Лекція 1 механічні властивості металів

1. Загальна характеристика механічних властивостей

Під механічними властивостями розуміють характеристики, що визначають поводження металу (або іншого матеріалу) під дією прикладених зовнішніх механічних сил. До механічних властивостей звичайно відносять опір металу (сплаву) деформації (міцність) і опір руйнуванню (пластичність, в'язкість, а також здатність металу не руйнуватися при наявності тріщин). При оцінці механічних властивостей металевих матеріалів розрізняють кілька груп їхніх критеріїв, що приведені нижче:

1. Критерії, обумовлені поза залежністю від конструктивних особливостей і характеру служби виробів. Ці критерії знаходяться шляхом стандартних іспитів гладких зразків на розтягання, стиск, вигин, твердість (статичні іспити) або на ударний вигин зразків з надрізом (динамічні іспити). Міцні і пластичні властивості, обумовлені при статичних іспитах на гладких зразках, хоча і мають визначене значення, у багатьох випадках не характеризують міцність цих матеріалів у реальних умовах експлуатації деталей машин і споруджень. Вони можуть бути використані тільки для обмеженої кількості простих за формою виробів, що працюють в умовах статичного навантаження при температурах, близьких до кімнатного.

2. Критерії оцінки конструктивної міцності матеріалу, що знаходяться в найбільшій кореляції зі службовими властивостями даного виробу, характеризують працездатність матеріалу в умовах експлуатації. Критерії конструктивної міцності металевих матеріалів можна розділити на двох груп:

– властивості, що визначають надійність металевих матеріалів проти раптових руйнувань (в'язкість руйнування, робота, що поглинається при поширенні тріщин, живучість і ін.). В основі цих методик, що використовують основні положення механіки руйнування, лежать статичні або динамічні іспити зразків з гострими тріщинами, що мають місце в реальних деталях машин і конструкціях в умовах експлуатації (надрізи, наскрізні отвори, неметалічні включення, мікропорожнечі і т.д.). Тріщини сильно змінюють поводження металу під навантаженням, тому що є концентраторами напруг;

– властивості, що визначають довговічність виробів (зносостійкість, опір корозії і т.д.).

3. Критерії оцінки міцності конструкції в цілому, обумовлені при стендових, натурних і експлуатаційних іспитах (конструкційна міцність). При цих іспитах виявляється вплив на міцність і довговічність конструкції таких факторів, як розподіл і величина залишкових напруг, дефектів технології виготовлення, конструювання металовиробів і т.д. Для рішення практичних задач металознавства необхідно визначати як стандартні механічні властивості, так і критерії конструктивної і конструкційної міцності.

2. Механічні властивості, обумовлені при статичних іспитах

Статичними називають іспити, при яких прикладена ж зразкові навантаження зростає повільно і плавно. До статичного відносяться іспити на розтягання, стиск, крутіння, вигин і твердість: чим більше при іспиті нормальні напруги, що розтягують, (S) у порівнянні з дотичними (τ), тобто чим менше відношення τ_max/S_max, тим іспит більш «тверде». Найбільше «м'які» способи навантаження на стиск для іспиту тендітних матеріалів (чавун, загартований сталь і ін.), для яких іспит на розтягання є «твердим». Для пластичних металів частіше застосовують іспити на розтягання, що дозволяють за результатами одного досвіду установити кілька важливих механічних характеристик металу або сплаву. Для іспиту на розтягання використовують стандартні зразки (ДСТ 1497–84). Машини для іспитів постачені приладом, що записує діаграму розтягання (рис. 40, а), у координатах напруга σ – деформація (абсолютне подовження зразка) Δl.

Крива 1 характеризує поводження (деформацію) металу під дією напруг σ (МПа), величина яких є умовною (σ = P/F₀). До крапки А деформація пропорційна напрузі. Тангенс кута нахилу прямій ОА до осі абсцис характеризує модуль пружності матеріалу Е=σ/δ (δ – відносна деформація). Модуль нормальної пружності Е визначає твердість матеріалу, інтенсивність збільшення напруги в міру пружної деформації. Фізичний зміст Е зводиться до того, що він характеризує опірність металу пружної деформації, тобто зсув атомів з положення рівноваги в решітках. Модуль нормальної пружності практично не залежить від структури металу і визначається силами міжатомного зв'язку. Всі інші механічні властивості є структурно чуттєвими і змінюються в залежності від структури (обробки) у широких межах.

Закон пропорційності між напругою і деформацією є справедливим лише в першому наближенні. При точних вимірах, навіть при невеликих напругах у пружній області, спостерігаються відхилення від закону пропорційності. Це явище називають непружністю. Воно виявляється в тім, що деформація, залишаючись оборотної, відстає по фазі від діючої напруги. У зв'язку з цим при навантаженні-розвантаженні на діаграмі розтягання замість прямої лінії виходить петля гістерезису, тому що лінії навантаження і розвантаження не збігаються між собою.

Напруга, що відповідає крапці A, називають межею пропорційності (σ_пц). Звичайно визначають умовна межа пропорційності, тобто напруга, при якому відступ від лінійної залежності між напругами і деформаціями досягає такої величини, що тангенс кута нахилу, утвореного дотичної до кривої деформації з віссю навантаження, збільшується на 50 % від свого значення на лінійному (пружному) ділянці.

Напруги, що не перевищують межі пропорційності, практично викликають тільки пружні (у макроскопічному змісті) деформації, тому нерідко його ототожнюють з умовною межею пружності. Межа пружності визначається як напруга, при якому залишкова деформація досягає 0,05 % (або ще менше) від первісної довжини зразка .

Рис. 1. Діаграма розтягання металів для умовних (а, крива 1) і щирих (а, крива 2) напруг: I – область пружної деформації; II – область пластичної деформації; III – область розвитку тріщин; діаграма щирих напруг (б)

Напруга, що викликає залишкову деформацію 0,2%, називають умовною границею текучості

При іспиті заліза й інших металів з о.ц.к. решітками при досягненні границі текучості σ_т на кривій розтягання утвориться площадка. У цьому випадку σ_т – напруга, що відповідає «площадці плинності» на кривій розтягання (фізична границя текучості).

Границя текучості σ_0,2 є розрахунковою характеристикою, деяка частка від σ_0,2 визначає припустиме навантаження, що виключає залишкову деформацію. Якщо допустимі напруження визначаються величиною пружної деформації (тверда конструкція), то в розрахунках використовується величина модуля пружності Е. У цьому випадку прагнути до одержання високого значення σ_0,2 не випливає. Величини σ_пц і σ_0,2 характеризують опір малим пластичним деформаціям.

Подальше підвищення навантаження викликає більш значну пластичну деформацію у всьому обсязі металу. Напруга, що відповідає найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка, називають тимчасовим опором або межею міцності: (рис. 1,а).

У пластичних металів починаючи з напруги σ_в деформація зосереджується в одній ділянці зразка, де з'являється місцеве звуження поперечного переріза, так називана шийка. У результаті розвитку множинного ковзання в шейку утвориться висока щільність вакансій і дислокацій, виникають зародкові несплошності, укрупнення яких приводить до виникнення пір. Зливаючи, пори утворять тріщину, що поширюється в напрямку, поперечному осі розтягання, і в деякий момент зразок руйнується (точка С на рис. 1,а).

Крім того, при іспиті на розтягання визначають характеристики пластичності. До них відносяться відносне подовження δ= (l_к–lо)/lо• 100 % і відносне звуження ψ = (F₀ – F_K)/F₀ 100 %, де lо і l_к – довжина зразка, a F_o і F_K – площа поперечного перерізу зразка до і після руйнування відповідно. Відношення зміни довжини до початкової довжини визначає умовне подовження. Відношення в кожен момент зміни довжини до довжини в цей момент дає щире подовження:

На рис. 1,б приведена діаграма щирих напруг, побудована в координатах S–l. З огляду на, що роль пластичної деформації незрівнянно більше, ніж пружної, вважають, що ділянка діаграми, що відповідає пружної деформації, збігається з віссю ординат.

Щирий опір відривові (руйнуванню) S_K визначається як відношення зусилля в момент руйнування до мінімальної площі поперечного перерізу зразка в місці розриву: S_K = P_K/F_K, де Р_K – навантаження в момент розриву і F_K – площа перетину зразка в місці розриву.

У випадку тендітного руйнування σ_B≈S_K і визначає дійсний опір відривові або тендітній міцності матеріалу (рис. 1, б). При грузлому руйнуванні (коли утвориться шийка) σ_в і S_K характеризують опір значної пластичної деформації, а не руйнуванню. У конструкторських розрахунках σ_B і S_K практично не використовуються, тому що важко представити конструкцію, працездатність якої не порушиться при пластичній деформації окремих деталей або вузлів.

Крива 2 (рис. 1, а) показує, що в процесі розтягання метал випробує деформаційне зміцнення (наклеп). Якщо зневажити пружними деформаціями, то коефіцієнт деформаційного зміцнення K=tga=S_K–σ_0,2/l.

Іспит зразків з надрізом. У деяких випадках для визначення чутливості металу до концентраторів напруг проводять іспит на розтягання зразків з надрізом; надріз сприяє тендітному руйнуванню. Чим більше глибина і гострота надрізу, тим легше одержати тендітне руйнування. Для характеристики чутливості до надрізу користуються, відношенням σ_B для гладкого зразка до σ_B^н, для зразка з надрізом (σ_B/σ_B^H). Для тендітного матеріалу σ_B/σ_B^H>l, а для пластичних менше одиниці.

Іспит на в'язкість руйнування. Тендітне руйнування судів, мостів, кранів, будівельних і дорожніх машин і т.д. звичайно відбувається при напругах, що лежать у пружній області, без макропластичної деформації. Осередком тендітного руйнування є наявні в металі мікротріщини або ті ж дефекти, що виникають у процесі експлуатації. Тому надійність конструкції визначається в основному опором металу поширенню вже наявної гострої (небезпечної) тріщини (в'язкістю руйнування), а не її зародженню.

Іспит на в'язкість руйнування проводять за схемою нецентрового розтягання спеціальних зразків при вигині. Для іспиту застосовують зразки з прямокутним поперечним перерізом і однобічним гострим надрізом (рис. 2). Від надрізу наводиться на пульсаторі тріщина. Зразки різних матеріалів повинні мати різні розміри. Повинне дотримуватися вимога, щоб сумарна глибина надрізу і товщина перетину зразка були більше величини 2,5 (К_1с /σ_0,2)². Значення К_1с обчислюють при навантаженні P_q, що відповідає початкові нестабільного розвитку тріщини (рис. 3). При іспиті будують діаграму навантаження (Р) – змішання (V) (зсув берегів тріщини, тобто відстані між крапками по обох сторони від тріщини внаслідок її розкриття); по діаграмі знаходять навантаження Р_Q і по ній розраховують коефіцієнт інтенсивності напруги K_Q = P_Q Г₁/ab^l/2, де а і b – розміри зразка (рис. 2), a Г₁ – безрозмірна величина, що враховує геометрію зразка і відношення довжини тріщини з до ширини зразка b. Коефіцієнт Г₁ визначають по спеціальних таблицях.

Для визначення P_Q проводять січну ОР_Х із нахилом на 5 % менше, ніж нахил дотичної ОА. Якщо крива не має стрибка (рис. 2,а), то коефіцієнт К_1с розраховують по навантаженню P_q = P_x, обумовленою крапкою перетинання кривій із січної ОР_Х. На діаграмах (рис. 2,б,в) значення P_q відповідає максимальному навантаженню.

Для перевірки вірогідності результатів іспитів на діаграмі проводять горизонтальну лінію, що відповідає 0,8P_q. Якщо V₁<0,25V, то іспит визнається задовільним, у противному випадку іспит повторюють на зразках інших розмірів.

Рис. 2. Основні типи діаграм навантаження Р – зсув V

Для визначення К_1с підраховують величину 2,5 (К_1с /σ_0,2)². Якщо вона менше товщини зразка і сумарної глибини надрізу, то K_q = K_1с. У противному випадку проводять новий іспит на великих зразках. Товщина зразка повинна бути тим більше, чим вище К_1с і менше σ₀,₂. При іспиті сплавів малим σ₀,₂ товщина зразків настільки велика, що іспит стає недоцільним.

Величина К_1с (в'язкість руйнування) визначає здатність металу (сплаву) протистояти розвиткові тріщини. Тому нерідко К_1с називають тріщиностійкістю. Чим вище значення К_1с, тим менше небезпека тендітного руйнування і вище надійність конструкції (машини), виготовленої з цього матеріалу.

Критерій К_1с, характеризуючи опір розвиткові тріщин, дозволяє визначити максимально припустимі напруги в реальній конструкції при наявності тріщини визначеної довжини або; навпаки, при даній робочій напрузі величину припустимої довжини тріщини без тендітного руйнування конструкції. Чим вище значення σ₀,₂, тим менше величина К_1с.

Для сплавів титана показано, що при відношенні K_1с/σ₀,₂ = 0,24 критична довжина тріщини виміряється в сантиметрах і за критичний розвиток неї виключене. При відношенні K_1с/σ₀,₂ = 0,08–0,24 критична довжина тріщини знижується до 0,1–1,0 див, а при K_1с/σ₀,₂ = 0,08 тріщини мікронних розмірів досить для її розвитку. Тому для підвищення конструктивної міцності нерідко відмовляються від високоміцних матеріалів унаслідок низького значення їхньої тріщиностійкості К_1с і можливості тендітного руйнування.

Критерії в'язкості руйнування частіше використовують для характеристик високоміцних металевих матеріалів, що йдуть на виготовлення сильно навантажених конструкцій (великих зварених вузлів, деталей літаків, корпусів ракет, судин високого тиску, унікальних по своїх розмірах споруджень).