Испытание металлов на прочность и пластичность
Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:
К физическим свойствам металлов относят плотность, температуру плавления, цвет, блеск, непрозрачность, теплопроводность, электропроводность, тепловое расширение. По плотности металлы разделяют на легкие (до 3000 кг/м 3 ) и тяжелые (от 6000 кг/м 3 и выше); по температуре плавления — на легкоплавкие (до 973 К) и тугоплавкие (свыше 1173 К). Каждый металл или сплав обладает определенным, присущим ему цветом.
Прочность — способность металла в определенных условиях и пределах не разрушаясь воспринимать те или иные воздействия, нагрузки. Это свойство учитывается при изготовлении и проектировании изделий, выборе того или иного металла, сплава. Наибольшее напряжение, которое может выдержать металл, не разрушаясь, называют пределом прочности, или временным сопротивлением разрыву. Образцы для измерения прочности подвергают испытанию на специальной разрывной машине, которая постепенно, с возрастающей силой растягивает образец до полного разрыва.
Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию. Наибольшее напряжение, после которого металл возвращается к своей первоначальной форме, называют пределом упругости. Если при дальнейшем повышении нагрузки напряжение превышает предел упругости и удлинение сохраняется после разгрузки образца, такое состояние называют остаточным удлинением. Далее наступает предел текучести, т.е. образец продолжает удлиняться без увеличения нагрузки.
Пластичность — свойство металла под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные (пластические) деформации после устранения этих сил . Данное свойство также определяется и измеряется на разрывной машине. Высокой пластичностью обладают золото, серебро, платина и их сплавы. Менее пластичны медь, алюминий, свинец. Это свойство металлов имеет большое значение в давильном и штамповочном производстве, волочении, прокатке.
Твердость — свойство металлов сопротивляться проникновению в них другого тела под действием внешней нагрузки, что необходимо учитывать при выборе инструментов для обработки металлов резанием. Например, важно знать твердость обрабатываемого металла, чтобы подобрать соответствующую фрезу или сверло. Испытания металлов на твердость проводят на специальных приборах — твердометрах.
Выносливость — свойство металлов сопротивляться действию повторных нагрузок . Температурные условия значительно влияют на механические свойства металлов: при нагревании их прочность понижается, а пластичность увеличивается; при охлаждений некоторые металлы становятся хрупкими, например, сталь некоторых марок, цинк и его сплавы. Нехладноломкими являются алюминий и медь.
Хрупкость — некоторые металлы обладают хрупкостью и при нормальных условиях, примером является серый чугун. В производстве изделий учитывается способность металлов поддаваться обработке, т.е. такие их технологические свойства, как ковкость, жидкотекучесть, литейная усадка, свариваемость, спекаемость, обрабатываемость резанием и некоторые другие.
Ковкость — способность металлов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатке, прессованию, волочению, штамповке). Металлы могут коваться в холодном состоянии (золото, серебро, медь), а также в горячем (сталь).
Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.
Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.
Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.
Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.
Жидкотекучесть — свойство расплавленного металла заполнять литейную форму. Высокой жидкотекучестью обладают цинк и его сплавы, чугун, бронза, олово, силумин (сплав алюминия с кремнием), латунь, некоторые магниевые сплавы. Низкой жидкотекучестью обладают сталь, красная медь, чистое серебро.
Литейная усадка —уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое. Это необходимо учитывать при изготовлении формы для отливки. Отливка получается всегда меньше модели, по которой сделана форма. Металлы с большой усадкой для литья почти не используют.
Свариваемость — способность металла прочно соединяться путем местного нагрева и расплавления свариваемых кромок изделия. Сплавы свариваются труднее, чистые металлы — легче. Легко свариваются изделия из малоуглеродистой стали. Плохо поддаются сварке чугун и высокоуглеродистые легированные стали.
Из химических свойств металлов и их сплавов наиболее важными в производстве художественных изделий являются растворение (взаимодействие с кислотами и щелочами) и окисление (антикоррозийная стойкость, т.е.стойкость к воздействию окружающей среды — газов, воды и т.д.).
Растворение (разъедание) — способность металлов растворяться в сильных кислотах и едких щелочах. Это свойство широко используется в различных областях производства художественных изделий. Растворение бывает частичное и полное. Частичное применяется для создания чистой поверхности изделия.
Окисление — способность металлов соединяться с кислородом и образовывать окислы металлов.
Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов.
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.
Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:
· размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определенными.
· углы между осями ().
· координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.
· базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
Рис. Схема кристаллической решетки
Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;
· примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
· базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
· объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
· гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней
В металлических материалах, как правило, формируются три типа кристаллических решеток: объемноцентрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП). Элементарные ячейки ОЦК, ГЦК и ГП решеток показаны на рис. 9.
Рис. Типы кристаллических решеток металлов.
а) Г.Ц.К, б) О.Ц.К., в) Г.П.У.
Основными типами кристаллических реш¨ток являются:
- Объемно - центрированная кубическая (ОЦК), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре
- Гранецентрированная кубическая (ГЦК), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней
- Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
- простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
- плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
ОЦК решетку имеют такие металлы, как вольфрам, молибден, ниобий, низкотемпературные модификации железа, титана, щелочные металлы и ряд других металлов. Серебро, медь, алюминий, никель, высокотемпературная модификация железа и ряд других металлов имеют ГЦК решетку. ГП решетка у магния, цинка, кадмия, высокотемпературной модификации титана.
2. Физическая природа деформации металлов
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.
Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.
Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д.,
Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.
Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.
При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.
Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией ОА (рис.).
Рис. Диаграмма зависимости деформации металла от действующих напряжений
Зависимость между упругой деформацией и напряжением выражается законом Гука
где: Е - модуль упругости.
Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.
В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.
Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.
В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:
статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.
динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.
Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.
Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. .
Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения от напряжения
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
3. Методы определения твердости
О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).
Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса. Схемы испытаний представлены на рис. 7.1.
Рис. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
3.1. Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012)
Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.7.1 а)
В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.
Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .
Продолжительность выдержки: для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.
Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.
Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:
Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80.
3.2. Метод Роквелла ГОСТ 9013
Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 7.1 б)
Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” (1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.
Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, втечение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой.
В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (табл. 7.1)
Шкалы для определения твердости по Роквеллу
3.3. Метод Виккерса
Твердость определяется по величине отпечатка (рис.7.1 в).
В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136 o .
Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:
Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.
Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.
Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).
Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс
3.4. Метод царапания.
Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.
Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.
3.5. Динамический метод (по Шору)
Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.
Методы испытания механических свойств металлов
Механические свойства металлов (прочность, упругость, пластичность, вязкость), как и другие свойства, являются исходными данными при проектировании и создании различных машин, механизмов и сооружений.
Методы определения механических свойств металлов делятся на следующие группы:
· статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
· динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
· циклические, когда нагрузка многократно изменяется (испытание на усталость);
· технологические — для оценки поведения металла при обработке давлением (испытания на изгиб, перегиб, выдавливание).
Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) проводятся на стандартных образцах круглого или прямоугольного сечения. При растяжении под действием плавно возрастающей нагрузки образец деформируется до момента разрыва. Во время испытания образца снимают диаграмму растяжения (рис. 1.36, а), фиксирующую зависимость между действующей на образец силой Р, и вызванной ею деформацией Δl (Δl — абсолютное удлинение).
Рис. 1.36. Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали (а) и зависимость между напряжением и относительным удлинением (б)
Вязкость (внутреннее трение) — способность металла поглощать энергию внешних сил при пластической деформации и разрушении (определяется величиной касательной силы, приложенной к единице площади слоя металла, подлежащего сдвигу).
Пластичность — способность твердых тел необратимо деформироваться под действием внешних сил.
При испытании на растяжение определяют:
· σв — границу прочности, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рb — наибольшая нагрузка; F0 — начальная площадь сечения образца;
· σпц — границу пропорциональности, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Pпц — нагрузка, соответствующая границе пропорциональности;
· σпр — границу упругости, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рпр — нагрузка, соответствующая границе упругости (при σпр остаточная деформация соответствует 0,05-0,005 % начальной длины);
· σт — границу текучести, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рт — нагрузка, соответствующая границе текучести, Н;
· δ — относительное удлинение, %:
где l0 — длина образца до разрыва, м; l1 — длина образца после разрыва, м;
· ψ — относительное сужение, %:
где F0 — площадь сечения до разрыва, м 2 ; F — площадь сечения после разрыва, м 2 .
Испытания на твердость
Твердость — это сопротивление материала проникновению в него другого, более твердого тела. Из всех видов механического испытания определение твердости является самым распространенным.
Испытания по Бринеллю (ГОСТ 9012-83) проводятся путем вдавливания в металл стального шарика. В результате на поверхности металла образуется сферический отпечаток (рис. 1.37, а).
Твердость по Бринеллю определяется по формуле:
где P — нагрузка на металл, Н; D — диаметр шарика, м; d — диаметр отпечатка, м.
Чем тверже металл, тем меньше площадь отпечатка.
Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от исследуемого металла, его твердости и толщины. При испытании стали и чугуна выбирают D = 10 мм и P = 30 кН (3000 кгс), при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и P = 10 кН (1000 кгс), а при испытании очень мягких металлов (алюминия, баббитов и др.) D = 10 мм и P = 2,5 кН (250 кгс). При испытании образцов толщиной менее 6 мм выбирают шарики с меньшим диаметром — 5 и 2,5 мм. На практике пользуются таблицей перевода площади отпечатка в число твердости.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450 (4500 МПа), поскольку шарик может деформироваться, что исказит результаты испытаний.
Испытания по Роквеллу (ГОСТ 9013-83). Проводятся путем вдавливания в металл алмазного конуса (α = 120°) или стального шарика (D = 1,588 мм или 1/16", рис. 1.37, б). Прибор Роквелла имеет три шкалы — В, С и А. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы С и А), а шарик — для испытания мягких материалов (шкала В). Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной Р0 и общей Р:
где Р1 — основная нагрузка.
Предварительная нагрузка Р0 = 100 Н (10 кгс). Основная нагрузка составляет 900 Н (90 кгс) для шкалы В; 1400 Н (140 кгс) для шкалы С и 500 Н (50 кгс) для шкалы А.
Рис. 1.37. Схема определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Рoквеллу; в — по Виккерсу
Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принимают величину, которая соответствует осевому перемещению наконечника на расстояние 0,002 мм.
Твердость по Роквеллу вычисляют следующим способом:
НR = 100 – e (шкалы А и С); НR = 130 – e (шкала В).
Величину e определяют по формуле:
где h — глубина проникновения наконечника в металл под действием общей нагрузки Р (Р =Р0+ Р1); h0 — глубина проникновения наконечника под действием предварительной нагрузки Р0.
В зависимости от шкалы твердость по Роквеллу обозначают НRВ, НRС, НRА.
Испытания по Виккерсу (ГОСТ 2999-83). В основе метода — вдавливание в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды (α = 136°) (рис. 1.37, в). Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.
Твердость по Виккерсу:
где Р — нагрузка на пирамиду, Н; d — среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеренных после снятия нагрузки, м.
Число твердости по Виккерсу определяют по специальным таблицам по диагонали отпечатка d. При измерении твердости применяют нагрузку от 10 до 500 Н.
Микротвердость (ГОСТ 9450-84). Принцип определения микротвердости такой же, как и по Виккерсу, согласно соотношению:
Метод применяется для определения микротвердости изделий мелких размеров и отдельных составляющих сплавов. Прибор для измерения микротвердости — это механизм вдавливания алмазной пирамиды и металлографический микроскоп. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же тщательно, как микрошлифы.
Испытание на ударную вязкость
Для испытания на удар изготавливают специальные образцы с надрезом, которые затем разрушают на маятниковом копре (рис. 1.39). Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на подъем маятника после его разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника отнять часть, которая тратится на подъем (взлет) после разрушения образца, получим работу разрушения образца:
K = Рl(соs β – соs α), Дж (кг·м),
де P — масса маятника, Н (кг); h1 — высота подъема центра масс маятника до удара, м; h2 — высота взлета маятника после удара, м; l — длина маятника, м; α, β — углы подъема маятника соответственно до разрушения образца и после него.
Рис. 1.39. Испытание на ударную вязкость: 1 — маятник; 2 — нож маятника; 3 — опоры
Ударную вязкость, т. е. работу, затраченную на разрушение образца и отнесенную к поперечному сечению образца в месте надреза, определяют по формуле:
где F — площадь поперечного сечения в месте надреза образца, м 2 (см 2 ).
Для определения KС пользуются специальными таблицами, в которых для каждого угла β определена величина работы удара K. При этом F = 0,8 · 10 –4 м 2 .
Для обозначения ударной вязкости добавляют и третью букву, указывающую на вид надреза на образце: U, V, Т. Запись KСU означает ударную вязкость образца с U-образным надрезом, KСV — с V-образным надрезом, а KСТ — с трещиной (рис. 1.40).
Рис. 1.40. Виды надрезов на образцах для испытания на ударную вязкость:
а — U-образный надрез (KCU); б — V-образный надрез (KСV); в — надрез с трещиной (KСТ)
Испытание на усталость (ГОСТ 2860-84). Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называется усталостью металла. При разрушении металла вследствие усталости на воздухе излом состоит из двух зон: первая зона имеет гладкую притертую поверхность (зона усталости), вторая — зона долома, в хрупких металлах она имеет грубокристаллическое строение, а в вязких — волокнистое.
При испытании на усталость определяют границу усталости (выносливости), т. е. то наибольшее напряжение, которое может выдержать металл (образец) без разрушения заданное число циклов. Самым распространенным методом испытания на усталость является испытание на изгиб при вращении (рис. 1.41).
Рис. 1.41. Схема испытания на изгиб при вращении:
1 — образец; Р — нагрузка; Мвиг — изгибающий момент
Применяют следующие основные виды технологических испытаний (проб).
Проба на изгиб (рис. 1.42) в холодном и горячем состоянии — для определения способности металла выдерживать заданный изгиб; размеры образцов — длина l = 5а + 150 мм, ширина b = 2а (но не менее 10 мм), где а — толщина материала.
Рис. 1.42. Технологическая проба на изгиб: а — образец до испытания; б — загиб до определенного угла; в — загиб до параллельности сторон; г — загиб до соприкосновения сторон
Проба на перегиб предусматривает оценку способности металла выдерживать повторный изгиб и применяется для проволоки и прутков диаметром 0,8—7 мм из полосового и листового материала толщиной до 55 мм. Образцы сгибают попеременно направо и налево на 90° с равномерной — около 60 перегибов в минуту — скоростью до разрушения образца.
Проба на выдавливание (рис. 1.43) — для определения способности металла к холодной штамповке и вытягиванию тонкого листового материала. Состоит в продавливании пуансоном листового материала, зажатого между матрицей и зажимом. Характеристикой пластичности металла является глубина выдавливания ямки, что соответствует появлению первой трещины.
Рис. 1.43. Испытание на выдавливание: 1 — лист; h — мера способности материала к вытяжке
Проба на навивку проволоки диаметром d ≤ 6 мм. Испытание состоит в навивке 5—6 плотно прилегающих по винтовой линии витков на цилиндр заданного диаметра. Выполняется только в холодном состоянии. Проволока после навивки не должна иметь повреждений.
Проба на искру используется при необходимости определения марки стали при отсутствии специального оборудования и маркировки.
Механические свойства металлов
Изменение нагрузки потребителей в сети может быть различным . При малом изменении нагрузки требуется небольшой резерв мощности. В этих случаях автоматическое регулирование частоты одной так называемой частотно-регулируемой станцией.
При больших изменениях нагрузки, автоматическое регулирование частоты должно быть предусмотрено на значительном числе станций. Для этого составляются графики изменения нагрузок электростанций.
При отключении мощных линий электропередач в послеаварийных режимах, система может оказаться разделенной на отдельно не синхронно работающие части.
На электростанциях, на которых мощности может оказаться не достаточно, произойдет снижение производительности оборудования собственных нужд (питательных и циркуляционных насосов), следовательно вызовет значительное снижение мощности станции , вплоть до выхода ее из строя.
В подобных случаях для предотвращения аварий предусматриваются устройства АЧР, отключающие в таких случаях часть менее ответственных потребителей, а после включения резервных источников питания, устройства ЧАПВ включают отключенных потребителей.
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации (упругой и пластической) и разрушению. Для металлов и сплавов, работающих как конструкционные материалы, эти свойства являются определяющими. Выявляют их испытаниями при воздействии внешних нагрузок.
Количественные характеристики механических свойств: упругость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность. Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций, контроля и диагностики их прочностного состояния в процессе эксплуатации.
Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают напряжение и деформация.
Напряжение - это нагрузка (сила) P, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения F0 образца:
Деформация - это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т.п. Деформация может быть упругая (исходные размеры образца восстанавливаются после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки).
Напряжение s измеряют в паскалях (Па), деформацию e - в процентах (%) относительного удлинения (Dl/l)×100 или сужения площади сечения (DS/S)×100.
При все возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается (рис.1). В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.
Прочность - способность металлов оказывать сопротивление деформации или разрушению статическим, динамическим или знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках - усталостной прочностью.
Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками (рис.1).
Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) sв - это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Рmax, предшествующей разрушению образца:
Эта характеристика является обязательной для металлов.
Предел пропорциональности sпц - это условное напряжение Рпц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости между деформацией и нагрузкой:
Предел текучести sт - это наименьшее напряжение Рт, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:
Условный предел текучести s0,2 - напряжение, после снятия которого остаточная деформация достигает величины 0,2 %.
Если же на кривой напряжение - деформация за пределом упругости образуется площадка текучести (рис.1), то за предел текучести sт принимают напряжение, отвечающее площадке текучести.
Если после того, как напряжение превысило sт, его снять, то деформация уменьшится по пунктирной линии. Отрезок ОО ¢ показывает остаточную пластическую деформацию.
Величина sт чрезвычайно чувствительна к скорости деформации (продолжительности действия нагрузки) и к температуре. Если прикладывать к материалу напряжение меньше sт в течение длительного времени, то оно может вызвать пластическую (остаточную) деформацию. Это медленное и непрерывное пластическое деформирование воздействием постоянной нагрузки называют ползучестью (криппом).
Пластичность - свойство металлов деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после снятия этих сил. Пластичность - одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Ее характеристиками являются относительное удлинение перед разрывом d и относительное сужение перед разрывом y. Эти характеристики определяют при испытании металлов на растяжение, а их численные значения вычисляют по формулам (в процентах):
где l0 и lр - длина образца до и после разрушения соответственно;
F0и Fр - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения.
Упругость - свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость - свойство, обратное пластичности.
Твердость - способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела. Испытания на твердость - самый доступный и распространенный вид механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла. Твердость, согласно этим методам, определяют следующим образом.
По Бринеллю - в испытуемый образец с определенной силой вдавливается закаленный стальной шарик диаметром D под действием нагрузки P, и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d (рис.2,а). Число твердости по Бринеллю - НВ, характеризуется отношением нагрузки P, действующей на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка M:
Чем меньше диаметр отпечатка d, тем больше твердость образца. Диаметр шарика D и нагрузку P выбирают в зависимости от материала и толщины образца. Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 HB, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.
При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине a = 136° (рис.2,б). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d1. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности пирамидального отпечатка М:
Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм 2 ) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10-15 с, а для цветных металлов - 30 с. Например, 450 HV10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при Р = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.
Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.
При испытании на твердость по методу Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис.2,в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р0,под действием которой индентор вдавливается на глубину h0. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, под действием которой индентор вдавливается на глубину h1. После этого снимают нагрузку Р1,но оставляют предварительную нагрузку Р0.
При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h0. Разность (h – h0) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, С, или В, обозначающая соответствующую шкалу измерений.
Числа твердости по Роквеллу определяют в условных единицах по формулам:
где 100 и 130 - предельно заданное число делений индикатора часового типа с ценой деления 0,002 мм.
Трещиностойкость - свойство материалов сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях.
Трещины в материалах могут быть металлургического и технологического происхождения, а также возникать и развиваться в процессе эксплуатации. В случае возможности хрупкого разрушения для безопасной работы элементов конструкций необходимо количественно оценивать размеры допустимых трещиноподобных дефектов.
Количественной характеристикой трещиностойкости материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации в вершине трещины KIс.
Многие конструкции при эксплуатации испытывают ударные нагрузки. Для решения вопроса об их долговечности и надежности в этих условиях очень важными являются результаты динамических испытаний (нагрузка прилагается ударом с большой силой).
Переход от статических нагружений к динамическим вызывает изменение всех свойств металлов и сплавов, связанных с пластической деформацией.
Для оценки склонности материала к хрупкому разрушению применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость.
Ударная вязкость - работа, затраченная при динамическом разрушении надрезанного образца, отнесенная к площади поперечного сечения в месте надреза.
Вязкость - свойство, обратное хрупкости. Ударная вязкость ответственных деталей должна быть высокой.
Кроме числовых значений, получаемых при испытании на удар, важным критерием является характер излома. Волокнистый матовый излом без характерного металлического блеска свидетельствует о вязком разрушении. Хрупкое разрушение дает кристаллический блестящий излом.
Ударная вязкость зависит от многих факторов. Наличие в изделиях резких переходов в сечении, надрезов, вырезов и т. п. вызывает неравномерное распределение напряжений по сечению и их концентрацию. Ударная вязкость зависит также и от состояния поверхности образца. Риски, царапины, следы механической обработки и другие дефекты снижают ударную вязкость.
Динамическое нагружение вызывает повышение предела упругости и предела текучести, не переводя материал в хрупкое состояние. Но при понижении температуры, сопротивление удару резко уменьшается. Это явление называется хладоломкостью.
К хладоломким металлам относятся металлы с объемноцентрированной кубической решеткой (например, a-Fe, Mo, Cr). Для этой группы металлов при определенной минусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости. К нехладоломким металлам можно отнести металлы с гранецентрированной кубической решеткой (g-Fe, Al, Ni и др.). Хладоломкость у крупнозернистого материала наступает при более высокой температуре, чем у мелкозернистого.
Характер падения ударной вязкости напоминает порог, что привело к выражению «порог хладоломкости».
Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости Tкр.
Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Причем в ряде случаев разрушение происходит при напряжениях, лежащих ниже предела упругости.
Усталость - процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению.
Термин «усталость» часто заменяют термином «выносливость», который показывает сколько перемен нагрузок может выдержать металл или сплав без разрушения. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости s-1. Число циклов условно принято для сталей равным 10 7 , для цветных металлов - 10 -8 .
Явление усталости наблюдается при изгибе, кручении, растяжении-сжатии и при других способах нагружения.
Большое влияние на выносливость оказывают микроскопическая неоднородность, неметаллические включения, газовые пузыри, химические соединения, а также надрезы, риски, царапины, наличие обезуглероженного слоя и следов коррозии на поверхности изделий, которые приводят к неравномерному распределению напряжений и снижают сопротивление материала повторно-переменным нагрузкам.
Износостойкость - сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдельных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.
Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а ударная вязкость и трещиностойкость характеризует надежность этих деталей.
Жаропрочность - способность металлов и сплавов длительно сопротивляться началу и развитию пластической деформации и разрушению под действием постоянных нагрузок при высоких температурах. Предел кратковременной прочности, предел ползучести и предел длительной прочности - численные характеристики жаропрочности.
Свойства и методы испытания металлов
Свойства металлов принято подразделять на механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.
Механические свойства. Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность и др.
Прочность – способность тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации.
Вязкость – способность материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок. Поскольку многие материалы, вязкие в условиях медленного нагружения, становятся хрупкими при быстром (ударном) приложении нагрузки, то широко применяется определение ударной вязкости.
Хрупкость – способность тела разрушаться под действием внешних сил практически без пластической деформации.
Упругость – свойство твердого тела восстанавливать свою форму и объем после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. В конструкциях упругость проявляет себя в жесткости – способности сопротивляться деформации.
Пластичность – способность тела остаточно, не разрушаясь изменять свою форму и размеры под действием внешних сил.
Механические свойства металлов определяют при статическом (кратковременном и длительном) и динамическом нагружении, при циклическом приложении нагрузки и другими методами.
Статическое нагружение характеризуется медленным приложением и плавным возрастанием нагрузки от нуля до некоторого максимального значения. Статические испытания проводят на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и твердость.
Наибольшее распространение получил метод растяжения – самый жесткий вид испытаний. Испытания проводятся на 5 или 10 кратных образцах ( l 0 = 5 d 0 или 10 d 0 , где l 0 – длина образца, а d 0 – его диаметр), что позволяет соблюдать геометрическое подобие и получать сравнимые результаты для всех металлов. Испытания на растяжение дают информацию о прочности, упругости и пластичности материалов. Рассмотрим диаграмму растяжения малоуглеродистой отожженной стали (рис. 1.1а).
Рис. 1.1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
В начальной стадии диаграммы материалы испытывают только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки «a» эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению:
где P - приложенная нагрузка, F0- начальная площадь поперечного сечения образца.
Теоретический предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией:
Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:
где ε = Δl/l0∙100% – относительная деформация, Δl – абсолютное удлинение, l0 – начальная длина образца; Е – коэффициент пропорциональности (tg α), характеризующий упругие свойства материала – называется модулем нормальной упругости, с его увеличением возрастает жесткость изделий, поэтому Е часто называют модулем жесткости.
Теоретический предел упругости – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:
Прочность характеризуется пределом текучести физическим и условным.
Физический предел текучести – напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке:
На диаграмме пределу текучести соответствует участок « c – d », когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) - «течение» металла при постоянной нагрузке.
Большая часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести, и для них определяют условный предел текучести – напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1.1б):
При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.
В точке «В», где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» – сужения поперечного сечения, и деформация сосредотачивается именно на этом участке, то есть из равномерной переходит в местную. Напряжение в этот момент называют пределом прочности.
Предел прочности (временное сопротивление) при растяжении – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:
За точкой «В» в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке «к» при нагрузке «Рк» происходит разрушение образца.
Истинный предел прочности (истинное сопротивление разрушению) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом в момент, предшествующий разрушению образца:
где Fк – конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.
Твердость измеряется путем вдавливания в испытуемый образец твердого наконечника различной формы. Определение твердости проводят тремя наиболее распространенными методами.
По методу Бринелля под действием нагрузки в испытуемое тело внедряется стальной закаленный шарик. Число твердости обозначается НВ и представляет собой отношение статической нагрузки к площади поверхности отпечатка шарика.
По методу Роквелла в испытуемую поверхность в два этапа нагружения вдавливается индентор – алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик с диаметром 1,588мм. Число твердости обозначается НRС (конус) или НRВ (шар) и характеризуется разницей глубин проникновения индентора при первом и втором этапах нагружения.
По методу Виккерса в испытуемую поверхность вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом α = 136° между противоположными гранями. Число твердости HV определяют так же, как и в способе Бринелля, отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка пирамиды.
Пример расшифровки обозначений: Н –Hard (твердость), B – Brinell, R – Rokwell, V – Vikkers , B – Ball – (шар), C – Cone (конус)
При динамических испытаниях нагрузка прилагается с большой скоростью – ударом и определяется, таким образом, ударная вязкость. Производят испытания на маятниковом копре на стандартных образцах с надрезом. Испытания при пониженных температурах позволяют определять склонность металла к хладноломкости – резкому возрастанию хрупкости.
Физические свойства металлов. К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: температура плавления, плотность, температурный коэффициент, электросопротивление и теплопроводность. Физические свойства сплавов обусловлены их составом и структурой.
Химические свойства. К химическим свойствам относится способность материалов к химическому взаимодействию с другими веществами и агрессивными средами.
Технологические свойства. Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам. К ним относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом и др. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.
Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью сплавов к ликвации.
Деформируемость – способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузки.
Свариваемость – способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.
Эксплуатационные или служебные свойства. В зависимости от условий работы машины или конструкции определяют служебные свойства: коррозийную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, износостойкость и др.
Коррозионная стойкость – сопротивление сплава действию агрессивных сред (кислотных и щелочных).
Хладостойкость – способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже нуля.
Жаропрочность – способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.
Жаростойкость – способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.
Износостойкость – способность материала сопротивляться разрушению поверхностных слоев при трении.
Антифрикционность – способность сплава прирабатываться к другому сплаву.
Читайте также: