Тема 2. Механические свойства металлов

Вопросы:

1. Механические свойства металлов, основные определения.

2. Определение механических свойств при испытании на растяжение. Анализ диаграммы растяжения.

3. Определение твёрдости методами Бринелля и Роквелла (см. ЛР№ 1 и 2).

4. Методы исследования микро- и макроструктуры металлов и сплавов, контроля качества изделий.

1. К механическим свойствам металлов относят:

Прочность – это способность материала сопротивляться деформациям и раз­рушению под действием внеш­них сил.

Твердостью называется способность металла или сплава сопротивляться внедрению в него индентора в виде шарика, конуса или пирамиды, установленных в соответствующих приборах.

Упругость – свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию.

Вязкость – это способность металла поглощать работу внешних сил за счёт его пластической деформации.

Пластичность – это способность металла изменять под действием внешних сил свою форму и размеры не разрушаясь, и сохранять полученную форму после прекращения действия силы.

Усталость – это процесс постепенного накопления повреждений, приводящих к появлению трещин и разрушению образца под действием постоянных циклических знакопеременных нагрузок.

Износостойкость – это способность металла сопротивляться износу.

Ползучесть – это способность металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.

2. Испытания металлов бывают:

- статические (прилагаемая нагрузка возрастает медленно и плавно – определение твердости методами Бринелля и Роквелла, испытание на растяжение);

- динамические (внешняя сила воздействует с большой скоростью – определение ударной вязкости);

- технологические пробы (не принимается во внимание значение нагрузки).

Для испытания на растяжение берут цилиндрические и плоские образцы, имеющие стандартные форму и раз­меры (рис. 6).

Прочностные и пластические свойства металла могут быть определены посредством диаграммы растяжения, которую получают при испытании образцов на разрыв­ной машине. Диаграмма показывает изменение длины образца в зависимости от приложенной к нему нагрузки.

На диаграмме растяжения по верти­кальной оси отложена прилагаемая нагрузка Р, а по горизонтальной – абсолютное удлинение образца Δl.

Характерные участки и точки диаграммы: прямоли­нейный участок О – Р_р, на котором сохраняется пропорциональность между удлинением и нагрузкой; точка резкого перегиба кривой Р_т; горизонтальный участок К, в пределах которого металл «течёт» при постоянной нагрузке; точка Р_в, отмечающая наибольшее растягивающее усилие (образование шейки на испытываемом образце);Р_z – усилие в момент разрушения образца.

Напряжения по приведенным выше точкам характеризуют следующие величины.

Предел пропорциональности σ_p (МПа):

σ_p = Р_р/F_o,

где Р_р – нагрузка, при которой нарушена пропорциональность; F_o – площадь поперечного сечения образца до разрыва.

Предел упругости σ_е (МПа):

σ_е = Р_е/F_o,

где Р_е – нагрузка при пределе упругости.

Предел текучести σ_т (МПа):

σ_т = Р_т/F_o,

где Р_т – нагрузка, при которой наблюдается текучесть (удлинение образца без увеличения нагрузки).

Предел прочности σ_в (МПа) – условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца,

σ_в = Р_в/F_o,

г де Р_в – наибольшая нагрузка.

Рис. 6 Образцы для испытания на растяжение Рис.7 Диаграмма растяжения

а – плоский образец; б – цилиндрический образец стального образца

Определяют пластичность материала, характеризуемую относительным удлинением б (%) и относительным сужением ф (%) площади поперечного се­чения.

Относительное удлинение определяется по формуле:

где l₁ – длина образца после разрыва; l_о – длина образца до испы­тания.

Относительное сужение определяется по формуле:

где F₁ – площадь сечения образца в месте разрыва.

3. Определение твёрдости методами Бринелля и Роквелла (см. ЛР№1 и 2).

4. Макроанализ. Для макроанализа приготовляют образец – шлиф или излом, по которому выявляют макроструктуру – строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или в лупу. Подготовка шлифа состоит в выравнивании напильником или шлифовании наждачной бумагой поверхности. При макроисследовании определяют форму и расположение кристаллов в образцах, полученных различными способами обработки (литьем, давлением, сваркой); с помощью макроанализа можно обнаружить усадочные раковины и рыхлости, пустоты, трещины, неметаллические включения (шлак, графит в сером чугуне), наличие и характер расположения некоторых вредных примесей (серы, фосфора). Изломы металла дают представление о размере зерен, характере строения и структуры.

Микроанализ. Шлиф для микроанализа приготовляют так же, как и для макроанализа, однако после шлифования его полируют до зеркального блеска.

По шлифу с помощью металлографического микроскопа выявляют микроструктуру; наличие, число и форму тех или иных структурных составляющих, загрязненность примесями. Наличие и размеры пор и неметаллических включений определяют по нетравлен­ным шлифам; для выявления основной структуры шлиф подвергают травлению. Так как металлы непрозрачны, шлифы из них можно рассматривать только в отраженном свете с помощью металлографи­ческого микроскопа.

Для более глубокого изучения структуры применяют электронный микроскоп, в котором используют электронные лучи и электронные линзы. Электронный микроскоп обеспечивает электронно-оптическое увеличение в несколько тысяч и десятков тысяч раз.

Рентгеноструктурный анализ дает возможность установить типы кристаллических решеток металлов и сплавов, а также их параметры. Определение структуры металлов, размещения атомов в кристалли­ческой решетке и измерение расстояния между ними основано на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов в кристалле, так как длина волн этих лучей соизмерима с межатомными расстояниями и кристаллах. Зная длину волн рентгеновских лучей, можно вы­числить расстояние между атомами и построить модель расположе­ния атомов.

Методы контроля качества изделий:

Рентгеновский контроль основан на проникновении рентгенов­ских лучей сквозь тела, непрозрачные для видимого света. Проходя сквозь металлы, рентгеновские лучи частично поглощаются, причем сплошным металлом лучи поглощаются сильнее, чем в тех местах, где находятся газовые, шлаковые включения или трещины. Вели­чину, форму и род этих пороков можно наблюдать на светящемся экране, установленном по ходу лучей за исследуемой деталью.

Дефектоскопия. Для выявления трещин, волосовин, пузырей, неметаллических включений внутри деталей применяют также магнит­ную дефектоскопию. Магнитные испытания складываются из трех ос­новных операций: намагничивания изделий, покрытия их ферромаг­нитным порошком, наружного осмотра и размагничивания изделий.

У намагниченных изделий с пороками магнитные силовые линии, стремясь обогнуть места пороков, ввиду их пониженной магнитной проницаемости выходят за пределы поверхности изделия и затем и ходят в него, образуя неоднородное магнитное поле. Поэтому при покрытии изделий магнитными порошками частицы порошков располагаются над пороком, образуя резко очерченные рисунки.

На рис. 8 приведен пример распределения магнитных силовых линий на детали с пороком а. По характеру этих рисунков судят о величине и форме пороков металла.

Ультразвуковая дефектоскопия позволяет испытывать не только ферромагнитные, но и парамагнитные материалы и выявлять по­роки в их толще на значительной глубине, где они не могут быть обнаружены магнитным методом.

Рис.8 Рис.9 Рис.10

Для исследования материалов применяют ультразвуковые коле­бания частотой от 2 до 10 МГц. При такой частоте колебания рас­пространяются в материале подобно лучам, почти не рассеиваясь по сторонам. Ими можно «просвечивать» материалы на глубину свыше 1 м. Ультразвук отражается на поверхности раздела разно­родных сред. Поэтому ультразвук не проходит через трещины, раковины, включения, образуя акустическую тень а (рис. 9).

Для этого пользуются пьезоэлектри­ческими излучателями и приемниками.