Определения. Методы определения механических свойств металлов разделяют на

Методы определения механических свойств металлов разделяют на:

- статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);

- динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);

- циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).

1.2.2.1 Испытание на растяжение

При испытании на растяжение определяют предел прочности (s_в), предел текучести (s_т), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (y). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения F_o и рабочей (расчетной) длиной l_o. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.

Предел прочности (s_в) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (P_max/F₀).

Рисунок 1 – Диаграмма растяжения

Необходимо отметить, что при растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение F_о образца остается неизменным.

Предел текучести (s_т) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Р_т / F₀). Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел текучести (s_0,2) - напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Выбранное значение 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.

К характеристикам материала относят также предел упругости (s_пр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, s_0,05 = Р_пр / F₀ (Р_пр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).

Предел пропорциональности s_пц = Р_пц / F₀ (Р_пц – максимальная нагрузка, при действии которой еще выполняется закон Гука).

Пластичность характеризуется относительным удлинением (d) и относительным сужением (y):

d = [(l_k - l_o)/l_o]∙100% y = [ (F_o – F_k)/F_o]∙100%,

где l_k - конечная длина образца; l_o и F₀ - начальные длина и площадь поперечного сечения образца; F_k - площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.

1.2.2.2 Испытания на твердость

Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора (рис.2).

Определение твердости по Бринеллю проводится путем вдавливания в металл стального шарика. При этом на поверхности металла образуется сферический отпечаток, диаметр которого зависит от твердости металла. Диаметр шарика (Д) и нагрузки (Р) выбирают в зависимости от металла, который исследуют. При испытании стали и чугунов выбирают Д = 10 мм и Р = 30 кН, при испытании меди и её сплавов - Д = 10 мм и Р = 10 кН, а при испытании очень мягких металлов (алюминия, баббита и др.) - Д = 10 мм и Р = 2,5 кН.

а б

Рисунок 2 – Схемы определения твердости по Бринеллю(а),

Роквеллу(б) и Виккерсу(в)

Твердость металла по Бринеллю указывается буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 · 10⁶, на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ · К, Па.

Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для сталей с твердостью свыше НВ 450 и цветных металлов с твердостью более 200 НВ.

Для различных материалов установлена корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости НВ: s_в» 3,4 НВ - для горячекатаных углеродистых сталей; s_в» 4,5 НВ - для медных сплавов, s_в» 3,5НВ - для алюминиевых сплавов.

Определение твердости методом Роквелла осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах.

При измерении твердости по методу Виккерса производят вдавливание в поверхность металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV. Перевод числа твердости HV в систему СИ производится аналогично переводу числа твердости НВ.

При измерении твердости по методу Шора шарик с индентором падает на образец, перпендикулярно его поверхности, а твердость определяется по высоте отскока шарика и обозначается HS.

Твердость металла в малых объемах оценивают путем определения микротвердости. Прибор для измерения – это механизм для вдавливания индентора (алмазной пирамиды) и металлографический микроскоп. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка на образце, который должен быть подготовлен как микрошлиф. Метод применяют для определения микротвердости тонких упрочненных поверхностных слоев после химико-термической обработки (например, борированных), отдельных структурных составляющих и т.п.

1.2.2.3 Испытание на ударную вязкость

Ударная вязкость характеризует способность материала оказывать сопротивление динамическим нагрузкам и проявляющейся при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре (рис.3). По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м².

Для обозначения ударной вязкости применяют буквы КС и добавляют третью, которая указывает на вид надреза на образце: U, V, T. Запись KCU означает ударную вязкость образца с U-подобным надрезом, KCV - с V-подобным надрезом, а KCT - с трещиной, созданной в основании надреза. Работа разрушения образца при проведении ударных испытаний содержит две составляющие: работу зарождения трещины (А _з) и работу распространения трещины (А _р).

Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.

Рисунок 3 – Схема маятникового копра и ударного образца

При проведении ударных испытаний образцов с надрезом при низких температурах определяют порог хладноломкости, который характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. При переходе от вязкого к хрупкому разрушению наблюдается резкое снижение ударной вязкости в интервале температур, который имеет название температурный порог хладноломкости. При этом изменяется строение излома от волокнистого матового (вязкое разрушение) к кристаллическому блестящему (хрупкое разрушение). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (t_в.– t_хр.) или одной температурой t ₅₀, при которой в изломе образца наблюдается 50% волокнистой составляющей или же величина ударной вязкости снижается в два раза.

О пригодности материала к работе при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, который определяется по разнице между температурой эксплуатации и переходной температурой хладноломкости, и чем он больше, тем надежнее материал.

1.2.2.4 Испытания на трещиностойкость

Сопротивление материала распространению трещин или его трещиностойкость характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений К_1С. Значение К_1С определяют экспериментально на образцах с надрезом, на дне которого инициирована усталостная трещина. Для расчета К_1С при нагрузке образца фиксируют усилие в момент подрастания трещины на некоторую величину и перехода к её нестабильному распространению.

Величина К_1С характеризует сопротивление развитию вязкой трещины, и чем она больше, тем выше сопротивление материала разрушению, то есть его надежность. Коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины в момент разрушения К_1С дополняет параметры s_0,2 и модуль Юнга Е при расчетах на прочность деталей, изготовленных из высокопрочных сталей с s_в > 1500 МПа, титановых (s_в > 800 МПа) и алюминиевых (s_в > 450 МПа) сплавов. Он позволяет определить безопасный размер трещины при известном напряжении или безопасное напряжение при известном размере дефекта.

1.2.2.5 Испытания на усталость

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, которые приводят к образованию трещин и разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости.

Предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения. За максимальное s_max или минимальное s_min напряжение цикла принимают наибольшее или наименьшее по алгебраической величине напряжение. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии R = s_min /s_max. Если R =-1, то цикл называют симметричным, если s_min и s_max не равны по величине, то цикл считается асимметричным. Предел выносливости обозначается s_R, где R - коэффициент асимметрии цикла.

Для определения предела выносливости проводят испытания не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только при одном напряжении до разрушения или при базовом числе циклов. Базовое число циклов должно быть не ниже 10⁷ нагружений (для стали) и 10⁸ (для цветных металлов).

По результатам испытаний отдельных образцов строят кривые усталости в логарифмических координатах. С уменьшением s_max долговечность возрастает и напряжение, не вызывающее разрушения при базовом числе циклов (горизонтальный участок на кривой усталости), соответствует пределу выносливости s_R (рис.4).

Многие металлы (обычно цветные и их сплавы) не имеют горизонтального участка на кривой усталости и в этом случае определяют ограниченный предел выносливости, т. е. наибольшее напряжение, которое выдерживает металл в течение заданного числа циклов нагружения.

Если образование трещин или полное разрушение происходит при 5×10⁴, то такая усталость называется малоцикловой и она имеет большое значение для штампового инструмента, сосудов высокого давления, деталей самолета и т. д.

Для многих сталей отношение предела выносливости к пределу прочности при растяжении приблизительно равно 0,5, но для высокопрочных сталей это отношение уменьшается, поскольку из-за снижения пластичности затрудняется релаксация напряжений у вершины трещины и ускоряется её развитие.

Важной характеристикой конструкционной прочности является живучесть при циклическом нагружении, под которой понимают продолжительность эксплуатации детали от момента зарождения первой макроскопической усталостной трещины размером 0,5…1 мм до окончательного разрушения. Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безаварийная работа которых поддерживается путем раннего обнаружения и предотвращения дальнейшего развития усталостных трещин.

Рисунок 4 - Кривая усталости