Тема 7. Механические свойства металлов

8,1. Общая характеристика механических свойств

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведе-ние металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) дефор-мации (прочность) и сопротивление к разрушению (пластичность, вязкость, а так же спо-собность металла не разрушаться при наличии трещин).

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т.е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера служб изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образ-цов с надрезом (динамическое испытание).

2. Критерий оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наи-большей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризует работо-способность материала в условиях эксплуатации.

Критерий конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

- критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разру-шений (вязкость, разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.)

- критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износо-стойкость, сопротивление коррозии и т.д.)

3. Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натуральных и эксплуатационных испытаниях.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стан-дартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

7.2. Механические свойства, определяемые при статических испытаниях

Статическими называются испытания, при которых прилагаемая к образцу нагруз-ка возрастает медленно и плавно. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяю-щие по результатам одного опыта установит несколько важных механических характеристик металла или сплава.

Испытания на растяжение. Для испытания на растяжение используют стандартные образцы. Машины для испытаний снабжены прибором, записывающим диаграмму растяже-ния (рис. 33а).

Кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений , величина которых является условной ( = Р/F0), где F0 - начальная площадь поперечного сечения. До точки А деформация пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона пря-мой ОА к оси абсцисс характеризует модуль упругости Е = / (где  - относительная де-формация). Модуль упругости Е определяет жесткость материала, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации. Модуль упругости не зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.

Закон пропорциональности между напряжением и деформацией является справедли-вым лишь в первом приближении. При точных измерениях даже при небольших напряжени-ях в упругой области наблюдается отклонения от закона пропорциональности. Это явление называется не упругостью.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности

(пц ). Напряжения, не превышающие предела пропорциональности, практические вызывают только упругие деформации, поэтому нередко пц отождествляют с условным пределом уп-ругости. Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформа-ция достигает 0,05% первоначальной длины образца.

0,05 = Р0,05/ F0

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% называют услов-ным пределом текучести:

0,2 = Р0,2/ F0

Напряжения, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей на-грузки, называется физическим пределом текучести:

Т = РТ/ F0

Предел текучести , является расчетной характеристикой, некоторая доля от 0,2 определяет допустимую нагрузку, исключающую остаточную деформацию. По величине 0,2 при нормальной температуре различают три класса материала (таблица 1) .

Таблица 1

Классификация сплавов по прочности

Класс материалов 0,2, МПа

Fe –сплавы ( стали) Al- сплавы Ti - cплавы

Низкой прочности

Средней прочности

Высокой прочности 650

650-1300

1300-1400 200

200-400

400 400

400-800

800

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую дефор-мацию во всем объеме металла. Напряжение, отвечающей наибольшей нагрузке, предшест-вующей разрушению образца, называют временным сопротивлением или пределом прочно-сти:

В = Рmax/ F0

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относят

относительное удлинение:  = (lк - l0) 100/ l0

и относительно сужение:  = (F0 - Fк ) 100/ F0

где l0 и lк - длина образца, а F0 и Fк площадь поперечного сечения образца до и по-сле разрушения соответственно.

На рис. 33 б приведена диаграмма истинных напряжений, построенная в координатах «S» - «l» . Учитывая, что роль пластической деформации несравненно больше, чем упру-гой, считают, что участок диаграммы, соответствующий упругой деформации, совпадает с осью координат.

Истинное сопротивлению отрыву (разрушению) Sк определяется как отношение уси-лия в момент разрушения к минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва. Sк = Pк / Fк.

В случае хрупкого разрушения Sк и определяет действительное сопротивление отрыву мили хрупкую прочность материала. При вязком разрушении (когда образуется шейка)  и Sк характеризуют сопротивление значительной пластической деформации, а не разрушению. Кривая 2 на рис. 33 а, показывает, что в процессе растяжения металл испытывает де-формационное упрочнение (наклеп).

Если пренебречь упругими деформациями, то коэффициент деформационного уп-рочнения К = [tg  - (Sк - 0,2)]/ l к .

Характеристики материалов , , , , а также  являются базовыми - они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также входит в расчеты прочности и ресурса.

Испытание на сжатие. Для чугуна, литых алюминиевых сплавов и прочих материалов, хрупких при растяжении, применяют испытания на сжатие. Эти материалы разрушаются при растяжении путем отрыва, при сжатии разрушаются срезом. При испытании определяют предел прочности на сжатии.

Испытание на изгиб. Для хрупких материалов широко применяются испытания на изгиб. Чаще испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образце, лежащей на двух опорах (рис. 34). Предел прочности при изгибе изг (max) подсчитывают по формуле

изг (max) = М max / w,

где М max - максимально изгибающий момент;

w = (bh)2/6 - для прямоугольного сечения образца

(h и b - высота и ширина образца) w = (d)3/32 - для круглого сечения.

Испытания на вязкость разрушения. Очагом хрупкого разрушения являются имею-щие в металле микротрещины или те же дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла рас-пространению уже имеющей острой (опасной) трещины (вязкость разрушения), а не ее заро-ждение.

По Ирвину, явления, происходящие у устья трещины, могут быть описаны с помощью параметра К, который представляет собой коэффициент интенсивности напряжений в вер-шине трещины, или локальное повышение растягивающихся напряжений у ведущего конца трещины: К=Yнс, где Y - безразмерный коэффициент, зависящий от типа образца и тре-щины; н - номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины, МПа; с - длина трещины, мм. Отсюда размерность К имеет вид МПа мм 1/2 .

Если высвобождающая при разрушении удельная упругая энергия достигает крити-ческого уровня, трещина будет расти самопроизвольно.

Силовое условие начала самопроизвольного разрушения - достижение величиной К критического значения, т.е. Кс. Следовательно, Yнс < Кс, то разрушение не произойдет. Параметр Кс определяют экспериментально и называют вязкостью разрушения при плоской деформации. Для определения К1с подсчитывают величину 2,5 (КQ/ )² (рис. 35). Если она меньше толщины образца и суммарной величины надреза, то КQ = К1с.

В противном случае проводят новые испытания на больших образцах. Величина К1с является структурно чувствительной характеристикой металла.

Величина К1с - вязкость разрушения - определяет способность металла (сплава) про-тивостоять развитию трещины, поэтому нередко К1с называют трещиностойкостью. Чем выше значение К1с , тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конст-рукции, изготовляемой из этого материала. Критерий вязкости разрушения чаще использу-ют для характеристик высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций ( крупных сварных узлов, деталей самолетов, корпусов ракет, сосудов высокого давления, уникальным по своим размерам сооружений).

Для таких конструкций расчеты можно проводить с точностью до  10%. В остальных случаях погрешность расчетов, без учета поправок может достигать 50-100%.

Величина К1с является структурно чувствительной характеристикой металла.