Металлы и их сплавы являются одним из самых распространенных материалов для изготовления изделий различных видов. Но так как каждый из типов имеет определенные свойства – перед применением их следует детально изучить.

Зачем нужно знать механические свойства металлов

Металлы относятся к химическим элементам и веществам, которые характеризуются высоким показателем теплопроводности, в большинстве своем имеют жесткость. Под воздействием высоких температур повышается пластичность, обладают ковкостью. Эти характеристики материалов позволяют осуществлять их обработку различными способами.

Металлические материалы и их сплавы характеризуются рядом показателей: химическими, механическими, физическими и эксплуатационными. В совокупности они дают возможность определить фактические характеристики в полном объеме. Выделить наиболее важные из них невозможно. Но для решения определенных задач большее внимание уделяется конкретной группе свойств.

Механические свойства металлов необходимо знать для решения следующих вопросов:

• производство изделия с определенными качествами;
• выбор оптимального процесса обработки заготовки;
• влияние механических характеристик металлических материалов на эксплуатационные свойства продукта.

Для определения конкретных механических свойств применяются различные методы. Испытания металлов и сплавов проводятся с помощью специальных приборов. Это делается в лабораторных условиях. Для достижения точных результатов рекомендуется использовать результаты исследований государственных метрологических организаций.

Механические свойства определяют показатель сопротивляемости того или иного материала на внешние силовые воздействия. Для каждого параметра существует определенные числовые показатели.

Твердость

При воздействии внешних факторов на металлические изделия происходит их деформация – пластическая или упругая. Твердость описывает сопротивление этим факторам, характеризует степень сохранения изначальной формы и свойств материала, изделия.

В зависимости от желаемых результатов проверка материала на твердость осуществляется тремя методами:

• статический. На специальный индикатор, расположенный на поверхности металла, прикладывают механическую силу. Это делается постепенно и одновременно с этим фиксируется степень деформации;
• динамический. Воздействие происходит для фиксации упругой отдачи или формирования отпечатка с определенной конфигурацией;
• кинетический. Схож со статическим. Разница заключается в непрерывном воздействии для построения диаграммы изменения характеристик образца.

Измерение твердости зависит от выбранного метода — Бринелля (НВ), Роквелла (шкалы А, В и С) или Виккерса (НV). Все зависит от степени воздействия на материал, с помощью которых можно определить поверхностную, проекционную или объемную твердость.

Шкала Мосса применяется для вычисления показателя твердости редко. Ее суть состоит в вычислении характеристиках объекта методом царапания его поверхности.

Вязкость и хрупкость

Эти характеристики указывают на возможность металла оказывать сопротивление при воздействии ударных нагрузок. Показателем является скорость деформации, т.е. изменение изначальной конфигурации заготовки при внешнем воздействии.

Знание показателя вязкости и хрупкости необходимо для расчета поглощаемой энергии воздействия, которая приводит к деформации металлического образца. В зависимости от необходимых данных различают следующие методы измерения и виды вязкости металлов:

• статическая. Происходит медленное воздействие на материал до момента его разрушения;
• циклическая. Образец подвергают многократным нагрузкам с одинаковым или изменяющимся показателем силы. При этом основной величиной циклической вязкости является количество работы, необходимой для разрушения образца;
• ударная. Для ее расчета применяют маятниковый копер. Заготовку крепят на нижнем основании, маятник с рубящим конусом находится в верхней точке. После его опускания происходит взаимодействие металла и рубящей части. Степень деформации характеризуется вязкостью образца.

В зависимости от системы измерения существуют различные показатели вязкости:

• СИ — м²/с;
• СГС – стокс (СТ) или сантистокс (сСт)

Помимо метода испытания необходимо учитывать другие механические свойства металлов – температура на его поверхности и в структуре, влажность в помещении и т.д.

Хрупкость является обратным показателем вязкости. Она определяет, насколько быстро металл или сплав будет разрушаться под воздействием внешней силы.

Напряжение

Напряжением называется возникновение внутренних сил с различными векторами направленности при внешнем воздействии. Эта величина может быть внутренняя или поверхностная. Является обязательным для расчета при изготовлении несущих стальных конструкций или элементов оборудования, подвергающихся постоянным нагрузкам.

Главным условием для измерения этого показателя является равномерная нагрузка, действующая в определенном направлении. При этом возникает напряженное состояние образца, который подвергается воздействию уравновешенных сил. Помимо этого, воздействие может быть односекторным или много векторным.

Существуют следующие виды напряжения материалов и их сплавов:

• остаточное. Формируется уже после окончания воздействия внешних факторов. К ним относятся не только механические силы, но и быстрый нагрев или охлаждение образца;
• временные. Возникают только при внешних нагрузках. После их прекращения изделие приобретает изначальные характеристики;
• внутреннее. Чаще всего происходит в результате неравномерного нагрева заготовок.

Напряжение является отношением силы воздействия на площадь, на которую она прилагается.

Кроме прямого давления на поверхность может наблюдаться касательное. Расчет этого параметра требует более сложных методик.

Выносливость и усталость

При длительном приложении внешних сил в структуре образца выявляются деформации и дефекты. Они приводят к потере прочности образца и как следствие – к его разрушению. Это называется усталостью металла. Выносливость является обратной характеристикой.

Такое явление наступает в результате появления последовательных напряжений (внутренних или поверхностных) за определенный промежуток времени. Если структура не подвергается изменению – говорят о хорошем показателе выносливости. В противном случае происходит деформация.

В зависимости от точности расчета выполняют следующие испытания образца на выносливость для того, чтобы узнать механические свойства металлов:

• чистый изгиб. Деталь закрепляется на концах и происходит ее вращение, в результате чего она деформируется;
• поперечный изгиб. Дополнительно выполняется вращение образца;
• изгиб в одной плоскости;
• поперечный и продольный изгиб в одной плоскости;
• неравномерное кручение с повторением цикла.

Эти испытания позволяют определить показатель выносливости и рассчитать время наступления усталости детали.

Для проведения испытаний необходимо руководствоваться принятыми методиками, которые изложены в ГОСТ-1497-84. Особое внимание уделяется отклонению свойств металла от нормы.

Ползучесть

Этот показатель определяет степень непрерывной пластической деформации при постоянном воздействии внешних и внутренних факторов. Вычисление этого параметра необходимы для определения жаропрочности металлов и их сплавов.

Для определения ползучести образец нагревают до определенной температуры. После этого наблюдают степень изменения его конфигурации с учетом приложенного напряжения. В зависимости от термического воздействия различают два вида испытаний на ползучесть:

• низкотемпературное. Степень нагрева образца не превышает 0,4 от температуры его плавления;
• высокотемпературная. Коэффициент нагрева больше 0,4 температуры нагрева.

Для проведения испытаний используют стандартные образцы прямоугольной или цилиндрической формы. При этом степень погрешности измерения не должна превышать 0,002 мм. В результате испытаний формируется кривая, характеризующая процесс ползучести.

В видеоматериале показан пример работы маятникового копера:

Глава XIV
ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ

§ 72. Механические свойства металлов и сплавов

Металлы в отличие от неметаллов имеют следующие характерные признаки: внешний блеск, хорошую проводимость теплоты и электрического тока, достаточно высокую прочность, хорошую ковкость и свариваемость, кристаллическое строение тела, определенную температуру плавления и кристаллизации.
Металлы и сплавы классифицируют по числу, содержанию и характеру легирующих компонентов и по степени чистоты. Компонентом называют химический элемент, входящий в состав металла или сплава. Компоненты подразделяют на основные и легирующие. Основным называют компонент, который преобладает в металле или сплаве, легирующим - компонент, вводимый в состав сплава для получения необходимых свойств.
По числу компонентов металлы разделяют на простые металлы и металлические сплавы. Простым металлом называют металл, не содержащий в себе легирующих компонентов, металлическим сплавом называют сложное кристаллическое вещество, в составе которого имеется несколько металлов и металлоидов. Сплавы бывают двух-, трех- и более компонентными.
По содержанию легирующих компонентов сплавы делят на низко-, средне- и высоколегированные. Низколегированным называют сплав, содержащий в своем составе легирующих компонентов менее 2,5%, среднелегированным - 2,5-10%, высоколегированным - более 10%.
По степени чистоты металлы и сплавы делят на металлы пониженной, средней, повышенной, высокой чистоты и особо чистые.
К механическим свойствам металлов и сплавов относятся: прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, ползучесть и усталость.

Рис. 76. Виды нагрузок, вызывающих изменение формы металла или cплава

Прочность - это способность металла или сплава противостоять деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок - растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих и срезающих (рис. 76). Нагрузки бывают внешними (вес, давление и др.) и внутренними (изменение размеров тела от нагревания и охлаждения, изменение структуры металла и т. д.), а также статическими, т. е. постоянными по величине и направлению действия, или динамическими, т. е. переменными по величине, направлению и продолжительности действия. Методы определения прочности рассмотрены отдельно.
Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Применяют следующие способы испытания твердости металлов и сплавов вдавливанием в поверхность образца:
стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм - определение твердости по Бринеллю;
стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом 120° - определение твердости по Роквеллу;
правильной четырехгранной алмазной пирамиды – определение твердости по Виккерсу.
Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки (рис. 77).

Рис. 77. Деформация, характеризующая упругость (после снятия нагрузки образец возвращается в исходное положение)

Пластичностью называется способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия.
Ударной вязкостью называется способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Ударная вязкость измеряется в кгс м/см 2 (Дж/м 2).
Ползучестью называется свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).
Усталостью называется постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок; свойство выдерживать эти нагрузки называется выносливостью.
Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение. При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности (временное сопротивление) σв, предел текучести (физический) σ т, предел текучести условный (технический) σ 0,2 , предел пропорциональности σпц, истинное сопротивление разрыву S к и относительное удлинение и сужение δ, φ.

Рис. 78. Диаграмма растяжения (зависимость удлинения ∆l от нагрузки Р)

Рассмотрим показанную на рис. 78 диаграмму, на которой по вертикальной оси отложена приложенная нагрузка Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси - абсолютное удлинение ∆l образца. Такие диаграммы строят по результатам растяжения образцов на специальных испытательных разрывных машинах. Полученная кривая позволяет судить о прочности образца на растяжение.
Начальный прямолинейный участок 0-Р пц характеризует упругость образца, пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Р пц - нагрузка при пределе пропорциональности).
Точка Р׳ т резкого перегиба кривой определяет величину нагрузки при верхнем пределе текучести. Участок Р׳ т -Р т (площадка текучести), параллельный горизонтальной оси 0-∆l, в пределах которого образец удлиняется при постоянной внешней нагрузке.
Точка Р в отмечает наибольшую растягивающую силу - нагрузку при пределе прочности, по которой рассчитывают предел прочности материала образца.
Точка Р к определяет величину растягивающей силы в момент разрушения образца.
Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) - это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца: σ в =P в /F 0 , где F 0 - площадь поперечного сечения образца перед испытанием, мм 2 (м 2); Р в - наибольшая растягивающая сила, кгс (Н).
Предел текучести (физический) - это наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется): σт=P т /F 0 , где Р т – нагрузка растяжения, вызывающая удлинение образца на площадке текучести, кгс (Н).
Предел текучести условный (технический) σ 0,2 – это напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2%: σ 0,2 = Р׳ т /F 0 , где Р т - нагрузка растяжения в начале площадки текучести, кгс (Н).
Предел пропорциональности σ пц - условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями: σ пц =Р пц /F 0 , где Р пц - нагрузка в конце площадки упругости, кгс (Н).
Истинное сопротивление разрыву - это напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образца в шейке: Sк=P к /F, где Р к - нагрузка в момент разрыва образца, кгс (Н); F - истинное сечение образца в момент разрыва, мм 2 (м 2).
Относительное удлинение δ и относительное сужение – φ определяются по формулам: δ=∆l/l 0 ∙100%, φ=(F 0 -F)/F∙100%, где ∆l=l 1 -l 0 - абсолютное удлинение образца при разрыве; l 1 - длина образца в момент разрыва; l 0 - первоначальная длина образца; F 0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца; F - площадь образца после разрыва.

Критерии выбора материала

Свойства – это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.
Выделяют три основные группы свойств: эксплуатационные, технологические и стоимостные, которые лежат в основе выбора материала и определяют техническую и экономическую целесообразность его применения. Первостепенное значение имеют эксплуатационные свойства.
Эксплуатационными называют свойства материала, которые определяют работоспособность деталей машин, приборов и инструментов, их силовые, скоростные, стоимостные и другие технико-эксплуатационные показатели.
Работоспособность подавляющего большинства деталей машин и изделий обеспечивает уровень механических свойств, которые характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки. Так как условия нагружения деталей машин разнообразны, то механические свойства включают большую группу показателей.
В зависимости от изменения во времени нагрузки подразделяют на статические и динамические. Статическое нагружение характеризуется малой скоростью изменения своей величины, а динамические нагрузки изменяются во времени с большими скоростями, например, при ударном нагружении. Кроме того, нагрузки подразделяют на растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие и срезывающие. Изменение нагрузки может иметь периодически повторяющийся характер, вследствие чего их называют повторно- переменными или циклическими. В условиях эксплуатации машин воздействие перечисленных нагрузок может проявляться в различных сочетаниях.
Под воздействием внешних нагрузок, а также структурно-фазовых превращений в материале конструкций возникают внутренние силы, которые могут быть выражены через внешние нагрузки. Внутренние силы, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения тела, называют напряжениями . Введение понятия напряжений позволяет проводить расчеты на прочность конструкций и их элементов.
В простейшем случае осевого растяжения цилиндрического стержня напряжение σ опеределяют как отношение растягивающее силы Р к начальной площади поперечного сечения Fo , т.е.

σ = P/Fo

Действие внешних сил приводит к деформации тела, т.е. к изменению его размером и формы. Деформация, исчезающая после разгрузки, называется упругой, а остающаяся в теле – пластической (остаточной).
Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию химически активной рабочей среды, если такое воздействие становится значительным, то определяющим становятся физико-химические свойства материала – жаростойкость и коррозионная стойкость.
Жаростойкость характеризует способность материала противостоять химической коррозии в атмосфере сухих газов при высокой температуре. У металлов нагрев сопровождается образованием на поверхности оксидного слоя (окалины).
Коррозионная стойкость – это способность металла противостоять электрохимический коррозии, которая развивается при наличие жидкой среды на поверхности металла и ее электрохимической неоднородности.
Для некоторых деталей машин, важные значение имеют физические свойства, характеризующие поведение материалов в магнитных, электрических и тепловых полях, а также под воздействием потоков высокой энергии или радиации. Их принято подразделять на магнитные, электрические, теплофизические и радиационные.
Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по технологическим свойствам . К ним относят литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Технологические свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.
К последней группе основных свойств относится стоимость материала, которая оценивает экономичность его использования. Ее количественным показателем является – оптовая цена – стоимость единицы массы материалы в виде слитков, профилей, порошка, штучных и сварных заготовок, по которым завод-изготовитель реализует свою продукцию машиностроительным и приборостроительным предприятиям.

Механические свойства, определяемые при статических нагрузках

Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению или особенность его поведения в процессе разрушения. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), пластичности, твердости и вязкости. Основную группу таких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров. Полученные при таких испытаниях показатели механических свойств оценивают поведение материалов под внешней нагрузкой без учета конструкции детали и условий эксплуатации.
По способу приложения нагрузок различают статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг или срез. Наиболее распространены испытания на растяжения (ГОСТ 1497-84), которые дают возможность определить несколько важных показателей механических свойств.

Испытание на растяжение . При растяжении стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка – удлинение образца (рис.1). На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации до нагрузки Рупр .; равномерной пластической деформации от Рупр. до Рmax и сосредоточенной пластической деформации от Рmax до Рк . Прямолинейной участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Рпц. Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода Е.

Рис. 1. Диаграмма растяжения пластичного металла (а) и диаграммы
условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов.
Диаграмма истинных напряжений (штриховая линия) дана для сравнения.

Пластическая деформация выше Р упр. идет при возрастающей нагрузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Упрочнение материала при деформации называется наклепом.

Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Р max до Р к (рис.1, а). Это объясняется появлением в образце местного утонения-шейки, в котором в основном сосредотачивается пластическая деформация. Несмотря на уменьшение нагрузки, растягивающие напряжения в шейке повышается до тех пор, пока образец не разрушится.
При растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяются делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент (рис.1,б). Эти напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условиями напряжениями, считая, что поперечное сечение F o образца остается неизменным.

Напряжения σ упр., σ т, σ в - стандартные характеристики прочности. Каждая получается делением соответствующей нагрузки Р упр. Р т и Р max на начальную площадь поперечного сечения F о .

Пределом упругости σ упр. называют напряжение, при котором пластическая деформация достигает значений 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают σ 0,005, σ 0,02, σ 0,05 .

Условный предел текучести – это напряжение, которому соответствует пластическая деформация равная 0,2%; его обозначают σ 0,2 . Физический предел текучести σ т определяют по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако, при испытаниях на растяжение у большинства сплавов нет площадки текучести на диаграммах. Выбранная пластическая деформация 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.

Временное сопротивление характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению:

σ в = Р max / F o

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ:

где lk -конечная длина образца; lо и Fo – начальная длина и площадь поперечного сечения образца; Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Для малопластичных материалов испытания на растяжение (рис. 1,в) вызывают значительные затруднения. Такие материалы, как правило, подвергают испытаниям на изгиб.

Испытание на изгиб . При испытании на изгиб в образце возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. На изгиб испытывают чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения и керамику. Определяемыми характеристиками служат предел прочности и стрела прогиба.

Предел прочности при изгибе вычисляют по формуле:

σ и = M / W,

где М – наибольший изгибающий момент; W – момент сопротивления сечения, для образа круглого сечения

W = πd 3 / 32

(где d – диаметр образца), а для образцов прямоугольного сечения W = bh 2 /6 , где b, h – ширина и высота образца).
Испытания на твердость . Под твердостью понимается способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела – индентора. В качестве индентора используют закаленный стальной шарик или алмазный наконечник в виде конуса или пирамиды. При вдавливании поверхностные слои материала испытывают значительную пластическую деформацию. После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток. Особенность происходящей пластической деформации состоит в том, что вблизи наконечника возникает сложное напряженное состояние, близкое к всестороннему неравномерному сжатию. По этой причине пластическую деформацию испытывают не только пластические, но и хрупкие материалы.
Таким образом, твердость характеризует сопротивление материала пластической деформации. Такое же сопротивление оценивает и временное сопротивление, при определении которого возникает сосредоточенная деформация в области шейки. Поэтому для целого ряда материалов численные значения твердости и временного сопротивления пропорциональны. На практике широко применяют четыре метода измерения твердости: твердость по Бринеллю, твердость по Виккерсу, твердость по Роквеллу и микротвердость.
При определении твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) в поверхность образца вдавливают закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм при действии нагрузки от 5000Н до 30000Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d.
При измерении твердости по Бринеллю используют заранее составленные таблицы, указывающие число твердости НВ В зависимости от диаметра отпечатка и выбранной нагрузки, чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.
Способ измерения по Бринеллю используют для сталей с твердостью < 450 НВ, цветных металлов с твердостью < 200 НВ. Для них установлена корреляционная связь между временным сопротивлением (в МПа) и числом твердости НВ:
σ в » 3,4 НВ – для горячекатаных углеродистых сталей;
σ в » 4,5 НВ – для медных сплавов;
σ в » 3,5 НВ – для алюминиевых сплавов.
При стандартном методе измерения по Виккерсу (ГОСТ 2999-75) в поверхность образца вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 139°. Отпечаток получается в виде квадрата, диагональ которого измеряют после снятия нагрузки. Число твердости НV определяют с помощью специальных таблиц по значению диагонали отпечатка при выбранной нагрузке.

Метод Виккерса применяют главным образом для материалов, имеющих высокую твердость, а также для испытания на твердость деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев. Как правило, используют небольшие нагрузки: 10,30,50,100,200,500 Н. Чем тоньше сечение детали или исследуемый слой, тем меньше выбирают нагрузку.
Число твердости по Виккерсу и по Бринеллю для материалов, имеющих твердость до 450 НВ, практически совпадают.
Измерение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) наиболее универсален и наименее трудоемок. Число твердости зависит от глубины вдавливания наконечника, в качестве которого используют алмазный конус с углом при вершине 120 0 или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Для различных комбинаций нагрузок и наконечников прибор Роквелла имеет три измерительных шкалы: А.В.С. Твердость по Роквеллу обозначают цифрами, определяющими уровень твердости, и буквами HR с указанием шкалы твердости, например: 70HRA, 58HRC, 50HRB. Числа твердости по Роквеллу не имеют точных соотношений с числами твердости по Бринеллю и Виккерсу.
Шкала А (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка 600Н). Эту шкалу применяют для особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких (0,6-1,0 мм) слоев. Пределы измерения твердости по этой шкале 70-85.
Шкала В (наконечник – стальной шарик, общая нагрузка 1000Н). При этой шкале определяют твердость сравнительно мягких материалов (<400НВ). Пределы измерения твердости 25-100.

Шкала С (наконечник – алмазный конус, общая нагрузка 1500Н). Эту шкалу используют для твердых материалов (> 450НВ), например закаленных сталей. Пределы измерения твердости по этой шкале 20-67. Определение микротвердости (ГОСТ 9450-76) осуществляют вдавливанием в поверхность образца алмазной пирамиды при небольших нагрузках (0,05-5Н) с последующим измерением диагонали отпечатка. Этим методом оценивают твердость отдельных зерен, структурных составляющих, тонких слоев или тонких деталей.

Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках

При работе деталей машин возможны динамические нагрузки, при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению. Опасность разрушения усиливают надрезы – концентраторы напряжения. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влиянием этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (рис. 2). Стандартный образец устанавливают на две споры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникова копра определяют работу К , затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость:

КС = К / S 0 1 , [МДж/м 2 ],

где S 0 1 , площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Рис. 2. Схема маятникова копра (а) и испытание на удар (б):
1 – образец; 2 – маятник; 3 – шкала; 4 – стрелка шкалы; 5- тормоз.

В соответствии с ГОСТ 9454-78 предусмотрены испытания образцов трех видов: U-образным (радиус надреза r=1 мм); V-образным (r=0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза. Соответственно ударную вязкость обозначает: КСU, KCV, KCT. Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости – температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости. Хладноломкость - способность металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих объемно-центрированную кубическую (ОЦК) или гексагональную плотноупакованную (ГП) решетку. Она отсутствует у металлов с гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой.

Механические свойства, определяемые при переменных циклических нагрузках

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью (ГОСТ 23207-78). О способности материалы работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость (ГОСТ 25.502-79). Их проводят на специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение (растяжение – сжатие, изгиб, кручение). Образцы испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости, которая строится в координатах: максимальное напряжение цикла σ max / или σ в ) – число циклов. Кривые усталости позволяют определять следующие критерии выносливости:

- циклическую прочность , которая характеризует несущую способность материала, т.е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы.- циклическую долговечность – число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживает материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении.

Кроме определения рассмотренных критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость . Их проводят при высоких напряжениях (выше σ 0,2 ) и малой частоте нагружения (обычно не более 6 ГЦ). Эти испытания имитируют условия работы конструкций (например, самолетных), которые воспринимают редкие, но значительные циклические нагрузки.

Механические свойства характеризуют способность материа-лов сопротивляться действию внешних сил. К основным механичес-ким свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность материала сопротивляться раз-рушающему воздействию внешних сил.

Твердость — это способность материала сопротивляться вне-дрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться раз-рушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои раз-меры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под дей-ствием внешних сил без остаточных деформаций.

При статических испытаниях на растяжение определяют вели-чины, характеризующие прочность, пластичность и упругость мате-риала. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l 0 и диа-метром d 0 . Образец растягивается под действием приложенной силы Р (рис. 1, а ) до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ — это отношение силы Р к площади поперечного сечения F 0 , МПа:

σ = P /F 0 ,

Деформация характеризует изменение размеров образца под дей-ствием нагрузки, %:

ε = [(l 1 -l 0)/l 0 ] · 100,

где l 1 — длина растянутого образца.

Деформация может быть упру-гой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остаю-щейся после снятия нагрузки).

При испытаниях стоится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На рис. 1 приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали. После проведения ис-пытаний определяются следующие характеристики механических свойств.

Предел упругости σ у — это максимальное напряжение при кото-ром в образце не возникают пластические деформации.

Предел текучести σ т — это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 1). Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ 0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %. Предел прочности (или временное сопротивление) σ в — это на-пряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдержи-вает образец при испытании.

Относительное удлинение после разрыва δ — отношение при-ращения длины образца при растяжении к начальной длине l 0 , %:

δ = [(l k -l 0)/l 0 ] · 100,

где l к — длина образца после разрыва.

Рис. 1. Статические испытания на растяжение: а - схема испытания;

б - диаграмма растяжения

Относительным сужением после разрыва ψ называется умень-шение площади поперечного сечения образца, отнесенное к началь-ному сечению образца, %:

ψ = [(F 0 -F k)/F 0 ] · 100,

где F к — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.

Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуе-мый образен твердого наконечника различной формы/

Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла стального закаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузки в образце остается отпечаток. Число твердо-сти по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действую-щей на шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В ) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С ). Вдавли-вание производится под действием двух нагрузок — предваритель-ной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500 Н для шкал А , В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания.

В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырех-гранной пирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Ударная вязкость определяется работой A, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечною сече-ния F ; Дж/м2:

KC = A/F

Испытания проводятся ударом специального маятникового коп-ра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.

О свойствах металлов часто судят только по их твердости, пределу прочности и относительному удлинению. Исходя только из этих параметров делают выводы о возможностях металла или сравнивают разные сплавы. На самом деле этой информации абсолютно недостаточно для решения вопроса о пригодности материала для конкретной задачи. Кроме упомянутых параметров применяемость металлов и сплавов определяют а) конструкционная прочность, б) степень проявления неупругих явлений, в) износостойкость, г) устойчивость к коррозии и многие другие.

На этой странице мы выясним, что именно определяют наиболее распространенные параметры механических свойств и рассмотрим основные показатели конструкционной прочности. На других страницах рассмотрены вопросы износостойкости и коррозионной стойкости .

Содержание:

1. Упругие и пластические деформации

2. Показатели упругого и пластического состояний

2.1. пределы пропорциональности, упругости и текучести

2.2. характеристики упругого состояния

2.3. предел прочности

2.4. пластичность и вязкость

2.5. твердость

3. Показатели конструкционной прочности

3.1. трещиностойкость

3.2. усталостная прочность

3.3. ударная вязкость

3.4. пределы ползучести и длительной прочности

1. УПРУГИЕ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ

Механические свойства металлов и сплавов определяются тем, как они воспринимают внешние нагрузки, т.е. сопротивляются деформированию и разрушению. При их деформировании наблюдается два различных вида деформаций – упругие и пластические, – которые отличаются и внешними проявлениями и внутренними механизмами. Понятно, что свойства, определяющие упругое и пластическое состояние металлов, должны описываться разными характеристиками.

Упругие деформации происходят за счет изменения межатомных расстояний, они не изменяют структуру металла, его свойства и являются обратимыми. Обратимость означает, что после снятия нагрузки тело принимает прежние форму и размеры, т.е. остаточная деформация отсутствует.

Пластические деформации возникают за счет образования и движения дислокаций, они изменяют структуру и свойства металла. После снятия нагрузки деформации остаются, т.е. пластические деформации носят необратимый характер.

2. ПОКАЗАТЕЛИ УПРУГОГО И ПЛАСТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

2.1. ПРЕДЕЛЫ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ, УПРУГОСТИ и ТЕКУЧЕСТИ.

Область напряжений, при которых происходит только упругая деформация, ограничена пределом пропорциональности? пц. В этой области в каждом зерне имеют место только упругие деформации, а для образца в целом выполняется закон Гука – деформация пропорциональна напряжению (отсюда и название предела).

С повышением напряжения в отдельных зернах возникают микропластические деформации. При таких нагрузках остаточные напряжения незначительные (0.001% - 0.01%).

Напряжение, при котором появляются остаточные деформации в указанных пределах, называется условным пределом упругости. В его обозначении индекс указывает на величину остаточной деформации (в процентах), для которой произведено определение предела упругости, например? 0.01 .

Напряжение, при котором пластическая деформация имеет место уже во всех зернах называется условным пределом текучести. Чаще всего он определяется при величине остаточной деформации 0.2% и обозначается? 0.2 .

Формально, различие между пределами упругости и текучести связано с точностью определения «границы» между упругим и пластическим состоянием, что и отражает слово «условный». Очевидно, что? пц именно предел пропорциональности или упругости определяет степень проявления неупругих свойств и величину предела усталости.

Отсутствие резкой границы между упругим и пластическим состоянием означает, что в интервале напряжений между? пц и? 0.2 происходят и упругие и пластические деформации.

Упругое состояние существует до тех пор, пока во всех зернах металла дислокации неподвижны.

Переход к пластическому состоянию наблюдается в таком интервале нагрузок, при которых движение дислокаций (и, следовательно, пластическая деформация) происходит только в отдельных кристаллических зернах, а в остальных продолжает реализовываться механизм упругой деформации.

Пластическое состояние реализуется, когда движение дислокаций происходит во всех зернах образца.

После перестройки дислокационной структуры (завершения пластической деформации) металл возвращается в упругое состояние, но с измененными упругими свойствами.

Приведенные обозначения пределов соответствуют одноосному растяжению, диаграмма которого приведена на рисунке. Аналогичные по смыслу пределы определяют для сжатия, изгиба и кручения.

Рассмотренная диаграмма характерна для металлов, у которых переход от упругого состояния к пластическому очень плавный. Однако с уществуют металлы с ярко выраженным переходом в пластическое состояние. Диаграммы растяжения таких металлов имеют горизонтальный участок, и они характеризуются не условным, а физическим пределом текучести. Пример такой диаграммы см. на сайте http://www.physics-words.com/130/207/2770120.html.. По достижении физического предела текучести небольшое увеличение напряжения приводит к резкому удлинению образца, металл как-бы течет, отсюда и название предела.

2.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРУГОГО СОСТОЯНИЯ

Самые важные параметры упругого состояния – предел упругости? у и модули упругости.

Предел упругости определяет предельно допустимые эксплуатационные нагрузки , при которых металл испытывает только упругие или небольшие допустимые упруго-пластические деформации. Очень грубо (и в сторону завышения) границу упругости можно оценить по пределу текучести.

Модули упругости характеризуют сопротивление материала действию нагрузки в упругом состоянии. Модуль Юнга E определяет сопротивление нормальным напряжениям (растяжение, сжатие и изгиб), а модуль сдвига G - касательным напряжениям (кручение). Чем больше модули упругости, тем круче упругий участок на диаграмме деформации (см. рисунок), тем меньше величина упругих деформаций при равных напряжениях и, следовательно, больше жесткость конструкции. Упругие деформации не могут быть больше величины? у /Е.

Таким образом, модули упругости определяют предельно допустимые эксплуатационные деформации (с учетом величины предела упругости и жесткость изделий . Модули упругости измеряются в тех же единицах, что и напряжение (МПа или кгс/мм 2).

Конструкционные материалы должны сочетать высокие значения предела текучести (выдерживают большие нагрузки) и модулей упругости (обеспечивают большую жесткость). Модуль упругости Е имеет одинаковую величину при сжатии и растяжении. Однако, пределы упругости при сжатии и растяжении могут отличаться. Поэтому при одинаковой жесткости, диапазоны упругости при сжатии и растяжении могут быть различны.

В упругом состоянии металл не испытывает макро пластических деформаций, однако в его отдельных микроскопических объемах могут происходить локальные микро пластические деформации. Они являются причиной так называемых неупругих явлений, существенно влияющих на поведение металлов в упругом состоянии. При статических нагрузках проявляются гистерезис, упругое последействие и релаксация, а при динамических – внутреннее трение.

Релаксация – самопроизвольное уменьшение напряжений в изделии. Примером её проявления является ослабевание со временем натяжных соединений. Чем меньше релаксация, тем стабильнее действующие напряжения. Кроме этого релаксация приводит к появлению остаточной деформации после снятия нагрузки. Восприимчивость к этим явлениям характеризует релаксационная стойкость. Она оценивается как относительное изменение напряжения со временем. Чем она больше, тем меньше металл подвержен релаксации.

Внутреннее трение определяет необратимые потери энергии при переменных нагрузках. Потери энергии характеризуются декрементом затухания или коэффициентом внутреннего трения. Металлы с большим декрементом затухания эффективно гасят звук и вибрации, меньше подвержены резонансу (один из лучших демпфирующих металлов - серый чугун). Металлы с низким коэффициентом внутреннего трения, наоборот минимально влияют на распространение колебаний (например колокольная бронза). В зависимости от назначения металл должен иметь высокое внутреннее трение (амортизаторы) или, наоборот, низкое (пружины измерительных приборов).

С повышением температуры упругие свойства металлов ухудшаются. Это проявляется в сужении упругой области (за счет уменьшения пределов упругости), усилении неупругих явлений и уменьшении модулей упругости.

Металлы, которые используются для изготовления упругих элементов, изделий со стабильными размерами должны иметь минимальные проявления неупругих свойств. Это требование лучше выполняется когда предел упругости значительно превышает рабочее напряжение. Кроме этого важно соотношение пределов упругости и текучести. Чем больше отношение? у / ? 0.2 , тем меньше проявление неупругих свойств. Когда говорят, что металл обладает хорошими упругими свойствами, обычно подразумевается не только высокий предел упругости, но и большое значение? у / ? 0.2.

2.3. ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ

При напряжениях, превышающих предел текучести? 0.2 , металл переходит в пластическое состояние. Внешне это проявляется в снижении сопротивления действующей нагрузке и видимым изменением формы и размеров. После снятия нагрузки металл возвращается в упругое состояние, но остается деформированным на величину остаточных деформаций, которые могут намного превышать предельные упругие деформации. Изменение дислокационной структуры в процессе пластической деформации увеличивает предел текучести металла – происходит его деформационное упрочнение.

Обычно пластическую деформацию исследуют при одноосном растяжении образца. При этом определяются временное сопротивление? в, относительное удлинение после разрыва? и относительное сужение после разрыва?. Картина растяжения при напряжениях, превышающих предел текучести, сводится к двум вариантам, представленным на рисунке.

В первом случае (рисунок на вставке) наблюдается равномерное растяжение всего образца - происходит равномерная пластическая деформация, которая завершается разрывом образца при напряжении? в. В этом случае? в имеет смысл условного предела прочности при растяжении, а? и? определяют максимальную равномерную пластическую деформацию.

Во втором случае образец сначала растягивается равномерно, а после достижения напряжения? в образуется местное сужение (шейка) и дальнейшее растяжение, вплоть до разрыва, сосредоточено в области шейки. В этом случае? и? являются суммой равномерной и сосредоточенной деформаций (см. рис.). Поскольку «момент» определения временного сопротивления уже не совпадает с «моментом» разрыва образца, то? в определяет не предельную прочность, а условное напряжение, при котором завершается равномерная деформация. Тем не менее, величину? В часто называют условным пределом прочности независимо от наличия или отсутствии шейки.

В любом случае разница (? в – ? 0.2) определяет интервал условных напряжений, в котором происходит равномерная пластическая деформация, а отношение? 0.2 / ? В характеризует степень упрочнения. В отожженном металле? 0.2 /? В =0.5-0.6. а после деформационного упрочнения (наклепа) оно увеличиватся до 0.9-0.95.

Слово «условный» применительно к? в означает, что оно меньше «истинного» напряжения S В действующего в образце. Дело в том, что напряжение? определяется как отношение растягивающей силы к площади начального сечения образца (что удобно), а истинное напряжение S должно определяться по отношению к площади сечения в момент измерения (что сложнее). В процессе пластической деформации происходит утончение образца и по мере растяжения разница между условным и истинным напряжением увеличивается (особенно после образования шейки). Если строить диаграмму растяжения для истинных напряжений, то кривая растяжения будет проходить над кривой, нарисованной на рисунке и не будет иметь ниспадающего участка.

Металлы могут иметь одинаковое значение? в, но, если у них разные диаграммы растяжения, разрушение образца будет происходить при разных истинных напряжениях S В (их истинная прочность будет различной).

Временное сопротивление? В определяется при нагрузке, действующей в течение десятков секунд, поэтому часто называется пределом кратковременной прочности.

Пластическое деформирование исследуется также при сжатии, изгибе, кручении, диаграммы деформаций при этом подобны приведенной на рисунке. Но по многим причинам одноосное растяжение в большинстве случаев оказывается более предпочтительным. Наименее трудоёмко определение параметров одноосного растяжения? в и?, они всегда определяются при массовых заводских испытаниях, а их значения обязательно приводятся во всех справочниках.

Описание методики испытания металлов на растяжение (и определение всех терминов) приведены в ГОСТ 1497-73 . Испытание на сжатие описано в ГОСТ 25.503-97 , а на кручение - в ГОСТ3565-80.

2.4. ПЛАСТИЧНОСТЬ И ВЯЗКОСТЬ

Пластичность – это способность металла изменять форму без нарушения целостности (без трещин, надрывов и тем более разрушения). Она проявляется, когда упругое деформирование сменяется пластическим, т.е. при напряжениях больших предела текучести? в.

Возможности пластического деформирования характеризует отношение? 0.2 /? в. При? 0.2 /? В = 0.5-0.6 металл допускает большие пластические деформации (? и? составляют десятки процентов). Наоборот, при? 0.2 /? В =0.95–0.98 металл ведет себя как хрупкий: область пластических деформаций практически отсутствует (? и? составляют 1-3%).

Чаще всего пластические свойства оценивают по величине относительного удлинения при разрыве?. Но эта величина определяется при статическом одноосном растяжении и поэтому не характеризует пластичность при других видах деформаций (изгиб, сжатие, кручение), больших скоростях деформирования (ковке, прокатке) и высоких температурах.

В качестве примера можно привести латуни Л63 и ЛС59-1, у которых практически одинаковые значения?, но существенно разные пластические свойства. Надрезанный пруток из Л63 в месте разреза сгибается, а из ЛС59-1 обламывается при небольшом усилии. Проволока из Л63 легко расплющивается без образования трещин, а из ЛС59-1 растрескивается после нескольких ударов. Латунь ЛС59-1 легко поддается горячей прокатке, а Л63 прокатывается только в узком диапазоне температур, за пределами которого заготовка растрескивается.

Таким образом, пластичность зависит от температуры, скорости и способа деформации. На пластические свойства сильно влияют многие примеси, часто даже в очень малых концентрациях.

На практике для определения пластичности применяются технологические пробы, в которых используются такие способы деформирования, которые больше отвечают соответствующим технологическим процессам.

Распространена оценка пластичности по углу изгиба, количеству перегибов или скручиваний, которые выдерживает полуфабрикат без появления трещин и надрывов.

Испытание на выдавливание лунки из ленты (аналогия со штамповкой и глубокой вытяжкой) проводится до появления надрывов и трещин.

Хорошие пластические свойства важны при технологических процессах обработки металлов давлением. При нормальной же эксплуатации металл находится в упругом состоянии и его пластические свойства не проявляются. Поэтому ориентироваться на показатели пластичности при нормальной эксплуатации изделий на первый взгляд нет смысла.

Но если существует вероятность возникновения нагрузок, превышающих предел текучести, то желательно, чтобы материал был пластичен. Хрупкий металл разрушается сразу после превышения некоторого предела, а пластичный материал способен, не разрушаясь, поглотить достаточно избыточной энергии.

Понятия вязкости и пластичности часто отождествляют, но эти термины характеризуют разные свойства:

Пластичность - определяет способность деформироваться без разрушения, она оцениваются в линейных, относительных или условных единицах.

Вязкость - определяет количество энергии, поглощаемой при пластической деформации, она измеряется с использованием единиц энергии

Величина энергии, необходимой для разрушения материала, равна площади под кривой деформации на диаграмме «истинное напряжение – истинная деформация». Это означает, что она зависит и от максимально возможной деформации и от прочности металла. Способ определения энергоемкости при пластической деформации описан в ГОСТ 23.218-84 .

2.5. ТВЕРДОСТЬ

Обобщенной характеристикой упруго-пластических свойств является твердость.

Твердость – это свойство поверхностного слоя материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела, при его сосредоточенном воздействии на поверхность материала. «Другое, более твердое тело» - это индентор (стальной шарик, алмазная пирамида или конус), вдавливаемый в испытываемый металл.

Напряжения, вызванные индентором, определяются его формой и силой вдавливания. В зависимости от величины этих напряжений в поверхностном слое металла происходят упругие, упруго-пластические или пластические деформации. В первом случае снятие нагрузки не оставляет следа на поверхности. Если напряжение превышает предел упругости металла, то после снятия нагрузки на поверхности остаётся отпечаток.

Чем меньше отпечаток, тем выше сопротивление вдавливанию и тем большей считается твердость. По величине сосредоточенного усилия, ещё не оставляющего отпечатка, можно определить твердость на пределе текучести (ГОСТ 22762-77) .

Численное определение твердости производится по методикам Виккерса, Бринелля и Роквелла.

В методе Роквелла (ГОСТ 9013-59) твердость измеряется в условных единицах HR, которые отражают степень упругого восстановления отпечатка после снятия нагрузки. Т.е. число твердости по Роквеллу определяет сопротивление упругим или малым пластическим деформациям. В зависимости от вида металла и его твердости используют разные шкалы. Чаще всего используется шкала С и число твердости HRC.

В единицах HRC часто формулируют требования к качеству поверхности стальных деталей после термообработки. Твердость HRC в наибольшей степени отражает уровень рабочих характеристик высокопрочных сталей, а с учетом простоты измерений по Роквеллу, очень широко применяется на практике. Подробно о методе Роквелла с описанием различных шкал и твердости разных классов материалов см. http://www.fast-const.ru/articles.php?article_id=2

Твердость по Виккерсу и Бринеллю определяется как отношение усилия вдавливания к площади контакта индентора и металла при максимальном внедрении индентора. Т.е. числа твердости HV и HB имеют смысл среднего напряжения на поверхности невосстановленного отпечатка, измеряются в единицах напряжения (МПа или кгс/мм) и определяют сопротивление пластическим деформациям. Основное различие между этими методами связано с формой индентора.

Применение алмазной пирамиды в методе Виккерса (ГОСТ 2999-75 , ГОСТ Р ИСО 6507-1) обеспечивает геометрическое подобие пирамидальных отпечатков при любой нагрузке - соотношение глубины и размера отпечатка при максимальном вдавливании не зависит от приложенного усилия. Это позволяет достаточно строго сравнивать твердость разных металлов, в том числе результаты, полученные при разных нагрузках.

Шаровые инденторы в методе Бринелля (ГОСТ 9012-59) не обеспечивают геометрического подобия сферических отпечатков. Это приводит к необходимости выбирать величину нагрузки в зависимости от диаметра шарового индентора и вида испытуемого материала по таблицам рекомендуемых параметров испытаний. Следствием этого является неоднозначность при сравнении чисел твердости HB для разных материалов.

Зависимость определяемой твердости от величины приложенной нагрузки (небольшая для метода Виккерса и очень сильная в методе Бринелля) требует обязательного указания условий испытания при записи числа твердости (см. ГОСТы), хотя это правило часто не соблюдается.

Область воздействия индентора на металл сопоставима с размерами отпечатка, т.е. твердость характеризует локальные свойства полуфабриката или изделия. Если поверхностный слой (плакированный или упрочненный) отличается по свойствам от основного металла, то измеряемые значения твердости будут зависеть от соотношения глубины отпечатка и толщины слоя – т.е. будут зависеть от метода и условий измерения. Результат измерения твердости может относиться или только к поверхностному слою или к основному металлу с учетом его поверхностного слоя.

При измерении твердости определяется результирующее сопротивление внедрению индентора в металл без учета отдельных структурных составляющих. Усреднение происходит, если размер отпечатка превосходит размер всех неоднородностей. Твердость отдельных фазовых составляющих (микротвердость) определяется по методу Виккерса (ГОСТ 9450-76) при малых усилиях вдавливания.

Прямой взаимосвязи между разными шкалами твердости не существует, отсутствуют и обоснованные методы перевода чисел твердости из одной шкалы в другую. Имеющиеся таблицы, формально связывающие различные шкалы, построены по данным сравнительных измерений и справедливы только для конкретных категорий металлов. В таких таблицах числа твердости обычно сопоставляются с числами твердости HV. Это связано с тем, что метод Виккерса позволяет определять твердость любых материалов (в других методах диапазон измеряемой твердости ограничен) и обеспечивает геометрическое подобие отпечатков.

Графическая связь между шкалами Роквелла и Виккерса см. http://www.gordonengland.co.uk/hardness/hardness_conversion.gif.

для сталей - http://www.grantadesign.com/images/hardness.fe2.gif

То же для цветных сплавов - http://www.grantadesign.com/images/hardness.al1.gif

Табличная связь между всеми шкалами для сталей есть в http://www.freetechnicalcharts.com/images/Steel_hardness_conversion_chart.jpg

Также не существует прямой связи твердости с пределами текучести или прочности, хотя на практике часто используется соотношение? в = k НВ. Значения коэффициента k определяются на основе сравнительных испытаний для конкретных классов металлов и варьируются от 0.15 до 0.5 в зависимости от вида металла и его состояния (отожженный, нагартованный и т.д.).

Изменения упругих и пластических свойств с изменением температуры, после термической обработки, нагартовки и т.д. проявляются в изменении твёрдости. Твердость измеряется быстрее, проще, допускает неразрушающий контроль. Поэтому изменение характеристик металла после различных видов обработки удобно контролировать именно по изменению твердости. Например, упрочнение, увеличивая? 0.2 и? 0.2 /? в, увеличивает твердость, а отжиг её уменьшает.

В большинстве случаев твердость определяется при комнатной температуре при воздействии индентора менее минуты. Определяемая при этом твердость называется кратковременной твердостью. При высоких температурах, когда развивается явление ползучести (см. ниже), определяется длительная твердость - реакция металла на длительное воздействие индентора (обычно в течение часа). Длительная твердость всегда меньше кратковременной и это различие растет с увеличением температуры. Например в меди кратковременная и длительная твердость при 400 о С составляет 35HV и 25HV , а при 700 о С - 9HV и 5HV соответственно.

Рассмотренные методы относятся к статическим: индентор внедряется медленно, а максимальная нагрузка действует достаточно долго для завершения процессов пластической деформации (10 – 180с). В динамических (ударных) методах воздействие индентора на металл кратковременно, поэтому и деформационные процессы протекают иначе. Различные варианты динамических методов используются в портативных твердомерах.

При столкновении с исследуемым материалом энергия индентора (бойка) расходуется на упругую и пластическую деформацию. Чем меньше энергии израсходовано на пластическую деформацию образца, тем выше должна быть его «динамическая» твердость, которая определяет сопротивление материала упруго-пластическому деформированию при ударе. Первичные данные пересчитываются в числа «статической» твердости (HR, HV, HB), которые и отображаются на приборе. Такой пересчет возможен только на основе сравнительных измерений для конкретных групп материалов.

Существуют также оценки твердости по сопротивлению абразивному изнашиванию или резанию, которые лучше отражают соответствующие технологические свойства материалов.

Из сказанного следует, что твердость не является первичным свойством материала, скорее это обобщенная характеристика, отражающая его упруго-пластические свойства. При этом, выбор метода и условий измерения может преимущественно характеризовать или его упругие или, наоборот, пластические свойства.

3. ПОКАЗАТЕЛИ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ

При одноосном растяжении разрушение происходит при достижении предела прочности? в уже после завершения пластической деформации. Однако, в реальных условиях металлы разрушаются при напряжениях, не превышающих даже предела текучести? 0.2 . Это означает, что величина? в не определяет реальную прочность металлов и для её описания нужны другие характеристики.

Практика показывает, что долговечность изделия определяют 1) конструкционная прочность, 2) износостойкость и 3) коррозионная стойкость соответствующего материала при соответствующих условиях эксплуатации. Именно эти свойства определяют выбор материала в большинстве практических задач.

3.1. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ (ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ)

В металлах всегда имеются концентраторы напряжений. Ими являются неоднородности структуры (примеси, упрочняющие фазы), дефекты (внутренние и поверхностные трещины), конструктивные особенности изделия (надрезы, резкие изменения в сечении). Механизмы разрушения связаны с микропластическими деформациями, которые развиваются вблизи концентраторов напряжений и с течением времени приводят к зарождению трещины.

По скорости распространения трещины различают вязкое и хрупкое разрушение. При хрупком разрушении она достигает скорости 1000 м/с, а при вязком – в сотни раз меньше. Для вязкого разрушения требуется значительно больше энергии, поскольку область деформации охватывает область металла далеко за пределами трещины. При хрупком разрушении деформация локализована в узкой области у вершины трещины, поэтому для её продвижения требуется намного меньше энергии.

Пока трещина развивается медленно, изделие сохраняет работоспособность. Но после того, как трещина достигает некоторой критической величины, её дальнейшее распространение происходит очень быстро и наступает катастрофическое разрушение конструкции. Чем медленнее развивается трещина, тем больше конструкционная прочность. Для характеристики конструкционной прочности используют несколько величин (ГОСТ 25.506-85).

Важнейшим параметром конструкционной прочности материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины К 1С (или вязкость разрушения). Он учитывают длину трещины и процесс её развития. Его знание позволяет рассчитывать максимально допустимую нагрузку в конструкции с трещиной таких размеров, при которых ещё не начинается её быстрое развитие до полного разрушения. В конструкционных сталях, алюминиевых и титановых сплавах К 1С изменяется в широких пределах – от 15 до 200 МПа*м. Чем больше его значение, тем выше конструкционная прочность материала.

П ростой связи между вязкостью разрушения К 1С и параметрами одноосного растяжения (? 0.2 , ? в, ?, ?) не существует. В то же время она существенно зависит от особенностей структуры и наличия примесей.

Это можно проиллюстрировать на примере алюминиевых сплавов семейства В95. Как и другие термоупрочняемые сплавы их структура зависит от режима закалки и старения. Существует много примеров, когда предпочтение отдается металлам с меньшей прочностью , но с большим значением К 1С.

3.2. УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТь

Трещины в металлах зарождаются и развиваются не только при статических нагрузках, но и под действием циклических напряжений. Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях (это её отличительный признак) и с каждым циклом медленно развивается вглубь. Разрушение происходит, когда из-за уменьшения сечения действующие напряжения превысят разрушающие.

Накопление повреждений означает, что чем больше циклов нагружения, тем меньше должна быть величина нагрузки, чтобы металл «работал», не разрушаясь. Процесс постепенного накопления повреждений в металле называется усталостью .

Свойство противостоять усталости называется выносливостью . Её важнейшей характеристикой является предел выносливости. Он показывает наибольшее напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения после заданного числа циклов. Чаще используют симметричные знако-переменные циклы (поочередно действуют одинаковые по амплитуде сжимающие и растягивающие напряжения), в таких случаях предел выносливости обозначается? - 1 .

Испытания на усталостную прочность регламентированы в ГОСТ 25.502.79 и в ГОСТ 25.505-85

Вторая по важности характеристика выносливости - усталостная долговечность. Она определяет число циклов, которое металл может выдержать при заданном напряжении. Определяется также вероятность разрушения при заданном уровне нагружения и заданном числе циклов (или допустимое напряжение при заданной вероятности разрушения). Важной характеристикой сопротивления усталости является скорость роста трещины при усталости (СРТУ) dl/dN и циклическая вязкость (циклическая трещиностойкость) К ц 1с. При их определении фиксируют длину трещины по мере увеличения числа циклов, а нагружение проводится на частотах 15-20 Гц.

Способность металла работать в условиях циклических нагрузок существенно зависит от условий нагружения.

А). При относительно небольших напряжениях (которым соответствуют упругие деформации) усталостная долговечность велика – металл сохраняет целостность при большом числе циклов. Многоцикловые характеристики определяются при базе испытаний 10 6 – 10 8 циклов на частотах 10-300 Гц.

Б). При значительных нагрузках (в области упруго-пластических деформаций) усталостная долговечность намного меньше. Параметры малоцикловой усталости определяются при базе испытаний до 5*10 4 на частотах 3 - 5 Гц.

В). Циклические изменения температуры при постоянном напряжении (или на фоне циклических нагрузок) сопровождаются упруго-пластическими деформациями. Это приводит к термической усталости . Способность материала сопротивляться разрушению в условиях проявления термической усталости называется термостойкостью. Показатель термостойкости – количество термоциклов при заданной нагрузке до разрушения (ГОСТ 25.502.79).

Получение усталостных характеристик является очень дорогим и трудоёмким процессом. Поэтому для приближенной оценки предела усталости его часто определяют через другие известные характеристики, например? -1 = k? в. Коэффициент k имеет разные значения не только для разных сплавов, но и для разных состояний одного и того же металла. Например, для отожженных алюминиевых термически неупрочняемых сплавов k = 0,4-0, 6, а для термоупрочненных алюминиевых сплавов k = 0.3.

Характеристики выносливости зависят от сочетания прочностных, пластических свойств и особенностей структуры. На выносливость всех металлов и сплавов отрицательно влияют примеси и грубые фазовые включения, особенно неметаллические.

Поскольку усталостные трещины зарождаются на поверхности, то особое значение для повышения долговечности при циклических нагрузках имеет состояние поверхности. Полировка, поверхностное упрочнение, отсутствие коррозии увеличивают величину предела выносливости.

3.3. УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ

При статических испытаниях скорость приложения нагрузки составляет 10 -5 – 10 -2 м/с. Их результаты не отражают сопротивляемость материала к нагрузкам, действующим с гораздо большей скоростью. Поэтому устойчивость металла к разрушению при ударных нагрузках определяют в динамических испытаниях при скоростях деформирования 3 – 5 м/с.

Основная характеристика, получаемая при ударных испытаниях – ударная вязкость (единица измерения – Дж/см 2 ). Она определяет энергию, необходимую для разрушения образца. Её измеряют, подвергая удару образец с предварительно нанесенным надрезом (ГОСТ9454-78).

Энергия удара поглощается в некотором объеме вокруг надреза. Этот объем зависит и от прочности и от пластичности металла, для разных металлов он разный и его трудно оценить. Поэтому энергию разрушения относят не к объему деформируемой области (что было бы правильно), а к площади сечения в надрезе (что удобно). По этой причине величина ударной вязкости носит условный характер, что нужно учитывать при сравнении показателей для разных металлов или разных температур

В зависимости от вида надреза (концентратора) определяется три вида ударной вязкости. В её обозначении присутствует буква, указывающая на вид концентратора: КСT, КСU, КСV (последняя буква соответствует профилю надреза). Величина КСV – используется для контроля материалов для ответственных, а КСT – для особо ответственных применений. Т- концентратор представляет собой надрез с заранее введенной трещиной, поэтому в таком случае энергия удара расходуется только на развитие трещины (а не на её образование и развитие), поэтому КСT < КСU, КСV. В справочниках часто встречается обозначение ударной вязкости? н, соответствующе КСU.

При определении динамической вязкости при высоких или пониженных температурах дополнительно вводится обозначение температуры испытания, например КСU -60 . На основе таких измерений и по виду излома образца определяется ещё одна характеристика металла - температура хрупко-вязкого перехода Т хр. Это температура, при которой характер разрушения изменяется с вязкого на хрупкий.

3.4. ПРЕДЕЛЫ ПОЛЗУЧЕСТИ И ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ

При напряжениях ниже предела текучести в металлах наблюдается явление ползучести. Ползучесть – это непрерывная деформация под действием постоянного напряжения. При малых нагрузках и низких температурах она носит обратимый характер.

Ползучесть становится проблемой при повышенных температурах (примерно начиная с 0.4-0.6Т пл) и нагрузках выше некоторой величины (но меньше предела текучести). Деформация ползучести сопровождается изменениями структуры и, соответственно механических свойств. В отличие от пластической деформации, упрочняющей металл, деформация ползучести ведет к его разупрочнению. Кроме постоянно растущей деформации и увеличения скорости ползучести в металле начинается зарождение трещин и со временем происходит его разрушение.

С явлением ползучести связано понятие жаропрочности. Это способность работать под нагрузкой с допустимыми деформациями и без разрушения в условиях повышенных температур.

Количественной характеристикой жаропрочности является предел ползучести (ГОСТ 3248-60) и предел длительной прочности (ГОСТ 10145-81).

Предел ползучести используется в двух вариантах. В первом - это растягивающее напряжение, при котором деформация достигает заданной величины за определенное время. В обозначении предела верхний индекс указывает заданную температуру, нижний (через дробь) указывает допустимое удлинение в % и время, за которое оно достигается, например? 900 1/1000 .

В другом варианте нижний индекс указывает допустимую скорость установившейся ползучести.

Предел длительной прочности это условное наибольшее напряжение, под действием которого материал при заданной температуре разрушается через заданный промежуток времени. В обозначении присутствуют два индекса: верхний указывает заданную температуру, нижний – заданную долговечность (в часах), например? 900 1000 . Эта характеристика определяет способность материала противостоять разрушению при длительном воздействии температуры и нагрузки.

Предел ползучести и длительная прочность понижаются с увеличением температуры и длительности выдержки. Они должны рассматриваться как предельные значения рабочего напряжения при высоких температурах.

Жаропрочность часто путают с жаростойкостью – способность выдерживать высокую температуру без окалинообразования. Жаростойкость можно рассматривать как сопротивление коррозии, вызванной высокими температурами. Её характеристики и методы определения даны в ГОСТ 21910-76 и ГОСТ 6130-71 .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из приведенного материала должно быть понятно, что любой материал характеризуется таким большим количеством параметров, что нельзя по нескольким величинам делать выводы о всей совокупности свойств металла и возможности его применения в тех или иных условиях.

Для получения необходимой полноты сведений о свойствах необходимо пользоваться не ГОСТами, в которых приведены несколько легкоизмеряемых величин,а справочной литературой.