18.3 Механические свойства и испытания металлов

К механическим свойствам металлов относят прочность, твердость, удар­ную вязкость, усталость, ползучесть. Они определяются стандартными спосо­бами и учитываются при проектировании конструкций и изделий из металлов.

Прочность – это способность металла сопротивляться действию внеш­них сил. Различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Чаще всего металлы и их сплавы испытывают на растяжение на разрывных машинах с приспособлением для вычерчивания диаграммы кривой зависи­мости между нагрузкой Р и удлинением Δ l (рисунок 18.8).

Д

Рисунок 18.8 – Диаграммы растяжения: а – с площадкой текучести; б - без площадки текучести; в - истинных напряжений

иаграмму можно преобразовать в зависимость (напряжение σ – отно­сительная деформация ):

$

= (Δl/l_o)∙100 %,

где F_o, l_o – площадь сечения и расчетная длина образца до растяжения.

Обычно испытывают образцы диаметром 5 и расчетной длиной 25 мм. На рисунке 18.8 приведены два вида диаграмм растяжения: с площадкой и без площадки текучести, на которых устанавливается зависимость между нагрузкой и удлинением.

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

Участок упругой деформации имеет прямолинейный вид и определяет жесткость материала, которая характеризуется модулем упругости

Е =/ .

Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без за­метного увеличения нагрузки, называется физическим пределом текучести

_т = P_т / F_o.

При отсутствии площадки текучести определяется условный предел те­кучести _о,2, при котором остаточное удлинение составляет 0,2 % первона­чальной расчетной длины. При расчете допустимых напряжений предел текучести является основным показателем.

Напряжение, возникающее при наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению, называется временным сопротивлением

_в = P_в / F_o.

Пластичность материала характеризуется деформацией материала к мо­менту разрушения. Различают относительное удлинение и относительное сужение .

Относительным удлинением называется отношение приращения дли­ны образца после его разрыва к первоначальной длине:

= ((l₁– j_o)/ l_o ) ∙ 100 %

где l₁ – длина образца после разрыва; l₀ – первоначальная (расчетная) длина.

Относительным сужением называется отношение уменьшения площа­ди поперечного сечения образца в месте разрыва к первоначальной площа­ди поперечного сечения:

= ((F₀-F)/F₀)∙ 100 %,

где F_o – первоначальная площадь сечения образца; F – площадь поперечного

сечения образца в месте разрыва.

Условно металл считается надежным при .

Одним из методов испытания металлов является определение их твердо­сти. Под твердостью понимают свойство металла сопротивляться проник­новению в него более твердого тела. Твердость определяют следующими способами: по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу.

Схемы испытаний приведены на рисунке18.9.

Рисунок 18.9 – Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу;

в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю НВ, Н/мм², определяется вдавливанием стально­го шарика в металл и вычисляется, как частное от деления нагрузки Р, Н, на поверхность получаемого отпечатка F, мм²,

HB = P/F.

Выразив F в функции диаметра отпечатка d, мм, формула примет вид:

НВ = 2P/ (D (D –)).

Вдавливают шарик диаметром 10; 5 и 2,5 мм. Величина нагрузки должна соответствовать диаметру шарика. Для черных металлов Р = 30D², для цвет­ных (медь, латунь) – Р= 10D².

Между твердостью НВ и пределом прочности σ _в для данного материала существует зависимость, позволяющая по твердости определить предел прочности на растяжение:

– для углеродистой стали с пределом прочности от 300 до 1000 МПа

_в= 0,36 НВ;

–хромоникелевой стали с пределом прочности от 650 до 1000 МПа

_в = 0,34 НВ;

–хромистой стали

_в = 0,35 НВ.

Твердость по Роквеллу HRC определяют по глубине вдавливания алмаз­ного конуса или закаленного шарика в металл. Твердость по Виккерсу HV определяют по диагонали отпечатка алмазной пирамиды.