Какие основные характеристики приняты для оценки механических свойств металлов

Механические свойства металлов и сплавов

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, вязкость, пластичность, твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они являются главными характеристиками металла или сплава.

Рассмотрим некоторые термины, применяемые при характеристике механических свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,— деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не исчезающие после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.

Напряжением

называется величина внутренних сил, возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

Под прочностью материала понимают его способность сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при механических испытаниях. К статическим испытаниям на прочность относятся растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость. Эластичностью называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью — способность пластически деформироваться без разрушения.

Вязкость

— это свойство материала, которое определяет его способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть одновременно прочными и пластичными.

Твердость

— это способность материала сопротивляться проникновению в него других тел.

Выносливость

— это способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.

Износостойкость

— это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Ползучесть

— это способность материала медленно и непрерывно пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при высоких температурах).

Поведение некоторых металлов (например, отожженной стали) при испытании на растяжение показано на рис. 3

. При увеличении нагрузки в металле сначала развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом незначительно. Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой). Наибольшее напряжение, предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при растяжении.

Рис. 3. Диаграмма деформации при испытании металлов на растяжение.

Напряженное состояние

— это состояние тела, находящегося под действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела происходит неравномерно.

Внутренние напряжения образуются при быстром охлаждении или нагревании в температурных зонах перехода от пластического к упругому состоянию металла. Эти температуры для стали соответствую 400—600°. Если образующиеся внутренние напряжения превышают предел прочности, то в деталях образуются трещины, если они превышают предел упругости, то происходит коробление детали.

Предел прочности при растяжении в кг/мм2

определяется на разрывной машине как отношение нагрузки Р в кГ, необходимой для разрушения стандартного образца (
рис. 4, а
), к площади поперечного сечения образца в мм2.

Рис. 4. Методы испытания прочности материалов: а — на растяжение; б — на изгиб; в — на ударную вязкость; г — на твёрдость

Предел прочности при изгибе в кГ/мм2

определяется разрушением образца, который устанавливаете» на двух опорах (
рис. 4, б
), нагруженного по середине сосредоточенной нагрузкой Р.

Для установления пластичности материала определяют относительное удлинение δ при растяжении или прогиб ƒ при изгибе.

Относительное удлиненней δ в %

определяется на образцах, испытуемых на растяжение. На образец наносят деления (рис. 4, а) и измеряют между ними расстояние до испытания (l0) и после разрушения (l) и определяют удлинение

δ = l-lo / lo · 100%

Прогиб при изгибе в мм определяется при помощи прогибомера машины, указывающего прогиб ƒ, образующийся на образце в момент его разрушения (рис. 4, б).

Ударная вязкость в кГм/см2 определяется на образцах (рис. 4, в

), подвергаемых на копре разрушению ударом отведенного в сторону маятника. Для этого работу деформации в кГм делят на площадь поперечного сечения образца в см 2.

Твердость по Бринелю (НВ) определяют на зачищенной поверхности образца, в которую вдавливают стальной шарик (рис. 4, г

) диаметром 5 или 10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кГ и замеряют диаметр d образовавшейся лунки. Отношение нагрузки в кГ к площади лунки πd2 / 4 в мм2 дает число твердости.

Показатели для механических свойств для основных сплавов приведены в табл. 1

.

Теория сплавов

Металлическим сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обла­дающий металлическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав называются компонентами.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму размер и характер взаимного распо­ложения фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строе­ние с присущими им характерными особенностями.

Виды сплавов по структуре. По характеру взаимодействия ком­понентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механи­ческие смеси, химические соединения и твердые растворы.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристалличес­кую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состо­ящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения ком­понентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам свойства смеси.

Химическое соединение образуется когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. При этом при этом соотношение чисел атомов в соединении соответствует его химичес­кой формуле АmВn . Химическое соединение имеет свою кристалли­ческую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеют однородную структу­ру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.

При образовании твердого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Твердые растворы заме­щения образуются в результате частичного замещения атомов крис­таллической решетки одного компонента атомами второго (рис. 6, б).

Твердые растворы внедрения образуются когда атомы растворенного компонента внедряются в кристаллическую решетку компонента -растворителя (рис. 6, в). Твердый раствор имеет однородную струк­туру, одну кристаллическую решетку. В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определен­ном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Обо­значают твердые растворы строчными буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ и т. д.

Ползучесть.

Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки. С появлением воздушно-реактивных двигателей, газовых турбин и ракет стали приобретать все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитие сдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов.

При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается. При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах.

Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рис. 3. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800° С, не обнаруживая чрезмерной ползучести.

Срок службы деталей в условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор должен всегда иметь в виду эти два возможных варианта. Пригодность материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при повышенных температурах, например лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры. См. также

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ.

Технологические свойства металлов

Технологические свойства металлов и сплавов важны в первую очередь при их производстве, так как от них зависит способность подвергаться различным видам обработки с целью создания разнообразных изделий.

Среди основных технологических свойств можно выделить:

• Ковкость.
• Текучесть.
• Свариваемость.
• Прокаливаемость.
• Обработку резанием.

Под ковкостью понимается способность металла менять форму в нагретом и холодном состояниях. Ковкость метала, была открыта еще в глубокой древности, так кузнецы, занимающиеся обработкой металлических изделий, превращением их в мечи или орала (в зависимости от потребности) на протяжении многих веков и исторических эпох были одной из самых уважаемых и востребованных профессий.

Способность двух металлических сплавов при нагревании соединяться друг с другом называют свариваемостью.

Текучесть металла тоже очень важна, она определяет способность расплавленного метала растекаться по заготовленной форме.

Свойство металла закаливаться называется прокаливаемостью.

Химические свойства металлов

Все мы, так или иначе, но сталкиваемся с химией в нашей повседневной жизни. Например, во время приготовления еды, растворение поваренной соли в воде является простейшей

химической реакцией. Вступают в разнообразные химические реакции и металлы, а их способность реагировать с другими веществами это и есть их химические свойства.

Среди основных химических свойств или качеств металлов можно выделить их окисляемость и коррозийную стойкость. Реагируя с

кислородом, металлы образуют пленку, то есть проявляют окисляемость.

Аналогичным образом происходит и коррозия металлов – их медленное разрушение по причине химического или электрохимического взаимодействия. Способность металлов противостоять коррозии называется их коррозийной стойкостью.

( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )

И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Цель работы: изучить способы определения основных механических свойств металлических материалов.

Теоретические сведения

Механические свойства определяют способность металлов сопротивляться воздействию внешних сил (нагрузок). Они зависят от химического состава металлов, их структуры, характера технологической обработки и других факторов. Зная механические свойства металлов, можно судить о поведении металла при обработке и в процессе работы машин и механизмов.

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Прочность – способность металла не разрушаться под действием приложенных к нему внешних сил.

Пластичность – способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения.

Твердость – способность металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела.

Ударная вязкость – степень сопротивления металла разрушению при ударной нагрузке.

Механические свойства определяют путем проведения механических испытаний.

Испытания на растяжение. Этими испытаниями определяют такие характеристики, как пределы пропорциональности, упругости, прочности и пластичность металлов. Для испытаний на растяжение применяют круглые и плоские образцы (рисунок 2.1, а, б), форма и размеры которых установлены стандартом. Цилиндрические образцы диаметром d0 = 10 мм, имеющие расчетную длину l0 = 10d0, называют нормальными, а образцы, у которых длина l0 = 5d0, – короткими. При испытании на растяжение образец растягивается под действием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.

Разрывные машины снабжены специальным самопишущим прибором, который автоматически вычерчивает кривую деформации, называемую диаграммой растяжения. Диаграмма растяжения в координатах «нагрузка Р – удлинение ∆l» отражает характерные участки и точки, позволяющие определить ряд свойств металлов и сплавов (рисунок 2.1). На участке 0 – Рпц удлинение образца увеличивается прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше Рпц, на участке Рпц – Pупр прямая пропорциональность нарушается, но деформация остается упругой (обратимой). На участке выше точки Pvпр возникают заметные остаточные деформации, и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке Рт появляется горизонтальный участок диаграммы — площадка текучести Т-Т1, которая наблюдается, главным образом, у деталей из низкоуглеродистой стали. На кривых растяжения хрупких металлов площадка текучести отсутствует. Выше точки Рт нагрузка возрастает до точки А, соответствующей максимальной нагрузке Рв, после которой начинается ее падение, связанное с образованием местного утонения образца (шейки). Затем нагрузка падает до точки В, где и происходит разрушение образца. С образованием шейки разрушаются только пластичные металлы.

а, б – стандартные образцы для испытания на растяжение;

в – диаграмма растяжения образца из пластичного материала

Рисунок 2.1 – Испытание на растяжение

Усилия, соответствующие основным точкам диаграммы растяжения, дают возможность определить характеристики прочности, выраженные в мегапаскалях, МПа, по формуле

, (2.1)

где σi – напряжение, МПа;

Pi – соответствующая точка диаграммы растяжения, Н;

F0 – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм2.

Предел пропорциональности σпц – это наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией:

, (2.2)

где Pпц – напряжение, соответствующее пределу пропорциональности, Н.

Предел упругости σупр – напряжение, при котором пластические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допуском (обычно 0,05 %):

, (2.3)

где Pупр – напряжение, соответствующее пределу упругости, Н.

Предел текучести физический σт— напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:

, (2.4)

где Pт – напряжение, соответствующее пределу текучести, Н.

Если площадка текучести на диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести σ0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.

Предел прочности (временное сопротивление) σв — напряжение, равное отношению наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, к первоначальной площади его сечения:

, (2.5)

где Pв – напряжение, соответствующее пределу прочности, Н.

По результатам испытания на растяжение определяют характеристики пластичности металлов.

Показатели пластичности металлов — относительное удлинение и относительное сужение – рассчитывают по результатам замеров образца до и после испытания.

Относительное удлинение δ находится как отношение увеличения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах:

, (2.6)

где lk – длина образца после разрыва, мм;

l0 – расчетная (начальная) длина образца, мм.

Относительное сужение ψ определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженным в процентах:

, (2.7)

где F0 – начальная площадь поперечного сечения образца;

Fк – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Методы определения твердости.Наиболее распространенным методом определения твердости металлических материалов является метод вдавливания, при котором в испытуемую поверхность под действием постоянной статической нагрузки вдавливается другое, более твердое тело (наконечник). На поверхности материала остается отпечаток, по величине которого судят о твердости материала. Показатель твердости характеризует сопротивление материала пластической деформации, как правило, большой, при местном контактном приложении нагрузки.

Твердость определяют на специальных приборах – твердомерах, которые отличаются друг от друга формой, размером и материалом вдавливаемого наконечника, величиной приложенной нагрузки и способом определения числа твердости. Так как для измерения твердости испытывают поверхностные слои металла, то для получения правильного результата поверхность металла не должна иметь наружных дефектов (трещин, крупных царапин и т. д.).

Измерение твердости по Бринеллю. Сущность этого способа заключается в том, что в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм в зависимости от толщины образца под действием нагрузки, которая выбирается в зависимости от предполагаемой твердости испытуемого материала и диаметра наконечника по формулам: Р = 30D2; Р = 10D2;
Р = 2,5D2 (таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Выбор диаметра шарика D и нагрузки Р

На поверхности образца остается отпечаток (рисунок 2.2, а), по диаметру которого определяют твердость. Диаметр отпечатка измеряют специальной лупой с делениями.

Твердость рассчитывают по формуле

, (2.8)

где НВ – твердость по Бринеллю, кгс/мм2;

Р – нагрузка при испытании, кгс или Н;

F – площадь полученного отпечатка, мм2;

D – диаметр наконечника, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

Рисунок 2.2 – Измерение твердости методами Бринелля (а),

Роквелла (б), Виккерса (в)

На практике пользуются специальными таблицами, которые дают перевод диаметра отпечатка в число твердости, обозначаемое НВ. Например: 120 НВ, 350 НВ и т.д. (Н – твердость, В – по Бринеллю, 120, 350 – число твердости в кгс/мм2, что соответствует 1200 и 3500 МПа).

Этот способ применяют, главным образом, для измерения твердости незакаленных металлов и сплавов: проката, поковок, отливок и др.

Твердомер Бринелля можно использовать в том случае, если твердость материала не превышает 450 кгс/мм2. В противном случае произойдет деформация шарика, что приведет к погрешностям в измерении. Кроме того, твердомер Бринелля не применяется для испытания тонких поверхностных слоев и образцов тонкого сечения.

Измерение твердости по Роквеллу. Измерение осуществляют путем вдавливания в испытуемый металл стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120° (см. рисунок 2.2, б).В отличие от метода Бринелля твердость по Роквеллу определяют не по диаметру отпечатка, а по глубине вдавливания наконечника.

Вдавливание производится под действием двух последовательно приложенных нагрузок — предварительной, равной ≈ 100 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной 1400, 500 и 900 Н. Твердость определяют по разности глубин вдавливания отпечатков. Для испытания твердых материалов (например, закаленной стали) необходима нагрузка 1500 Н, а вдавливание стальным шариком нагрузкой 1000 Н производят для определения твердости незакаленной стали, бронзы, латуни и других мягких материалов. Глубина вдавливания измеряется автоматически, а твердость после измерения отсчитывается по трем шкалам: А, В, С (таблица 2.2).

Таблица 2.2 – Наконечники и нагрузки для шкал А, В, С

Твердость (число твердости) по Роквеллу обозначается следующим образом: 90 HRA, 80 HRB, 55 HRC (Н – твердость, Р – Роквелл, А, В, С – шкала твердости, 90, 80, 55 – число твердости в условных единицах).

Определение твердости по Роквеллу имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы без дополнительных измерений; размер отпечатков очень незначителен, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи.

Измерение твердости по Виккерсу. Данный метод позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов. Он пригоден для определения твердости очень тонких поверхностных слоев (толщиной до 0,3мм). В этом случае в испытуемый образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136о (см. рисунок 2.2, в). При таких испытаниях применяются нагрузки от 50 до 1200 Н. Измерение отпечатка производят по длине его диагонали, рассматривая отпечаток под микроскопом, входящим в твердомер. Число твердости по Виккерсу, обозначаемое НV, находят по формуле

, (2.9)

где Р – нагрузка, Н;

d – длина диагонали отпечатка, мм.

На практике число твердости НV находят по специальным таб-лицам.

Определение ударной вязкости производят на специальном маятниковом копре (рисунок 2.3). Для испытаний применяется стандартный надрезанный образец, который устанавливается на опорах копра. Маятник определенной массой поднимают на установленную высоту Н и закрепляют, а затем освобожденный от защелки маятник падает, разрушает образец и снова поднимается на некоторую вы-
соту h. Удар наносится по стороне образца, противоположной надрезу. Для испытаний используют призматические образцы с надрезами различных видов: U-образный, V-образный, T-образный (надрез с усталостной трещиной).

а – схема испытания; б – образцы для испытаний.

Рисунок 2.3 – Испытания на ударную вязкость

Ударная вязкость КС (Дж/см2) оценивается работой, затраченной маятником на разрушение стандартного надрезанного образца, отнесенной к сечению образца в месте надреза:

, (2.10)

где А – работа, затраченная на разрушение образца (определяется по разности энергий маятника до и после удара: А0 – А1), Дж;

F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см2.

В зависимости от вида надреза в образце ударная вязкость обозначается KCU, KCV, KCТ (третья буква – вид надреза).

Материалы и принадлежности

· Образцы для испытания на растяжение, твердость и ударную вязкость.

· Разрывная испытательная машина.

· Твердомеры Бринелля, Роквелла, Виккерса.

· Маятниковый копер.

· Штангенциркуль.

Порядок выполнения работы

Испытания на растяжение

2.3.1.1 Измерить рабочую длину и диаметр образца перед испытанием, записать данные в протокол испытаний.

2.3.1.2 Подготовленный для испытания образец поместить в зажимы машины.

2.3.1.3 Включить электродвигатель.

2.3.1.4 Наблюдать за перемещением стрелки по шкале машины, зафиксировать нагрузку, соответствующую текучести образца, и наибольшую нагрузку, предшествующую разрушению образца, записать в соответствующие графы протокола испытаний.

2.3.1.5 После разрыва образца выключить электродвигатель, обе части образца вынуть из зажимов, снять с диаграммного аппарата часть бумажной ленты с записанной диаграммой.

2.3.1.6 Обе части образца плотно приложить одну к другой, измерить длину и диаметр образца в месте разрыва, записать данные в протокол испытаний.

2.3.1.7 Рассчитать характеристики прочности и пластичности материала, записать полученные данные.