Часть II. Материаловедение.

5. Механические свойства металлов.

Механические свойства определяют на специальных образцах. В зависимости от условий приложения нагрузки различают статические и динамические испытания. При статических испытаниях нагрузка прилагается медленно и плавно возрастает. При динамических - она прилагается с высокой скоростью.

Определение предела прочности, предела текучести, относительного удлинения и сужения.

Эти характеристики определяются при испытаниях на растяжение, это наиболее распространенный метод определения свойств конструкционных материалов. Пределы прочности и текучести относят к прочностным свойствам, а относительное удлинение и сужение характеризуют пластичность материала.

Испытания выполняются на разрывных машинах с использованием специальных цилиндрических образцов, которые растягивают до разрушения.

В процессе приложения нагрузки в образце возникает напряжение (s), равное отношению приложенного усилия (Р) к площади образца (F): s = Р/F [МПа или кгс/мм²]. Под действием приложенной нагрузки возникает деформация - изменение размеров образца.

Деформация может быть упругой или пластической. Упругая деформация полностью снимается (исчезает) после снятия нагрузки. Упругая деформация не приводит к заметным изменениям в структуре и свойствах материала. Различают абсолютную и относительную деформацию. Абсолютная (Dl) - изменение размера (длины при испытаниях на растяжение), относительная (e) - отношение абсолютной деформации к первоначальной длине (l), т.е. e=Dl/l.

Между напряжением и величиной относительной упругой деформации существует линейная зависимость - закон Гука:

s=Е×e, где Е - модуль упругости, свойство материала характеризующее его жесткость, т.е. способность сопротивляться упругим деформациям.

Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки (согните алюминиевую проволоку, после того как нагрузка снята, проволока не разгибается - она пластически деформирована).

При испытаниях на растяжение строится диаграмма в координатах «относительное удлинение e - напряжение s» (рис. 5.1). При этом определяются: предел прочности (sв) - напряжение, при котором происходит разрушение образца (максимальная точка на кривой «s-e»); предел пропорциональности - максимальное напряжение, при котором отсутствует пластическая деформация. Поскольку точное определение предела пропорциональности затруднено в практике определяется предел текучести s_т - напряжение, вызывающее остаточную деформацию определенной величины, например, s_0,2 - напряжение при котором остаточная деформация равна 0.2% от первоначальной длины образца.

Перед разрушением образец претерпевает пластическую деформацию, он удлиняется, также происходит уменьшение диаметра - образуется «шейка». Относительное удлинение d=Dl/l и относительное сужение Y=Fн-Fk/Fн (здесь Fн и Fk - начальная до испытаний и конечная минимальная площадь образца, т.е. площадь шейки после разрушения) характеризуют пластичность материала. Чем больше эти характеристики, тем материал пластичнее.

Определение твердости

Твердость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям. Наиболее распространенные методы определения твердости связаны с внедрением специального тела - индентора, в испытуемый материал, с таким усилием, чтобы в материале остался отпечаток индентора. О величине твердости судят по отпечатку.

Твердость наиболее распространенный метод определения свойств материала. Это объясняется рядом причин: определения твердости являются неразрушающим методом, т.к. деталь после такого измерения может быть использована по назначению; испытания на твердость не требуют высокой квалификации и, кроме того, зная твердость, можно судить и о других механических свойствах.

Метод Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик, который вдавливается в испытуемый образец на специальном прессе, в результате на поверхности образца образуется отпечаток в виде сферической лунки. Значения твердости - это отношение приложенной нагрузки и площади поверхности отпечатка. Они вычисляются по формуле: НВ=2Р/D(D-(D2-d2)^1/2). Здесь НВ - обозначение твердости (например, 200НВ); Р - прилагаемая нагрузка [кгс]; D и d - диаметры шарика и отпечатка [мм].

На практике пользуются таблицей, в которой указаны значения твердости в зависимости от диаметра отпечатка.

Метод Бринелля не является универсальным. Он не позволяет испытывать материалы с твердостью более 450НВ, т.к. при этом может деформироваться индентор - шарик, а также образцы толщиной менее 1…2 мм из-за их продавливания.

Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности разных материалов соблюдается следующие примерные соотношения: для стали s_в=НВ/3, s_т=НВ/6; для алюминиевых сплавов; s_в=0,362НВ; для медных сплавов s_в=0,26НВ.

Метод Роквелла. Принципиальное отличие этого метода от рассмотренного ранее в том, что твердость определяется не площадью поверхности отпечатка индентора, а глубиной его проникновения в исследуемый образец.

В качестве индентора используют алмазный конус - при испытаниях твердых материалов и стальной закаленный шарик - при испытаниях мягких материалов. Нагрузка при использовании алмазного конуса устанавливается 150 или 60 кгс в зависимости от твердости материала - большая для менее твердых материалов (например, закаленные стали); меньшая для материалов с очень высокой твердостью (твердые сплавы, режущая керамика), чтобы избежать скола алмазного конуса. Стальной шарик вдавливают с нагрузкой 100 кгс.

Испытания выполняются на специальном приборе, имеющем две шкалы - черную и красную. Черная шкала используется при испытаниях алмазным конусом, красная - стальным закаленным шариком. Обозначения твердости: НRC - алмазный конус, нагрузка 150кгс (64НRC), HRA - алмазный конус, нагрузка 60кгс (90HRA), HRB - шарик, нагрузка 100 кгс (120HRB).

Значения твердости в единицах HRC примерно в 10 раз меньше, чем в единицах НВ. Т.е. твердость 30 HRC примерно соответствует 300НВ. Между значениями твердости по шкалам «С» и «А» имеется следующая зависимость: HRC=2HRA-102.

Метод Виккерса. Метод основан на вдавливании четырехгранной алмазной пирамидки с углом между противоположными гранями, равным 136°. Твердость (она обозначается HV, например,1000HV) определяется отношением нагрузки и площади поверхности отпечатка. Значения твердости вычисляются по формуле: HV=1,854 Р/d2, где d - среднее значение длины диагоналей отпечатка.

Нагрузка может изменяться в пределах от 1 до100 кгс. Величина диагоналей определяется с помощью специального микроскопа, встроенного в прибор.

Определение ударной вязкости.

Испытания на ударную вязкость относятся к динамическим методам. При определении ударной вязкости используют призматические образцы (10×10×55 мм)с надрезом, который служит концентратором напряжений. Используют U- и V-образные надрезы (рис. 5.2). В зависимости от формы надреза ударная вязкость обозначается КСU или КСV. Образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 5.3), так чтобы удар маятника происходил против надреза, раскрывая его. Маятник поднимают на высоту h₁, при падении он разрушает образец, поднимаясь на высоту h₂, при этом h₂<h₁, т.к. часть запасенной при подъеме работы тратится на разрушение образца. Таким образом, работа разрушения составит:

А=mg(h₁-h₂) [кгс м/см2 или КДж/м2]. Ее значения считываются со шкалы, установленной на маятниковом копре.

Ударная вязкость - это относительная работа разрушения, т.е. работа, отнесенная к площади (F) образца до разрушения. Таким образом, КСU(КСV)=A/F.