1.2. Механические свойства

Поведение металлов под действием внешних нагрузок харак­теризуется их механическими свойствами, которые позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материа­ла, произвести сопоставимую оценку различных материалов и осуществить контроль качества металла в заводских и лаборатор­ных условиях.

К испытаниям механических свойств предъявляется ряд тре­бований. Температурно-силовые условия проведения испытаний должны быть по возможности приближены к служебным услови­ям работы материалов в реальных машинах и конструкциях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно просты­ми и пригодными для массового контроля качества металлурги­ческой продукции. Поскольку необходимо иметь возможность сопоставления качества разных конструкционных материалов, методы испытаний механических свойств должны быть строго регламентированы стандартами.

Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин и конструкций. Наибольшее распространение имеют следующие виды механических испытаний.

1. Статические кратковременные испытания одно-кратным нагружением на одноосное растяжение - сжатие, твердость, изгиб и кручение.

2. Динамические испытания с определением ударной вязкости и ее составляющих - удельной работы зарождения и развития трещины.

3. Испытания переменной нагрузкой с определением предела выносливости материала.

4. Испытания на термическую усталость. Испытания на ползучесть и длительную прочность.

5. Испытания на сопротивление развитию трещины с опреде­лением параметров вязкости разрушения.

7. Испытания материалов в условиях сложнонап-ряженного состояния, а также натурные испытания деталей, узлов и готовых конструкций.

а б

Рис. 2.1. Схема машинных диаграмм растяжения пластичных материалов: а – с площадкой текучести, б – без площадки текучести

Наиболее часто проводят испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84). Обычно применяют малый пятикратный образец круг­лого сечения (диаметр 5 мм, расчетная длина 25 мм). На рис. 2.1. приведены два вида диаграмм растяжения: с площадкой и без площадки текучести в координатах нагрузка Р - удлинение ∆ℓ. Диаграмма просто преобразуется в диаграмму в координатах на­пряжение σ - относительная деформация δ. При этом σ = P/F₀; δ = (∆ℓ/ℓ₀) ∙ 100 %, где F_o, ℓ₀ - начальная площадка сечения и длина образца до испытания.

Диаграмма растяжения состоит из трех участков: упругой де­формации ОА, равномерной пластической деформации АВ и со­средоточенной деформации шейки ВС.

В области упругой деформации (участок ОА) зависи-мость между нагрузкой Р и абсолютным упругим удлинением образца ∆ℓ пропорциональна и известна под названием закона Гука:

Р = k∙∆ℓ,

где k = E∙F/ℓ - коэффициент, зависящий от геометрии образца (площади поперечного сечения F_o и длины ℓ₀) и свойств ма-териа­ла (параметр Е).

Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости, характеризующим жесткость материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия. Чем выше Е, тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:

σ = Е∙δ,

где σ = P/F_o - нормальное напряжение; δ = ∆ℓ/ℓ_о - относительная упру­гая деформация.

При растяжении определяют следующие показатели прочности и пла­стичности материалов.

Показатели прочности материалов характеризуются удельной величи­ной - напряжением, равным отношению нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Дадим оп­ределение наиболее часто используемым показателям прочности материалов.

Предел текучести (физический) (σ_т, МПа) - это наи­меньшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без за­метного изменения нагрузки:

σ_т = Р_т / F ₀ ,

где Р_т - нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме рас­тяжения (см. рис. 2.1, а).

Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 2.1, б), то задаются допуском на остаточную деформацию образца и оп­ределяют условный предел текучести.

Условный предел текучести (σ_0,2, МПа) - это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца:

σ_0,2 = Р_0,2 / F₀ ,

где Р_0,2 - нагрузка, соответствующая остаточному удлинению ∆ℓ_0,2 = 0,002 ∙ℓ₀.

Временное сопротивление (предел прочности) (σ_в, МПа) - это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_max, предшествующей разрыву образца:

σ_в = P_max / F₀ .

Истинное сопротивление разрыву (S_к, МПа) - это на­пряжение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва к пло­щади поперечного сечения образца в месте разрыва F_k:

S_к = P_к / F_к ,

где F_к = nd/ 4.

Пластичность - одно из важных механи­ческих свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Дадим определение наиболее часто используемым показателям пластичности материалов.

Предельное равномерное удлинение (δ_р, %) - это наи­большее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или, другими словами, это отношение абсолютного приращения расчетной длины образца ∆ℓ_р до нагрузки Р_max к ее первона­чальной длине (см. рис. 2.1, а):

δ_р = ( ∆ℓ_р/ ℓ₀)∙ 100 = [(ℓ_p- ℓ₀)/ ℓ₀ ] ∙100.

Аналогично предельному равномерному удлинению существует пре­дельное равномерное сужение (ψ_р,%):

ψ_p = (∆F_р / F₀)∙ 100 = [(F₀ - F_p) / F₀]∙ 100,

где F_р = nd/4 - площадь поперечного сечения образца, соответствующая Р_max. Из условия постоянства объема образца при растяжении можно получить:

ψ_р = δ_p / (l + δ_p).

При разрушении образца на две части определяют конечные показатели пластичности: относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва.

Относительное удлинение после разрыва (δ, %) - это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва ∆ℓ_к к ее первоначальной длине:

δ = (∆ℓ_к / ℓ₀)∙100 = [(ℓ_к - ℓ₀) / ℓ₀]∙100.

Относительное удлинение после разрыва зависит от соотношения ℓ₀ и F_o, т. е. от кратности образцов. Чем меньше отношение ℓ₀ /и кратность образца, тем больше δ. Это объясняется влиянием шейки образца, где имеет место сосредоточенное удлинение. Поэтому индекс у δ указывает на крат­ность образца, например δ₂,₅ , δ₅, δ₁₀ .

Относительное сужение после разрыва (ψ,%) - это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте раз­рыва ∆F_к к начальной площади поперечного сечения:

ψ = (∆F_к / F₀)∙ 100 = [(F_o – F_к) / F₀]∙ 100.

В отличие от конечного относительного удлинения конечное относи­тельное сужение не зависит от соотношения ℓ₀ и F_o (кратности образца), так как в последнем случае дефор-мацию оценивают в одном, наиболее узком, сечении образца.

Условно принято считать металл надежным при δ ≥ 15 %, ψ ≥ 45 %.

Наиболее простым методом испытания свойств является из­мерение твердости. Твердостью называют свойство материала ока­зывать сопротивление деформации в поверхностном слое при ме­стных контактных воздействиях. Наибольшее примене-ние получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания достаточно большой на­грузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконеч­ником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в не­большом объеме, окруженном недеформированным металлом. В та­ких условиях испытания, близких к всестороннему неравномер­ному сжатию, возникают главным образом касательные напря­жения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испы­таний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). При измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные сплавы, но и металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются хрупко почти без макро­скопически заметной пластической деформации.

Таким образом, твердость характеризует сопротивление пла­стической деформации и представляет собой механическое свой­ство металла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения. Я. Б. Фридман предложил рассматривать измерения твердости как «местные механические испытания по­верхностных слоев материала». Преимущества измерения твер­дости следующие:

1. Между твердостью пластичных металлов, определя-емой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом временным сопротивлением), существует коли­чественная зависимость. Величина твердости характеризует вре­менное сопротивление металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию (шейку), а именно сталей (кроме сталей с аустенитной и мартенситной структурой) и многих цветных сплавов. Это связано с тем, что при испытаниях на растяжение наибольшей нагрузке, предше­ствующей разрушению и отнесенной к его первоначальной пло­щади (временное сопротивление), отвечает сосредоточенная пла­стическая деформация (образование шейки), а не разрушение образца. Такая пластическая деформация аналогична деформа­ции, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника.

Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пласти­ческой деформации, а при измерении твердости получают пласти­ческую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие. По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдав­ливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

Измерение твердости по технике выполнения значитель-но проще, чем определение прочности, пластичности и вяз-кости. Испытание твердости не требует изготовления специ-альных образцов и выполняется непосредственно на проверя-емых деталях после зачистки на поверхности ровной горизон-тальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки. Из-мерение твердости выполняется быстро, например, при вдавли-вании конуса за 30 - 60 с, а при вдавливании шарика за 1-3 мин.

Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.

Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости.

Многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закален­ной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно измерять также твердость отдельных составляющих в сплавах. Для полной характеристики свойств металла необходимо наряду с измерением твердости про­водить остальные механические испытания. Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев детали не раз­рушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определение характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного кон­троля.

Измерение твердости (макротвердости) характеризуется тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, зависящую, прежде всего от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром до 10 мм, в результате чего в деформируемом объеме ока-зываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава в количествах и с располо­жением, характерными для измеряемого материала. Измеренная твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытуемого материала.

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависят от целей испытания структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра. Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную струк­туру, то малые по объему участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки свойств материала в целом и, в частности, его твердости. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, сле­довательно, при небольшой нагрузке.

При испытании металлов с высокой твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали, приведенное условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызывать дефор­мацию шарика или скалывание алмаза. Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому уменьшению деформируемого объема и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Нагрузки и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше определенных пределов.

У полимерных материалов измерение твердости дает меньше информации об их свойствах, так как между твердостью и проч­ностью этих материалов нет определенной зависимости. Резуль­таты измерений являются лишь дополнительной характеристикой свойств полимерных материалов.

Значительное влияние на результаты испытаний твердости оказывает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверхность неровная (криволинейная или с выступами), то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивле­нии вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в изме­рении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тща­тельно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку.

Измеряемая поверхность должна быть установлена горизон­тально, т. е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположная сторона образца также должна быть зачищена и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.

Различают следующие методы определения твердости: по Бринеллю (по диаметру отпечатка ша­рика); по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса или закаленного шари-ка); по Виккерсу (для деталей малой тол­щины или тонких по-верхностных слоев твердость определяют по диагонали отпе-чатка алмазной пирамиды). Схемы этих методов приведены на рис. 2.2. При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) в поверхность материала вдавливается твердо-сплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпе­чатка d (рис. 2.2, а). Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка М:

HB = = .

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 HB, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

Временное сопротивление и число твердости по Бринел-лю связаны между собой: для стали σ_в = 0,34·HB, для медных сплавов σ_в = 0,45·HB, для алюминиевых сплавов σ_в = 0,35·HB.

а

Рис. 2.2. Схема определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому ме­тоду, за условную меру твер-дости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис. 2.2, б. Вначале прикладыва-ется предварительная нагрузка Р₀, под действием которой индентор вдав­ливается на глубину h₀. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁ под действием которой индентор вдавливается на глубину h. После этого сни­мают нагрузку Р₁, но оставляют предварительную нагрузку Р₀. При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достига­ет уровня h₀. Разность (h - h₀) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность.

Глубина отпечатка измеряется индика­тором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких ме­таллов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, или С, или В, обозначающая соответствую­щую шкалу измерений. Обозначения твердости и значения нагрузок вдавливания для разных шкал измерений методом Роквелла приведены ниже:

Шкала А С В

Индентор Алмазный Алмазный Стальной

конус конус шарик

Обозначение

твердости HRA HRC HRB

Нагрузи вдавливания,

кгс (Н): Р_о 10(98,1) 10(98,1) 10(98,1)

P₁ 50(490,5) 140(1373,4) 90(882,9)

Р 60(588,6) 150(1471,5) 100(981)

Различие в нагрузке Р₁ для шкал А и С объясняется тем, что по шкале А измеряют твердость особо твердых материалов и в этом случае во избежание повреждений алмазного конуса рекомендуется меньшая нагрузка вдавливания.

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивает­ся работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

а б

в

Рис. 2.3. Образцы для испытаний на ударную вязкость: а - с U-образным надрезом; б – с V-образным надрезом; в – с Т-образным надрезом

Согласно ГОСТ 9454-78, для определения ударной вязкости применя­ют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распро­страненными типами являются образцы с U-образным (рис. 2.3, а) , V-образным (рис. 2.3, б) и Т-образным (инициированная трещина) надрезами (рис.2.3, в)

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре. Схема испытаний приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема испытаний на ударную вязкость: 1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец

Ударная вязкость КС, Дж/см², определяется как отношение рабо­ты разрушения К, затраченной на деформацию и разрушение удар­ным изгибом надрезанного образца, к начальной площади поперечного течения образца в месте надреза S_o по формуле:

КС = K / S₀.

Ударная вязкость обозначается символом КС, МДж / м² Если образец с U-образным надрезом, то к символу добавляется буква U (KCU), если с V-образным надрезом, то добавляется буква V (KCV), если с Т-образным надрезом, то добавляется буква Т (KCT).

Обычно снижение ударной вязкости ниже 40 Дж/м² (3-4 ) значительно увеличивает опасность хрупкого разру-шения, поэтому одним из условий надежной работы материала является значение ударной вязкостиKCU≥ 50 Дж /м².

Хладноломкостью называют способность некоторых металлов охрупчиваться при низких температурах. К хладно-ломким металлам можно отне­сти металлы с решеткой объемно-центрированного куба, например Fe_a, и гек­сагональной, напри-мер Zn. Для этой группы металлов при определенной ми­нусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости.

К нехладноломким металлам можно отнести металлы с решеткой гранецентрированного куба, например Fe_r, Al, Ni и др.

Деление металлов на хладноломкие и нехладноломкие является услов­ным, так как, например, аустенитные стали, име-ющие решетку гранецентрированного куба, тоже подвержены охрупчиванию, но только в меньшей сте­пени и при более низких температурах, чем углеродистые и низколегирован­ные стали, имеющие решетку объемноцентрированного куба.

Испытания на ударную вязкость при низких темпера-турах позволяют получить хрупкое разрушение металла в ре-зультате одновременного действия надреза, повышенной ско-рости деформирования и температуры. На рис. 2.5, а пред-ставлено температурное изменение ударной вязкости хладно-лом­кой стали. Как видно из рисунка, снижение ударной вяз-кости происходит в некотором интервале температур. Внутри этого интервала могут быть хруп­кие и вязкие изломы.

а б

Рис. 2.5. Схема низкотемпературного изменения ударной вязкости (а ) и волокнистости в изломе ударного образца (б)

Характер падения ударной вязкости напоминает порог, что привело к выражению «порог хладноломкости». Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критиче­ской температурой хрупкости Т_кр. Количественно критическую температу­ру хрупкости можно определить по температуре, соответствующей началу порога хладноломкости (рис. 2.5, а, точка 1), концу порога хладноломкости (рис. 2.5, а, точка 3) и по заданному значению ударной вязкости КС₂ (рис. 2.5, а, точка 2).

Критическую температуру хрупкости можно определить и дру­гим способом - по характеру строе­ния излома. Вязкий из-лом имеет во­локнистое, а хрупкий - кристалли­ческое строе-ние. При переходе из вязкого состояния в хрупкое доля волокнистого строения в изломе уменьшается, а кристаллического – увели-чивается. Изменение доли во­локнистого строения при темпе-рату­рах хладноломкости также имеет вид порога. За крити-ческую темпе­ратуру хрупкости принимают тем­пературу, соот-ветствующую равным долям волокнистого и кристалллического изломов. На рис. 2.5, б доля волокнистого излома обозначена че-рез В и оценивается в процентах. Для определения Т_кр на пороге хладноломкости находят точку, соответствующую В = 50 %, опускают перпендикуляр на ось температур и находят Т_кр .

Механические свойства резины определяют по результатам испытаний на растяжение и на твердость. При вдавливании тупой иглы или стального шарика диаметром 5 мм по величине измеренной деформации оценивают твердость. При испытании на растяжение определяют прочность σ_z(МПа), относительное удлинение в момент разрыва ε _z (%) и остаточное относитель­ное удлинение θ_z(%). Величина Z = - произ-ведение упругости, ха­рактеризует прочность и эластичность.

В процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов (свет, температура, озон, кислород, радиация и др.) резины изменяют свои свойст­ва - стареют. Старение резин оценивают коэффициентом старения К_стар, который определяют, выдерживая стандартизованные образцы в термостате при температуре -70°С в течение 144 ч, что соответствует естественному старению резины в течение 3 лет:

К _стар = ,

где Z, и Z₂ - произведение упругости резины до и после старения.

Морозостойкость резины определяется температурой хрупкости t_хр, при которой резина теряет эластичность и при ударной нагрузке разрушается хрупко.

Для оценки морозостойкости резин используют коэффициент К_м , равный отношению удлинения (δ_м) образца при температуре замораживания к удлинению (δ₀) при комнатной температуре:

К_м = .