Механические свойства металлов

Механические свойства устанавливают по результатам статиче­ских, динамических и усталостных (на выносливость) испытаний.

Статические испытания характеризуются медленным и плавным приложением нагрузки. Основными из них являются: испытания на растяжение, твердость и вязкость разрушения.

Для испытания на растяжение используют стандартные образцы с расчетной длиной l_p=\0d и площадью 11, 3 А, „ где d и А„ - соответ­ственно диаметр и площадь поперечного сечения образца сортового проката круглого, квадратного или прямоугольного сечения.

Испытания проводят на разрывных машинах с автоматической за­писью диаграммы растяжения. На рис. 7.4 представлена такая диа­грамма для среднеуглеродистой стали. Кривая 1 характеризует пове­дение металла под действием условных напряжений, а = Р/А„, а кри­вая 2 - под действием истинных напряжений, S = Р/А_х, (где А„ и А_х - соответственно площади поперечного сечения образца до испытания и на каждой ступени нагружения вплоть до разрушения. Обычно пользуются диаграммой условных напряжений, хотя более объектив­ной является кривая 2. Напряжение < 7_У (точка К на диаграмме) харак­теризует предел пропорциональности. Его оценивают по отношению (tga₍, - tga/)/ tga», которое не должно превышать 0, 5 (здесь оц, и а, - соответственно углы наклона касательных к началь­ному участку диаграммы при линейной и нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями.

Рис. 7.4. Диаграммы растяжения металла: а) для условных (сплошные линии) и истинных (штриховые линии) на­пряжений; I - область упругой деформации; II -то же пластической; III - область развития трещин; б) условно истинных напряжений

О)

Предел упругости определяют напряжением, при кото­ром остаточная деформация удлинения не превышает 0, 05%. Пре­дел текучести характеризуется условным пределом текучести, < 7о.2, при котором остаточная деформация не превышает 0, 2%. Физический предел текучести, ст, - соответствует напряжению, при котором образец деформируется без дальнейшего увеличения нагруз­ки. Напряжение сгц (точка М на диаграмме), отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется вре­менным сопротивлением (пределом прочности). Начиная с этого момента деформация локализуется на одном участке образца, напряжение падает и происходит разрушение (точка N на диаграмме). Истинное сопротивление разрушению S_K, как видно из диаграммы, больше сг_д, что свидетельствует об упрочнении (наклепе) металла при испытании. Различие больше для пластичных и незначи­тельно для хрупких металлов. Для высокоуглеродистых сталей 5/=ау и Sу ~ S_K, так как хрупкие металлы почти не испытывают пластиче­ских деформаций. Sk(S-ij при хрупком разрушении характеризует со­противление металлов отрыву. Для материалов хрупких при испыта­нии на растяжение, применяют статические испытания на сжатие (для чугуна), на кручение (для закаленных и конструкционных ста­лей) и изгиб (для отливок из серого и ковкого чугуна).

Пластические свойства металлов характеризуются относи­тельным удлинением, S = [(1к -1,,)/ 4] 100% и сужени­ем, ^ = \(А„ - А к)/ А о] 100%, где /«, 1_К и А„, А_к- соответственно длина и площадь поперечного сечения образца до и после разрушения.

Твердость металлов испытывают путем вдавливания в него под определенной нагрузкой стального шарика, алмазного конуса или пирамиды (рис. 7.5) и оценивают по величине произведенной пласти­ческой деформации (отпечатку). В зависимости от вида используемо­го наконечника и критерия оценки различают твердость по Бринел- лю, Роквеллу и Виккерсу.

Рис.7.5. Схема определения твердости: а) по Бринеллю: б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

Твердость металлов по Бринеллю рассчитывают по формуле:

НВ = 2.Р/nD(D -Jd² -d²)10~ ^[6] , МПа, (7.1)

где Р - нагрузка, (Н); D - диаметр стального шарика, (м). В приборе принят D = 1 • 10'² м; d - диаметр отпечатка (лунки), (м).

При испытании значение Р принимают: для стали и чугуна - 3-Ю⁴ Н, меди и сплавов - МО⁴ Н, а очень мягких металлов (алюми­ния, баббита) - 2, 5-10³ Н. Метод применим для металлов и сплавов с твердостью не более 4500 МПа, так как при большей твердости стальной шарик может деформироваться.

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах по форму­лам:

HR= 100-е (при вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120°), (7.2)

HR = 130 - е (при вдавливании стального шарика, D= 1, 588-10" ³ м), (7.3)

где е = (h - /? «)/2-10" ⁶, h - глубина внедрения наконечника (м), под дей­ствием общей нагрузки Р после снятия основной нагрузки Р,, h₀ - глубина внедрения наконечника под действием предварительной на­грузки Р„, (м).

Предварительная нагрузка Р₍, при испытаниях независимо от вида наконечника принята 100 Н; основная Р/ для стального шарика - 900 Н (шкала В), алмазного конуса - 1400 Н (шкала С) и 500 Н (шкала А). В соответствии с этим твердость по Роквеллу обозначается HRA, HRB, HRC. Метод широко применяется в промышленности, особенно для твердых и тонколистовых металлов и сплавов.

Твердость по Виккерсу определяют по формуле:

HV= 1, 8544 (P/d²) • 10⁶, МПа,

где Р - нагрузка на алмазную пирамиду от 500 до 1200 Н; d - средне­арифметическое значение двух диагоналей отпечатка, м.

Твердость по Виккерсу обозначается HV5, HV10 и т.д. Чем тонь­ше и тверже металл и сплав, тем меньше должна быть нагрузка при испытании.

Для определения микротвердости мелких изделий и структурных составляющих металлов используют также метод Виккерса в при­борном сочетании с металлографическим микроскопом.

Испытание металлов на вязкость разрушения проводят на стан­дартных образцах с надрезом при трехточечном изгибе. Метод по­зволяет оценить сопротивление металла распространению, а не заро­ждению трещины или трещиноподобного дефекта любого происхож­дения, всегда имеющегося в металле. Вязкость разрушения оценива­ется параметром К, представляющим собой коэффициент интенсив­ности напряжений или локальное повышение растягивающих напря­жений (МПа) в вершине трещины:

К = Ya_H 4пС.

Условие стабильного существования трещины без ее роста и раз­вития будет К < К/_с, где K_tc - критический коэффициент интенсивно­сти напряжений, определяемой при испытании образцов-балочек с надрезом на изгиб. Он характеризует трещиностойкость металла и является структурно-чувствительной характеристикой; уменьшается при понижении температуры, увеличении скорости приложения на­грузки и коррозии металла.

Динамические испытания металлов проводят на ударный изгиб и знакопеременное циклическое нагружение. На ударный изгиб ис­пытывают образцы металла размерами (1x1x5, 5)10" ² м с концентра­тором напряжения (надрезом) посредине. Испытание проводят на маятниковом копре. Сопротивление металла ударному изгибу назы­вают ударной вязкостью и обозначают KCU, KCV и КСТ (где КС - символ ударной вязкости, a U, V и Т - вид и размер концентратора напряжения). Она представляет работу Q удара, отнесенную к на­чальной площади Ац сечения образца в месте концентратора, т.е. КС = Q/Ao, МДж/м². Ударная вязкость характеризует сопротивление металла хрупкому разрушению и используется для определения по­рога хладноломкости.

Сопротивление металла циклическому нагружению характеризу­ется максимальным напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за заданное число циклов и называется пределом выносливости, Применяют симметричные и несимметричные циклы нагружения. Предел выносливости резко снижается при нали­чии концентраторов напряжений. Чувствительность к ним при сим­метричном цикле нагружения определяется эффективным коэффици­ентом напряжений К₀ф = < x//ct./_W (где a.i и < t._/w - пределы выносливо­сти образцов гладкого и с надрезом).