Материаловедение и технология конструкционных материалов

Химические свойства металлов характеризуют их способ­ ность взаимодействовать с различными средами, а также окис­ ляться и растворяться в них. В табл. 1.2 приведены сведения о характере взаимодействия наиболее часто встречающихся ме­ таллов и, для сравнения, бора, углерода и кремния с различными средами. Следует отметить относительность приведенных харак­ теристик. Так, например, алюминий не взаимодействует с раз­ бавленной и концентрированной серной и азотной кислотами, но растворяется при средних их концентрациях. Поведение ряда металлов на воздухе и в кислороде зависит от содержания влаги, которая активизирует процессы окисления.

Характер взаимодействия металлов со средами во многом за­ висит от плотности образующихся на их поверхности оксидов. Например, А1 и Mg в атмосфере сухого воздуха покрываются плотной пленкой оксида, которая предохраняет их от дальней­ шего взаимодействия с кислородом. Аналогично ведут себя Ni и Со в серной и азотной кислотах. Некоторые металлы (Си в ки­ слороде, Со в щелочи) изменяют свое поведение при повышении температуры.

Комплекс физических и химических свойств учитывается при выборе металла для решения конкретных технических задач. Чистые металлы используются преимущественно в электротех­ нике, в то время как в машиностроении чаще применяют их сплавы.

Следует отметить, что поведение металла-'растворителя в спла­ ве может зависеть от характера примеси.

Методы определения механических 1.3. свойств металлов

Каждому металлу присуще большое количество механиче­ ских свойств. Однако на практике, как правило, выделяют только самые основные из них. Для их изучения применяют механиче­ ские испытания, которые по характеру изменения во времени действующей нагрузки делятся:

а на статические (на растяжение, сжатие, твердость, изгиб, кру­ чение);

□ динамические, или ударные (на ударную вязкость);

□ усталостные (при многократном циклическом приложении нагрузки).

Отдельную группу методов образуют длительные высокотем­ пературные механические испытания (на ползучесть, длительную прочность, релаксацию).

Механические испытания проводят при высоких и низких тем­ пературах, в агрессивных средах, при наличии надрезов и тре­ щин, нестандартных режимах, облучении и других условиях.

1.3.1. Статические испытания на растяжение

Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение для определения при температуре 15...30 °С пре­ делов пропорциональности, упругости, текучести (условного и физического), временного сопротивления, истинного сопро­ тивления разрыву, относительного удлинения и относительного сужения после разрыва. При испытании на растяжение прини­ маются следующие обозначения и определения: рабочая длина I (м, мм) — часть образца с постоянной площадью поперечного сече­ ния между его головками или участками для захвата; начальная расчетная длина образца 10(м, мм) — участок рабочей длины об­ разца до разрыва, на котором определяется удлинение.

Испытания проводят на машинах различной конструкции. Принципиальная схема гидравлического пресса для испытаний на растяжение приведена на рис. 1.1.

Насос 9 подает масло из резервуара 7 через регулировочный кран 6, определяющий скорость поступления масла, в рабочий цилиндр 3. Испытуемый образец 1 устанавливается в захваты 2

ипри перемещении поршня 4 вместе с рамой 5 подвергается растяжению. Перемещение рамы передается через блочную си­ стему барабану 10, на который наматывается диаграммная лента. Усилие, сообщаемое образцу, передается на индикатор усилия 8

ификсируется в виде графика на ленте.

Общий вид машины Р-100, используемой для проведения испытаний на разрыв, показан на рис. 1.2. Нагружение образца, установленного в зажимах 6, осуществляется перемещением тра­ версы 2, связанной с помощью тяг 3 и поперечины 4 с поршнем гидравлического цилиндра 5. Усилие на образце определяется по давлению масла в рабочем цилиндре 5 с помощью, специаль­ ного торсионного силоизмерителя 1. Усилие отсчитывается по трем шкалам сделениями от 0 до 20 ООО, 50 ООО и 100 000 кгс.

Графическое изображение зависимости между напряжениями (нагрузками) и деформациями материала (перемещениями при деформировании) представляет собой диаграмму растяжения. Испытательные машины имеют специальные приспособления, которые автоматически фиксируют диаграмму растяжения, на которой по оси ординат откладываются действующие осевые на­ грузки, а по оси абсцисс '— абсолютные деформации.

На рис. 1.3 даны типичные диаграммы растяжения различ­ ных металлов. Диаграмма с постепенным переходом из упругой области в пластическую (рис. 1.3, а) характерна для большинства металлов в пластичном состоянии (легированные стали, медь, бронза). Такие материалы разрушаются при больших остаточ­ ных деформациях (больших остаточных удлинениях, измеряе­ мых после разрыва).

Рис. 1.3. Виды диаграмм растяжения:

а— для металлов с плавным переходом-из упругой области в пластическую;

б■— с площадкой текучести; в — для хрупких сплавов

Диаграмма со скачкообразным переходом в пластическую об­ ласть в виде четко обозначенной площадки текучести (рис. 1.3, б) характерна для некоторых металлов и сплавов (мягкой углеро­ дистой стали, отожженных марганцовистых и алюминиевых бронз).

На рис. 1.3, в показана диаграмма растяжения хрупких мате­ риалов (закаленной и неотпущенной стали, серого чугуна, стекла, бетона и др.). Такие материалы разрушаются при малых оста­ точных деформациях.

Характерные участки и точки диаграммы растяжения пока­ заны на рис. 1.4. По оси абсцисс отложены абсолютные удлине­ ния образца А1, а по оси ординат — значения растягивающей силы Р. На первом участке диаграммы 0-1 наблюдается прямо­ линейная зависимость между силой и удлинением, отражающая закон Гука. Точка 1 соответствует пределу пропорциональности,

т.е. наибольшему напряжению, при котором еще соблюдается закон Гука. Если нагрузку, соответствующую точке 1, обозна­ чить Рпц, а начальную площадь сечения образца F0, то предел про­ порциональности можно будет описать соотношением dna=Pm/F 0.

Предел пропорциональности можно определить графически. В этом случае Рпц определяется по положению точки, в которой кривая растяжения начинает отклоняться от прямолинейного направления.

Несколько выше точки 1 находится точка Г , соответствую­ щая пределу упругости. Если нагрузку в точке 1' обозначить Руп, то предел упругости будет выражаться соотношением ауп = PyJ F 0. По ГОСТу предел упругости обозначается а005. Он соответствует напряжению, при котором остаточное удлинение достигает 0,05 % длины участка образца, равного базе тензометра.

Для определения условного предела пропорциональности (о0,05) необходимо определить Р005 по диаграмме растяжения. С этой целью на оси абсцисс вправо от начала координат откладывают отрезок, равный 0,05 % исходной длины образца, и через точку, соответствующую его концу, проводят прямую, параллельную прямолинейному отрезку диаграммы испытаний, до пересече­ ния с диаграммой. Точка пересечения дает значение Р005, деле­ ние которого на F0 позволяет определить о0,0 5 -

После точки Г возникают заметные остаточные деформа­ ции. В точке 2 диаграммы частицы материала начинуот перехо­

18 Раздел I. Материаловедение

В момент, соответствующий нагрузке Ртах, появляется за­ метное местное сужение образца — шейка. Если до этого момен­ та образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредоточивается в области шейки.

Участку 4 -5 соответствует быстрое уменьшение сечения шей­ ки, вследствие этого растягивающая сила уменьшается, хотя напряжение растет (площадь сечения в шейке _FBJ>< F0). При даль­ нейшей деформации шейка сужается и образец разрывается по наименьшему сечению FK, где действительные напряжения дос­ тигают наибольшего значения. Таким образом, нарастание пла­ стической деформации при растяжении происходит поэтапно: равномерная пластическая деформация до точки 4 и местная пластическая деформация от точки 4 до точки 5 — момента раз­ рушения.

Усилие разрыва, соответствующее точке 5, обозначается Рк. Отношение разрывающего усилия к действительной площади сечения в месте разрыва FKназывается истинным сопротивле­ нием разрыву: ок = P JF K.

Напряжения, определяемые отношением приложенной на-, грузки к начальной площади образца, называются условными, а к действительной — истинными. Так как по мере растяжения площадь поперечного сечения образца уменьшается, истинные напряжения в образце выше условных.

Показателем пластической деформации является его абсо­ лютное остаточное удлинение при разрыве Д£ост.п (отрезок ОАг

на рис. 1.4). Так как упругая деформация (отрезок A XA 2) исчеза­ ет после разрыва, Д£ост п = 1К10, где 1К— конечная длина образца; Z — начальная длина образца.

Общее удлинение образца при растяжении слагается из рав­ номерного и сосредоточенного удлинения (за счет образования шейки). Так как размеры испытуемых образцов могут быть раз­ личными, то характеристикой пластичности образца служит не абсолютное, а относительное остаточное удлинение при разры­ ве. Относительное удлинение при разрыве 8 — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва Д/ост п к пер­ воначальной расчетной длине 10в процентах: 8 - (AZocТ,п/10) • 100. Чем больше значение 5, тем пластичнее металл.

Другой характеристикой пластичности металла является от­ носительное сужение сечения после разрыва \|/ в процентах —