И принципы их определения

Свойства

Рис. 1. Структурная схема дисциплины «Материаловедение»

Для потребителя (в частности, студента) главным элементом приведенной

на рис. 1 схемы являются свойства, поскольку имеющийся комплекс физиче-

ских, механических и других свойств определяет возможность конкретного

применения того или иного материала. Из множества свойств, присущих любо-

му материалу, наиболее общими являются механическиесвойства (материа-

лы, не обладающие, например, достаточной прочностью, не могут иметь широ-

кого практического применения), они же и наиболее важны для конструкцион-

ных и инструментальных материалов, которые в основном и изучаются в дан-

ном курсе. Кроме того, механическиесвойства«структурночувствитель-

ны», то есть чутко реагируют на изменения в структуре материалов, поэтому

позволяют наглядно продемонстрировать «красную нить» материаловедения:

С остав ® С труктура ® С войства. Знание закономерностей, связывающих эти

три С (см. рис. В.1), позволяет производить оптимальныйвыборматериалов

итехнологийихобработкидляизделийразличногоназначения. Такой вы-

бор должен обеспечивать технологичность изготовления изделия, его надеж-

ность и долговечность в условиях эксплуатации и быть экономически оправ-

данным. Выработкатакогоуменияявляетсяглавнойцельюподготовки

инженеравобластиматериаловедения.

Надеемся,чтоврезультатеизученияпредлагаемогонижетеорети-

ческогокурса,выполнениялабораторныхиконтрольныхработэтацель

будетВамидостигнута.

Успеха!

Как отмечалось выше, основная часть курса «Материаловедение» и, соот-

ветственно, данного пособия посвящена металлическим сплавам – наиболее

широко применяемым конструкционным и инструментальным материалам.

РАЗДЕЛ 1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ ТЕМА 1.1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 1

Во Введении подчеркивалось, что свойства (в нашем случае - механиче-

ские) – наиболее интересующая потребителя часть информации о материале

(наряду, конечно, со стоимостью).

Механическиесвойства характеризуют поведение материалов при

внешнем (механическом) нагружении.

Наиболее общими механическими свойствами являются прочностьи

твердость,пластичностьиударнаявязкость.

Прочность – способность материала сопротивляться деформации и раз-

рушению под действием внешних нагрузок. Стандартными характеристиками

прочности, которые закладываются в конструкторский расчет, являются услов-ный предел текучести ( s 0,2) и предел прочности ( s в). Они определяются по ре-

®

зультатам статического растяжения образцов усилием (нагрузкой) Р, (рис.

1.1.1)

P

s

l 0 l s

P

Рис. 1.1.1. Схема испытаний образцов на растяжение

Приложение к телу нагрузки вызывает его деформацию – изменение раз-

меров (и часто формы) тела. В данном случае величину деформации можно

1Все изложенное в этом разделе в общих чертах справедливо для любых металлических (ме-таллов и сплавов) и неметаллических материалов.

оценить относительнымудлинением

l

d = l l 0×100 %, (1.1.1) 0

где l0 и l длина образца в исходном и деформированном состояниях соответст-венно.

Реакцией тела на деформацию является возникновение в нем внутренних напряжений,

s = P/S, (1.1.2) стремящихся предотвратить деформацию и, в конечном счете, разрушение об-разца.

При относительно небольших нагрузках деформацияобратимая–упру-гая – образец восстанавливает свои размеры (форму) при снятии нагрузки. Уп-ругая деформация подчиняется закону Гука:

s = Е×d, (1.1.3) где Е =const –модульупругости (модуль Юнга), характеризующий жесткость материала – сопротивляемость упругой деформации.

Максимальное напряжение, при котором еще выполняется закон Гука на-зывается пределом упругости (sу).

При значительных нагрузках (когда возникающее в теле напряжение s становится больше sу) деформация становится необратимой=остаточной=пластической, т.е. частично сохраняется при снятии нагрузки.

Напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2 % (d=0,2 %) называетсяусловнымпределомтекучести ( s 0,2).

Максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения

называется пределомпрочностииливременнымсопротивлением ( s в).

Все перечисленные прочностныехарактеристики ( s у, s 0,2, s в и Е) 1 очень важны, т.к. дают разностороннюю информацию о прочности материала, но, к сожалению, способ их определения трудоемок и весьма дорог. Значитель-

1Из (1.1.2) видно, что прочностные характеристики измеряются в Н/м2= Па или кгс/мм2= 10МПа.

но проще измерение твердости (Н)1 – сопротивления местной упругой и пла-

стической деформации.

Твердость определяется методом вдавливания твердого наконечника –

индентора в испытуемый образец (рис. 1.1.2) и оценивается по глубине или

размеру возникающего отпечатка (углубления). Приборы для измерения твер-

дости различаются материалом (твердостью) и формой индентора и величиной

прилагаемой нагрузки.

индентор

образец

Рис. 1.1.2. Схема испытаний образцов на твердость

Соответственно различают НВ, HRB (HRC) и HV – твердостьпоБри-

неллю,РоквеллуиВиккерсу, соответственно. НВ и HRB (индентор – закален-

ный стальной шарик) используют для измерения твердости мягких материалов;

HRC и HV (индентор – алмазные конус и пирамида соответственно) – для твер-

дых и очень твердых материалов.

Пластичность – способность материала пластически деформировать-

ся без разрушения. На явлении пластичности основаны все способы обработки

металлов давлением. Величину пластичности определяют по результатам ис-

пытаний образцов на растяжение (рис. 1.1.1) и оценивают относительнымуд-

линением (1.1.1) и относительнымсужением:

Y = (S0 – S)/S0 × 100 %. (1.1.3)

Из формул (1.1.1) и (1.1.3) очевидно, что характеристики пластичности

измеряются в %.

Ударнаявязкость характеризует сопротивление материала хрупкому

разрушению.

1От нем. Hдrte – твердость.

Поскольку «охрупчиванию» материала при данной температуре способ-

ствуют: увеличение скорости нагружения и наличие поверхностных (и внут-

ренних) дефектов типа микротрещин, то ударную вязкость определяют по ре-

зультатам ударных испытаний образцов по специальным надрезам (рис. 1.1.3).

удар

Рис. 1.1.3. Схема испытаний образцов на ударную вязкость

Величина ударной вязкости (КС) определяется как работа (А) деформа-

ции и разрушения образца, отнесенная к площади его поперечного сечения (S)

в месте надреза:

КС=А/S.

В обозначениях ударной вязкости KCU и KСV

(1.1.4)

последняя буква указыва-

ет форму надреза (испытания образца, показанного на рис. 1.1.3, соответствуют KCV). Размерность ударной вязкости Дж/м2 (1МДж/м2 = 10 кг×м/см2).

Ударная вязкость очень важная характеристика, т.к. от ее величины зави-сит эксплуатационная надежность изделий. Материалы с малой величиной ударной вязкости являются хрупкими и могут легко разрушаться даже при не-больших динамических нагрузках из-за случайных (или технологических) по-вреждений поверхности деталей или внутренних дефектов структуры.

Помимо приведенных в этом разделе существует ряд других механиче-ских свойств (методов испытаний), с которыми можно ознакомиться в учебной литературе (см. [1…4])

Знание всей совокупности этих свойств позволяет оценить конструкци-оннуюпрочность – комплексную характеристику работоспособности мате-риала в реальной конструкции.

В заключение этой темы отметим, что приведенные выше сведения явля-

ются частью курса «Сопротивление материалов». Здесь не обсуждается внут-

реннее строение материалов, без знания которого невозможно понять взаимо-

связь между химическим составом, структурой и свойствами материалов, что

является задачей «Материаловедения».

Внимание!

Вы ознакомились (нет – изучили!) с содержанием введения и темы 1.1.

Для проверки усвоения этого учебного материала попробуйте ответить на

следующие вопросы.