Механические свойства металлов.

---

Механические свойства характеризуют поведение металлов при воздействии на них внешних сил в процессе изготовления из него заготовок или изделий либо при эксплуатации деталей в рабочих условиях, т. е. прочность, твердость (предел прочности), упругость (предел упругости), пластичность, ударная вязкость и т.д.

Прочностью называется способность металлов сопротивляться деформациям (действию внешних сил), не разрушаясь.

Пределом прочности называется максимальная величина нагрузки, отнесенная к исходной площади сечения образца, при которой начинается разрушение металла.

Твердостью называют свойство металла (сплава) сопротивляться внедрению (вдавливанию) в его поверхность более твердого постороннего тела.

Упругость – свойство металла сопротивляться прилагаемой внешней нагрузке без заметного относительного смещения атомов.

Пластичность – способность металла к остаточной (остающейся после удаления нагрузки) деформации без разрушения.

Ударной вязкостью называют способность металла (сплава) противостоять разрушению под действием ударной нагрузки.

Ползучесть – свойство металла медленно деформироваться (удлиняться) при высокой температуре под действием постоянной растягивающей нагрузки, которая создает напряжение, ниже предела упругости для данного металла.

Пределом ползучести – называется напряжение, которое вызывает заданное удлинение образца на протяжении определенного времени, например, 1% за 10000 ч при данной температуре.

Усталость металла – явление разрушения металла при его многократном нагружении.

Пределом выносливости металла называется такое наибольшее напряжение, которое металл может выдержать без признаков разрушения после заданного количества нагружений знакопеременным изгибом или другим видом деформации при закреплении испытуемого образца одним концом.

Механические свойства материалов определяют на специальных образцах. В зависимости от условий приложения нагрузки различают статические и динамические испытания. При статических испытаниях нагрузка прилагается медленно и плавно возрастает. При динамических испытаниях нагрузка прилагается с высокой скоростью.

Определение предела прочности, предела текучести, относительного удлинения и сужения.

Эти характеристики определяются при испытаниях на растяжение. Испытания выполняются на разрывных машинах с использованием специальных образцов (Рис.15.).

Головки образцов помещают в захваты разрывной машины, и образцы растягивают до разрушения.

В процессе приложения нагрузки в образце возникает напряжение ( σ ), равное отношению приложенного усилия ( Р ) к площади образца (F): σ = P / F (МПа или кгс/мм²). Под действием приложенной нагрузки возникает деформация – изменение размеров образца. Деформация может быть упругой или пластической.

Упругая деформация полностью снимается после снятия нагрузки и не приводит к заметным изменениям в структуре и свойствах материала. Различают абсолютную и относительную деформацию. Абсолютная ( ∆l – изменение размера (длины при испытаниях на растяжение), относительная ε – отношение абсолютной деформации к первоначальной длине ( l ), т.е. ∆l/l

Рис.15. Образцы для испытания металлов на растяжение

а – плоский образец, б – круглый образец.

Между напряжением и упругой относительной деформацией существует линейная зависимость – закон Гука: σ = εЕ, где Е – модуль упругости, свойство материала, характеризующее его жесткость, т.е. способность сопротивляться упругим деформациям.

Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки. При испытаниях на растяжение строится диаграмма (Рис.16.) в координатах «относительная деформация ε – напряжение (σ).

Рис.16. Диаграмма растяжения

При этом определяется: предел прочности ( σ_в ) – напряжение, при котором происходит разрушение образца (максимальная точка на кривой «ε – σ»); предел пропорциональности – максимальное напряжение, при котором отсутствует пластическая деформация.

Поскольку точное определение предела пропорциональности затруднено, в практике определяется предел текучести ( σ_т ) – напряжение, вызывающее остаточную деформацию определенной величины, например σ_0,2 – напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2% от первоначальной длины образца. При σ › σ_пц возникает остаточная деформация ε_ост.

Перед разрушением образец претерпевает пластическую деформацию, он удлиняется, при этом происходит образование шейки – уменьшение диметра.

Относительное удлинение δ = ∆l / l и относительное сужение

Ψ = (F₂ –F_k)/ F₀ (здесь F₀ и F_k первоначальная и минимальная площади образца после разрушения) характеризуют пластичность металла. Чем больше эти характеристики, тем материал пластичнее.

Методы определения твердости металла.

Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в его поверхность.

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.

Измерение твердости вдавливанием стального шарика (метод Бринелля) (ГОСТ 9012-59).

Рис.17. Прибор для испытания металлов на твердость вдавливанием стального шарика.

Измерение твердости по Бринеллю заключается в том, что в поверхность испытуемого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 2,5, 5 и 10 мм под действием статической нагрузки Р (Рис.18).

Рис. 18. Схема испытания твердости шариком

Нагрузку на шарик устанавливают пропорционально квадрату диаметру шарика. Для испытания стали и чугуна нагрузка на шарик P = 30D². Для меди и медных сплавов принята нагрузка

P = 10D² , а для баббитов и свинцовых бронз P = 2,5D².

Отношение усилия Р к площади F поверхности полученного отпечатка лунки дает значение твердости, обозначаемое НВ.

НВ = кг/мм² .

Число твердости, выраженное через диаметр шарика D и диаметр отпечатка – лунки d, характеризуется следующей формулой:

HB = кг/мм²

Диаметр отпечатка измеряется с помощью специальной лупы (Рис.19.).

Рис.19. Измерение диаметра отпечатка

Число твердости по Бринеллю дает представление о другой важной величине, характеризующей металл, – о приделе прочности при растяжении. Для низкоуглеродистой и незакаленной легированной стали предел прочности при испытании на растяжение численно равен 0,36 величины твердости, полученной испытанием по Бринеллю.

Способом Бринелля нельзя пользоваться для определения твердости металлов более 450 НВ, так как под значительной нагрузкой стальной шарик изменяет свою форму, дает неправильный отпечаток и может разрушиться.

Измерение твердости вдавливанием алмазного конуса (метод Роквелла) (ГОСТ 9013-59).

Измерение твердости по Роквеллу производиться путем вдавливания в испытуемый металл стального шарика диаметром 1,58 мм или алмазного конического наконечника с углом при вершине 120º (Рис.20). В отличие от способа Бринелля, твердость по Роквеллу определяется не по площади отпечатка, а по глубине вдавливания стального шарика или алмазного конического наконечника в изделие. При определении твердости по методу Роквелла вдавливание индентора производится действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной, равной 10 кг, и окончательной, равной 60, 100 и 150 кг.

Рис. 20 Схема контроля твердости по способу Роквелла:

алмазным конусом и стальным шариком.

Если под действием предварительной нагрузки индентор внедрился на глубину h, то под действием окончательной нагрузки он внедрится на глубину h₂. разность глубин h₁, на которые проникает индентор под действием последовательно приложенных нагрузок, характеризует твердость испытуемого материала. Число твердости, измеренное по методу Роквелла, обозначается HR и выражается в условных единицах.

На приборе Роквелла измерение глубины вдавливания индентора производится автоматически, и число твердости после измерения отсчитывается на циферблате индикатора. Индикатор стандартного прибора имеет две шкалы: черную шкалу С для испытания алмазным конусом (закаленных сталей) с нагрузкой 150 кг и красную шкалу В для испытания стальным шариком с нагрузкой 100 кг. Каждое деление шкалы соответствует единице твердости и равно глубине вдавливания на 0,002 мм.

Стальной шарик применяется для определения твердости незакаленной стали, бронзы, латуни и других материалов. Испытание очень твердых материалов производиться алмазным коническим наконечником с нагрузкой 60 кг, с отсчетом по черной шкале, обозначаемой буквой А.

При выражении твердости по Роквеллу к знаку твердости HR добавляют индекс, обозначающий шкалу, по которой производилось испытание, например HRC, HRB, HRA.

Метод Роквелла не пригоден для определения твердости неоднородных по структуре сплавов, а также тонкостенных изделий.

Таблица. 2. Выбор шкалы при определении твердости по Роквеллу

Примерная твердость по Бринеллю НВ	Обозначение шкалы Роквелла	Вид наконечника	Нагрузка
60-230	В	Стальной шарик	100
230-700	С	Алмазный конус	150
Свыше 700	А	Алмазный конус	60

Рис.21. Прибор для определения твердости по методу Роквелла (а) и шкала индикатора (б)

1 – образец, 2 – алмазный конус, 3 – индикатор.

Измерение твердости вдавливанием алмазной пирамиды (метод Виккерса) (ГОСТ 2999-75).

При измерении твердости по Виккерсу в испытуемый металл вдавливается четырехгранная алмазная пирамида, противоположные грани которой образуют угол 136º (Рис.21.). Выбор такого угла при вершине объясняется тем, что он обеспечивает наилучшее совпадение чисел твердости HV со значениями чисел твердости по Бринеллю HB. Испытания проводят на специальном прессе под нагрузкой от 5 до 100 кг. Твердость определяется при измерении диагонали квадратного отпечатка, оставшегося на поверхности образца или детали, с помощью микроскопа, имеющегося на приборе. Время приложения нагрузки Р для черных металлов 10 сек, для цветных – 30 сек.число твердости по Виккерсу можно определить по формуле

HV = = 1,854 кг/мм²

Где Р – нагрузка на пирамиду, создаваемая прибором, кг;

d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.

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.

Рис.21. Прибор для испытания на твердость вдавливанием вершины алмазной пирамиды

Для измерения твердости тонких слоев материалов и даже их отдельных структурных составляющих применяют метод микротвердости (ГОСТ 9450-76). Этот метод по существу не отличается от метода Виккерса, однако при этом используются малые нагрузки вдавливания.

Определение твердости по методу Шора.

При измерении твердости по методу Шора груз вместе с закрепленным на нем индентором (обычно стальной шарик) падает с высоты Н_п на образец перпендикулярно его поверхности. Твердость по Шору определяется по высоте отскока шарика Н_о. шкала твердости разделена на 130 единиц. Она рассчитана таким образом, что твердость закаленной эвтектоидной стали, оказывается равной 100 единицам.

Испытание на ударную вязкость.

Для полной характеристики механических свойств металлы подвергаются кроме статических испытаний еще испытанию динамическими нагрузками – ударами.

Согласно ГОСТ 9454-78, для определения ударной вязкости применяют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распространенными типами являются образцы с U-образным (Рис.22) и V-образным надрезами.

Рис.22. Образец для испытания на удар с U-образным надрезом.

Для испытания образец 5 (Рис.23) устанавливают на опорах копра надрезом по ходу рабочего хода маятника. Маятник 3 весом Р и длиной l поднимают на высоту Н и закрепляют защелкой. Затем защелку освобождают, маятник падает, разрушает образец и поднимается на некоторую высоту h по другую сторону от вертикальной оси. Угол β подъема маятника после удара фиксируется стрелкой 4 на шкале 2. работа удара А_н, затрачиваемая на разрушение образца, определяется по разности энергии маятника в положении до и после удара:

А_н = Р (H – h) кгм.

Рис. 23. Схема маятникового копра:

1 – станина; 2 – шкала; 3 – копер; 4 – стрелка; 5 – образец.

Подсчет работы удара через углы до и после удара производиться по формуле

А_н = Рl (cos β – cos α)кгм,

где Р – вес маятника в кг;

Н – высота подъема центра тяжести маятника до удара в м;

h – высота взлета маятника после удара в м;

l – расстояние от центра тяжести маятника до оси качения (длина маятника);

α и β – углы подъема маятника до и после разрушения образца.

Ударная вязкость а_н характеризуется отношением работы, затраченной на разрушение, к площади поперечного сечения образца в месте удара и определяется по следующей формуле:

а_н = кгс/см²

где F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания в см².

Ударная вязкость выявляет способность металла поглощать удар и устанавливает возможность надежной работы детали, подвергаемой ударной нагрузке, без внезапного разрушения.

Определение предела выносливости (усталости).

Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Металл, подверженный такому нагружению, может разрушаться при более низких напряжениях, чем при однократном плавном нагружении.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называют усталостью. Свойство материалов противостоять усталости называют выносливостью.

Испытания на выносливость по ГОСТ 25.502-79 проводятся на различных машинах в зависимости от характера работы деталей машин. Для определения предела выносливости испытывают не менее 15 образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений – до разрушения или до базового числа циклов.

Рис.24. Схема испытания на выносливость (усталость) консольно вращающегося образца

1 –патрон; 2 – образец; 3 – шарикоподшипник для приложения нагрузки.

В патроне 1 (Рис.24.) получающем вращение от привода машины, закрепляют утолщенным концом цилиндрический образец 2. на противоположном конце образца подвешивается груз Р, действующий на образец через шарикоподшипник 3. в данном положении верхние волокна образца испытывают напряжение растяжения, нижние – напряжения сжатия. Через ½ оборота растянутые волокна перейдут вниз и окажутся сжатыми, нижние же перейдут вверх и окажутся растянутыми. Таким образом за каждый полный оборот образца напряжение изменится, т.е. будет осуществлен цикл нагружения. Испытания проводят несколько раз, определяя каждый раз число циклов, доводящее образец до разрушения.

Пределом выносливости считается наибольшее напряжение, которое материал может выдержать N раз не разрушаясь (N – большое число, заданное техническими условиями, например 10⁶, 10⁷ и др.).

Технологические свойства и технологические пробы металлов.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуются литейными свойствами, ковкостью, свариваемостью и обрабатываемостью режущим инструментом.

Литейные свойства металлов в основном определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью к ликвации.

Жидкотекучесть – это способность металла заполнять литейную форму. Она зависит от вязкости, поверхностного натяжения и температуры заливки расплава.

Усадка – показывает разницу между линейными размерами модели и отливки. Чем меньше усадка металла, тем меньше его склонность к образованию усадочных раковин.

Ковкостью металла называется его способность поддаваться обработке давлением, принимать новую форму под воздействием удара или давления как в холодном, так и в нагретом состоянии.

Свариваемость – способность металла давать прочное, неразъемное соединение при нагреве свариваемых кромок до температуры плавления или белого каления и приложении определенного давления.

Обрабатываемостью называется свойство металла легко подвергаться механической обработке.

Упрочняемость – способность металлов и сплавав улучшать свои свойства за счет термической, химико-термической, механической и других видов обработки.

Прокаливаемость – способность металла воспринимать закалку на некоторую глубину. Прокаливаемость характеризуется критическим диаметром прутка, который закаливается насквозь.

Технологические пробы.

Технологическими пробами называют испытания, выявляющие способность металла претерпевать определенные деформации под воздействием внешних сил, подобных тем, которые металл должен испытывать при обработке или в условиях дальнейшей службы в виде детали.

Проба на загиб в холодном и горячем состоянии.

Проба на загиб служит для определения способности металла принимать заданный по размерам и форме загиб. Образцы имеют размер: длину L = 5а + 150 мм и ширину b = 2а, но не менее 10 мм. Образец устанавливается на два опорных ролика и сверху посередине к нему прилагают усилие с помощью пресса или оправки (Рис.25.) .

Рис.25. Проба на загиб.

В зависимости от технических условий могут быть применены три типа загиба:

Рис.26. Загиб до определенного угла;

Рис.27. Загиб до параллельности сторон;

Рис.28. Загиб до соприкосновения сторон образца.

Проба может производиться в холодном или нагретом состоянии. Образец считается выдержавшим пробу, если в нем после загиба отсутствуют трещины, надрывы, расслоения и излом.

Проба на осадку в холодном состоянии.

При изготовлении из пруткового материала болтов, винтов, заклепок и др. необходима значительная пластичность металла, так как головки болтозаклепочных изделий получаемых из прутка диаметром меньше 30 мм, обычно осаживаются в холодном состоянии.

Форма образца для испытания (Рис.29.) – цилиндр диаметром d и высотой h = 2d . Образцы диаметром до 15 мм осаживаются молотком или кувалдой, а диаметром свыше 15 мм осаживаются под прессом до высоты h₁. Признаком того, что образец выдержал пробу, служит отсутствие в нем после осадки трещин, надрывов или излома.

Рис.29. а – образец для испытания на осадку

б – вид образца после осадки.

Проба труб на бортование. (Рис.30.а.)

Этот вид испытаний применяется для труб. Качество трубы определяется ее способностью выдерживать без повреждения отгибание борта на 90º. Конец трубы или отрезок длиной не менее 0,5 D отбортовывается с помощью стальной закаленной оправки до получения заданного диаметра борта D.

Проба труб на загиб. (Рис.30.б.)

Применяется для труб с наружным диаметром более 114 мм. Качество металла определяется по способности образца трубы загибаться без повреждения на угол 90º вокруг оправки заданного радиуса любым способом: на станке или вручную, с наполнителем или без наполнителя, с внутренней оправкой или без оправки. Уменьшение наружного диаметра трубы при испытании не должно превышать 15% начальной величины диаметра.

Рис.30. а – проба труб на бортование;

б – проба труб на загиб

Проба на искру.

Применяется в тех случаях, когда нужно быстро установить марку стали. Основана эта проба на том, что снимаемая при обработке стали на абразивных кругах стружка, сгорая в воздухе, образует сноп искр. Характер искр, их форма и цвет – от ослепительно белого до темно-красного – различны и зависят от химического состава стали (Рис.31.).

Марки углеродистой стали (в) дают белый пучок искр с отдельными звездочками, причем, чем больше в стали углерода, тем больше звездочек и тем короче пучок искр.

Марганцовистая сталь с содержанием 10 -14 % Мn дает тонкие и длинные светло-желтые линии с крупными звездочками (г), быстрорежущие стали – небольшой пучок искр темно-красного цвета, почти без звездочек (а). Кремнистые стали дают линии с крупными редкими звездочками (б), хромистые стали – искры соломенно-желтого оттенка, прерывистыми линиями, с мелкими частыми звездочками (д).

Рис.31. Проба стали на искру