Какое свойство материала называют надежностью металла

Обновлено: 22.01.2025

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.

Механические свойства сплавов

1. Понятие конструкционная прочность материалов и критерии её оценки

Факторы, которые определяют работу конструкционных материалов:

  • статические, циклические и ударные нагрузки;
  • низкие и высокие температуры;
  • контакт с различными средами.

Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых – эксплуатационные, технологические, экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.

Надо помнить, что требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.

Рабочая среда – жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, как правило, оказывает отрицательное влияние на механические свойства материала (коррозионное растрескивание, окисление, изменение химического состава и как результат охрупчивание и т.д.)

Температурный диапазон от -269 до 2000 о С. От материала требуется – жаропрочность, а при низких температурах – хладостойкость.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоёмкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризует возможные методы его обработки. Она оценивается: обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. От неё зависят производительность и качество изготовления детали.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Использование материалов, содержащих легирующие элементы (особенно дефицитные), должно быть обоснованно повышением эксплуатационных свойств детали. Эти требования приобретают особое значение при массовом масштабе производства.

Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев:

  • прочности;
  • надёжности;
  • долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы.

При статических нагрузках, при испытании на растяжения, предел прочности (σв) или предел текучести (σ0,2, σт) – характеризуют сопротивление материала пластической деформации (рис.1). Для приближенной оценки статической прочности используют твёрдость НВ или НR (рис.2, 3) (для стали справедливо эмпирическое соотношение σв = НВ/3).

Испытание на растяжение

Рис.1 Испытание на растяжение

Измерение твёрдости по Бринеллю

Рис.2 Измерение твёрдости по Бринеллю

При циклических нагрузках: предел выносливости σR (при симметричном круговом изгибе σ-1).

Надо помнить – чем больше прочность материала, тем большие допустимые рабочие напряжения и тем самым меньшие размеры и масса детали.

Однако – повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций:

εупр = σупр/Е,

где Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга), характеристика жёсткости металла. Именно критерии жёсткости, а не прочности обуславливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов приборов, важно обеспечить большие упругие перемещения. Тогда от материала требуется высокий предел упругости σупр и низкий модуль упругости Е.

Измерение твёрдости по Роквеллу

Рис.3 Измерение твёрдости по Роквеллу

Дополнение: для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеет эффективность материала по массе. Она оценивается удельными характеристиками:

  • удельной прочностью σв/ρg (ρ – плотность, g – ускоренное свободное падение);
  • удельной жёсткостью Е/ ρg.

Примечание: для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.

Вывод – в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в конкретных условиях эксплуатации.

Надёжность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению (внезапному отказу).

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать:

Маятниковый копёр для определения ударной вязкости

Рис. 4 Маятниковый копёр для определения ударной вязкости

Испытания на ударную вязкость

Рис.5 Испытания на ударную вязкость

Однако эти параметры определены на лабораторных образцах, без учёта реальных условий эксплуатации конкретной детали. Необходимо учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения:

  • концентраторы напряжений (надрезы);
  • понижение температуры;
  • динамические нагрузки;
  • увеличение размеров деталей (масштабный фактор).

Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость.

Трещиностойкость – группа параметров надёжности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние расчётные напряжения.

Для трещины длиной l и радиусом r напряжения в вершине:

σуmах = σср 2√ l/ r

Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее её вершина. Для пластичных материалов опасность таких дефектов не велика. Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надрезам.

Оценку надёжности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (трещины) проводят по критерию Ж.Ирвина (К).

К = σср √ α π lкр , (МПа х мм 1/2 )

где π – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

К – критерий вязкости разрушения, зависит от степени пластической деформации у вершины трещины (её затуплении) и характеризует развитие вязкой трещины. Чем он больше, тем выше надёжность материала.

Для оценки надёжности материала используют также параметры:

  • ударную вязкость КСU, КСV, КСТ (МДж/м 2 );
  • температурный порог хладноломкости Т50 .

Параметром КСV оценивают пригодность материала для сосудов давлении, трубопроводов и других конструкций повышенной надёжности.

Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он учитывается при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин).

Порог хладноломкости Т50 характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре (рис.6). Т50 – обозначает температуру при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается на половину.

порог хладноломкости

Рис.6 Температура Тхл. (Т50) порог хладноломкости

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса).

Постепенный отказ – потеря материалом работоспособности, при наступлении которой детали заменяют без угрозы аварийных последствий.

Причины потери работоспособности, т.е. постепенного отказа:

  • развитие процессов усталости;
  • изнашивание;
  • ползучести;
  • коррозии;
  • радиационного разбухания и пр.

Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжения. Цикл напряжения – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями σmaх и σmin в течение периода Т.

Синусоидальный цикл изменения напряжения характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σmin / σmaх; амплитудой напряжения σa = (σmaх σmin) /2; средним напряжением цикла σm = (σmaх + σmin) /2.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойства противостоять усталости – выносливостью (рис.7).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

  1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке;
  2. Разрушение начинается на поверхности локально;
  3. Разрушение протекает в несколько стадий и имеет характерное строение излома:
    • очаг зарождения трещины;
    • зону усталости. В это зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости.
    • зону долома.

О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости: σmaх от числа циклов нагружения N. Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченного большого числа циклов. Это напряжение представляет собой физический предел выносливости σR (R – коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле σ-1.

Испытание на выносливость

Ри.7 Испытание на выносливость

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

  • циклическую прочность – наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определённое время работы. Ограниченный предел выносливости;
  • циклическую долговечность – число циклов (часов), которое выдерживает материал до образования усталостной трещины или до усталостного разрушения при заданном напряжении.

Циклическая прочность и долговечность зависят от большого числа факторов, из которых решающее значение имеют структура и напряжённое состояние поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие коррозионной среды. (Отверстия, канавки, проточки, риски, поры, раковины, неметаллические включения и др.).

Дополнительные критерии выносливости:

  1. живучесть – определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). При высокой живучести можно своевременно путём дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу.
  2. износостойкость – свойство материала оказывать в определённых условиях трения сопротивление изнашиванию. Износ – процесс постепенного разрушения поверхностных слоёв материала путём отделения его частиц под влиянием сил трения. Его определяют по изменению размеров, объёма или массы. Существует три периода износа:
    • начальный, период приработки;
    • период установившегося (нормального) износа;
    • период катастрофического износа. Материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может катастрофически быстро разрушаться в других.

    Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки.

    • ползучесть – определяется скоростью развития пластической деформации материала при постоянном напряжении и при высоких температурах.

    Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

    1. критерии прочности σв, σ0,2, σ-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей;
    2. модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т.е. её жёсткость;
    3. пластичность δ, ψ, ударная вязкость КСТ, КСV, КСU, вязкость разрушения К, температурный порог хладноломкости Т50, которые оценивают надёжность материала при эксплуатации;
    4. циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

    2. Методы повышения конструкционной прочности

    1. Технологические.
    2. Металлургические.
    3. Конструкторские.

    Технологические. Цель – повышение прочности материала. Методами: легирования, пластической деформации, термической, термомеханической и химико-термической обработки. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов:

    • увеличение плотности дислокаций. Чем больше плотность дислокаций, тем выше сопротивление пластическому деформированию;
    • создание дислокационных барьеров в виде границ зёрен, субзёрен, дисперсных частиц вторичных фаз. Важная особенность этого фактора упрочнения состоит в том, что измельчение зёрен (увеличение протяжённости их границ) сопровождается повышением ударной вязкости. Сильное торможение дислокаций создают дисперсные частицы вторичной фазы.
    • образование полей упругих напряжений искажающих кристаллическую решётку. Такие поля образуются вблизи точечных дефектов – вакансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих элементов. Образования атмосфер Коттрелла атомами внедрения.

    Вместе с тем повышение прочности, основанное на уменьшении подвижности дислокаций, сопровождается уменьшением пластичности, вязкости и тем самым надёжности.

    Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т. е. надёжность материала.

    Например, в углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким отпуском можно получить при содержании 0,4%С ϬB ~ 2400МПа, при 0,6%С ϬB ~ 2800МПа. Однако при такой прочности стали хрупки (КСТ ~ 0), эксплуатационно не надёжны.

    Рациональное легирование предусматривает введение в сталь и сплавы нескольких элементов при невысокой концентрации каждого с тем, чтобы повысить пластичность и вязкость. Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой, особенно при использовании высокоскоростных способов нагрева – индукционного и лазерного.

    Для повышения циклической прочности и износостойкости важно затруднить деформацию поверхности деталей. Это достигается технологическими методами поверхностного упрочнения: поверхностной закалкой, ХТО, поверхностным пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкаткой роликами).

    Металлургические. Цель – повышение чистоты металла и сплава, т.е. удаление вредных примесей: серы, фосфора, газообразных элементов (кислорода, водорода, азота и зависящих от содержания неметаллических включений).

    Методы переплава: вакуумно-дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумно-индукционную плавку (ВИ), рафинирование синтетическим шлаком.

    Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности высоконапряжённых деталей. При их проектировании избегают – резких перепадов жёсткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных надрезов. Если этого избежать нельзя, то для смягчения концентрации напряжений применяют местное упрочнение для формирования остаточных напряжений сжатия.

    Механические свойства металлов

    Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, жесткостью, вязкостью). Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).

    Механические свойства металлов при статическом нагружении.В результате испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.

    Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.

    Испытания на растяжение. Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетная длина образца равна десяти- или пятикратному диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. Результаты испытаний отражают на диаграмме растяжения.

    На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 13, а) можно выделить три участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; ВС – соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.

    От начала деформации (точка О) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА – прямая линия. Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, поэтому его часто называют пределом упругости металла.

    Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичных металлов:

    а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести

    При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка текучести АА¢. В этом случае напряжение, отвечающее этой площадке, sт называют физическим пределом текучести. Физический предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.

    Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести (σ0,2).

    Участок А¢В (см. рис 13, а) соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (точка В), предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности при растяжении σв. Это характеристика статической прочности:

    где Рmax – наибольшая нагрузка (напряжение), предшествующая разрушению образца, МПа;

    F0 – начальная площадь поперечного сечения образца, м 2 .

    У пластичных металлов, начиная с напряжения σв, деформация сосредоточивается (локализуется) в одном участке образца, где появляется сужение, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется множество вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности. Сливаясь, они образуют трещину, которая распространяется в поперечном направлении растяжению, и образец разрушается (точка С). Кривая растяжения образца без площадки текучести показана на рис. 13, б.

    Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. После испытания металла на растяжение эти же образцы измеряют и определяют характеристики пластичности. Показатели пластичности – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.

    Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l – l0), к его первоначальной расчетной длине l0, выраженное в процентах:

    где l0 – первоначальная длина образца, мм;

    l – длина образца после разрыва, мм.

    Относительным сужением y называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (Fо – F), к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:

    где F0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ;

    F – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм 2 .

    Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.


    Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, размер которого характеризует твердость.

    Существует множество методов определения твердости металлов. Но лишь некоторые из них нашли широкое применение в машиностроении. Все они названы в честь своих создателей.

    Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм (рис. 14, а). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой каждому диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.

    Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и получится искаженный результат. Этот метод в основном используется для измерения твердости неупрочненного металла заготовок и полуфабрикатов.

    Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120° – для твердых и сверхтвердых (более HRC70) металлов (рис. 14, б).

    Шарик и конус вдавливаются в металл нагрузкой 60, 100 или 150 кг. Отсчет результатов измерений определяется по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 15, а). После включения нагрузки стрелка перемещается по шкале индикатора твердомера (рис. 15, б) и указывает значение твердости (рис. 15, в).


    Рис. 15. Показания индикатора прибора ТК

    При вдавливании стального шарика нагрузка – 100 кг (отсчет по внутренней (красной) шкале индикатора), твердость обозначают как НRВ. При вдавливании алмазного конуса отсчет твердости осуществляется по показанию стрелки на наружной (черной) шкале индикатора (см. рис. 15, в). Нагрузка 150 кг – для твердых металлов. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также мелких деталей нагрузка – 60 кг, обозначение твердости – НRА.

    Определение твердости по Роквеллу дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы, а отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому можно измерять твердость готовых деталей. Измерения не требуют никаких вычислений – число твердости читается на шкале индикатора твердомера. Поверхность для испытания должна быть шлифованной.


    Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50, 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют величину диагонали отпечатка (рис. 16). Зная нагрузку на пирамиду и величину диагонали отпечатка, по таблицам определяют твердость металла, обозначаемую как HV.

    Этот метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроцементации и т. п.). Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, но чем больше нагрузка, тем точнее получаемый результат.

    Прочность при динамическом нагружении(испытания на ударную вязкость – на удар).В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб. В результате определяют ударную вязкость – характеристику динамической прочности.

    Для определения ударной вязкости применяют 20 типов образцов (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 17, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 17, б). Работа удара К (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:

    К = G (h1 – h2), (6)

    где G – вес маятника, Н;

    h1 – высота подъема маятника до разрушения образца, м;

    h2 – высота подъема маятника после разрушения, м.

    Ударная вязкость обозначается КС (прежнее обозначение – aн) и подсчитывается как отношение работы, затраченной на разрушение образца К, к площади поперечного сечения образца в месте надреза F, МДж/м 2 :

    КС (aн) = К / F. (7)

    Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вязкости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква V (КСV). Например, KCU = 1 кгс×м/см 2 = 98 кДж/м 2 .

    Определение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки способности металлов, имеющих объемно центрированную кубическую решетку, к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью.

    Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до минус 100°С). Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания». Температура, при которой происходит падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости. Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит из вязкого состояния в хрупкое.

    Прочность при циклическом нагружении(испытания на усталость). Многие детали (валы, рессоры, рельсы, шестерни) в процессе работы подвергаются повторно-переменным нагрузкам. Разрушение таких деталей при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется уста-лостью. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.

    Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках. Она характеризуется наибольшим напряжением s-1, которое выдерживает металл при бесконечно большом числе циклов нагружения не разрушаясь и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для углеродистой конструкционной стали предел усталости принимается равным (0,4 – 0,5) sв.

    Значение предела выносливости зависит от целого ряда факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.


    Разрушение металлов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленное движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получает только та, которая имеет наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположена по отношению к действующему напряжению.

    Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и она перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается, пока не произойдет мгновенное разрушение. Таким образом, для усталостного излома характерно, как минимум, наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2 (рис. 18).

    Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.

    Живучесть – это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины. Она измеряется числом циклов нагружения до разрушения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.

    Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими или химико-термическими).

    3. металлические сплавы

    Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами, представляющие собой сочетание какого-либо металла (основа сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди (металл) с цинком (металл), сталь – сплав железа (металл) с углеродом (неметалл). Большинство сплавов получают путем сплавления, т. е. соединения компонентов сплава в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, металлокерамические сплавы образуются путем спекания из порошков.

    Читайте также: