Механические свойства металлов и методы их определения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

 

Введение

 

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.

 

 

1. 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 d_{0 = 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-Т^{1, 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;i - соответствующая точка диаграммы растяжения, Н;0 - площадь поперечного сечения образца до испытания, мм2.}}

_{^{Предел пропорциональности σпц - это наибольшее напряжение, до которого сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией:}}

 

_{^{,   .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 %):}}

 

_{^{,   .3)}}

 

_{^{где Pупр - напряжение, соответствующее пределу упругости, Н.}}

_{^{Предел текучести физический σт - напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:}}

 

_{^{,   .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:}}

 

_{^{,   .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:}}

 

_{^{,   .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:}}

 

_{^{,    7)}}

 

_{^{где F0 - начальная площадь поперечного сечения образца;к - 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}}

Материал образца	Твердость, кгс/мм2	Толщина образца, мм	Диаметр шарика D, мм	P/D2, кгс/мм2	Нагрузка Р, кгс	Выдержка под нагрузкой, с
Черные металлы (сталь, чугун)	450 - 140	более 6 6 - 3 менее 3	10 5 2,5	30	3000 750 187,5	10
Черные металлы	Менее 140	более 6 6 - 3 менее 3	10 5 2,5	30	3000 750 187,5	30
Твердые цветные металлы (латунь, бронза, медь)	140 - 32	более 6 6 - 3 менее 3	10 5 2,5	10	1000 250 62,5	30
Мягкие цветные металлы (олово, алюминий и др.)	35 - 8	более 6 6 - 3 менее 3	10 5 2,5	2,5	250 62,5 15,6	60

 

_{^{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;- площадь полученного отпечатка, мм2;- диаметр наконечника, мм;- 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}}

Наконечник	Суммарная нагрузка Р, Н (кгс)	Отсчет по шкале	Обозначение твердости
Стальной шарик	1000 (100)	В (красная)	HRB
Алмазный конус	1500 (150)	С (черная)	HRC
Алмазный конус	600 (60)	А (черная)	HRA

 

_{^{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 0,3 мм). 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;- длина диагонали отпечатка, мм.}}

 

_{^{На практике число твердости НV находят по специальным таблицам.}}

 

_{^{. Определение ударной вязкости}}

 

_{^{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 высоту 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
	б

_{^{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;- площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см2.}}