деформация приведет к химической однородности и исчезновению дендритного строения, а также измельчению зерна и повышению прочности и пластичности.

Для анализа влияния формы, размеров и взаимного расположения фазовых составляющих рассмотрим конкретный пример. Известно что в эвтектоидной стали мы можем получить структуру зернистого и пластического перлита. Одна и та же сталь с различной структурой будет обладать различными свойствами. В случае структуры пластинчатого перлита сталь будет обладать более высокой прочностью, но меньшей пластичностью, хотя количественное соотношение феррита и цементита будет одинаковым. Наряду с этим представляется возможным получение ориентированного пластинчатого перлита путем направленной кристаллизации. Ориентированность фазовых составляющих будет сопровождаться анизотропией свойств. В этом случае прочность в направлении ориентировки фазовых составляющих будет определяться цементитом, а поперек – ферритом. Сплавы с ориентированной структурой можно отнести к композиционным материалам.

Наряду с этим механические свойства в сильной мере зависят от количества и размеров упрочняющей фазы. Чем более мелкодисперсная упрочняющая фаза и чем больше ее количество, тем выше прочность и ниже пластичность.

Неметаллические включения оказывают отрицательное влияние на свойства сплавов, они повышают их склонность к хрупкому разрушению.

Рис.1. Влияние плотности дислокаций на прочность железа

Рис.2. Схема развития пластической деформации в поликристаллических материалах

Рис.3. Схема развития трещины, при разрушении: а – крупное зерно, б - мелкое зерно

Примером неметаллических включений в чугунах является графит. Графит не обладает высокой прочностью и обладает почти нулевой пластичностью, а поэтому механические свойства чугунов значительно ниже механических свойств стали. Графит по сути играет роль трещины. Свойства чугунов в сильной степени зависят от формы графитных включений. Чем компактнее графитные включения, тем выше свойства чугунов. В серых чугунах графит имеет форму пластин, при этом на концах пластин графита будет концентратор напряжений, что обусловливает высокую склонность серых чугунов к хрупкому разрушению. В высокопрочных чугунах графит по форме приближается к шаровидной, что уменьшает роль концентратора напряжений и сопровождается повышением пластичности.

Таким образом, неметаллические включения в любом случае понижают механические свойства. Чем компактнее неметаллические включения, чем меньше их размеры и количество, тем меньше их отрицательное влияние на механические свойства.